环境工程：城市水环境承载力及其实证研究

1、环境工程：城市水环境承载力及其实证研究崔凤军（北京大学城市与环境学系北京 100871）提要采用系统研究方法，对城市水环境承载力的概念、实质、功能及定量表达方法作出了分析，并利用系统动力学模拟手段进行了实证研究，利用水环境承载力指数变化对拟定的调整策略变量作出了预测、优化，得出了较满意的结论。关键词水环境承载力城市水环境发展变量策略变量实证研究1 城市水环境承载力的概念体系水环境作为社会、经济系统存在和发展的基本因素，它的承载能力状况对地区发展起着重要作用。由于历史等原因，我国城市发展面临着一系列问题，其中因规模过大、产业结构不合理、生产布局不适当、环境保护措施不得力等而引起的水环境问题（如水

2、资源短缺、水污染过重、水生态平衡遭到破坏）日显突出，从而使城市的持续发展受到严重阻碍。解决我国城市水环境问题的根本出路在于协调好水环境与经济发展的关系，即在保证经济稳步增长的同时，制定合理的水环境利用目标，处理好短期与长远利益、区域发展与总体发展的关系；在经济实力增强的同时，为水环境利用和保护提供足够的资金、技术和物质保障，拓展承载能力，夯实水环境基础。城市水环境承载力是指某一城市（含郊区）、某一时期、某种状态下的水环境条件对该城市的经济发展和生活需求的支持能力，它是该城市水环境系统结构性的一种抽象表示方法，可以作为衡量该城市经济发展活动与水环境条件适配程度的指标。它具有时空分布上的不均衡性和

3、客观性、变动性和可调性的特征13。城市水环境是人口、经济、社会发展的物质载体，它所以具有承载能力，是因为一定状态下的水环境系统结构可以用水环境纳污量、水资源供给量、水资源拥有量等能承载一定程度和方式的人类活动的指数来体现，在这些指标所允许的范围和程度之内的人类经济发展活动作用下，水环境的结构组合特征、功能状态均不会发生质的变化，这是城市水环境系统具有承载能力的内在原因；由于上述指标在量上是有限的，当某一指标消耗量过大（例如地下水的取用超出补水能力），会影响水环境系统的整体结构水平，进而导致功能的失常，因此，城市水环境系统的物质、能量的输入存在限度，这是它对于社会经济支持力存在阀值的根本原因。2

4、 城市水环境承载力的定量表述构建水环境承载力指数城市社会经济系统与水环境系统之间通过人类群体（含个体）行为连成一回路（图 1）。即城市社会经济系统对水环境系统的索取和支持（水环境投资和生态环境建设）与水环境系统对崔凤军：城市水环境承载力及其实证研究社会经济系统的支持（资源供给、承纳污染）和需求构成的闭合回路。那些表征城市社会经济系统对水环境系统索取（作用强度）的因子，如水资源利用量、利用效率、污水排放总量及污染类型，由于其强度、规模、组合值取决于城市发展水平，因此，我们可称之为发展因子，它们的全体构成了一个发展变量集合 D，把各因子予以量化同样，那些表征水环境对城市社会经济系统支持力度和经济需

5、求程度的因子，如水资源可采量、供给量，水污染自净量，水污染治理投资需求量，水资源开发投资需求量，由于其变量构成了水环境系统对城市发展的支持能力和限制程度，因此，我们可称之为限制因子；全部限制因子变量构成集合 R，用 n 维矢量表示城市水环境承载力的界定：在 n 维发展变量空间，水环境承载力是该空间中的一个分矢量，对同一城市而言，这一矢量随人类社会活动方向的不同而存在不同的方向，也就是说，不同的城市经济发展策略，或城市不同的分区下，发展因子和限制因子值会发生变化，导致承载力大小的不同。因此要选择城市社会经济优化策略，只需比较某一时期所对应的水资源承载力值即可，但必须对承载力的各分量归一化处理，以

6、消除不同量纲的影响，并获得水环境承载力指数。假设一个城市制定的经济发展规划中有 m 个策略，则在一定规划时期内有 m 个水环境承载力，不妨设此 m 个水环境承载力为指数 Ej（j1，2，m），再设每个水环境承载力由 n 个具体指标确定的分量组成，即：Ej（E1j，E2j，Enj）3 实证研究31 利用水环境承载力指数调整城市发展策略流程框图利用系统动力学模型（SD）对某城市不同发展策略、各个规划阶段的发展变量、限制因子作出预测。32 实证研究中的水环境承载力指标体系根据前述水环境承载力指数的定量表达式，结合所研究对象城市具体的社会经济环境大系统特征，选择以下 8 个分量指标构建了水环境承载力，

7、即 Eij（E1j，E2j，E8j），（i1，2，8），其中每一指标都与水环境承载力指数的大小成正比关系，它的数据求得来源于 SD 模型对未来各时段、各策略变量下的模拟值。8 个变量为：（1）单位固定资产（工业）产出率（ICVR）既反映工业经济效益的高低，又决定水环境效益。（2）单位水资源工业产值（IV），用每立方米水资源消耗量产出的工业产值表示，反映了工业对水环境索取强度。（3）单位水资源的农灌面积（SW），代表了农业发展水平的高低和水资源利用效益。（4）城市可采水资源的总量与用水总量之比（W/WT）。该比值越大，表明水资源承载经济发展的能力越大；当该比值接近 1 时（或1），可用水资源的剩

8、余量等于零或小于零，水资源将成为经济发展的重要限制性因素，需区外调水，或削减用水量。（5）城市可供水量与用水总量之比（WS/WT）。（6）单位工业废水排放量的工业产值（IVO）。（7）单位标准污染物（COD）排放量的工业产值（IVC）。（8）水体污染物浓度（用 COD 浓度表示）与标准浓度之比的倒数COD 标/COD，它反映了水体受污染的浓度和水环境容量的利用程度。33 策略变量集合利用 SD 模型，以 2005 年作为目标年，选择除原始运行策略之外的 9 个策略变量，即：j1，2，109 个策略变量分别为：降低万元产值耗水量（各行业以 05% 的年速度递减）；提高行业重复用水率（按 2% 年

9、递增）；调整工业行业增长速度（假设造纸业发展速度控制在 5%，其它行业保持现行速度）；降低农灌定额，减少单位面积用水量；降低行业的万元产值废水排放量（假设每年递减 1%）；削减万元产值 COD 排放量（设年递减率为 21%）；增加污水处理投资量（假设从基准年 19952005 年治污投资额增加 115 亿元）；污水回灌（设污水回灌量占总灌溉水量的 10%）；综合对策（综合了上述策略变量 1、2、4、5、6、8，同时假定城市居民到 2005 年日均用水量 140L，农民 80L）。9 个变量的指标分量及运算结果见表 1、表 2。表研究对象城市在不同发展策略下的水环境承载力指标分量（E ij，20

10、05 年）Table 1 The values of the indices of the water environment carrying capacity of the studied city under different development policies发展策略 j指标 iICVRIVSWW/WTWS/WTIVOIVCCOD 标 /COD原始策略168412029000003311026088072788713151500340策略变量 1175472165880003311356090712936883151500340策略变量 21843823561500033118

11、52094682936883151500340策略变量 3172432075900003311105088713045453440600359策略变量 4192672029070004011966095582936883151500343策略变量 5168412029000003311026088073352133151500304策略变量 6168412029000003311026088072788714189800451策略变革量 7168412029000003311026088072788713494100376策略变量 8179502029040003711437091362788

12、713151500341综合策略21468261495000451387910192347404554640053010074221386990031611569091524298371035579903724 表 2 归一化分量及综合指数表（2005 年研究对象城市）Table2 The table of normalized values （）and synthetical （the studied city in the 2005）发展策略 j指标 iICVRIVSWW/WTWS/WTIVOIVCCOD 标 /COD水环境承载力指数原始策略009390094701044009530096

13、20093500886009130268策略变量 100979010130104400982009910098400886009130276策略变量 201028011020104401024010340098400886009130284策略变量 300962009710104400960009690102100964009640278策略变量 401075009490126601034010440098400886009210290策略变量 500939009490104400953009620112300886008160272策略变量 6009390094901044009530096

14、20093501176012110290策略变革量 700939009490104400953009620093500982010100275策略变量 801001009490117100989009680093500886009160277综合策略01197012230142401200011140116401559014230368 34 结论与讨论（1）水环境承载力主要包括水环境纳污能力和水资源供给能力两项分量指标，对一区域而言，受来水的年内和年际变化影响，二者均有所变化。但对城市而言，这种变化影响较小。为使该项研究具有较长期的决策参考价值，本实证研究均采用的是近几年 8 个变量的平均值

15、。（2）城市规模扩张和城市人口的增长往往成为一些城市的不可控因素，它们对水环境承载力的影响却很大。本实证研究中是以“城市总体规划”为基准作出的预测。（3）根据表 1、表 2 运算结果得知：如果按原始运行政策发展，2005 年其水环境承载力指数最小，综合值 E00268，与之相比较，各策略下水环境承载力指数值分别高出 E0的倍数为：298%、671%、334%、821%、149%、821%、261%、336%、373%。可见，按综合对策发展，2005 年水环境承载力指数最大，可有效地解决水环境与经济社会发展的矛盾。但该城市目前已潜伏着水环境的严重危机，该城市水环境承载力的利用已近极限，如果维持现状发展，在不久的将来会出现水资源供需矛盾和水体污染的继续恶化。削减行业排污系数，提高工业重复用水率，适度调整工业行业发展速率等手段的采用对提高水环境承载力，协调水环境与经济发展矛盾将起重要的作用。（4）策略变量 4（降低农灌定额）的节水效果是仅次于综合策略变量的对策，它说明当前该城市农灌用水过多，已出现与城市工业和生活用水争水矛盾，综合策略中吸收了这一策略变量。实际上，随着城市规模的不断扩大，城市边缘带的许多农用地转化为城市用地，农用地面