基于多目標(biāo)決策的水資源可持續(xù)承載力理論及應(yīng)用研究

□胡士輝 □孫世雷（黃河水利委員會水文局）

□張桂花 □田永軍（河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司）

1.引言

城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)帶來了人口膨脹、水資源短缺和水環(huán)境惡化等問題，水資源承載力作為自然資源承載力的重要組成部分，已成為水資源短缺地區(qū)能否支撐人口、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的一個“瓶頸”因素。水資源承載力研究作為水資源安全度量和規(guī)劃的基礎(chǔ)，不僅能夠?yàn)楣芾碚咛峁Q策依據(jù)，而且在一定程度上能夠增強(qiáng)節(jié)水意識，對促進(jìn)水資源的可持續(xù)利用和實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

2.鄭州市水資源狀況

鄭州市總面積7446km2，境內(nèi)大小河流35 條，分屬于黃河、準(zhǔn)河兩大水系。據(jù)鄭州市水資源公報統(tǒng)計，1995～2005年鄭州市多年平均降水量為650.75mm，水資源總量為12.59 億m3，其中地表水資源量5.98 億m3，地下水資源量9.86 億m3，重復(fù)水量3.25 億m3。按2005年人口計算，鄭州市人均占有水資源量僅為222m3/人，水資源十分短缺，供需矛盾十分突出。與此同時，水污染加劇，水環(huán)境日益惡化，2005年污水排放總量6.55 億m3，污水處理量1.71 億m3，污水處理率僅為26%，大量污水排入河道，引起水質(zhì)惡化，主要河流水質(zhì)綜合評價列別為Ⅴ類和劣Ⅴ類。

3.多目標(biāo)決策分析模型體系

本研究從可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，將水資源承載力定義為：在某一具體歷史發(fā)展階段下，以可預(yù)見的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平為依據(jù)，以可持續(xù)發(fā)展為原則，以生態(tài)環(huán)境的良性發(fā)展為前提，經(jīng)過合理的配置，某區(qū)域（流域）可利用水資源所能持續(xù)支撐的人口、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展能力。基于多目標(biāo)決策的水資源承載力分析方法能夠把運(yùn)籌學(xué)與管理學(xué)聯(lián)系起來，是處理社會經(jīng)濟(jì)—資源—環(huán)境這類復(fù)雜的、多屬性、多目標(biāo)、群決策問題的比較合適的方法，也是當(dāng)今水資源管理的一個趨勢。其具體方法為：選取能夠反映水資源承載力的人口、社會經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境以及水資源質(zhì)和量等若干指標(biāo)，按照可持續(xù)發(fā)展的原則，從整體的角度剖析各個指標(biāo)之間的關(guān)系，并用數(shù)學(xué)約束進(jìn)行描述，不追求單個目標(biāo)的優(yōu)化，而追求整體最優(yōu)，用系統(tǒng)分析和動態(tài)分析方法研究不同水平年、不同策略方案下水資源所能承載的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、人口規(guī)模，從而選擇合適的發(fā)展策略。

3.1 目標(biāo)函數(shù)

本研究選取GDP，人口規(guī)模，污染物總量這3 個指標(biāo)來分別反映水資源對經(jīng)濟(jì)，人口和水環(huán)境的承載狀況。多目標(biāo)分析模型目標(biāo)函數(shù)如下：

式中：xijk為決策變量，表示用水部門從第k 子區(qū)第j 種水源所取的水量(104m3)；i=1～5，分別表示第一、第二、第三產(chǎn)業(yè)，城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活五個用水部門；j=1～m，表示水源的個數(shù)，k=1～n，表示子區(qū)的個數(shù)。σ 為量綱轉(zhuǎn)換系數(shù)；λ 為目標(biāo)權(quán)重。

3.1.1 經(jīng)濟(jì)目標(biāo)

采用第一、第二、第三產(chǎn)業(yè)用水量除以萬元產(chǎn)值用水量計算得出的三大產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值之和的最大值作為經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。

式中：K 為子區(qū)總數(shù)；J(k)為第k 子區(qū)的水源個數(shù)；δi 表示i用水部門用水公平系數(shù)；K1、K2和K3 分別表示第一、第二和第三產(chǎn)業(yè)萬元產(chǎn)值用水量（m3/104元）；E 表示總產(chǎn)值(104 元）。

3.1.2 人口目標(biāo)

采用城鎮(zhèn)、農(nóng)村居民年用水量除以用水定額計算得出的城鎮(zhèn)和農(nóng)村人口之和的最大值作為人口目標(biāo)。

式中：K4、K5分別表示城鎮(zhèn)、農(nóng)村生活居民生活需水定額(升/人·日)；P 表示人口目標(biāo)（人）。

3.1.3 水環(huán)境目標(biāo)

本文采用重要污染物的排放量最小來反映水環(huán)境目標(biāo)。

式中：di為i 用水部門單位廢水排放量中重要污染因子的含量（mg/L），一般可用生化需氧量BOD、化學(xué)需氧量COD 等水質(zhì)指標(biāo)來表示；pi為i 用水部門污水排放系數(shù)；R 表示污染物排放總量（t）。

3.2 約束條件

本研究考慮到可持續(xù)發(fā)展要求，首先滿足生態(tài)用水，然后從社會經(jīng)濟(jì)、水資源、生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)方面進(jìn)行分析，引入了以下約束條件：

3.2.1 可供水量約束：

式中：Wjkmax為規(guī)劃水平年第k 子區(qū)第j 種水源最大可供水量(104m3)，i=1～5，k=1～n。

3.2.2 部門用水量約束：

式中：Wikmin、Wikmax分別為規(guī)劃水平年第k 子區(qū)供給第i 用水部門的最小、最大水量(104m3)，i=1～5，k=1～n。

3.2.3 國民經(jīng)濟(jì)約束：

式中：Eimin、Eimax分別為規(guī)劃水平年第一、第二、第三產(chǎn)業(yè)的最小、最大產(chǎn)值(104元)，i=1～3。

3.2.4 人口約束：

式中：Pimin、Pimax分別為規(guī)劃水平年城鎮(zhèn)和農(nóng)村的最小、最大人口（人），i=4～5。

3.2.5 環(huán)境約束：

式中：Rmax為規(guī)劃水平年水體所能容納的某種重要污染物的容量（t）。

3.2.6 非負(fù)約束：

式中：i=1～5，j=1～m，k=1～n。

3.3 綜合評價指標(biāo)及分類

本研究選用相對承載指數(shù)（RCI）和絕對承載指數(shù)（ACI）反映指標(biāo)預(yù)測值與多目標(biāo)模型計算的指標(biāo)值之間相對和絕對關(guān)系。參考土地承載力的分類系統(tǒng)進(jìn)行分類（詳見表1），進(jìn)行水資源承載力綜合評價。

式中：RCIi為第i 種指標(biāo)的相對承載指數(shù)；Oi 預(yù)測和Oi 分別為第i 種指標(biāo)預(yù)測值和模型計算的水資源承載指標(biāo)值；λi 為第i 種指標(biāo)的權(quán)重；RCI 為綜合相對承載指數(shù)；ACIi 為第i 種指標(biāo)的絕對承載指數(shù)。

表1 水資源承載能力分類系統(tǒng)及劃分標(biāo)準(zhǔn)表

4.鄭州市水資源承載力分析評價

本研究統(tǒng)籌經(jīng)濟(jì)、人口及環(huán)境平衡協(xié)調(diào)發(fā)展，擬定基本和節(jié)水兩種方案，根據(jù)不同規(guī)劃水平年可供水量，人口、經(jīng)濟(jì)、納污能力、生態(tài)需水量以及各類指標(biāo)用水定額預(yù)測成果，賦予各目標(biāo)不同權(quán)重，求解模型，分析評價不同方案鄭州市水資源承載能力。兩種方案各項(xiàng)指標(biāo)預(yù)測值、承載值及評價結(jié)果見表2和表3。

表2 鄭州市水資源承載能力方案分析表

表3 鄭州市水資源承載類型分析表

由表2和表3可以看出，得益于南水北調(diào)引用水量，2015年兩種方案均為弱度缺載（ⅢC），水資源構(gòu)不成鄭州市經(jīng)濟(jì)和人口迅速發(fā)展的主要制約因素；到2020年，已呈現(xiàn)缺水趨勢，只有采取節(jié)水方案才能維持經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展；然而2025年以后，缺水已比較嚴(yán)重，兩種方案均為弱度超載（ⅠC），人水關(guān)系呈現(xiàn)不可持續(xù)性，水資源承載力已不能滿足經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的需要。以上分析說明鄭州市為資源性缺水，水資源已經(jīng)成為制約社會發(fā)展的主要因素。因此，必須要采取一定的對策高效開發(fā)利用水資源，以提高鄭州市水資源承載能力，確保人水關(guān)系長期處于可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

5.結(jié)語

本文利用多目標(biāo)決策分析評價方法，從定量和定性兩個方面對鄭州市水資源承載能力做了分析研究，直觀地反映了各規(guī)劃水平年水資源對經(jīng)濟(jì)社會的承載狀況。結(jié)果表明，鄭州市屬資源性缺水，當(dāng)?shù)厮Y源不足，外來水源占主導(dǎo)地位。建議采取以下措施增強(qiáng)水資源可持續(xù)承載能力：一是有效引用黃河水、南水北調(diào)水，攔蓄過境水，大力推廣集雨節(jié)灌、雨水利用和污水處理中水回用，充分利用各種水資源；二是加快推進(jìn)鄭州城市生態(tài)水系建設(shè)，大力改善城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境；三是合理配置水資源，提高水資源的利用效率；四是調(diào)整工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，大力興建節(jié)水設(shè)施，提高水的重復(fù)利用率；五是調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，推廣先進(jìn)節(jié)水技術(shù)，發(fā)展高效節(jié)水型農(nóng)業(yè)；六是加強(qiáng)宣傳，轉(zhuǎn)變觀念，樹立全社會的節(jié)水意識。

[1]朱一中,夏軍等.關(guān)于水資源承載力理論與方法的研究[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2002,21(2)：180～188.

[2]楊之生.大理市土地資源人口承載能力之研究[J].云南大學(xué)學(xué)報,1994,16(1)：40～47.