水资源承载力评价指标体系研究

'第21卷第1期水土保持通报Vol.21No.12001年2月ulletinofSoilandWaterConservationFeb.,2000研究水资源承载力评价指标体系研究简1222报惠泱河,蒋晓辉,黄强,薛小杰(1.西北大学,陕西西安710069;2.西安理工大学,陕西西安710048)摘要:水资源承载力涉及到整个资源、经济、环境大系统,水资源承载力与社会、经济、环境可持续发展是否协调是全球关注的重大问题。在充分理解水资源承载力概念、水资源承载力影响因素的基础上建立了水资源承载力评价指标体系及评价方法,并以典型缺水的关中地区为例进行了研究,得到了关中水资源可持续利用的满意方案。关键词:水资源承载力;指标体系;评价;关中文献标识码:A文章编号:1000—288X(2001)01—0030—05中图分类号:TV213,F323.213ResearchonEvaluationIndexSystemofWaterResourcesBearingCapacity1222XIYang-he,JIANGXiao-hui,HUANGQiang,XUEXiao-jie(1.Xi
anUniversityofTechnology,Xi
an710048,PRC;2.NorthwestUniversity,Xi
an710069;PRC)Abstract:Waterresourcesbearingcapacityrelatestoeconomy,environmentandotherresources.Thenotionofwaterresourcesbearingcapacityisgiven.thevarietyfactorsaffectingwaterresourcesarestudied,andthentheevaluationindexsystemonwaterresourcesbearingcapacityandevaluationmodelareestablished.Atlast,demon-stratedwithGuanzhongregion,thesatisfactionschemeonwaterresourcessustainabledevelopmentisobtained.Keywords:waterresources;indexsystem;evaluation;Guanzhongregion采),会影响水资源系统的整体结构水平,进而导致功1水资源承载力概念能失常。因此,水资源系统的物质、能量的输入存在限目前,“水资源承载力”一词在研究缺水地区的工度,水资源承载力具有极限。综上所述,我们对水资源业、农业和城市及整个经济发展水资源供需平衡时被承载力的理解为:某一地区的水资源在某一具体历史广泛采用,但至今尚无一个统一的定义。“承载力”一发展阶段下,以可预见的技术、经济和社会发展水平词原为物理力学中的一个物理量,指物体在不产生任为依据,以可持续发展为原则,以维护生态环境良性何破坏时的最大(极限)负荷。被其它学科借用最初应循环发展为条件,经过合理优化配置,对该地区社会用于群落生态学,其涵义是“某一特定环境条件下(主经济发展的最大支撑能力。要指生存空间、营养物质、阳光等生态因子的配合),2水资源承载力评价指标体系的建立某种生物个体存在数量的最高极限”。后来应用于土地科学中,形成了“土地承载力这一较为成熟的概念,2.1影响水资源承载力的主要因素其定义为“在一定条件下,土地资源的生产能力所能由上面水资源承载力概念看出,水资源承载力研承载一定生活水平下的人口数量”。水资源作为一种究涉及到社会、经济、环境、生态、资源在内的纷繁复资源,其承载力合乎上述定义的内容,但水资源承载杂的大系统。在这个大系统内既有自然因素影响,又力有着自己的特点。水资源承载力体现在一定社会有社会、经济、文化等因素的影响。经济条件和一定状态下水资源系统可以承载一定程2.1.1水资源的数量、质量及开发利用程度由于度和方式的人类活动的指标,在这些指标所允许的范自然地理条件的不同,水资源在数量上都有其独特的围和程度之内的人类经济发展活动作用下,水资源系时空分布规律,在质量上也有所差异,如地下水的矿统结构组合特征,功能状态不会发生质的变化,这是化度、埋深条件,水资源的开发利用程度及方式也会水资源具有承载力的内在原因;由于上述指标在量上影响可以用来进行社会生产的可利用水资源的数量。是有限度的,当某一指标消耗过大(例如地下水超2.1.2生产力水平不同历史时期或同一历史时期收稿日期:2000-07-22资助项目:国家“九五”攻关项目“关中水资源承载力研究”(96-912-05-01-04)作者简介:惠泱河(1954—),男(汉族),教授。研究方向为水资源系统工程等。电话(029)8303508,E-mail:jxhxut@netease.com 第6期惠泱河等:水资源承载力评价指标体系研究31不同地区都具有不同的生产力水平,在不同的生产力力大小的最直接指标;(3)除列出必要的水文资料水平下利用单方水可生产不同数量及不同质量的工外,着重加入能反映水资源可利用程度的指标和供需农业产品,因此在研究某一地区的水资源承载能力时情况以及满足程度指标;(4)要有决策变量指标;必须估测现状与未来的生产力水平。(5)水资源承载力评价指标体系必须是动态的,其指2.1.3消费水平与结构在社会生产能力确定的条标随社会经济发展而变化。件下,消费水平及结构层次将决定水资源承载能力的2.3建立评价指标体系大小。结构解析法是从两个因素间的结合开始,迅速构2.1.4科学技术科学技术是生产力,现代历史过造因素集合上二项关系的方法。通过有向图和相邻矩程已经证明了科学技术是推动生产力进步的重要因阵的计算得到可达矩阵,然后分析可达矩阵,使复杂素,未来的基因工程、信息工程等高新技术将对提高系统分解成多级递阶形式,使众多因素间关系条理工农业生产水平具有不可低估的作用,进而对提高水化、系统化。资源承载能力产生重要影响。从图2可得到相邻矩阵A,可达矩阵R则由下式2.1.5人口与劳动力社会生产的主体是人,水资得到:源承载能力的对象也是人,因此人口和劳动力与水资m(m-1)R=(A+I)=(A+I)≠源承载能力具有互相影响的关系。(m-2)1(A+I)≠⋯≠(A+I)2.1.6其它资源潜力社会生产不仅需要水资源,式中:I为单位矩阵,R可按布尔代数规则得到。以可而且还需要其它诸如矿藏、森林、土地等资源的支持。达矩阵为准,对因素进行分级划分得到如图2所示的2.1.7政策、法规、市场、宗教、传统、心理等因素结构模型。一方面,政府的政策法规、商品市场的运作规律及人文关系等因素同时会影响水资源承载能力的大小,另3指标体系的评价方法一方面,水资源承载能力的研究成果又会对它们产生水资源承载力评价指标体系是对在不同时段、不反作用。同策略下水资源承载力进行综合评判的工具,由于水这些主要因素间的关系见图1。从图中可看出,资源承载力涉及面比较广宽,不同方案的实施结果,主要因素相互关系复杂,难以弄清楚本质联系,但从其则重面不同,如偏重经济、偏重社会效益、偏重环境图中也可获得一些有用信息,运用关系间的结构解析等,但水资源承载力的评价不能只从一个方面进行,就可以弄清系统的结构。往往考虑诸多因素。因此,运用水资源承载力评价指标体系进行水资源承载力评价时,评价方法尤为重要。密切值法能综合考虑诸多因素,是进行水资源承载力评价的理想方法,其主要原理如下。3.1确定权重权是目标重要性的数量化表示,决策者可以按目标的重要程度给赋不同的值,但在目标较多情况下,这种赋值很难直接确定,一般借助于数学运算检验手段,推求各级目标的权重,本研究用判断矩阵分析法确定权重。图1水资源承载力影响因素关系图判断矩阵分析法,是把m个评价因素排成一个2.2水资源承载力指标选择原则m阶判断矩阵,专家通过对因素两两比较,根据各因素的重要程度来确定矩阵元素值的大小。然后,计算水资源承载力指标体系是一个复杂的大系统,它判断矩阵的最大特征根及其对应的特征向量,这个特并非仅是水资源承载力大小的评判依据,而且应该也征向量就是所要求的因素权重。是水资源承载力大小的决策工具。因此,指标的选择要遵循如下原则:(1)以区域为评价主体进行综合3.2建立方案的多目标评价矩阵mxn评价。主要用于行政区域,也可用于流域,兼顾自然和A=[aij]人文因素、现状和发展前景、水量和水质、客观条件和式中:aij——第I个方案第j项指标值;m——方案利用管理水平;(2)人口和经济是反映水资源承载数;n——目标数。 32水土保持通报第20卷发展规划3.3对评价矩阵规范化发展速度承载宏观经济mxn生活水平R=[rij]社会环境社1会工业投资aijrij=
Pj,Pj=经工业用水量m-1济承载工业GDP能力工业用水水平2承工业用水保证率∑aiji=1载工业投资产出率能农业投资式中:P——该目标效益方向。力雨养农业面积3.4按密切值法排序承载农业GDP能力灌溉农业面积农业投资产出率按下式计算农业平均产量++--Ci=di/d-di/d生活用水生活用水保证率式中:Ci——密切值,反映方案指标距最优点和最劣生活用水定额承载人口能力点综合距离,越小越好;d+-人均粮食占有量i,di——分别为方案指标人均GDP距最优点和最劣点的欧氏距离。计算公式如下:人口增长率污水(BOD)排放量n水水体BOD浓度-2-2环工业产值di=∑wj(rij-rj),j=1境工业万元产值排污(BOD)量容河流水质级别人口总量n量人均排污量+2+2di=∑wj(rij-rj),污水处理率j=1可调水资源量及布局式中:Wj——第j个指标的权重。过境水分配量+水资源条件当地水资源量rj=Max(rij)j=1⋯,n1
i
m水资源人均占有量-水资源地均占有量rj=Max(rij)j=1⋯,n1
i
m地表水开发利用程度+++++水地下水开发利用程度rj构成最优点,即A=r1,r2,⋯,rn资水资源开发利用程度雨水资源化-----源rj构成最劣点,即A=r1,r2,⋯,rn中水利用程度与社污水利用程度+=Min(d+--d1),d=Max(d1)会可当地地表水控制率1
i
m1
i
m经供地下水开采能力通过密切值计算和排序可以得出这个意义下的济水水工程控制能力客水利用率环境量出入境水比例各个方案的相对优劣。密切值愈小,方案愈优。协工程投资调单方污水处理投资4实例研究发水投资分配比例展水投资单方供水费用关中地区是国家确定的重点经济开发区,是国家工业节水单方投资农业节水单方投资经济发展战略向中西部转移的纽带和桥头堡。关中地污水处理率单方污水处理投资处承东启西,呼应八方的地理位置,具有辐射周围的污水回用污水排放量显在和潜在功能。关中经济发展不仅对陕西省,而且污水利用率工业产值对西北实现国民经济发展的第二、第三步战略目标具工业用水定额重复利用率有十分重要的意义。但关中水资源严重短缺,在全国工业用水水平工业节水水资源评价报告中,被列为全国最缺水地区之一,人科技进步用水损失率均、地均水资源远低于全国平均值,水资源己成为关农业灌溉面积中地区社会经济发展首要制约因素。因此,关中水资需农业用水定额水农业用水水平农业节水源承载力是否与关中的社会、经济、环境协调发展已量用水保证率生活水平成为关中当前需要急迫解决的重要课题。生活需水生活用水定额4.1关中水资源承载力评价指标体系的选取人口总量污水稀释用水水资源承载力研究涉及面广,各种不同方案应有环境用水生态需水所偏重,如偏重经济,偏重环境,偏重社会效应等。不美化环境需水同方案的实施结果,其主要效益也反映在其相应方图2水资源承载力指标体系关系框架图面,而衡量一个区域可持续发展的水资源承载力决不能只从某一方面进行,往往要综合考虑诸多因素,使 第6期惠泱河等:水资源承载力评价指标体系研究33水资源承载的各种目标与区域可持续发展的目标相水平年区域工农业供水效益。协调。根据前面建立的水资源承载力评价指标体系和4.2备选方案下的水资源承载力分析评价本文研究区域的实际情况,并考虑到可操做性,拟定我们研究A(水资源开发利用及节流维持现状)、如下方案评价指标:(1)粮食产量:指水资源所能承B(仅考虑节流)、C(当地开源及节流)、D(区外调水及载的粮食;(2)国内生产总值:指水资源所能承载的当地开源节流)4钟方案下水资源承载力。通过建立国内生产总值;(3)人口:指水资源所能承载的人多目标模型分析计算,得到不同方案下水资源承载力口;(4)BOD排放量:指水资源约束下的一定社会发指标值及理想值如表1。运用上面的评价模型,得到展模式排放的BOD;(5)国内生产总值增长率:指水不同方案下不同水平年水资源承载指标值与理想值资源所能承载国内生产总值增长率;(6)供水量:某的密切值如表2,以此来选择与可持续发展相协调的一水平年区域可供水量;(7)工业供水效益:某一水最优方案及水资源持续利用模式。密切值愈小,表示平年区域工业供水效益;(8)工农业供水效益:某一水资源承载力与理想值愈接近。表1关中地区水资源承载力评价指标粮食产量/国内生产国内生产总BOD排放供水量/工业供水工农业供水方案年价人口/104人104t总值/108元值增长率/%量/104t108m3效益/108元效益/108元20002071.78655.901080.527.8010.4554.5535.5444.37A方案20101050.67396.011508.013.3828.8754.5552.1360.412020565.60228.051940.622.5567.1054.5577.2779.8520002119.10667.411105.208.3015.0457.1339.9446.20B方案20101404.75552.822016.906.2020.0858.6469.8766.2720201073.15425.762715.803.0261.7959.81101.3092.6120002194.58691.181148.59.1715.1064.0535.5646.77C方案20102325.20865.393377.2011.3820.1190.78116.4071.7120201754.88696.236015.805.9062.17106.60234.06107.6020002207.70690.221150.759.2316.6376.8435.7247.25D方案20102366.00873.093397.5211.4330.39103.60126.4974.3220202459.80958.948459.049.5552.51131.00287.3812.9720002208.42695.541151.789.2515.1082.9339.0147.08理想值20102387.68888.653428.1711.6720.11113.98156.7386.4520202477.53982.938497.459.5562.17136.42437.08131.68表2不同方案下不同水平年水资源的短缺对关中经济可持续快速发展的制约程度,开源承载指标值与理想值的密切值节流迫在眉睫。B方案下各个水平年的密切值要优于A方案,方案2000年2010年2020年这是由于该方案采取了节流和污水回用措施,用水水A2.64973.94434.5592平有了提高,污水回用量增大,有效可供水量略有增B1.42042.33653.5261加,水环境有了改善,水资源承载能力的主要指标都C0.61510.0025061.3506D0.32820.095950.0000要优于了零方案,但是,由于节流和污水回用增加的有效供水十分有限,B方案下密切值仍然较大,B方下面我们比较分析A,B,C,D4种提高水资源承案下水资源承载力的主要指标与理想值相比还有较载力方案的优劣。大差距,平的需要。总之,节水和污水回用是缺水对策A方案下各个水平年密切值均是最大的,水资源的优先措施,但由于新增加的可供水量十分有限,对开发利用不能满足社会经济可持续发展的需要。由于关中这一缺水地区来说不是解决问题的根本性措施。该方案未采取开源节流及污水治理措施,其承载能力C方案下,2000,2010年2个水平年密切值较与理想值相差甚远,完全不能达到“九五”计划和小,2020年密切值较大,由于本方案充分考虑当地开2010年远景规划目标,该方案实际反映了无所作为源节流,可供水量有了很大的提高,相应地水资源承停止发展的观点。从另一方面也反映出,关中水资源载能力的主要指标都比低方案有很大提高,其中在 34水土保持通报第20卷2010年承载力已接近理想值,但在2020年,水资源要,可促进关中可持续发展,本方案可作为水资源开承载力与理想值相差较大,这是由于关中当地水资源发利用的优选方案。量有限,到2010年前后,当地水资源承载能力已基本[参考文献]达到极限,为了保证关中未来经济社会可持续发展,[1]崔凤军.城市水环境承载力及其实证研究[J].自然资摆脱水资源严重短缺的被动局面,必须考虑境外调源学报,1998,13(1):58—62.水,根据黄河流域规划和陕西水利规划以及前期工作[2]刘绍军.新疆塔里木河沿岸地区水资源优化分配模型的程度,开发黄河以北干流和两江(嘉陵江、汉江)调研究[J].水利学报,1995(1):69—74.水是增加关中供水量的必不可少的对策和措施。[3]甚江.本溪经济技术开发区环境——经济协调发展研D方案下各个水平年密切值很小,由于本方案在究[J].环境科学,1996,16(16):26—30.C方案的基础上考虑了两江调水和加强了黄河过境[4]牟海省,刘昌明.我国城市设置与区域水资源承载力协水开发利用,可供水量比C方案有了增加,相应地,调研究分议[J].地理学报,1994,7(4):32—36.水资源承载能力比中方案有了很大的提高,水资源承[5]蔡明喜,等.基于宏观经济的区域水资源多目标集成系载力的各项指标与理想值较为接近,社会经济环境获统[J].水科学进展,1995,6(2):2—7.得可持续发展,同时水资源也可得到可持续利用。因[6]王地宁.社会发展评价指标体系建构定量方法初探此,本方案的实施效果满足人民生活水平提高的需[J].系统工程理论与实践,1991,7(4):49—52.耕作侵蚀研究项目进展土壤侵蚀是全球性的严重环境问题,而农耕地则是全球土壤侵蚀最严重的地区。农地上存在的水力等侵蚀早已被研究者认识到,并且已进行了大量的研究,但农地上存在的另一种侵蚀,也是从根本上导致农地土壤退化及产生严重水土流失的侵蚀,却在以往的土壤侵蚀研究中被大大地忽视,这就是耕作侵蚀。耕作侵蚀是土壤物质在耕作机具的作用下发生分散、搬运、沉积的过程。在耕作侵蚀过程中,土壤物质主要在农地内发生再分布,在坡地上,这种再分布则主要表现为坡面土壤的从上向下运动。耕作侵蚀作为一种新近认识到的重要侵蚀过程,已引起国际上的广泛关注。耕作侵蚀研究也已在各大洲迅速开展起来。1997年起,欧共体将耕作侵蚀列为大型研究项目,组织了7个国家的科学家协作攻关,研究范围包括到全部欧共体国家;1997年7月在加拿大多伦多(Toronto)举行了第1次耕作侵蚀国际会议;1999年4月在比利时鲁汶(Leuven)举行了第2次耕作侵蚀国际会议;2001年8月将在英国埃克塞特(Exeter)再次举行关于耕作侵蚀影响的重要国际会议。我国是一个幅员辽阔,农业人口众多,耕种历史悠久的农业大国,坡耕地面积大,尤其与西方发达国家相比,坡耕地普遍较短,较陡,较崎岖,且各地的耕作机具与耕作方式差异较大,因此,耕作侵蚀是在我国广泛存在、形式多样的一种重要类型的土壤侵蚀。为了认识我国坡耕地的耕作侵蚀规律,进而发展科学的坡耕地保护性耕作技术,我们从1999年开始,在我国黄土高原开展了耕作侵蚀研究。我们在主持的国家自然科学基金项目“黄土地区耕作侵蚀评价”(1999—2001)、中国科学院水土保持研究所知识创新工程项目课题“耕作侵蚀过程与模拟”(1999—)及陕西省人事厅留学回国人员科技活动择优资助项目“农地耕作侵蚀研究”(2000—2002)的资助下,通过前两年的研究,已获得了黄土地区耕作侵蚀过程中的土壤再分布规律、黄土地区耕作侵蚀模型,黄土地区耕作侵蚀强度及其空间分布特征,以及黄土地区耕作侵蚀在总土壤侵蚀中的重要性及其空间变化规律。目前,我们正在对该地区耕作侵蚀其它方面的内容进行研究,各个项目进展顺利。(王占礼,中国科学院水利部水土保持研究所,陕西杨凌712100)'