摘要：自然界中的水资源量是有限的。而有限的水资源能支撑多大的社会经济发展规模，即水资源到底能有多大的承载能力？怎样做才能保持水资源的可持续利用？这是水资源可持续利用管理需要回答的现实问题。
关键词：城市水环境 水资源 承载能力 研究框架 本文将从水资源承载能力的概念谈到内涵，揭示“水资源承载能力”的真正含义，讨论水资源承载能力和水环境承载能力的概念；从影响水资源承载能力大小的主要因素分析来探讨水资源承载能力量化研究的框架；并针对水资源承载能力计算提出几个关键问题。1 城市水环境与水资源承载能力概念1.1 水资源承载能力的概念及内涵水资源承载能力（Carrying Capacity of Water Resources – CCWR，又可翻译成Supporting Capacity of Water Resources – SCWR）的概念，最早源自于《生态学》中的“承载能力”（Carrying Capacity）一词，是自然资源承载能力的一部分。其研究的主体是资源与环境系统，客体是人类或更广泛的生物群体。而“承载能力”的概念最早可以追溯到马尔萨斯（Malthus）“人口理论”中关于“有限粮食对人口增长的支撑能力”的论述（Seidl and Tisdell, 1999）。20世纪90年代早期，有的学者提出了水资源承载能力的概念并被应用于干旱半干旱地区和城市区（施雅凤等，1992；李令跃，2000；Guo等，2001；左其亭、陈曦，2003）。近年来，我国不少学者对水资源承载能力的概念及计算方法进行了深入探讨。关于水资源承载能力的定义，人们从不同研究角度给出了不同的定义，这里列举几个代表性的定义：（1）水资源承载能力是指某一地区的水资源，在一定社会历史和科学技术发展阶段，在不破坏社会和生态系统时，最大可承载（容纳）的农业、工业、城市规模和人口的能力，是一个随着社会、经济、科学技术发展而变化的综合目标（施雅凤等，1992）；（2）在某一历史发展阶段的技术、经济和社会发展水平条件下，水资源对该地区社会经济发展的最大支撑能力（刘燕华，2000）；（3）某一历史发展阶段，以可预见的技术、经济和社会发展水平为依据，以可持续发展为原则，以维护生态良性循环发展为条件，在水资源得到合理开发利用下，该地区人口增长与经济发展的最大容量（李令跃，2000）；（4）一个流域、一个地区、一个国家，在不同阶段的社会经济和技术条件下，在水资源合理开发利用的前提下，当地水资源能够维系和支撑的人口、经济和环境规模总量（何希吾，2000）；（5）一定的区域内，在一定的生活水平和生态环境质量下，天然水资源的可供水量能够支持人口、环境与经济协调发展的能力或限度（冯尚友，2000）；（6）水资源承载能力，指的是在一定流域或区域内，其自身的水资源能够持续支撑经济社会发展规模，并维系良好的生态系统的能力（汪恕诚，2001）；（7）可理解为某一区域的水资源条件在“自然-人工”二元模式影响下，以可预见的技术、经济、社会发展水平及水资源的动态变化为依据，以可持续发展为原则，以维护生态良性循环发展为条件，经过合理优化配置，对该地区社会经济发展所能提供的最大支撑能力（惠泱河等，2001）；（8）在一定的水资源开发利用阶段，满足生态需水的可利用水量能够维系有限发展目标的最大的社会-经济规模（夏军，2002）。关于水资源承载能力的定义还可以列举很多。尽管在表述上各有不同，但其表现的基本观点和思路并无本质差异，都强调了“水资源支撑能力”的含义。从水资源承载能力的含义来分析，至少具有如下几点内涵（左其亭、陈曦，2003）：（1）在“水资源承载能力”概念中，主体是水资源，客体是人类及其生存的社会经济系统和环境系统，或更广泛的生物群体及其生存需求。“水资源承载能力”就是要满足客体对主体的需求或压力，也就是水资源对社会经济发展的支撑规模；（2）“水资源承载能力”具有空间属性。它是针对某一区域来说的，因为不同区域的水资源量、水资源可利用量、需水量以及社会发展水平、经济结构与条件、生态与环境问题等方面可能不同，水资源承载能力也可能不同。因此，在水资源承载能力定义或计算时，首先要圈定研究区范围。（3）“水资源承载能力”具有时间属性。在众多定义中均强调了“在某一阶段”，这是因为在不同时段内，社会发展水平、科技水平、水资源利用率、污水处理率、用水定额以及人均对水资源的需求量等均有可能不同。因此，在水资源承载能力定义或计算时，也要指明研究时段，并注意不同阶段的水资源承载能力可能有所变化。（4）“水资源承载能力”对社会经济发展的支撑标准应该是以“可承载”为准则。在“水资源承载能力”的概念和计算中，必须要回答：水资源对社会经济发展支撑到什么标准时才算是最大限度的支撑。也只有在定义了这个标准后，才能进一步计算水资源承载能力。一般，可以把“维系生态系统良性循环”作为水资源承载能力的基本准则。（5）必须承认水资源系统与社会经济系统、生态系统之间是相互依赖、相互影响的复杂关系。不能孤立地计算水资源系统对某一方面的支撑作用，而是要把水资源系统与社会经济系统、生态系统联合起来进行研究，在社会经济—水资源—生态复合大系统中，寻求满足水资源可承载条件的最大发展规模，才是水资源承载能力。（6）“满足水资源承载能力”仅仅是可持续发展量化研究“可承载”准则的一部分（“可承载”准则包括资源可承载、环境可承载。资源可承载又包括水资源可承载、土地资源可承载等），它还必须配合其它准则（有效益、可持续），才能保证区域可持续发展。因此，在研究水资源可持续利用合理配置时，应以“水资源承载能力”为基础，以可持续发展为准则（包括可承载、有效益、可持续），建立水资源优化配置模型。根据以上分析，本书作者曾把“水资源承载能力”简单定义为：“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”（左其亭、陈曦，2003），可以概括为图1.1的概念图。图1.1可以形象地表达出水资源承载能力的概念，简单解释如下：水资源系统与生态系统相互支撑、共同作用，来共同支撑社会经济系统。社会经济系统对水资源系统可以进行开发利用和保护，对生态系统一方面可以进行保护，一方面又有可能进行破坏。因此，社会经济系统与水资源系统和生态系统之间又是相互制约的关系。如果支撑的社会经济规模太大，水资源系统和生态系统就难以支撑，难以确保水资源的可持续利用和生态系统的良性循环。在一定条件下，如果生态系统达到良性循环的极限，这时其对应的社会经济最大规模就称为是“承载能力”。因此，水资源承载能力是在“社会经济—水资源—生态复合大系统”有机运转下，达到“生态系统良性循环”目标时的“最大社会经济发展规模”。在特定的城市区，所确定的水资源承载能力就是城市水资源承载能力。因此，可以仿照水资源承载能力的定义，把“城市水资源承载能力”简单定义为：“在特定的城市区，一定时段内，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”。与一般流域或区域相比，城市区人类活动强烈，人口、工业、商业集中，本地水资源一般满足不了城市用水需要，污水排放集中且量大，水资源承载能力计算一般比较复杂。另外，一般城市区不是一个完整的流域，在计算城市水资源承载能力时，要满足流域（或更大区域）尺度上的水资源承载能力要求（或水资源可持续利用要求）。也就是说，城市水资源承载能力计算一般是基于一定水资源边界条件下进行的。1.2 水资源承载能力的影响因素从以上关于水资源承载能力的内涵分析可以引申出影响水资源承载能力大小的主要因素，大致可以分为三大类：第一类：水资源系统本身特性水资源系统是水资源承载能力的主体，水资源系统的可利用水资源量大小是其承载能力的内因。也就是说，水资源承载能力大小首先是由水资源系统所能提供的水资源量决定的。在城市区，一般本地水资源满足不了用水的需求，需要考虑流域（或更大区域）一定的水资源条件。第二类：人类活动能力及意识形态人类是水资源承载能力的客体，在很大程度上影响着水资源承载能力。（1）水资源利用率。这是决定单位水资源量能够养活多少人口或带来多大经济效益的重要指标，是水资源承载能力计算的关键指标。（2）科技进步通过提高水资源利用率、重复利用率、污水处理率等提高水资源承载能力。科学技术能促进经济增长，提高资源利用效率，降低污染处理成本，改善人类生存环境。随着科技的进步，原来不能治理的污染现在可以治理了，原来需要花费很大代价才能治理的污染现在需要花费较小的代价。这些变化都有可能促进水资源承载能力的提高。（3）本区域发展战略。它反映一个国家或地区的发展规划或发展模式，对水资源的分配和利用有重要影响，从而影响到水资源承载能力。（4）管理体制和法制。它反映了人们用水、治水、保护水资源的基本思路。有些管理体制或法制对水资源的利用和保护有积极作用，有些甚至有消极作用。这在很大程度上影响着水资源承载能力。第三类：定义“是否可承载”的目标差异这是关系到水资源承载能力计算的一个关键问题，也就是，要人为确定“达到什么样的标准时的最大承受能力才是水资源的承载能力”。前文在定义“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。另外，也可以制定一些判断目标，计算得到人为干预下的水资源承载能力。肯定会因为确定的目标差异而导致计算结果的不一致。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奈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。