水资源配置对水资源承载能力影响研究

俞祎波 董增川 刘淼 陆小明 朱斌

摘要：为了解区域水资源承载状态和社会经济发展潜力，需明确水资源支撑社会经济规模的阈值。通过辨析水资源承载能力与水资源优化配置的基本内涵，进一步阐述了水资源承载能力的计算方法。选取南京市为研究区，以2015年为典型年，计算水资源配置后南京水资源承载能力，结合水资源承载度计算结果，分析南京市水资源承载状态，结果表明水资源配置有效提升了南京市的水资源承载能力，缓解了水资源承载压力。

关键词：水资源；水资源承载能力；水资源配置；南京市

中图分类号：TV213.4

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.010

水是重要的自然资源之一，是生态环境是否健康的决定性因素，更是经济社会可持续发展的基础。近年来，随着社会经济迅速发展，水资源被掠夺式开发，水生态环境遭受严重破坏，水资源短缺、水环境污染已成为人类社会经济快速发展的巨大障碍。为了解区域水资源对社会经济的承载程度，促进水资源的可持续利用，水利部办公厅发布“关于做好建立全国水资源承载能力监测预警机制工作的通知”，在核算区域水资源承载能力的基础上，建立可行、科学的水资源承载能力监测预警机制。

水资源承载能力是承载能力的衍生概念，于20世纪80年代末由我国学者提出，并就其概念内涵、量化方法等方面开展了大量研究工作，但针对水资源配置与水资源承载能力之间关系的研究相对较少。笔者基于《全国水资源承载能力预警机制工作大纲》，以2015年为典型年，分别计算了水资源配置前后的南京市水资源承载能力，分析了水资源配置与水资源承载能力之间的关系，并据此提出南京市提高水资源承载能力的建议。

1水资源承载能力概念辨析与研究进展

承载能力是最初由古希腊哲学家亚里士多德提出的一个极限概念。联合国粮农组织（FAO）和教科文组织（UNESCO）在20世纪70年代对承载力的概念组织了许多开创性的研究。我国从20世纪80年代开始将承载力的概念应用于水资源领域，但迄今对水资源承载能力的定义仍没有达成一致，目前主要有3种观点：第一种是以施雅风等 为代表的，认为水资源承载能力是水资源能够对区域提供的最大支撑能力，即一定条件下区域水资源对当地人口、经济可以提供的最大供水量；第二种是以夏军等为代表的，认为水资源承载能力是“最大承载规模”，即区域水资源在一定条件下能承载的最大人口经济规模：第三种观点是利用水环境最大承受能力去定义水资源承载能力，即在不破坏生态环境的前提下，水资源最大的开发容量。

综合以上3种定义，考虑到本文最终目的是解决区域水资源短缺和社会经济可持续发展问题，因此参考夏军院士对水资源承载能力内涵的理解，对水资源承载能力定义为：以可持续发展为原则，在维护生态与环境良性发展的前提下，根据当时的科学技术和经济发展水平，水资源所能支撑的最大社会经济规模。

20世纪60年代，国外学者开始利用系统科学方法对水资源进行优化配置。随着计算机技术和综合管理等学科的发展，水资源配置已经从单一的用水调配发展到考虑社会、经济、环境的综合调配，水资源配置模型从简单的水量分配发展成注重与经济、社会系统相结合的水资源综合管理模型。

目前，国内学者认为水资源配置是指在研究范围内遵循高效、公平和可持续性原则，对多种可利用的水源在各区域和各用水部门之间进行的调配。国内外在水资源优化配置和水资源承载能力的研究均已有丰富的成果，但对两者之间的关系方面论述尚不多见。目前国内对水资源承载能力和水资源优化配置之间的关系研究主要集中在水资源承载能力对水资源优化配置的影响，以左其亭等为代表，将水资源承载能力作为水资源优化配置模型的约束条件，而水资源配置对水资源承载能力的影响研究较少。

2研究方法

2.1水资源承载能力计算方法

（1）区域可供水量支撑的人口规模。某一区域水资源支撑的最大经济规模计算公式为式中：Fem为某区域水资源承载的最大经济规模；WD为该区域的用水總量；GDP为用水量为WD时所产生的国内生产总值：Ws为区域可供水量。

水资源支撑的人口规模可以根据区域社会经济的发展水平和某时段该区域的国内生产总值（GDP）进行计算，表达式为式中：Fpw为区域可供水量所能供养的最大人口规模：GDPp为某社会发展水平下的人均GDP下限标准。

（2）区域水环境支撑的人口规模。限排总量是指在某时段内区域最大允许排放污染物的量，本文将限排总量作为水环境的极限承载能力，表达式为

Fpe=ReD/PD

（3）式中：Fpe为区域污染负荷满载时所能供养的人口规模；ReD为D类污染物的限排总量；PD为某阶段人均排放D类污染物下限标准。

（3）区域水资源承载能力。区域水资源承载能力F由水资源支撑的人口规模和水环境支撑的人口规模中较小的值决定，表达式为

F=min（Fpw，Fpe）

（4）

根据这种方法计算的区域可承载的经济、人口规模为区域水资源理论上可以支撑的最大规模，并未考虑区域水资源配置对水资源承载能力的影响。

2.2水资源配置模型

（1）目标函数。模型目标函数包括：①社会目标，在保障生活用水的前提下，以区域各用户的缺水率最小为目标；②生态环境目标，以排放的污染物总量最小为目标；③社会经济目标，以供水产生的经济效益最大为目标。模型表达式为式中：Wj（t）为第i种水源在第t时段的水资源量；Qmaxij为第j种水源的最大供水能力。

②需水量约束：

（3）求解方法。采用粒子群优化算法 对水资源配置模型求解步骤为：以第j种水源提供给第i计算单元的供水量作为决策变量，由混沌映射得到决策变量的初始解并放大到供水量取值范围，然后采用混沌粒子群优化迭代方法寻优，满足设定的代次数时输出最优解。

水资源承载能力由经济规模和人口规模两种指标来衡量，为了方便直观地理解承载情况，本文选取人口规模作为水资源承载能力的衡量指标，水环境承载能力选取COD、氨氮排放量作为指标，然后用承载度，来更加直观地评价水資源、水环境的承载状态及承载潜力：

I=POP/Fp

（9）式中：I为水资源承载度；Fp为某社会发展水平下区域可利用水资源量所能供养的人口规模；POP为典型年区域的总人口数。

承载状态的划分标准参考了水利部《建立全国水资源承载能力监测预警机制技术大纲》，将水资源承载状态划分为超载、临界超载和不超载3种状态（见表1）。

3案例分析

3.1研究区概况

南京市位于长江下游中部地区，属北亚热带湿润气候区，多年平均气温为15.5℃，多年平均降水量为1082.3mm，年均降水天数为117d（主要集中在5-9月），年均水面蒸发量为884.3mm，相对湿度76%。全市多年平均地表水资源量为24.16亿m^3，多年平均地表径流系数为0.34。受降水的影响，地表水资源量时空分布不均。

3.2数据来源

本文数据来源于《南京市水资源管理现代化建设方案》《2015年南京市水资源保护规划》《南京市水资源公报》（2006-2015年）、《南京统计年鉴》（2008-2015年）、《南京市国民经济公报》《南京市土地利用总体规划》等。

3.3研究区概化

（1）水源划分。南京市的水源主要包括当地水和过境水，其中：当地水包括地表水（河网调蓄、水库）、地下水和非常规水（雨水、回归水），过境水主要有长江、水阳江、滁河水。

（2）用户概化。南京市下辖玄武区、秦淮区、鼓楼区、江宁区、浦口区、六合区等11个市辖区。本文将玄武区、秦淮区、鼓楼区、建邺区、柄霞区和雨花台区合并为主城区计算单元，其余计算单元按照行政分区划分。水资源配置模型中按照行政区套4级水资源分区，将南京市划分为9个计算单元，其中：浦口区、江宁区和主城区不作划分，六合区、溧水、高淳按照水资源分区均一分为二。配置完成后，为了方便与统计数据对比，合并成行政区划进行统计分析。每个计算单元有农业用水、工业用水、服务业用水、生活用水和生态用水五大用水部门。

3.4计算结果

首先统计南京市各行政分区的限排总量，并根据水资源量和水利工程基本情况计算各行政分区的可供水量，结果见表2。

统计2015年南京市各行政分区的用水量、COD和氨氮排放量，除以南京市各行政分区人口，分别得到2015年水资源配置前南京市各区的人均用水量、排污量，结果见表3。全市平均值计算采用全市用水量（排污量）除以全市人口计算得到，配置前南京市年人均用水量为427.6m^3，人均COD排放量为18.25kg，人均氨氮排放量为1.82kg。

利用可供水量和人均用水量，根据式（1）计算南京市水量承载人口：利用限排总量和人均排污量，根据式（3）分别计算COD和氨氮的承载人口；利用式（4）计算2015年水资源配置前南京市各区的承载人口，结果见表4。

综合南京市可供水量、2015年限排总量可承载人口的分析，南京市水资源承载能力远远小于其可供水量所能支撑的人口，COD和氨氮排放量成了制约承载更多人口的短板。各个行政分区中，除了六合区为水量不足约束了承载人口，其余行政分区均为限排总量约束了承载人口。

以各区各用水部门的综合缺水率、供水产生的总经济效益和各部门总排污量为目标函数，设定可供水量、水质和水利工程供水能力等约束条件，建立南京市水资源优化配置模型，输入2015年各行政分区各部门的需水量、排污量、90%保证率下的可供水量，利用粒子群算法进行模型求解。根据配置结果，重新计算配置后南京市各区的人均用水量、排污量，见表5。全市平均值计算采用全市用水量（排污量）除以全市人口计算得到，配置后南京市年人均用水量为475.8m^3，人均COD排放量为12.75kg，人均氨氮排放量为0.64kg。

配置后南京市水资源承载能力见表6。

将配置前后南京市的人均用水量、排污量以及水资源承载能力绘制成柱状图（见图1）进行比较。从图1可以看出，除了六合区在配置后水资源承载能力变化不大以外，其他各区在经过水资源配置后，承载能力都得到了较大提升。分析配置前后约束承载能力的因素可以发现，在配置前主要是污染物排放约束了南京市水资源承载能力，而在配置后，几个区域通过调整产业结构，使得排污量大幅下降，提高了区域的承载能力。

利用式（9）分别求得配置前后南京市各区的水资源承载度，结果见表7。

将表7中承载度绘制成柱状图（见图2）进行对比分析。从表7和图2可以看出，配置前，南京市水资源承载状况整体较差，所有行政分区均处于不同程度的超载状态，水资源环境压力较大；经过水资源配置后，除了六合区承载状态不发生变化外，其余各个行政分区的超载状况均得到了不同程度的缓解，全市从超载状态转变成临界超载状态。结合配置前后承载能力计算可以发现，高淳区和江宁区超载程度得到缓解，由配置前的水质型超载变成了水量型超载，六合区由水量型超载变成了水质型超载，说明水资源配置充分发挥了区域承载能力的潜力，提升了区域的承载能力。

4结语

（1）配置前后南京市水资源承载能力相差较大，说明该市有较大的承载能力提升潜力。总体而言，南京市水资源较为充足，但目前水环境状况较差，水污染成为制约南京市进一步发展的关键因素。

（2）南京市需要对产业布局和结构进行优化调整，针对配置前超载严重的溧水区、高淳区和江宁区，对产业结构进行升级，对区域内高污染、高耗水的企业进行整改或关停，减少污水排放；针对水资源承载能力受到水资源量制约的六合区，则需要加快相关水利工程的建设。

（3）水资源配置方案的不同会影响区域的水资源承载能力，合理的水资源配置方案能更好地发挥区域的水资源承载潜力，从而提升区域总体的水资源承载能力。