水资源承载力评价指标体系的确立

水资源承载力评价指标体系的确立

可持续水资源系统为人类的繁殖和发展奠定了基础。然而，随着世界各国经济和人口的增加，水资源的需求增加，资源滥用的开发和消耗方式，以及广泛的社会发展和经济增长模式给水资源系统带来了可持续发展的压力，水资源的缺乏已成为世界难题。1资源配置的概念、特点和内涵1.1水资源承载力的特征承载力(Carryingcapacity)的概念来源于物理学的研究,是指物体在不产生任何破坏时的最大荷载,具有力的量纲.“水资源承载力”可以定义为:一定区域、一定时段,维系生态系统良性循环,水资源系统支撑社会经济发展的最大规模.图1为城市水资源承载力计算的概念图.水资源承载力具有客观性和主观性的统一、相对极限性、多样性、不确定性、动态性和可增强性等特性:(1)客观性和主观性的统一.客观性体现在一定时期内,流域或区域水资源系统在结构、功能方面不会发生质的变化,而水资源承载力是水资源系统结构特征的反映.(2)相对极限性.在某一具体历史发展阶段,水资源承载力具有最大和最高的特性,即可能的最大承载指标.此外,水资源承载力是基于一定历史发展阶段和社会经济发展水平而言的,其极限性是相对的.(3)多样性.水资源承载力的多样性主要体现在承载主体的多样性和被承载模式的多样性两个方面.不同区域的水资源的组成是不同的,决定了承载主体的多样性.被承载模式的多样性是水资源生态经济系统发展模式的多样性.(4)不确定性.水资源承载力不确定性主要是由承载主体——水资源的随机性和承载客体——社会经济和生态环境的模糊性造成的.(5)动态性.动态性是指水资源承载力与发展阶段和发展水平有直接关系,不同的发展水平有不同的承载能力,由于科学技术的进步、社会结构的改变或者其他外界资源的引入,使水资源承载力发生跳跃.(6)可增强性.在人类社会对水资源需求日益增加这种驱动力的驱使下,人们一方面拓宽水资源质和量的范围,如地下水的开采、雨水集流、海水淡化、污水处理回用、洪水资源化等都是水资源利用外延的拓展;另一方面水资源使用内涵的不断添加和丰富,也增强了水资源承载力,如用水结构的调整和水资源的重复使用量等.1.2水资源承载力研究是水资源可持续发展理论的重要内容通过对水资源承载力特性和概念的剖析,其内涵可以从以下几方面理解:(1)水资源承载力中,主体是水资源系统,客体是社会、经济和生态环境系统,其最终的承载对象是人类社会发展规模,即是人口及其生活质量,准确地说应是水资源与土地、矿产、森林等其它资源共同承载.(2)研究水资源承载力所依据的原则是可持续发展原则,前提条件是“以维护生态环境良性发展”,对社会的支持方式为“持续支持”,这充分体现了水资源承载力的可持续内涵.(3)定义中指出承载能力是在“水资源得到合理的开发利用下”的承载能力,即研究承载能力就要通过对水资源的优化配置,确定对人口及社会经济规模的支撑能力.(4)水资源承载力具有时间和空间属性,定义中“在某一具体历史发展阶段下,以可预见的技术、经济和社会发展水平为依据”阐明了水资源承载力的时间和空间属性.(5)分析水资源承载力是以“可预见的经济技术和社会发展水平”为依据.这里预期的经济技术和社会发展水平主要包括该区域水资源的投资水平、水资源开发利用水平和管理水平.2水资源承载力评价方法和方法背景分析法就是在一定历史时段内自然的和社会的背景相似的研究区域的实际情况作对比,推算对比区域可能的承载能力.这种分析法只采用一个或几个承载因子分析,因子之间相互独立,简单易行,但分析多局限于静态的历时背景,割裂了资源、社会、环境之间的相互作用关系,对水资源承载力这一复杂的自然——社会经济系统来说缺乏应用的描述分析.常规趋势方法是以可开采水量为基本依据,在满足维持生态环境的起码要求以及合理分配国民经济各部门的用水比例的前提下,适当考虑建设节水型农业和节水型社会,并在此基础上计算水资源所承载的工、农业及人口数量.这种方法计算方便,直观简单,但该方法较多考虑的是单承载因子的发展趋势,而忽略各承载因子之间的相互联系,且各因素之间相互促进、相互制约.指标综合评价法采用多项评价指标综合来反映水资源承载力状况,一般步骤是先确定指标,然后给指标赋予权重,再进行综合评价数值的计算.指标分为效益型和成本型两类.效益型指标为指标属性值越大越好的指标,如人均水资源数量,可开采水量与用水总量之比,人口规模与增长率,GDP产值及增长速度,(COD)标准/(COD)等.成本型指标则为属性值越小越好的指标,如万元GDP废水排放量,人均废水排放量等.为了消除各项指标的单位与数量级的差异,在综合评价之前要对指标进行无量纲处理.指标进行无量纲处理后,根据指标的重要程度给每一个指标赋予权重.指标赋予权重后用数学方法如模糊数学综合评价法、多维灰色评估法进行多因子综合评价.系统分析方法主要是采用动态模拟递推算法,通过水资源的动态供需平衡计算来显示水资源承载力的状况和支撑人口与经济发展的规模.此种方法采用一定的数学模型对地区水资源的供需过程进行动态仿真,把模拟结果和实际供需情况进行比物,有目的地改变模拟模型参数或结构,使其与真实系统尽可能一致.系统动力学方法是一种定性与定量相结合,系统、分析、综合与推理集成的方法,并配有专门的DYNAMO软件,为模型仿真、政策模拟带来很大方便,可以较好地把握系统的各种反馈关系,适合于进行具有高阶次、非线性、多重反馈、机理复杂和时变特征的系统问题,成为研究大系统运动规律的理想方法.它可以根据实际系统的情况和研究的需要,将变化率的描述分解为若干流率的描述.多目标决策法是选取能够反映水资源承载力的社会、经济、人口、生态环境等若干目标,影响这些目标的主要因素是相通的,而且目标之间又相互依存、相互制约.按照社会可持续发展的原则,不追求单个目标的优化,只追求整体的最优.3水资源承载力评价张家口市位于河北省西北部,东经113°46′～116°28′,北纬39°33′～42°09′之间,总面积36873平方公里.张家口市属暖温与寒温过渡带的东亚半干旱大陆性季风气候区.张家口市辖4个市辖区、13个县.张家口市自古是塞外重镇,素有北京北大门之称,历经多年建设发展现已成为一座新兴的开放工业化城市,全市2005年GDP为412.87亿元,近年来GDP年均增长率为9.1%,其中第一、二、三产业平均增长率为1.9%、9.6%和11.6%.市区及周边集中式供水量为2594.8万m3/年,分散式供水量为650万m3/年,其中居民家庭用水量965.32万m3/年,生产用水量为713.62万m3/年,社会服务用水量446.06万m3/年.张家口市主城区污水处理厂是本市唯一的一座污水处理厂,近期设计处理能力是日处理污水10万m3,实际日处理近6万m3,处理工艺采用A2/O法.污水处理厂于2006年6月正式运行,市区65%的工业废水和生活污水得到处理.其出水水质:COD=93.3mg/l,ss=26.5mg/l,BOD=6.78mg/l,总磷=0.284mg/l,氨氮=1.93mg/l,达到国家二级排放标准.和中国许多城市一样,张家口供水管网漏失率有待减小,城市节水器具普及率偏低,缺水和用水浪费情况并存,近年来由于城市地表、地下径流量逐年减少,水资源短缺日益加剧,水资源已成为制约城市和区域经济、人口、资源、环境协调发展的关键控制因素.为此,本研究在可持续发展理论、“自然——人工”二元模式下的水文循环理论、水资源——生态环境——社会经济复合系统理论、生命周期评价方法(LifeCycleAssessment,LCA)等指导下,以水资源承载力分析的基本原理为基础,建立张家口市水资源承载力模糊综合评价法的分析模型.计算张家口市不同标准下的水资源承载指数,结合现状年、规划水平年的预测人口,计算不同水平年不同承载标准下的水资源承载力,并评价其承载状态.水资源承载力评价指标体系归纳为五大类29项指标,如表1.采用灰色关联模型对以上29个指标进行分析和筛选,将水资源利用率作为参考指标,其他指标作为比较指标.比较指标对参考指标的灰色关联系数为:ζi=minimink|x0(k)−xi(k)|+ρmaximaxk|x0(k)−xi(k)||x0(k)−xi(k)|+ρmaximaxk|x0(k)−xi(k)|ζi=minimink|x0(k)-xi(k)|+ρmaximaxk|x0(k)-xi(k)||x0(k)-xi(k)|+ρmaximaxk|x0(k)-xi(k)|由于计算出的关联系数很多,信息分散,因此将各分区的关联系数集中处理为一个值,即求平均值.关联度的一般表达式为:ri=1N∑k=1Nζi(k)ri=1Ν∑k=1Νζi(k)最终确定指标有:①人均水资源可利用量:可供水资源量与总人口数量之比(m3/人);②人均供水量:实际供水量与总人口数量之比(m3/人);③水资源利用率:需水量与可供水资源量之比(%);④万元工业产值需水量:工业需水量与工业总产值之比(m3/万元);⑤需水模数:需水总量与土地面积之比(104m3/km2);⑥综合生活需水定额:生活需水和公共设施需水总量与总人口之比(L/人·日);⑦耕地灌溉率:灌溉面积与耕地面积之比(%).按照上述评价因素对区域水资源承载力的影响程度,将上述因素对水资源承载能力影响程度划分为3个等级,分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ.在0～1之间对这三个等级评分,即α1=0.05,α2=0.50,α3=0.95.每个因素各等级的数量指标可以根据不同区域的情况进行计算,Ⅰ级表示状况较差,表示了水资源承载能力已经接近饱和值,进一步开发利用潜力较小,发展下去将发生水资源短缺.因而水资源将制约国民经济的发展,这时应采取相应的对策;Ⅲ级属情况较好,表示本区水资源仍有较大的承载能力,本区水资源利用程度、发展规模都较小,因而这时本区发展对水资源的需求是有保障的,本区水资源供给情况较为乐观;Ⅱ级情况介于以上两级之间,表明本区水资源供给开发利用已有相当规模,但仍有一定的开发利用潜力,区内国民经济发展对水资源供给需求有一定的保证.综合评定时,基于综合评判结果矩阵B的水资源承载能力的综合评分值为:α=∑j=13bkjaj/∑j=13bkjα=∑j=13bjkaj/∑j=13bjkα值越大,水资源承载力的潜力越大.在对张家口市2010、2020年社会、经济、资源等各项指标预测的基础上,提出四种方案并对其进行分析:方案一,保持现状用水状态不变;方案二,大力推进节水型社会建设;方案三,在推进节水的同时,加大治污力度,提高污水回用率.经过综合评价,方案三更有利于水资源承载力的提高.4水资源承载力研究(1)加强对水资源承载力基础理论的研究.今后研究应立足于系统研究水资源承载力的基础理论,建立水资源承载力的概念体系及内涵特征;完善水资源承载力的支撑理论,研究人类活动对水文现象和水文循环的影响机理,加强水文循环的尺度问题研究,探讨水资源在人口、社会经济发展、生态环境需水等方面的优化配置理论.(2)开展水资源承载力的空间差异性研究.水土资源与社会经济活动的空间配置状况对