水資源承載力研究進展及啟示

黨麗娟，徐 勇

（1.中國科學院 地理科學與資源研究所，北京100101；2.中國科學院大學，北京100049）

改革開放30多年來，我國經濟社會面貌發生了深刻而廣泛的變化，但經濟的快速增長和人民生活水平的顯著提高也付出了沉重的資源環境代價［1］。資源環境問題究其本質，是經濟結構、生產方式和發展模式問題。粗放型經濟增長方式不僅使經濟發展難以持續，資源環境也不堪重負［2］。實踐證明，我國的資源環境與發展的關系正在發生重大變化。黨的“十七大”報告（2007）把經濟增長的資源環境代價過大列為發展面臨的首要問題，首次把“生態文明”這個概念寫入黨代會的政治報告，強調要建立人與自然的和諧相處關系；“十八大”報告（2013）再次提出“建立資源環境承載能力監測預警機制，對水土資源、環境容量和海洋資源超載區域實行限制性措施”等內容，將發展中依然存在的不協調、不可持續問題、資源環境約束加劇等壓力列為重點關注對象。

水資源作為資源環境重要的組成部分，與經濟社會發展和人民生活密切相關。隨著人類活動的加劇和全球氣候變化問題的凸顯，水循環過程正在發生不利于人類維持既有生產生活秩序的改變［3］，淡水資源的供給能力正在持續減弱，很多地區發生了嚴重的水問題和水危機［4］。目前，聯合國及相關國際機構已把淡水資源的有效供給和高效利用作為衡量一個國家或地區經濟社會發展和科技水平的重要標志，水利調蓄能力和開源節流潛力也被視作檢驗一國或地區發展潛力和政府執政能力的關鍵指標［5］。為推進我國資源環境承載能力監測預警工作的有效開展，本文針對水資源單項要素，在回顧水資源承載力研究的起源和發展歷程的基礎上，重點對水資源承載力的概念、指標、評價方法等研究進展進行較為系統的梳理、總結和評述，希望能對未來我國資源環境承載能力尤其是水資源承載力評價工作的開展具有一定啟示意義。

1 水資源承載力研究的起源及歷程

承載力（Carrying Capacity）的思想萌芽于古希臘的亞里士多德時代，1798年馬爾薩斯（Malthus）人口論提出食物線性增長不及人口的指數增長速度，饑荒和戰爭會抑制人口數量；1838年弗赫斯特（Verhulst）基于此理論提出了對數增長方程（Logistic Equation），用容納能力反映食物的約束對人口增長的限制作用，被認為是如今承載力定量研究的起源。后有學者提出增長的極限這一概念［6］，承載力的主流思想延伸至人口學［7］、社會經濟領域的“適度”人口［8］，以及生物生態領域的生態環境能夠承載的最大種群數量等。20世紀60年代以后爆發了全球性資源環境危機，隨著人口的增長和經濟的發展，資源短缺、生態環境惡化等現象日趨顯著，人們不得不從資源環境的角度研究其所能支撐的社會經濟系統規模，承載力的研究逐漸回歸到人口和產業的承載力層面上［9］。針對資源短缺在全球許多國家或地區的蔓延問題，20世紀70年代開始，聯合國糧農組織（FAO）、聯合國教科文組織（UNESO）、經濟合作與發展組織（OECD）開展了一系列承載力項目研究，包括土地資源承載力、水資源承載力、森林資源承載力以及礦產資源承載力等，共同提出了“資源承載力”的概念，即“一個國家或地區的資源承載力是指在可以預見到的時期內，利用本地能源及其自然資源和智力、技術等條件，在保證符合其社會文化準則的物質生活水平條件下該國家或地區能持續供養的人口數量”。在資源承載力研究中較早的是土地承載力，20世紀80年代初由聯合國糧農組織（FAO）主持的土地資源人口承載力研究［10］，對全球和區域經濟、社會發展的規劃與可持續發展做出了積極的貢獻。

歷史地分析，水資源承載力的研究大致可分為4個階段：1985—1991年為概念及內涵的形成階段；1992—1999年為理論探索階段；2000—2005年為方法模型的發展階段；2005年至今為技術和應用的拓展階段。從承載力的研究地域上看，由最早的西北干旱地區發展到幾乎國土全域覆蓋的程度；在研究內容上，以水資源開發利用的能力，逐漸擴展至水資源承載社會經濟規模的能力；在承載對象上，從計算水資源開發利用規模的基礎上，延伸至人口規模、灌溉面積、工業產值、生態環境安全等內容［11］；從承載力計算結果的表達來看，除人口規模、產業規模外，豐富了水資源超載度、承載壓力度等內容。

2 水資源承載力的概念及理論進展

2.1 水資源承載力概念、內涵及發展

國外學者對于水資源承載力的研究最早可見Shelby等［12］對伊利諾伊斯河的承載力研究，認為河流承載力由物理承載力、生態承載力、社會承載力組成，物理承載力是由水資源的可利用量決定的，生態承載力受到人類活動強度的制約，社會承載力取決于經驗參數，且決定了河流在提供旅游休閑功能方面的承載力大小。Slesser M.［13］運用SD法提出了承載力估算的綜合資源計量技術模型（Enhancement of Carrying Capacity Options）模擬人口數量與承載力之間的動態變化，推動了發展中國家資源環境承載力的動態研究；Harris［14］將水資源可利用量作為影響農作物產量的一個因素，研究了基于邏輯增長方程的農業承載力的上限；美國URS公司［15］在對佛羅里達keys群島的自然環境、島群生態系統、以及海洋系統的承載能力的研究中，將承載力定義為在不對自然和人工資源造成破壞的前提下該地區所能承載的最大發展水平，并采用由社會經濟、財政、基礎設施、水、海洋及陸地等子系統和圖形用戶界面（Graphical User Interface）共同構成的承載力分析模型（Carrying Capacity Analysis Model）對該流域的社會經濟和生態系統整體進行了模擬和評價，確定Florida Keys流域生態系統及其構成因子對各種人類活動影響的承受能力；Sawunyama T.等［16］利用遙感與 GIS技術對非洲東南部流域小水庫的調蓄能力進行承載能力評估，指出小水庫作為水資源系統的一部分應該在水資源的規劃與管理中得到充分利用。

相比之下，我國對水資源承載力的探索始于西北干旱區水資源［17］的研究，以水資源供需關系作為研究思路，貫穿區域水資源及與其聯接被承載對象（人口、經濟、生態）的結構、規模及未來發展變化進行分析。因此，區域內水資源的供需平衡是我國水資源承載力研究的基本思想。新疆水資源軟科學課題研究組［18］最早針對水資源承載力進行研究；在國家政策層面上，“九五”攻關計劃中“關中水資源承載能力研究”課題［19］，“973”項目“黃河流域水資源演化規律與可再生性維持機理”均重點對西北地區水資源承載能力展開了研究［20－22］，旨在為缺水地區經濟發展決策提供依據。

基于不同的研究目的，水資源承載力的定義側重點不同。已有的關于水資源承載力的定義可被大致歸納為水資源開發利用的最大能力、水資源的最大支撐規模兩種類型。水資源開發利用的最大能力也指水資源的最大開發容量、最大供水能力、水資源可利用量，許有鵬［23］、高彥春等［24］的研究認為水資源供需盈虧狀況、水資源進一步開發利用的潛力大小就代表水資源承載力的大小。相比之下，水資源的最大支撐能力、規模這一內涵得到了更多學者的認可，具體指水資源的最大支撐能力，水資源能夠承載的最大人口規模、工農業生產規模等。其中，施雅風［25］、惠泱河［26］等以及國家“九五”科技攻關“西北地區水資源合理配置與承載能力研究”項目，認為水資源承載力是在特定條件下，對某一地區社會經濟發展所能提供的最大支撐能力；這一內涵通常采用人口數量、經濟發展規模等指標描述區域發展的合理性和可持續性［27］，采用不同方案制定出符合區域水資源承載力相應的人口、經濟政策。另一方面，水資源能夠支撐的最大人口規模、經濟規模這一內涵迄今得到了最為深入地研究及拓展。以阮本青［28］、何希吾［29］、夏軍［30］、王浩［3－4］、段春青［31］等為代表的“規模論”直接利用人口規模、工農業產值作為刻畫承載力大小的指標，其概念可被定義為：在一定階段的經濟發展水平和技術條件下，以社會經濟可持續發展與生態良性循環相協調為原則，區域／流域內水資源能夠承載的合理人口數量和經濟規模。

總體上看，國內的水資源承載力概念在一定程度上延用了國外研究和土地資源承載力的定義，強調了水資源開發利用的可持續性。對比地看，水資源承載力概念的表述可以從環境學和社會經濟學兩個角度進行區分，涵蓋了以下幾個影響因素：一是水資源稟賦因素；二是社會經濟技術發展的影響；三是對人口社會經濟系統的支撐情況；四是生態環境保障因素。水資源承載力的計算不應割裂整個資源環境系統，片面追求水資源的承載力最大值而忽略系統的整體性，違背了可持續性理論。從研究對象上看，水資源承載力的研究主要體現在水資源開發利用潛力、區域發展規模（人口規模或經濟載量）兩個方面，可分別概括為水資源的最大開發能力和最大支撐規模。已有研究關于水資源承載力本身表達比較宏觀，定量描述不夠精確。定義水資源承載力，在考慮水資源承載力影響因素的同時，宜以用水指標為線索，建立起限制因素（如可供水量、水質）與增長因素（如人口、經濟）之間的定量關系，從而更好地刻畫和測算水資源能夠承受的人口、社會經濟規模與發展方向。

2.2 水資源承載力理論框架及進展

水資源承載力研究是可持續發展理論在水資源管理領域的具體體現和應用。可持續發展強調3個主題：代際公平、區際公平以及社會經濟發展與人口、資源、環境間的協調性。作為水資源承載力研究的指導思想和理論基礎，在可持續發展理論的指導下，資源的可持續利用，人與環境的協調發展取代了以前片面追求經濟增長的發展觀念。馮尚友等［32］基于水資源的最大開發能力這一內涵，提出由可持續發展概念和水持續利用的理論研究、水資源的規劃管理技術研究、水資源發展的戰略和制度研究3個部分組成的基本理論框架。雖然三者實現持續發展和資源持續利用是不可或缺的因素，但忽略了水資源系統之外的社會經濟以及生態環境等因素的存在；姚治君［33］基于水資源的“規模論”將水資源承載力的研究從低到高概括為3個層次：區域水資源的內部轉換以及區域水資源開發利用與環境之間平衡關系研究、區域水資源狀態與社會經濟結構的適配關系的研究、社會需求與水資源承載力之間平衡關系研究。這一理論得到了朱一中等［34］的支持，進一步將水資源承載力研究的理論基礎具體化為可持續發展理論、“水—生態—社會經濟”復合系統理論和“自然—人工”二元模式下的水文循環過程與機制，這些理論基礎在后續研究城市化地區水資源承載力［35］時得到應用。

水資源承載力研究對象涉及社會、經濟、水資源、生態、環境等眾多與人類活動密切相關的因素，研究主體是水資源系統、客體是社會經濟系統和生態與環境系統。水資源承載力受供、需水雙方矛盾的影響，需要從受自然變化和人類活動影響的水循環系統出發，通過“自然生態—社會經濟”系統對水的需求和區域能夠提供多少可利用水資源量的支撐能力方面加以度量。結合學者們對水資源承載力的理論研究，可將理論框架分為基礎、概念、量化三部分。基礎理論包括可持續發展理論、生態經濟系統理論、二元模式下水循環理論及水資源優化配置管理理論等；概念體系包括水資源承載力的內涵、特征、影響因素、研究內容、判別標準和研究方法等；量化部分包括供水量化、需水量化、水質量化、耦合量化、優化配置及管理系統等。

3 水資源承載力指標體系

建立評價指標體系的目的在于通過選取適當的度量指標，并依據指標間的耦合關系形成有序而全面的評價指標系統，用以定量反映和衡量不同區域水資源系統特征及其對社會經濟系統和生態系統的承載狀況，識別和診斷、保持或維持承載客體正常運行的限制性環節及其制約程度。水資源承載力評價指標體系的構建是水資源承載力研究中的一個基礎性工作。水資源承載力評價指標的選取有不同的做法。通常將指標類型劃分為宏觀指標、綜合指標兩大類，宏觀指標對應水資源承載人口、產業規模；綜合指標表征水資源的支撐能力。宏觀指標描述的是區域水資源的可利用量支撐的經濟規模和人口數量，用工農業產業和人口數量表示，包括4類二級指標，即水資源系統指標、社會系統指標、經濟系統指標、生態環境系統指標；其中，水資源量的大小、可利用程度、水質總體情況、水資源開發利用情況等指標刻畫水資源系統背景值；社會系統指標則反映人口和社會發展對水資源的利用情況；經濟系統指標描述區域整體發展方向、產業結構、工農業用水情況等；生態環境系統指標主要反映人類活動、經濟建設、水資源的開發利用對生態環境的影響。綜合指標包括承載力指數和協調指數兩項指標，通過指數的范圍值來判斷水資源承載狀態。

水資源承載力評價指標體系種類繁多復雜，然而指標數量多寡并不代表刻畫概念是否清晰準確。另外，繁復的指標在計算過程中可操作性低，并不能滿足刻畫承載力的精確度要求。有效刻畫水資源承載力的指標體系是能夠抓住問題的關鍵，既能反映水資源系統的可利用量及其動態變化，又能準確表達水資源系統與承載系統之間的耦合關系。以區域內某工廠為例，采用其土地占用面積、生產單位產品的耗水量、其他資源消耗量、供水水源與用水單元的距離等指標從資源角度刻畫水資源量的承載力；采用總產值、利潤、職工數量及工資水平、職工住宅情況等指標從社會經濟角度刻畫水資源的人口、產業承載力［36－38］；采用排水量、廢渣、廢水處理以及對大氣、環境影響等指標從環境污染的角度刻畫水資源的生態與環境承載力；以最小用水單元為主線，從這三個角度選取關鍵指標能夠清晰地建立起水資源系統與被承載對象（人口、經濟、生態）的空間關系，計算出可供水量與該工廠的產品發展規模、職工人數等數量關系，進而評價和測算整個區域的水資源承載能力。

4 水資源承載力計算方法

目前，水資源承載力的研究方法有單因素評價法、多因素綜合評價法、主成分分析法、多目標規劃方法、多指標評判方法、系統動力學法、常規趨勢法等。

4.1 水資源承載力的計算方法述評

常規趨勢法是在以各部門供、用水量及預測結果的基礎上，分析水資源可利用量能否滿足用水需求，即水資源的承載能力或承載潛力。具有代表性的是新疆水資源軟科學課題研究組對新疆的水資源承載能力和開發戰略對策的研究，采用了水文統計法、樹木年輪法、太陽活動強弱3種方法對新疆水資源長期變化趨勢進行預測研究，按照75%來水保證率計算可利用水量，假設工業、農業、人民生活用水之間遠景分水比例為15%，80%，5%，基于未來工農業生產的承載能力，計算新疆的人口規模；曲耀光［43］在黑河流域水資源承載力分析計算與對策的研究中，利用趨勢法和灰色模型預測方法，分析在高低方案下黑河流域的水資源能否滿足各用水部門的需求。此方法簡便直觀，基于區域／流域水資源供需平衡的思路，利用水資源可利用量來預測分析未來用水需求的發展趨勢，沿用至今。

多目標分析評價方法，即在列出影響水資源系統的主要約束條件下，運用系統分析手段尋求多個目標的整體最優。阮本青等［28］以系統工程方法為依據，以水資源供需動態平衡、供水能力、行業取用水量、人均糧食產量、耕地面積、人均經濟收入為約束，以水資源綜合利用效益最大為目標函數，計算水資源所能持續供養的人口數量。這種模型建立規則是以約束條件為基礎的，構成約束的因子和約束條件的設置在某種程度上對模型有很大影響。例如，多目標分析評價方法中，對約束條件的設置主要可概括為產業生產總值最大、用水量最小、人均資源占有量最大等。而就現有技術水平、用水節水水平而言，任意兩種約束條件之間存在矛盾關系［44］。約束條件的集合可以滿足供需平衡、可持續發展的要求，但多種約束條件的耦合效果差強人意。

表1 水資源承載力指標類型劃分、表示方法及作用［39－42］

綜合評價的方法多樣，可拓物元模型、數據包絡模型、灰色評價模型等。最常用的綜合評價方法為模糊評判法，在對影響水資源承載能力的各個因素進行單因素評價基礎上，通過綜合評判矩陣對其承載能力進行多因素綜合評價。如許有鵬［23］以新疆和田流域為例，利用模糊綜合評判法，選取耕地率、水資源利用率、供水模數、需水模數、人均供水量和生態用水率6個因素作為評價因素，再通過評判矩陣建立分析評價模型，以小區、綜合流域的尺度探討了我國西北干旱區水資源承載能力綜合評價方法。該方法解決了單因素評價方法中的缺陷，比較全面地反映水資源承載能力的狀況。這種方法是一種主觀因素突出型的評判法，在運算過程中容易造成有效信息遺失及誤判，在賦值、權重分配、指標選取方面并不具備普適性。

針對模糊綜合評判法在綜合評價中存在的主觀隨意性問題［45］，傅湘等［46］提出采用主成分分析法進行區域水資源承載能力綜合評價。根據主成分分析法的原理，分析了灌溉率、水資源利用率、水資源開發程度、供水模數、需水模數、人均供水量和生態環境用水率7個主要因素，通過評價參數的分級標準進行最佳綜合與簡化，通過主成分關系式，最終對水資源承載能力進行分級評判。主成分分析法用綜合指標代替原來指標所包含的信息，同時客觀地確定權重，避免了主觀隨意性。

系統動力學法通過借助系統動力學方法最為突出的優點，即處理高階次、非線性、多重反饋、復雜時變的系統問題，王建華等［47］根據“需水—社會經濟水平—供水”相互作用、反饋的機制，建立了水資源承載力系統，即投資、水資源分配、農業節水、灌溉、生活用水、人口、工業節水和循環用水8個子系統，預測了水資源的工農業承載能力，并指出節水和降低單位產值耗水是提高水資源利用率的主要途徑。陳冰等［48］利用SDIMWRSCCB模型仿真了高、中、低3種發展方案，分別從人口、經濟、水資源供需和水環境污染及治理4個方面來評價柴達木盆地社會經濟進一步發展與水環境承載力的關系。系統動力學方法能夠很好地解決水資源承載力各影響因素之間的定量關系，系統且快速地計算出各子模塊的值。在繪制系統流圖時，涉及到模型參數眾多，因此數據需求量也很大。

4.2 代表性研究方法的探討

通過梳理以往具有代表性的研究，根據不同的研究方案，水資源承載力的計算主要體現在人口規模、經濟載量（產業經濟總產值、灌溉面積等）和水資源開發利用潛力3個方面；針對主流研究方法進行展開分析可見，水資源承載力是通過評價、預測的方法來實現。

表2 水資源承載力主流研究方法及概況

常規趨勢法、系統動力學法、多目標綜合分析法等方法在設定不同方案下進行預測和優化，從影響水資源承載力的各因素之間相互作用關系入手，構建數學方程模擬各因素的動態變化，并通過不同變量將這些數學方程耦合成水資源承載力量化模型，通過情景預測手段計算水資源承載力。這一類方法在探索各個因素的分析以及相互作用關系上有所突破，但過程復雜，且其中涉及的參變量太多，不易掌握。而模糊評價法、灰關聯評價法、主成分分析法等方法是從分析水資源承載力系統中的現象入手，構建指標體系，構建評價方法及模型，綜合評價水資源對某種發展規模的支撐程度。這一類方法往往局限于水資源承載力系統中各個因素上，在指標體系、評價標準和評價方法的選擇上主觀性較大，定量分析計算的結果會引起不同解讀。

此外，新方法在水資源承載力研究領域的應用也得到了推廣和發展。人工神經網絡（ANN）的非線性映射關系能夠反映出水資源承載力與人類社會經濟活動的必然聯系［49］，通過建立神經網絡模型可預測和判別區域未來水平年水資源承載力狀態；遺傳算法（GA）模型采用遺傳算法建立目標函數及約束條件［50］，能夠有效解決多目標優化問題；動態模擬遞推法通過水的動態供需平衡計算來顯示水資源承載力的狀況和支持人口與經濟發展的最終規模［51］；投影尋蹤評價模型［52］將高維數據向低維空間數據進行投影，通過低維投影數據的散布結構來研究高維數據特征；最大信息熵原理［53］提出了基于極大熵原理的水資源承載力評價模型對水資源承載能力進行評價；粗糙集理論［54］采用了層次分析和熵權法對指標進行賦權，采用集對分析（SPA）構建評價樣本與評價標準的聯系度，建立了水資源承載力評價RS－SPA模型。這些新方法突破了以往數據獲取與分析手段，避開傳統方法中面臨的復雜問題及難點，利用各自的優勢提供了解決耦合系統量化關系的新思路，既使水資源承載力的結果更真實可靠，又是未來水資源承載力研究方法的新方向［55］。

5 結論與討論

（1）通過對國內外水資源承載力相關研究的梳理和歸納，將國內外關于水資源承載力研究歷程劃分成概念及內涵形成、理論和方法探索、方法模型發展和技術及應用拓展4個階段。水資源承載力的概念可被定義為在一定階段的經濟發展水平和技術條件下，以社會經濟可持續發展與生態良性循環相協調為原則，區域／流域內水資源能夠承載的合理人口數量和經濟規模。

（2）在總結以往水資源承載力的研究關于指標體系及方法的基礎上，探討了針對水資源最大開發能力的現狀評價方法、水資源最大支撐規模的情景預測方法，提出了從微觀層面上計算水資源承載力的思路，厘清水資源貫穿社會經濟系統、生態系統而產生的供需關系，從而正確評價和判斷區域發展的水資源承載能力。

（3）水資源承載力的計算，歸根結底是解決動態變化下水資源供需平衡和生活質量、生產效率的問題。另外，快速城鎮化、工業化背景之下的人口格局變化又為區域水資源承載力的空間差異研究增加了新的研究內容。傳統研究方法和思路已難以突破，不妨通過“以小見大”的方式，將最小用水單元作為主線，結合不同角度（資源環境、社會經濟、生態）測算最小單元的水資源承載力［56］，進而確定整個區域的水資源承載人口規模、經濟發展潛力，為合理配置區域資源、調整產業結構和生產布局、制定社會經濟發展戰略提供決策參考；同時，也為積極促進我國資源環境承載能力監測預警工作的開展提供科學依據。

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