論水資源承載能力與水資源優(yōu)化配置之間的關系(

1、提交論文，請嚴格按照下面模板！注意字間距、行間距、頁邊距、字體提交論文時，此框需要刪除！論水資源承載能力與水資源優(yōu)化配置之間的關系基金項目：水資源與水電工程科學國家重點實驗室開放研究基金（2003B007）、河南省杰出青年科學基金（）第一作者簡介：左其亭（1967-），男，河南固始人，工學博士，教授，水文學及水資源專業(yè)。Email: 左其亭鄭州大學 環(huán)境與水利學院 河南鄭州 450002摘要 本文在簡單介紹水資源承載能力和水資源優(yōu)化配置概念的基礎上，闡述了二者之間的關系。二者既有區(qū)別又有聯(lián)系，水資源優(yōu)化配置是通過建立優(yōu)化模型來選擇水資源配置方案；水資源承載能力是計算得到的水資源對社會經濟最大支

2、撐規(guī)模，也可以通過優(yōu)化模型來計算；水資源承載能力可以作為水資源優(yōu)化配置模型的約束條件。本文把水資源優(yōu)化配置模型分為三個層次，即不承載條件下的水資源優(yōu)化配置模型、承載條件下的水資源優(yōu)化配置模型、面向可持續(xù)發(fā)展的水資源優(yōu)化配置模型；給出各層次模型表達式，并對其進行比較。最后以鄭州市為例，介紹各層次模型的應用意義。關鍵詞 水資源承載能力，水資源優(yōu)化配置，優(yōu)化模型，可持續(xù)發(fā)展1 引言水是人類不可缺少的一種寶貴資源，任何有生命的生物不可能離開水。然而，隨著社會經濟的發(fā)展，人類對水的需求量不斷增加，水資源問題日益突出，嚴重制約著人類社會和經濟的發(fā)展，迫使水資源學術界不得不思考：在特定區(qū)域，到底水資源能承受

3、多大的社會經濟規(guī)模？有限的水資源如何科學合理地分配？回答這些問題涉及到水資源承載能力研究和水資源優(yōu)化配置研究兩方面問題，對水資源規(guī)劃、管理和保證水資源可持續(xù)利用有重要指導意義。水資源承載能力的概念，最早源自于生態(tài)學中的“承載能力”一詞，是自然資源承載能力的一部分1。其研究的主體是資源與環(huán)境系統(tǒng)，客體是人類或更廣泛的生物群體。近年來，我國不少學者對水資源承載能力的概念及計算方法進行深入探討234。盡管對水資源承載能力的定義在表述上各有不同，但其表達的基本觀點和思路并無本質差異，都強調了“水資源支撐能力”的含義?？梢园选八Y源承載能力”簡單定義為：“一定區(qū)域、一定時段，維系生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)，水資源

4、系統(tǒng)支撐社會經濟發(fā)展的最大規(guī)?！薄Ｒ虼?，在實際應用時，求解水資源承載能力可以通過建立優(yōu)化模型來實現(xiàn)。對水資源優(yōu)化配置的研究始于20世紀60年代初期，1960年科羅拉多幾所大學對計劃需水量的估算及滿足未來需水量的途徑進行研討，體現(xiàn)了水資源優(yōu)化配置的思想5。后來，隨著數學、運籌學和計算機技術的發(fā)展以及水資源供需矛盾日益突出，水資源優(yōu)化配置理論及應用研究得到迅速發(fā)展，國內外已有大量研究成果（如56789）。水資源優(yōu)化配置實際上就是“運用系統(tǒng)工程理論方法，建立水資源優(yōu)化配置模型，以此制定水資源配置方案”。國內外關于水資源優(yōu)化配置和水資源承載能力的研究已有大量文獻，但是，在水資源承載能力和水資源優(yōu)化配置

5、的聯(lián)系方面論述還不多見，多數是在水資源優(yōu)化配置模型中包含水資源承載能力約束，或者在水資源承載能力計算時采用優(yōu)化模型方法。在實際應用上，需要弄清楚二者之間的聯(lián)系，得出更加切合實際的水資源規(guī)劃和管理決策。本文主要目標是，（1）闡述水資源承載能力和水資源優(yōu)化配置之間的聯(lián)系；（2）分別介紹“不承載條件下”、“承載條件下”和“面向可持續(xù)發(fā)展”的水資源優(yōu)化配置模型，給出各層次模型表達式，并對各層次模型進行比較；（3）以鄭州市為例，介紹各層次模型的應用情況，并對鄭州市水資源承載能力計算結果和水資源優(yōu)化配置計算結果進行分析。2 水資源優(yōu)化配置與水資源承載能力之間的關系水資源優(yōu)化配置模型，實際上就是針對水資源配

6、置問題，應用系統(tǒng)優(yōu)化技術建立的優(yōu)化模型。僅從建立的模型來看，它只是一個優(yōu)化模型。從建立的優(yōu)化模型來分類，可以把水資源優(yōu)化配置分為多目標優(yōu)化模型和單目標優(yōu)化模型。但是，從模型反映的水資源配置思路可能會有很大差異。從傳統(tǒng)水資源優(yōu)化配置來說，盡管還沒有提到可持續(xù)發(fā)展的觀念，但它同樣用到水資源優(yōu)化配置模型。這時建立的水資源優(yōu)化配置模型可能是低級的、考慮因素不全，不能全面反映綜合效益最大的目標。雖然如此，它建立的配置模型也是水資源優(yōu)化配置模型。隨著水資源承載能力概念的提出，如果在水資源優(yōu)化配置模型中加入“水資源承載能力條件”約束方程，這時建立的水資源優(yōu)化配置模型就是滿足“水資源承載能力”條件的水資源優(yōu)化

7、配置模型。比沒有考慮“水資源承載能力”條件的傳統(tǒng)水資源優(yōu)化配置模型在觀念上更先進一步。由于“可承載”條件僅僅是可持續(xù)發(fā)展準則的一個方面，滿足“可承載”條件還不能保證滿足可持續(xù)發(fā)展所有準則。因此，如果在水資源優(yōu)化配置中體現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展準則，就要建立滿足“可持續(xù)發(fā)展”條件的水資源優(yōu)化配置模型。比僅考慮“水資源承載能力”條件的優(yōu)化配置模型在觀念上又先進一步。從以上分析可以看出：（1）水資源優(yōu)化配置模型僅僅是針對水資源配置問題建立的優(yōu)化模型，它會因反映問題的不同、所持觀念的不同、考慮因素的不同，建立不同類型、不同層次的優(yōu)化模型；（2）水資源優(yōu)化配置模型可能是一個簡單的一般優(yōu)化模型，既不滿足“水資源承載能

8、力條件”，也不滿足“可持續(xù)發(fā)展”準則；也可能是滿足“水資源承載能力條件”而建立的“基于水資源承載能力的水資源優(yōu)化配置模型”；也可能是滿足“可持續(xù)發(fā)展準則”而建立的“面向可持續(xù)發(fā)展的水資源優(yōu)化配置模型”。因此，根據反映的水資源配置問題可以把水資源優(yōu)化配置模型分為：“不承載條件下”、“承載條件下”和“面向可持續(xù)發(fā)展”三個層次。在現(xiàn)實水資源研究中，這幾種配置模型都有可能會遇到。比如，對于許多城市現(xiàn)狀水資源利用已經超越水資源承載能力的范圍（如鄭州市），針對現(xiàn)狀水平年建立的水資源優(yōu)化配置模型只能是“基于不承載條件的水資源優(yōu)化配置模型”。當然，對于某一規(guī)劃水平年，由于條件的改善，要強迫滿足水資源承載能力的

9、要求，這時建立的水資源優(yōu)化配置模型是“基于承載條件的水資源優(yōu)化配置模型”。如果把水資源可持續(xù)利用納入水資源研究中，這時建立的水資源優(yōu)化配置模型是“面向可持續(xù)發(fā)展的水資源優(yōu)化配置模型”。3 計算模型3.1 優(yōu)化模型在水資源承載能力和優(yōu)化配置計算中的應用一般優(yōu)化模型是由目標函數和約束條件組成，形式如下： （1）式中，為決策向量；為綜合效益函數；為約束條件集。在上述模型（式（1）中，如果含一個目標函數方程就是單目標優(yōu)化模型，如果含多個（兩個或兩個以上）目標函數方程就是多目標優(yōu)化模型。水資源優(yōu)化配置需要建立類似式（1）的優(yōu)化模型，通過優(yōu)化模型的求解得到水資源配置方案。關于這一內容的研究已有很多模型和應

10、用成果（如67810）。在水資源承載能力定量計算方法中，目前大致有兩大類方法：一類是，采用綜合評價的方法進行評價計算（如11）；一類是，根據水資源承載能力概念建立優(yōu)化模型，通過優(yōu)化模型求解得到（如4）。3.2 基于不承載條件的水資源優(yōu)化配置模型也就是說，在水資源優(yōu)化配置模型中，沒有考慮水資源承載能力條件。它適用于“已經不可能達到水資源承載能力范圍的情況”。比如，對已經嚴重超出水資源承載能力范圍的現(xiàn)狀年份，經過一定程度努力也不能滿足水資源承載能力條件的規(guī)劃水平年份，在進行水資源優(yōu)化配置研究時，所建立的優(yōu)化配置模型就是此類。這一模型就是針對水資源配置要求建立的一般優(yōu)化模型，如上文介紹的式（1）形式

11、。3.3 基于承載條件的水資源優(yōu)化配置模型也就是，在水資源優(yōu)化配置模型中，考慮水資源承載能力條件，把水資源承載能力條件方程作為約束方程，加入到優(yōu)化模型中。它適用于“要求達到水資源承載能力范圍的水資源優(yōu)化配置問題”，特別是研究現(xiàn)狀水平年理想情況下或規(guī)劃水平年滿足水資源承載能力情況下的水資源優(yōu)化配置問題，需要建立此類模型。關于建立此類模型的方法，主要有兩種途徑：一是，把水資源承載能力模型作為優(yōu)化配置模型的子模型，直接納入到優(yōu)化模型中；二是，把水資源承載能力計算結果作為邊界條件，再建立相關的約束方程，納入到優(yōu)化模型中。對于第一種途徑，需要把建立的水資源承載能力模型方程放在一般水資源優(yōu)化配置模型（式（

12、1）中。關于水資源承載能力計算模型已有多個文獻做過介紹，作者曾提出一種“基于模擬和優(yōu)化的控制目標反推模型”方法（簡稱COIM模型方法），詳見參考文獻（412）。COIM模型包括的主要方程如下（方程的詳細介紹和說明此略）：（1）水資源循環(huán)轉化關系方程 （總水量平衡方程）+ （可利用水資源計算方程） （可利用水資源分配方程） （2） （水資源利用-消耗轉化方程） （水資源消耗量計算方程） （水資源利用后回歸量計算方程）式中，為降水量；為從區(qū)外調水總量；為總蒸發(fā)量（包括降水、地表水體、地下潛水蒸發(fā)及植物蒸騰）；為總消耗水量；為地下水體蓄水量的變化量；為地表水體蓄水量的變化量；為區(qū)外流入本區(qū)的水量；為

13、流出本區(qū)的水量；為剩余的可利用水資源量（剩余為正，不足為負）；為工業(yè)用水消耗水量；為農業(yè)用水消耗水量；為生活用水消耗水量；為總回歸水量；為可利用水資源量；為水資源可利用綜合系數；為水資源量；為區(qū)外調水、來水總可利用量；為污水資源化可利用水資源量；為工業(yè)用水量；為農業(yè)用水量；為生活用水量；為其它用水量；為回歸水中所含的水分；為回歸水中所含的污染物質。（2）污染物循環(huán)轉化關系方程（以黑箱模型為例）=+- （3）式中，為控制斷面徑流量；為控制斷面濃度；為排放的河流上游來水量；為上游斷面來水濃度；為時間內排放口排放的污染物總量；為污染物綜合消減率。（3）社會經濟系統(tǒng)內部相互制約方程這一方程的建立有兩種

14、途徑：一是，以水資源作為紐帶；二是，通過社會經濟系統(tǒng)內部需求作為紐帶（左其亭等，2004）。統(tǒng)一簡記作：SubMod (SESD) （4）（4）水資源承載程度指標約束方程 （5） 1 式中，為總利用水資源量；為水資源承載程度指標；其它符號同前。（5）生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)控制目標方程 （6）式中，為污染物總量控制目標值；為控制斷面濃度控制目標值；為稀釋或轉化污染物質所需的水量；其它符號同前。對于第二種途徑，是把水資源承載能力計算結果轉化為約束條件，這就需要分析哪些是需要約束才能保證滿足水資源承載能力條件。主要可以考慮以下兩方面：（1）社會經濟規(guī)模的約束這是水資源承載能力計算結果直接表示的約束，要求配

15、置區(qū)域的人口數、工業(yè)產值、農業(yè)產值在可承載的范圍之內，即小于等于最大承載能力指標。（2）主要控制目標方程有時為了進一步約束變量范圍，可以根據實際情況，從水資源承載能力計算模型中選擇主要約束方程，加入到水資源優(yōu)化配置模型中。比如，為了保證水環(huán)境質量在可接受的范圍之內，而建立的水環(huán)境約束方程。3.4 面向可持續(xù)發(fā)展的水資源優(yōu)化配置模型是以可持續(xù)發(fā)展為目標建立的更高層次的優(yōu)化配置模型。在該模型中要充分體現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的思想，以綜合效益最大為目標函數，在約束條件中要體現(xiàn)出可持續(xù)發(fā)展的量化準則。關于可持續(xù)發(fā)展的量化研究也有許多方法，比如基于“社會凈福利函數”的量化方法、基于“發(fā)展綜合指標測度（DD）”的量

16、化方法（左其亭等，2003）。在建立“面向可持續(xù)發(fā)展的水資源優(yōu)化配置模型”時，可以根據可持續(xù)發(fā)展量化方法，建立水資源優(yōu)化配置模型（如，左其亭等，2003）。當然，有時為了簡化，在一般水資源優(yōu)化配置模型（式（1）中，直接引用協(xié)調度方程，來間接表達可持續(xù)發(fā)展的目標要求，并對協(xié)調度規(guī)定最低要求。比如，增加如下約束方程： （7）式中：協(xié)調度；協(xié)調度最低要求值；可承載程度隸屬度；經濟增長隸屬度；分別是給定的指數權重，=1。3.5 模型比較說明縱觀上文分析，可以看出：（1）一般水資源優(yōu)化配置模型是最普通、最基礎的優(yōu)化模型；基于不承載條件的水資源優(yōu)化配置模型，沒有考慮水資源承載能力條件，適用于“已經不可能達

17、到水資源承載能力范圍的情況”；基于承載條件的水資源優(yōu)化配置模型，考慮水資源承載能力條件，要求優(yōu)化模型在滿足其它約束條件的同時還要滿足水資源承載能力條件；面向可持續(xù)發(fā)展的水資源優(yōu)化配置模型，不僅要體現(xiàn)水資源承載能力條件，而且要全面體現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的思想，是更高層次的優(yōu)化配置模型；（2）在現(xiàn)狀水平年，如果能夠滿足水資源承載能力條件，就要按照“基于承載條件的水資源優(yōu)化配置模型”來考慮；如果不可能滿足水資源承載能力條件，就只能按照“基于不承載條件的水資源優(yōu)化配置”來建立模型；（3）在規(guī)劃水平年，如果經過一定努力仍然不可能滿足水資源承載能力條件，也只能按照“基于不承載條件的水資源優(yōu)化配置模型”來考慮；如果

18、經過一定努力能夠滿足水資源承載能力條件，就要按照“基于承載條件的水資源優(yōu)化配置”來建立模型；（4）在進行水資源長期綜合規(guī)劃和管理時，要堅持可持續(xù)發(fā)展的思想，在可預測的時間段內，建立“面向可持續(xù)發(fā)展的水資源優(yōu)化配置模型”。4 應用舉例鄭州市水資源承載能力和優(yōu)化配置計算4.1 鄭州市概況及面臨的水資源問題鄭州市是河南省省會，位于河南省中部，北臨黃河，是河南省政治、經濟、文化、科技、交通、商貿中心。2001年，鄭州市區(qū)總人口259.65萬人，其中非農業(yè)人口160.31萬人，農業(yè)人口99.33萬人，國內生產總值GDP為362.5億元，人均GDP為13963元。隨著城市的發(fā)展，水資源問題日益嚴重。200

19、1年，鄭州市水資源總量為1.2924108m3，實際用水量5.1186108m3，按本地水資源計算，缺水3.8262108m3。本地水資源遠滿足不了用水需要，從黃河引水2.2383108m3，地下水超采1.3660108m3，可見鄭州市水資源短缺十分嚴重。另外，鄭州市水環(huán)境質量令人堪憂，鄭州市城市2001年污水排放量達2.1484108m3，污水處理量僅0.8159108m3。大量的污水未經處理直接排入河流或干渠，嚴重污染河流、地下水，經過鄭州市的幾條河流均超出其水質功能類別。盡管如此，為了適應城市化發(fā)展需要，鄭州市將在未來30年中還會有跳躍式發(fā)展。按照鄭州市發(fā)展規(guī)劃，到2030年，鄭州市區(qū)人

20、口將達500萬，城市規(guī)模是現(xiàn)在的2倍?？梢韵胂螅菚r的水資源問題將進一步加劇，面臨的形勢將進一步嚴峻。4.2 水資源承載能力計算結果根據計算，得到水資源承載能力計算指標，包括總人口、城鎮(zhèn)人口數、農村人口數、工業(yè)產值、有效灌溉面積、國內生產總值（如表1）。表1 鄭州市水資源承載能力計算結果表承載能力指標單位2001年2005年2010年2015年2020年2025年2030年總人口人30592660091921238864093316469372651920095844416城鎮(zhèn)人口數人22555551083420274553983200457761550730265723396農村人口數人80

21、3719008596431110116116111118983121020工業(yè)產值萬元25134976575838740599567437131656931740546222274852有效灌溉面積萬畝38.7334.5129.5425.9323.9622.7021.55國內生產總值萬元4271481051937514012814579076244611033633105950184629根據研究，可以得出以下結論：（1）目前，鄭州市社會經濟規(guī)模嚴重超出水資源承載能力（承載人口30.59萬，實際人口259.65萬），主要表現(xiàn)為水資源短缺、水環(huán)境嚴重污染；（2）近期2005年，由于區(qū)外調水和污水

22、處理能力沒有太大改觀，鄭州市水資源問題將依然存在，仍屬于嚴重超載（承載人口60.09萬，預測人口310.85萬）；（3）到2010年，鄭州市污水處理能力有所提高，并從南水北調工程引水，但引水量不大（預計3.32億方/年），仍出現(xiàn)超載（承載人口212.39萬，預測人口373.95萬）；（4）到2020年、2030年，在鄭州市實施南水北調、增加污水處理的條件下，水資源承載能力有很大提高，支撐人口接近470萬和585萬（預測到2030年人口為554.88萬），并能保持水資源的可持續(xù)利用。4.3 水資源優(yōu)化配置模型及計算結果根據前文分析，由于現(xiàn)狀社會經濟規(guī)模嚴重超越水資源的承載能力，到2010年也不可

23、能滿足水資源承載能力的要求，只能把2001年、2005年、2010年的水資源優(yōu)化配置模型看成是“基于不承載條件的水資源優(yōu)化配置模型”。但到2015年，水資源利用條件大為改觀，已經能保證滿足水資源承載能力的要求，把2015年的水資源優(yōu)化配置模型看成是“基于承載條件的水資源優(yōu)化配置模型”。從2015年到2030年，既按照可承載條件來約束，也考慮可持續(xù)發(fā)展的準則，建立“面向可持續(xù)發(fā)展的水資源優(yōu)化配置模型”。該模型是一個基于“協(xié)調度”的多目標優(yōu)化模型。計算結果匯總如表2，從現(xiàn)狀（2001年）到2010年處于不可承載，協(xié)調度小于0.6，但到2015年以后，滿足水資源承載能力條件，協(xié)調度也增至0.8以上。

24、從總的發(fā)展趨勢來看，研究區(qū)由“不可承載”發(fā)展到“可承載”再到“可持續(xù)發(fā)展”的良性發(fā)展模式轉變。表2 鄭州市水資源優(yōu)化配置計算結果表水平年需水配置水量(萬方)污染物排放量控制斷面COD濃度承載程度經濟增長程度協(xié)調度(萬方)工業(yè)農業(yè)生活生態(tài)合計(噸)(mg/L)2001517861183719641197086005178640295123.70.04370.11110.06972005655291779317060252565420462502142676.30.08260.13950.107420108757524905151333239715140875751986843.40.37230.

25、51460.43772015100994327311249239801159701009941397327.710.68310.82652020114907393611138247365167991149071477427.410.79460.89142025126072443841037353674176411260721529327.810.85290.9235203013420946230944660063184701342091818026.210.85290.94095 結束語本文在簡單介紹水資源承載能力和水資源優(yōu)化配置概念的基礎上，闡述了水資源承載能力和水資源優(yōu)化配置之間的聯(lián)系；把

26、水資源優(yōu)化配置模型分為“不承載條件下”、“承載條件下”和“面向可持續(xù)發(fā)展”三個層次，給出各層次模型表達式，并對各層次模型進行比較。分析認為，在現(xiàn)實水資源研究中，這幾種模型都有可能會遇到，應該針對不同情況建立相應的模型。在應用舉例中，本文以鄭州市為實例，建立了水資源承載能力計算模型和水資源優(yōu)化配置模型，并得到不同水平年的計算結果。通過結果對比分析可知，從現(xiàn)狀（2001年）到2010年不可能滿足水資源承載能力的要求，只能把2001年、2005年、2010年建成“基于不承載條件的水資源優(yōu)化配置模型”。但到2015年，能保證滿足水資源承載能力的要求，把2015年建成“基于承載條件的水資源優(yōu)化配置模型”

27、。從2015年到2030年，考慮可持續(xù)發(fā)展的準則，建立了“面向可持續(xù)發(fā)展的水資源優(yōu)化配置模型”。結果顯示這種處理能更好地反映實際，為水資源規(guī)劃與管理提供更符合實際的決策。主要參考文獻1 Seidl, I. & Tisdell, C. A. Carrying capacity reconsidered: from Malthus population theory to cultural carrying capacity. Ecological Economics. 1999, 31, 3954082 李令躍，甘泓。試論水資源合理配置和承載能力概念與可持續(xù)發(fā)展之間的關系J，水科學進展，2000