基于用水总量控制的水资源承载能力分析研究 ——以赣江袁河流域为例_水资源综合调控与管理（江西水问题研究与实践丛书）-QQ阅读男生玄幻网

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基于用水总量控制的水资源承载能力分析研究
——以赣江袁河流域为例

杨永生，温天福，刘聚涛

江西省水利科学研究院水资源水环境研究所/水利部鄱阳湖水资源水生态环境研究中心

通过界定水资源承载能力的概念和内涵，提出基于总量控制条件下人口-经济-水资源三者系统协调耦合的水资源承载能力分析计算方法，分别采用产业结构调整和水资源优化配置模型等措施，以赣江袁河流域水资源承载能力分析计算进行例证。研究结果表明：在用水总量控制、保障社会发展水平和人均GDP水平条件下，（1）优化后行业用水定额下降，流域需水总量减少，水资源利用效率提高，目标年2015年和2030年流域需水量调整后较调整前分别减少0.36亿m³、0.90亿m³，较调整前下降了2.3%和5.3%；（2）对于不同目标年，优化后用水区域可承载GDP和承载人口有所增加，2015年和2030年全流域可承载GDP分别增加26.49亿元和151.91亿元，全流域可承载人口分别增加7.73万人和18.74万人。

关键词:用水总量控制-承载能力-优化配置模型-协调耦合-袁河

1 引言

联合国和世界资源研究所有关专家在20世纪末的评估报告中均指出，水的供应不足将成为21世纪最为紧迫的资源问题和许多地区发展的主要限制因素之一^［¹^，²^］。水资源短缺将引发一系列社会问题，并可能成为相邻地区或邻国之间发生争执甚至爆发战争的根源。我国被列为世界13个人均水资源贫乏的国家之一，面临严重的水资源危机，人多水少、水资源时空分布不均是我国的基本国情水情。水资源对未来发展有多大的承载能力，越来越成为政府部门和公众共同关心的问题。2011年，国务院发布中央1号文件《关于加快水利改革发展的决定》，推行最严格的水资源管理制度，对水资源开发利用、用水效率、水功能区限制纳污实施最严格的“三条红线”控制，并把严格水资源管理作为加快转变经济发展方式的战略举措。在这一背景下，尤其在用水总量受到限制的情况下，研究水资源对流域与区域经济社会的承载能力及水资源在流域区域内的优化配置，为流域区域实现经济发展方式的转变提供支撑，就显得十分必要。

本文发表于2012年。

2 水资源承载能力概念及内涵

自水资源承载能力研究成为热点以来，根据研究目的不同，不同学者对水资源承载能力的定义 ^［3-13］大致可以归纳为两大类：一类是水资源开发容量论^［14］；另一类是水资源支持可持续发展论 ^［15-16］。前者是从水资源承载主体出发，认为水资源承载能力是在一定的社会发展阶段，在水资源总量的基础上，通过合理配置和有效利用所获得的最合理的社会、经济与环境协调发展的水资源开发利用的最大规模，即在一定经济技术水平和社会生产条件下，水资源可供给人民生活、工农业生产和生态环境保护等用水的最大能力；后者则是从水资源承载客体出发，认为水资源承载能力是指在具体的历史发展阶段，以可预见的技术、经济和社会发展水平为依据，以经济社会的可持续发展和维护生态环境的良好状态为原则，以合理的优化配置为条件，水资源所能支撑的经济社会发展的最大规模。按照联合国教科文组织（UNESCO）对资源承载力概念的定义思路，目前大多数专家和学者比较趋向于水资源支持可持续发展论^［3］。

按照上述水资源承载能力定义，水资源承载能力有以下3点比较突出的内涵。一是水资源承载能力具有时间和空间的内涵。承载能力的空间内涵表现为相同数量的水资源在不同区域的水资源承载能力是不同的；时间内涵则表现为区域水资源承载能力是指未来某一特定时段的承载状况。二是分析水资源承载能力应遵循可持续发展的原则。探讨水资源承载能力的前提条件是“对生态环境不构成危害”，对社会的支持方式是“持续供养”，因此任何基于对资源过度使用和对环境破坏所取得的瞬间承载量，都被认为是不可取的。三是水资源承载能力表现为经济社会内涵。一方面水资源承载能力涵盖了将来某一时间区域水资源开发、社会用水效率以及用水管理水平等具体的社会内涵；其次水资源承载能力结果需要充分体现水资源的优化配置这一经济社会行为；另外水资源承载能力的最终表象为“经济社会发展规模”，可以用比较直观的经济总量和人口数量予以表达。

3 研究思路

根据水资源承载能力计算技术路线图（图1），提出“基于总量控制条件下的人口-经济-水资源3者系统协调耦合法”，其计算步骤如下。

（1）根据流域自然资源禀赋条件及经济社会发展状况，在维护流域生态环境健康的条件下，明晰流域初始水量分配总量控制方案。

（2）分析区域行业间水资源优化配置及行业内产业结构调整方案。

（3）基于区域行业间水资源优化配置及行业内产业结构调整方案，预测分析目标年不同经济发展水平下的用水水平，以及一定的承载水平下单位GDP的综合用水量。

（4）预留生活和城市生态用水量，得出可用于生产的水量，推算出可承载的经济规模及相应承载水平下的预承载人口数。

（5）将预留的生活用水量和一定生活水平下对应的可承载人口的生活用水量进行对比，预留的生活用水量要满足可承载人口生活用水量，且两者量值要接近，如果相差太大说明生活用水和生产用水比例不合理，应加以调整可用于生产的水量，再次进行耦合计算。

图1 水资源承载能力计算技术路线图

（6）将预承载人口数与预测人口数进行比较，较大值为水资源承载人口数量，并再次校核区域可承载GDP和相应的承载水平。

4 赣江袁河流域实例分析

4.1 分析计算单元划分

袁河（图2）系赣江一级支流，集水面积6262km²，多年平均降水量1678.0mm，多年平均产水量59.57亿m³，相对于区域经济社会发展需求，水资源量相对较紧缺。流域用水区域涉及3市7县（区），结合区域地理位置特点，将袁河流域用水区域划分芦溪、袁州、分宜和渝水4个分析单元，其中芦溪分析单元为芦溪县，面积为728km²；袁州分析单位为袁州区，面积为2076km²；分宜分析单元为分宜县，面积为1288km²；渝水分析单元包括袁河流域内的渝水区、上高县、高安市和樟树市区域，面积为2170km²。

图2 袁河流域概况图

4.2 水量分配方案

从2005年开始，江西省大力推进了全省的初始水量分配工作。截至2008年，全省主要江河的水量分配方案全部完成，并经省人民政府批准实施。依据已有报告^[1]，袁河流域各分析单元水量分配方案见表1。

表1 袁河流域水量分配方案（多年平均）亿m³

4.3 产业结构调整及需水变化分析

产业结构直接影响到水资源需求量的多少，在不影响区域经济正常发展的前提下，对3次产业发展规模及经济结构进行合理调整，抑制高投入、低产出的行业发展，依靠区域资源优势和科学技术，发展产值高、且耗水量小、排污量少的行业，可以大大减少水资源的需求及污水排放量，进而提高区域水资源承载力。农业方面：在保证粮食安全的前提下，袁河流域可适当提高经济作物在种植业中的比例，减少水田种植面积；工业方面：袁河流域应大力发展低能耗、高产出行业，稳固主导产业的发展，限制高耗水、高污染行业的发展。第三产业方面：利用流域良好的生态环境旅游资源，将已形成初步规模的景区的旅游业作为潜在的主导产业，同时带动与当地工农业发展配套的运输服务行业的发展。

通过产业结构调整（见表2），流域有效地降低了各产业综合用水定额，农业、工业和第三产业的用水定额有所下降，单位GDP需水量也相应减少，水资源利用效率提高；同时流域经济社会需水总量减少，经测算（见表3），目标年2015年和2030年流域需水量调整后较调整前分别减少0.36亿m³、0.90亿m³，较调整前下降了2.3%和5.3%。

表2 产业结构调整情景方案

表3 产业结构调整前后目标年区域需水量亿m³

4.4 水资源优化配置模型及计算成果

4.4.1 决策变量分析

袁河流域分为4个计算单元，令I=4，分别表示芦溪、袁州、分宜和渝水；用水户分为5个，生活用水、工业用水、农业用水、林牧渔业用水及第三产业用水，即J=5。决策变量x_ij为目标年计算单元i内的用水户j得到的供水量。

4.4.2 目标函数的确定

以水资源的利用效益最大为目标函数，可分为社会效益、经济效益和环境效益。

（1）社会效益目标函数

式中：D_ij为计算单元i用户j所需水量，m³；x_ij为计算单元i用户j可供水量，m³；λ_j为用户j的用水公平系数；η_i为计算单元i的用水权重系数。

（2）经济效益目标函数

式中：b_ij为计算单元i用户j的单位用水效益系数，元/m³；c_ij为计算单元i用户j的单位供水费用系数，元/m³；x_ij为计算单元i用户j可供水量，m³。

（3）环境效益目标函数

式中：d_ij为计算单元i用户j的污水排放量中指示污染物的浓度，mg/L；p_ij为计算单元i用户j的污水排放系数；x_ij为计算单元i用户j可供水量，m³。

4.4.3 约束条件的确定

（1）可供水量约束。

计算单元i各用水部门的供水量之和不应大于其水量分配方案总量控制量。

（2）部门用水量约束。

计算单元i各用水部门的用水量应控制在一个可接受的上下限范围之内。

在生活需水方面，需水对供水要求较高，其可接受值不应有所波动，即L_il=H_il=D_il；工业和第三产业需水方面，根据丰枯年份的来水量及用水户用水特性，供水量可以有所波动，控制范围为［0.8D_i₂，D_i₂］；对农业和林牧渔业而言，可以采用有效灌溉面积和保障灌溉面积，结合综合灌溉定额q_i₃来确定用水量的上下限，即=D_i₃，。

（3）污水排放量约束

根据2003年江西环保厅《袁河流域水污染物排放标准》，袁河流域W₀控制在1700t以内。

（4）区域协调发展约束

式中：μ₁（σ₁）、μ₂（σ₂）分别表示水资源利用与区域经济发展的协调度，经济发展与水环境质量改善的协调度；μ、μ^*分别为流域协调发展指数及其可接受值。袁河流域协调发展指数可接受值取0.8。

（5）非负约束。

水资源配置模型中所有决策变量均为非负值，即

优化配置模型所需参数，主要包括公平系数、权重系数、效益费用系数及协调发展指数等，确定参数后即可对流域水资源进行行业间优化配置。优化配置成果见表4。

表4 袁河流域水量分配行业间优化配置成果表亿m³

4.5 水资源承载能力分析

4.5.1 承载水平的划定

承载水平是衡量承载能力中承载客体变化的重要指标，不同的承载水平将产生不同的承载能力，因而需要对承载水平进行分级研究。承载水平分为经济社会发展水平和水资源利用效率水平两个方面，并主要对经济社会发展水平进行分级研究。按照中国政府发展战略，将袁河流域承载水平划分为温饱、总体小康、全面小康、基本现代化、现代化5个阶段，考虑汇率及时间因素的影响，将以美元为划分标准换算为人民币为标准，相应指标要求见表5。

表5 中国经济社会发展阶段划分表

4.5.2 计算参数的确定

根据产业结构调整及水资源行业优化配置成果，经预测分析，可计算出目标年流域区域的单位GDP需水量和人均GDP值，见表6。

4.5.3 水资源承载能力计算

根据“基于总量控制条件下的人口—经济—水资源三者系统协调耦合法”，袁河流域各分析单元水资源承载水平及承载能力成果见表7。

4.5.4 水资源承载能力分析

根据袁河流域水资源承载能力优化配置方法，在用水总量条件控制下，保障社会发展水平和人均GDP的情况下，对目标年流域各区域承载能力进行优化配置，结果如表7所示。对于不同目标年，优化后各用水区域可承载GDP和可承载人口相对增加，2015年和2030年全流域可承载GDP分别增加26.49亿元和151.91亿元；全流域可承载人口分别增加7.73万人和18.74万人。

表6 袁河流域承载能力计算参数表（优化后）

表7 袁河流域水资源承载能力分析评价成果表

5 结论

本研究运用基于总量控制条件下的人口—经济—水资源三者系统协调耦合法，通过产业结构调整和水资源承载能力优化配置等手段，对袁河流域水资源承载能力优化配置进行研究。①产业结构调整分别通过减少水田种植面积，限制高耗水、高污染行业的发展和以旅游业作为潜在的主导产业带动运输行业发展等措施进行，优化后流域有效地降低了各产业综合用水定额，农业、工业和第三产业的用水定额有所下降，单位GDP需水量也相应减少，流域需水总量减少，水资源利用效率提高，目标年2015年和2030年流域需水量调整后较调整前分别减少0.36亿m³、0.90亿m³，较调整前下降了2.3%和5.3%；②对于不同目标年，优化后用水区域可承载GDP和承载人口有所增加，2015年和2030年全流域可承载GDP分别增加26.49亿元和151.91亿元，全流域可承载人口分别增加7.73万人和18.74万人。

水资源承载能力研究是剖析水资源系统与经济社会系统关系的有力工具，本研究认为水资源承载客体不仅包括经济社会系统，同时还包括生态环境系统，承载能力应以维护生态环境良性循环为条件，尤其要遵循国家正在推进的用水总量控制制度，实现水资源对经济社会系统的可持续支撑；水资源承载能力具有时空变化特性，水资源系统、经济社会系统及生态环境系统都是复杂的巨系统，应以整体的、动态发展的观点进行综合协调分析；水资源优化配置是提高水资源承载能力的一个重要手段，研究时应充分予以考虑。同时，笔者也感到水资源承载能力研究还存在着一些有待完善的地方，如水资源承载能力评价理论体系尚未完善，众多的计算方法仍有待于规范统一；水资源承载能力评价需要对很多技术经济指标进行预测，评价成果往往与之相关性较大，因此有关预测精度的研究有待于进一步深入；水资源承载能力分析以可持续发展为原则，具体计算时，水资源主体自身的可持续发展可以通过保证流域生态环境需水量来体现，但经济社会的可持续发展内涵丰富，系统之间作用复杂，这在水资源承载能力计算时并不能很好的反映，只有通过指标评价进行分析判断。因此，在分析流域水资源承载能力时，如何更好地反映出经济社会的可持续发展需要进一步研究。