城市水环境与水资源承载能力的概念及量化研究(2)

1.3 水环境承载能力的概念及内涵

前文对水资源承载能力的概念进行过简单介绍和探讨。从对水资源承载能力的定义和解释中可以看出，水资源承载能力特别强调“生态系统良性循环”这个目标。针对水环境来说，水体到底能容纳多大的污水及污染物，这是水环境承载能力计算问题。在城市区，生态与环境状况在很大程度上取决于城市区所具有的水资源数量和水资源质量。因此，可以说，水环境承载能力是城市水资源承载能力表现的重要方面和前提条件。

关于水环境承载能力的概念及与水资源承载能力的关系，汪恕诚（2001）曾论述为“水资源承载能力讲的是用水即取水这一面。你用了水之后，产生了污水，污水又排放到一定的水域里去，这个水域能够承载多少污水和污染物的排放呢？因此，水环境承载能力指的是在一定的水域，其水体能够被继续使用并仍保持良好生态系统时，所能够容纳污水及污染物的最大能力。”

如果不去过多地“抠字眼”的话，水环境承载能力也就是我们通常所说的“水环境容量”或者说是“水环境（水体）纳污能力”、“水环境容许污染负荷量”等等，都是一个概念，一个意思（崔树彬，2002）。实际上，两者也有细微差别，水环境承载能力强调以“保持生态系统良性循环”为目标。但是，为了在实际应用中便于操作和显示污水处理厂的作用，针对城市水环境问题，本书作者建议采用“水体容许城市污水最大排放量”作为水环境承载能力指标。这种定义就与“水环境容量”、“水环境（水体）纳污能力”、“水环境容许污染负荷量”等概念有很大区别。它不仅取决于水体纳污能力，还与该城市污水处理能力有关。也就是说，本书定义的水环境承载能力不仅是与水体本身的纳污能力有关的问题，还是一个与人类活动有关的问题；是在人与自然共同作用下，水体所能容纳的最大城市污水排放量。这种定义的优点是，可以很清楚地区分出一定条件下城市最大可以排放的污水量。这种定义的缺点是，还不能表达水体纳污能力，并且计算的承载能力与污水处理能力有关，这在不同年代可能是一个变值。为了克服这种缺点，在应用时同时采用“水环境纳污能力”和“水环境承载能力”，来分别表示“水体所能容纳的最大污水量”和“水体所能容纳的最大城市污水排放量”。

根据本书定义的水环境承载能力概念，可以把城市水环境承载能力计算思路形象地表达为图1.2的形式。

简单解释如下：

城市生活、生产、生态需要从水体中引水，同时又排放出大量的污水。在排放的污水中，一部分被污水处理厂处理后再排入水体，一部分直接排入水体。如果排入水体的污水量过大，就难以确保水体水质能被控制在某一可接受的范围内，也就难以确保生态系统良性循环。

在一定条件下，如果生态系统达到良性循环的极限，这时其对应的水体最大可以接纳的城市污水排放总量，就称为“水环境承载能力”。简言之，水环境承载能力是指“水体维持生态系统良性循环所能承受的城市污水最大排放量”。

水环境承载能力控制目标强调的是生态系统的良性循环。现在的问题是，什么样的状态才算是生态系统良性循环？用哪些指标来表征？

考虑城市水资源系统和范围更大的区域水资源系统生态良性循环，一般应该在以下几方面加以控制：一是，城市污水或污染物排放总量不得超出一定限度（即，总量控制）；二是，一定区域水体的水质不得超出水体本身水功能区的水质标准（即，浓度控制）；三是，城市相关河流的径流量不得小于河流最小基流量（即，满足生态用水）。如果把这三方面的控制范围作为生态系统良性循环的判别目标，在这种目标下得到的最大允许城市污水排放量就是水环境承载能力。其基本思路是，以控制目标为约束，以水量水质模型为基础，反推水环境承载能力，称此方法为“基于模拟和优化的控制目标反推模型”方法（a simulation- and optimization- based control object inversion model），简称coim模型。关于水环境承载能力的计算模型及方法详见《城市水资源承载能力——理论.方法.应用》（化学工业出版社，2005）。

2 城市水资源承载能力量化研究框架及关键问题

2.1 量化研究框架

基本思路：紧扣水资源承载能力概念，以“水资源系统、社会经济系统、生态系统相互制约（模拟）模型”为基础模型，以“维系生态系统良性循环”为控制约束，以“支撑最大社会经济规模”为优化目标，建立最优化模型。通过最优化模型求解（或控制目标反推）得到的“最大社会经济规模”就是水资源承载能力。我们称此方法为“基于模拟和优化的控制目标反推模型”方法（a simulation- and optimization- based control object inversion model），简称coim模型方法。

水资源承载能力计算框架简单表述如图2.1，表达了水资源承载能力量化研究“coim模型方法”的基本思路。

coim模型方法是把城市最大社会经济规模（即，这里代表水资源承载能力）作为目标函数，把水资源循环转化关系方程、污染物循环转化关系方程、社会经济系统内部相互制约方程、水资源承载程度指标约束方程以及生态与环境控制目标约束方程联合作为约束条件，建立起一个优化模型。通过该优化模型的求解，得到的目标函数值就是水资源承载能力。

在coim模型中，水资源系统、社会经济系统、生态系统本身的复杂性和相互制约关系得到了体现，并且水资源承载能力概念所要求的“生态系统良性循环”也被作为一个约束条件包括在模型中。水资源承载能力的计算结果既可以采用优化模型求解来得到，也可以采用控制目标反推得到。

2.2 关键问题

针对上文介绍的coim模型方法，主要有以下几方面的关键问题：

（1）目标函数选择问题

图2.1是水资源承载能力计算的一个框架图。如果水资源被开发利用后，能确保水环境及生态系统可承载，那么，这时的水资源系统处于可承载范围之内。根据这一最大范围就可以确定水资源系统能够支撑社会经济发展的最大规模，这就是水资源承载能力。

在此模型中，用最大的社会经济规模来表达水资源承载能力。所以，一般“水资源承载能力”不只是一个数值，而是由表征社会经济规模的一组数值组成的集合，如人口数、工业产值、农业产值、城市面积等。可以把“水资源承载能力”的集合表达为：

f={f1,f2,∧，fn} （2.1）

上式中，f为水资源承载能力；f1，f2，…，fn分别为社会经济规模的表征指标。为了叙述方便起见，下面只选择人口数、工业产值、农业产值三个指标来进行讨论。

从水资源承载能力的概念可以引申出：假如工业、农业及其它行业发展规模和用水量一定，可以通过人均用水定额来计算城市水资源最大供养的人口数，即得到“水资源人口承载能力”；再假如生活用水一定，可以通过万元产值耗水量来计算最大的经济发展规模，即得到“水资源经济承载能力”。实际上，在一定条件下计算水资源人口承载能力和水资源经济承载能力都是比较理想化的。因为它们都是假设在其它条件不变的情况下得到的结果。实际上，人口、社会、经济是一个十分复杂、相互联系、相互制约的大系统，应该把它们纳入一个大系统中来研究。

因此，针对coim模型来说，首先遇到一个问题就是“目标函数选择问题”。到底是选择一个指标还是多个指标？一方面，它决定着模型的性质和求解方法的选择。如果是单指标，所建的模型是单目标优化模型，如果是多指标，所建的模型就是多目标优化模型；另一方面，它还影响到模型约束方程的选择。假如选择的是单目标（如人口），还要考虑其它表征社会经济规模的指标（如工业产值、农业产值）与已选择的目标（如人口）之间的量化关系，需要把这个量化关系方程作为模型的一个约束条件放到模型中；再一方面，目标函数的选择也反映了水资源承载能力关注社会经济系统侧重面的选择。一般，人们在分析计算水资源承载能力时经常用到“人口总数”指标，所以，在coim模型中，常常选择“人口总数”最大作为目标函数。在这种情况下，需要建立“人口总数”与“工业产值”、“农业产值（或耕地面积）”等指标之间的量化制约方程。可以简单理解为，在一定条件下，如果人口数要增加，其所需的经济收入和粮食产量也应该随之增加，它们之间的比例关系可以用一个区间数来表达。并把这个量化制约方程作为模型的一个约束条件。通过这个方程，模型不仅考虑了“人口总数”单个目标值，也同时考虑了其它表征社会经济规模指标的变化。这样一来，在计算结果中，表达社会经济规模的指标也同样可以写出多个。

（2）基础模型问题

在上文介绍的coim模型中，需要建立表征社会经济系统、水资源系统、生态系统变化及相互制约关系的量化模型，作为模型的约束方程，用于表达“社会经济—水资源—生态”耦合系统互动关系。由于耦合系统的复杂性，量化建立这样的基础模型十分不易。因此，建立coim模型，必定会遇到基础模型问题。关于这一部分详细内容可参见有关文献。

为了表征水资源量之间的变化，需要建立水资源循环转化关系方程。包括大气降水量、蒸发量、地表水资源量、地下水资源量、各业引用水量、排放水量、跨区域调水量、流入本区水量、流出本区水量等等，建立各变量之间的量化关系和量化方程。用这些方程把水资源循环过程定量化地联系起来，从理论上满足水量平衡要求。

为了表征水中污染物运移转化关系，定量计算水体污染物浓度和排放污染物总量，需要建立污染物循环转化关系方程。包括各业污水排放量、污水处理量、污染物自净消耗量、来水污染物总量、出流污染物总量、地表水体污染物总量、地下水体污染物总量等等，建立各变量之间的量化关系和量化方程。用这些方程把水中污染物循环过程定量化联系起来，同时能定量计算某特定水体的污染物浓度和城市排放污染物总量，为“生态系统良性循环”判别约束方程提供计算基础。

社会经济系统是水资源系统承载的对象，其众多指标也是相互制约的，它们组成一个完整的巨系统。这个系统本身也是相互制约的，因此需要建立社会经济系统内部相互制约方程，以表达社会经济系统发展的整体趋势和相互制约关系。特别是当目标函数为单目标时，建立这种关系方程更为重要。另外，研究规划水平年的水资源承载能力，不仅要弄清楚水资源系统的变化，而且要结合社会经济系统的发展变化，需要站在变化了的自然和社会来分析未来的发展趋势。因此，水资源承载能力量化研究的另一个基础模型是对社会经济系统的模拟。

为了约束水资源利用量不能超出水资源可利用量，选用水资源承载程度指标约束方程，即用“水资源承载程度指标 ”来表达水资源对社会经济发展已经承受压力的程度，并要求 ≤1，以确保水资源的开发利用不会超出水资源可利用程度。

水资源承载能力控制目标强调的是生态系统的良性循环，但什么样的状态才算是生态系统良性循环？这就需要在模型方程中具体列出生态与环境控制目标约束方程，以表达生态系统的极限条件。

另外，考虑到水资源承载能力是建立在社会经济—水资源—生态复杂大系统之上，所以需要建立“社会经济—水资源—生态耦合系统互动关系量化模型”，以有机地表达这个耦合系统的运转关系。首先，把水量变化、水质变化与生态系统变化有机地结合起来，建立水量—水质—生态耦合系统模型。实际上，该模型是一个以反映水量循环为主的水量模型、以反映水质变化为主的水质模型、以反映生态系统状态和演变的生态系统模型以及三模型的耦合模型（左其亭等，2002）。其次，再把“水量—水质—生态耦合系统模型”与“社会经济系统模型”耦合起来，作为系统的结构关系模型，嵌入到优化模型中，参与优化模型的计算，也可以通过二模型的中间关系变量直接建立耦合系统的动力学模型（左其亭等，2001）。

（3）“是否可承载”的标准选择问题

这也是关系到水资源承载能力计算的一个关键问题。本书在定义“水资源承载能力”概念时，是以“维系生态系统良性循环”为判断目标。在实际操作时，用生态与环境控制目标约束方程来判断。但是，在该约束方程中，如何确定“是否可承载”的标准是问题的关键。上文已经介绍了应该控制的三个方面：一是，城市污水或污染物排放总量不得超出一定限度（即，总量控制）；二是，一定区域水体的水质不得超出水体本身水功能区的水质标准（即，浓度控制）；三是，城市相关河流的径流量不得小于河流最小基流量（即，满足生态用水）。如何定量确定控制目标方程是问题的难点。

（4）指标选择问题

在水资源承载能力计算中，会遇到很多指标的选择问题。这也是影响水资源承载能力计算结果的关键因素。这些指标包括：水资源利用率、重复利用率、污水处理率、人均日用水量、工业万元产值平均用水量、农业万元产值用水量等等。

注：节选自《城市水资源承载能力——理论.方法.应用》一书的“第三章”，化学工业出版社，2005年5月出版。

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