環(huán)境工程：城市水環(huán)境承載力及其實(shí)證研究

1、環(huán)境工程：城市水環(huán)境承載力及其實(shí)證研究崔鳳軍（北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)系北京 100871）提要采用系統(tǒng)研究方法，對城市水環(huán)境承載力的概念、實(shí)質(zhì)、功能及定量表達(dá)方法作出了分析，并利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬手段進(jìn)行了實(shí)證研究，利用水環(huán)境承載力指數(shù)變化對擬定的調(diào)整策略變量作出了預(yù)測、優(yōu)化，得出了較滿意的結(jié)論。關(guān)鍵詞水環(huán)境承載力城市水環(huán)境發(fā)展變量策略變量實(shí)證研究1 城市水環(huán)境承載力的概念體系水環(huán)境作為社會、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)存在和發(fā)展的基本因素，它的承載能力狀況對地區(qū)發(fā)展起著重要作用。由于歷史等原因，我國城市發(fā)展面臨著一系列問題，其中因規(guī)模過大、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理、生產(chǎn)布局不適當(dāng)、環(huán)境保護(hù)措施不得力等而引起的水環(huán)境問題（如水

2、資源短缺、水污染過重、水生態(tài)平衡遭到破壞）日顯突出，從而使城市的持續(xù)發(fā)展受到嚴(yán)重阻礙。解決我國城市水環(huán)境問題的根本出路在于協(xié)調(diào)好水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系，即在保證經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步增長的同時(shí)，制定合理的水環(huán)境利用目標(biāo)，處理好短期與長遠(yuǎn)利益、區(qū)域發(fā)展與總體發(fā)展的關(guān)系；在經(jīng)濟(jì)實(shí)力增強(qiáng)的同時(shí)，為水環(huán)境利用和保護(hù)提供足夠的資金、技術(shù)和物質(zhì)保障，拓展承載能力，夯實(shí)水環(huán)境基礎(chǔ)。城市水環(huán)境承載力是指某一城市（含郊區(qū)）、某一時(shí)期、某種狀態(tài)下的水環(huán)境條件對該城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活需求的支持能力，它是該城市水環(huán)境系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性的一種抽象表示方法，可以作為衡量該城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展活動(dòng)與水環(huán)境條件適配程度的指標(biāo)。它具有時(shí)空分布上的不均衡性和

3、客觀性、變動(dòng)性和可調(diào)性的特征13。城市水環(huán)境是人口、經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展的物質(zhì)載體，它所以具有承載能力，是因?yàn)橐欢顟B(tài)下的水環(huán)境系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以用水環(huán)境納污量、水資源供給量、水資源擁有量等能承載一定程度和方式的人類活動(dòng)的指數(shù)來體現(xiàn)，在這些指標(biāo)所允許的范圍和程度之內(nèi)的人類經(jīng)濟(jì)發(fā)展活動(dòng)作用下，水環(huán)境的結(jié)構(gòu)組合特征、功能狀態(tài)均不會發(fā)生質(zhì)的變化，這是城市水環(huán)境系統(tǒng)具有承載能力的內(nèi)在原因；由于上述指標(biāo)在量上是有限的，當(dāng)某一指標(biāo)消耗量過大（例如地下水的取用超出補(bǔ)水能力），會影響水環(huán)境系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)水平，進(jìn)而導(dǎo)致功能的失常，因此，城市水環(huán)境系統(tǒng)的物質(zhì)、能量的輸入存在限度，這是它對于社會經(jīng)濟(jì)支持力存在閥值的根本原因。2

4、 城市水環(huán)境承載力的定量表述構(gòu)建水環(huán)境承載力指數(shù)城市社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與水環(huán)境系統(tǒng)之間通過人類群體（含個(gè)體）行為連成一回路（圖 1）。即城市社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)對水環(huán)境系統(tǒng)的索取和支持（水環(huán)境投資和生態(tài)環(huán)境建設(shè)）與水環(huán)境系統(tǒng)對崔鳳軍：城市水環(huán)境承載力及其實(shí)證研究社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的支持（資源供給、承納污染）和需求構(gòu)成的閉合回路。那些表征城市社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)對水環(huán)境系統(tǒng)索?。ㄗ饔脧?qiáng)度）的因子，如水資源利用量、利用效率、污水排放總量及污染類型，由于其強(qiáng)度、規(guī)模、組合值取決于城市發(fā)展水平，因此，我們可稱之為發(fā)展因子，它們的全體構(gòu)成了一個(gè)發(fā)展變量集合 D，把各因子予以量化同樣，那些表征水環(huán)境對城市社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)支持力度和經(jīng)濟(jì)需

5、求程度的因子，如水資源可采量、供給量，水污染自凈量，水污染治理投資需求量，水資源開發(fā)投資需求量，由于其變量構(gòu)成了水環(huán)境系統(tǒng)對城市發(fā)展的支持能力和限制程度，因此，我們可稱之為限制因子；全部限制因子變量構(gòu)成集合 R，用 n 維矢量表示城市水環(huán)境承載力的界定：在 n 維發(fā)展變量空間，水環(huán)境承載力是該空間中的一個(gè)分矢量，對同一城市而言，這一矢量隨人類社會活動(dòng)方向的不同而存在不同的方向，也就是說，不同的城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展策略，或城市不同的分區(qū)下，發(fā)展因子和限制因子值會發(fā)生變化，導(dǎo)致承載力大小的不同。因此要選擇城市社會經(jīng)濟(jì)優(yōu)化策略，只需比較某一時(shí)期所對應(yīng)的水資源承載力值即可，但必須對承載力的各分量歸一化處理，以

6、消除不同量綱的影響，并獲得水環(huán)境承載力指數(shù)。假設(shè)一個(gè)城市制定的經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃中有 m 個(gè)策略，則在一定規(guī)劃時(shí)期內(nèi)有 m 個(gè)水環(huán)境承載力，不妨設(shè)此 m 個(gè)水環(huán)境承載力為指數(shù) Ej（j1，2，m），再設(shè)每個(gè)水環(huán)境承載力由 n 個(gè)具體指標(biāo)確定的分量組成，即：Ej（E1j，E2j，Enj）3 實(shí)證研究31 利用水環(huán)境承載力指數(shù)調(diào)整城市發(fā)展策略流程框圖利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型（SD）對某城市不同發(fā)展策略、各個(gè)規(guī)劃階段的發(fā)展變量、限制因子作出預(yù)測。32 實(shí)證研究中的水環(huán)境承載力指標(biāo)體系根據(jù)前述水環(huán)境承載力指數(shù)的定量表達(dá)式，結(jié)合所研究對象城市具體的社會經(jīng)濟(jì)環(huán)境大系統(tǒng)特征，選擇以下 8 個(gè)分量指標(biāo)構(gòu)建了水環(huán)境承載力，

7、即 Eij（E1j，E2j，E8j），（i1，2，8），其中每一指標(biāo)都與水環(huán)境承載力指數(shù)的大小成正比關(guān)系，它的數(shù)據(jù)求得來源于 SD 模型對未來各時(shí)段、各策略變量下的模擬值。8 個(gè)變量為：（1）單位固定資產(chǎn)（工業(yè)）產(chǎn)出率（ICVR）既反映工業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的高低，又決定水環(huán)境效益。（2）單位水資源工業(yè)產(chǎn)值（IV），用每立方米水資源消耗量產(chǎn)出的工業(yè)產(chǎn)值表示，反映了工業(yè)對水環(huán)境索取強(qiáng)度。（3）單位水資源的農(nóng)灌面積（SW），代表了農(nóng)業(yè)發(fā)展水平的高低和水資源利用效益。（4）城市可采水資源的總量與用水總量之比（W/WT）。該比值越大，表明水資源承載經(jīng)濟(jì)發(fā)展的能力越大；當(dāng)該比值接近 1 時(shí)（或1），可用水資源的剩

8、余量等于零或小于零，水資源將成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要限制性因素，需區(qū)外調(diào)水，或削減用水量。（5）城市可供水量與用水總量之比（WS/WT）。（6）單位工業(yè)廢水排放量的工業(yè)產(chǎn)值（IVO）。（7）單位標(biāo)準(zhǔn)污染物（COD）排放量的工業(yè)產(chǎn)值（IVC）。（8）水體污染物濃度（用 COD 濃度表示）與標(biāo)準(zhǔn)濃度之比的倒數(shù)COD 標(biāo)/COD，它反映了水體受污染的濃度和水環(huán)境容量的利用程度。33 策略變量集合利用 SD 模型，以 2005 年作為目標(biāo)年，選擇除原始運(yùn)行策略之外的 9 個(gè)策略變量，即：j1，2，109 個(gè)策略變量分別為：降低萬元產(chǎn)值耗水量（各行業(yè)以 05% 的年速度遞減）；提高行業(yè)重復(fù)用水率（按 2% 年

9、遞增）；調(diào)整工業(yè)行業(yè)增長速度（假設(shè)造紙業(yè)發(fā)展速度控制在 5%，其它行業(yè)保持現(xiàn)行速度）；降低農(nóng)灌定額，減少單位面積用水量；降低行業(yè)的萬元產(chǎn)值廢水排放量（假設(shè)每年遞減 1%）；削減萬元產(chǎn)值 COD 排放量（設(shè)年遞減率為 21%）；增加污水處理投資量（假設(shè)從基準(zhǔn)年 19952005 年治污投資額增加 115 億元）；污水回灌（設(shè)污水回灌量占總灌溉水量的 10%）；綜合對策（綜合了上述策略變量 1、2、4、5、6、8，同時(shí)假定城市居民到 2005 年日均用水量 140L，農(nóng)民 80L）。9 個(gè)變量的指標(biāo)分量及運(yùn)算結(jié)果見表 1、表 2。表研究對象城市在不同發(fā)展策略下的水環(huán)境承載力指標(biāo)分量（E ij，20

10、05 年）Table 1 The values of the indices of the water environment carrying capacity of the studied city under different development policies發(fā)展策略 j指標(biāo) iICVRIVSWW/WTWS/WTIVOIVCCOD 標(biāo) /COD原始策略168412029000003311026088072788713151500340策略變量 1175472165880003311356090712936883151500340策略變量 21843823561500033118

11、52094682936883151500340策略變量 3172432075900003311105088713045453440600359策略變量 4192672029070004011966095582936883151500343策略變量 5168412029000003311026088073352133151500304策略變量 6168412029000003311026088072788714189800451策略變革量 7168412029000003311026088072788713494100376策略變量 8179502029040003711437091362788

12、713151500341綜合策略21468261495000451387910192347404554640053010074221386990031611569091524298371035579903724 表 2 歸一化分量及綜合指數(shù)表（2005 年研究對象城市）Table2 The table of normalized values （）and synthetical （the studied city in the 2005）發(fā)展策略 j指標(biāo) iICVRIVSWW/WTWS/WTIVOIVCCOD 標(biāo) /COD水環(huán)境承載力指數(shù)原始策略009390094701044009530096

13、20093500886009130268策略變量 100979010130104400982009910098400886009130276策略變量 201028011020104401024010340098400886009130284策略變量 300962009710104400960009690102100964009640278策略變量 401075009490126601034010440098400886009210290策略變量 500939009490104400953009620112300886008160272策略變量 6009390094901044009530096

14、20093501176012110290策略變革量 700939009490104400953009620093500982010100275策略變量 801001009490117100989009680093500886009160277綜合策略01197012230142401200011140116401559014230368 34 結(jié)論與討論（1）水環(huán)境承載力主要包括水環(huán)境納污能力和水資源供給能力兩項(xiàng)分量指標(biāo)，對一區(qū)域而言，受來水的年內(nèi)和年際變化影響，二者均有所變化。但對城市而言，這種變化影響較小。為使該項(xiàng)研究具有較長期的決策參考價(jià)值，本實(shí)證研究均采用的是近幾年 8 個(gè)變量的平均值

15、。（2）城市規(guī)模擴(kuò)張和城市人口的增長往往成為一些城市的不可控因素，它們對水環(huán)境承載力的影響卻很大。本實(shí)證研究中是以“城市總體規(guī)劃”為基準(zhǔn)作出的預(yù)測。（3）根據(jù)表 1、表 2 運(yùn)算結(jié)果得知：如果按原始運(yùn)行政策發(fā)展，2005 年其水環(huán)境承載力指數(shù)最小，綜合值 E00268，與之相比較，各策略下水環(huán)境承載力指數(shù)值分別高出 E0的倍數(shù)為：298%、671%、334%、821%、149%、821%、261%、336%、373%?？梢?，按綜合對策發(fā)展，2005 年水環(huán)境承載力指數(shù)最大，可有效地解決水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的矛盾。但該城市目前已潛伏著水環(huán)境的嚴(yán)重危機(jī)，該城市水環(huán)境承載力的利用已近極限，如果維持現(xiàn)狀發(fā)展，在不久的將來會出現(xiàn)水資源供需矛盾和水體污染的繼續(xù)惡化。削減行業(yè)排污系數(shù)，提高工業(yè)重復(fù)用水率，適度調(diào)整工業(yè)行業(yè)發(fā)展速率等手段的采用對提高水環(huán)境承載力，協(xié)調(diào)水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展矛盾將起重要的作用。（4）策略變量 4（降低農(nóng)灌定額）的節(jié)水效果是僅次于綜合策略變量的對策，它說明當(dāng)前該城市農(nóng)灌用水過多，已出現(xiàn)與城市工業(yè)和生活用水爭水矛盾，綜合策略中吸收了這一策略變量。實(shí)際上，隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，城市邊緣帶的許多農(nóng)用地轉(zhuǎn)化為城市用地，農(nóng)用地面