基于区域发展目标下的水资源承载能力研究

基于区域发展目标下的水资源承载能力研究

姚治君1,刘宝勤1,2,高迎春1

(11中国科学院地理科学与资源研究所,北京　100101;21中国科学院研究生院,北京　100039)

摘要:从承载力研究的根本性问题出发对水资源承载能力进行了探讨,认为水资源承载能力不再是一个客观内在的值,而是受区域发展目标所影响,随区域发展目标不同而变化,水资源承载能力研究必须置于具体的区域发展目标下进行。据此选取目标规划法作为水资源承载能力的量化方法,并以北京市为实例进行论证,分析了北京市在预定发展目标下水资源承载能力及目标实现状况。

关　键　词:水资源承载能力;发展目标;目标规划;北京市

中图分类号:T V213 文献标识码:A 文章编号:100126791(2005)0120109205

收稿日期:2003209216;修订日期:2003212220

基金项目:国家自然科学基金资助项目(40371006);中国科学院地理科学与资源研究所创新项目(CXI OG 2E01208203;CX 2

I OG 2A00207202)

作者简介:姚治君(1959-),男,辽宁沈阳人,中国科学院地理科学与资源研究所研究员,主要从事区域水资源及其合理配

置等研究。E 2mail :yaozj @igsnrr 1ac 1cn

我国是水资源贫乏的国家,尤其近年来人口增加和社会经济发展致使水问题日益突出。水资源承载能力作

为可持续发展和水资源安全战略研究的基础,对于实现区域水2生态2社会经济复合系统的协调发展具有重要意义,也是当前水科学研究领域中的重点和热点问题之一。

承载力(Carrying Capacity )一词原为物理力学中的一个概念,指物体在不产生任何破坏时所能承受的最大负荷,具有力的量纲。当人们研究区域系统时,普遍借用了这一概念,以描述区域系统对外部环境变化的最大承受能力。迄今为止,承载力已在多个研究领域得到应用,从最初的自然生态学领域发展到应用生态学以及人类生态学领域,各种承载力概念亦应运而生,承载力已经成为描述发展限制最常用的概念。毫无疑问,随着承载力概念在不同领域的应用,承载力在其概念本身和内涵等方面均发生了较大的变化,与最初的承载力概念大相径庭,而各种承载力之间也有着很大差异。与其它承载力相比,笔者认为水资源承载能力研究不同于其它承载力的研究,在大多数情况下并不完全是某一区域的内在某种数值,它在很大程度上取决于区域本身的发展目标。本文将就此问题对水资源承载能力在理论、方法与实践方面进行深入探讨。

1　水资源承载能力与区域发展目标

任何承载力的研究均需首先考虑与解决两个问题。一是承载主体对承载客体的供给/容纳能力;二是承载客体对承载主体直接/间接的需求/影响。就水资源承载能力研究而言,前者实际上是区域供水能力问题,是水科学领域内开展较早,研究比较深入的,故后者则成为水资源承载能力研究的关键。

水资源承载客体是涉及社会2经济2生态系统,同时受该系统内部与外部诸多因素影响的复合巨系统。其承载客体对水资源系统的需求/影响既包括人类对水资源的直接需求,如生活用水量;也包括经济发展、生态环境对水资源的需求。而且在一定的社会发展阶段各部分需求之间存在着内在的比例关系。此外,水资源承载能力研究须在可持续发展的框架下进行,需接受是否持续性发展的一些衡量标准。而这些标准通常也受人类价值取向、制度体制、消费模式以及人文目标等因素的影响[3],这些因素本身不再是客观内在的,而具有更多主观

第16卷第1期2005年1月

水科学进展

ADVANCES I N W ATER SCIE NCE

V ol 116,N o 11　Jan 1,2005　

性质,想要对每个因素单独分析其影响难度较大,特别是在未来某一时段上,更加难以预测度量。因此,直接描述水资源承载客体对水资源系统的需求/影响不太可能。笔者考虑,能否采用既基本包含了这些信息而又易于确定的指标来代替?我们知道,任何区域都要具有相应的社会、经济、生态环境方面的发展目标,发展目标是区域对社会2经济2生态系统发展方向和规模的整体要求和认识,包含了人类的价值取向、制度体制、消费模式、人文目标等所有这些主观性质的因素。因此可以认为,区域发展目标可以反映承载客体对承载主体未来将要产生的影响。事实上,社会2经济2生态系统发展目标的确定,可以说就是确定了水资源承载能力中承载客体对水资源系统的需求/影响。

水资源承载能力研究与区域本身的发展目标具有密切关系,而且只有在满足以下几个前提的情况下才具有一定的现实意义和可操作性:必须提出人类对未来的期望(发展目标)是什么并能够得到回答;要考虑社会、政治、经济和人文等综合因素;不能简单的以人口数量,而应以社会2经济2生态综合指标来度量水资源承载能力。

2　实例研究———以北京市为例

北京市作为我国的首都,无论在政治、经济、文化领域都具有举足轻重的地位,同时,北京市也是一个水资源严重匮乏的城市,水已经成为其发展的瓶颈。作为南水北调中线工程的受水区,对北京市水资源承载能力的研究也为在有外来调水的情况下的区域水资源承载能力研究提供实证,对水资源承载能力理论的拓展也具有重要的意义。本文选取2005、2010年作为目标年份对北京市水资源承载能力进行研究。

211　水资源承载能力量化方法选取

由前面的讨论可知,水资源承载力研究必须要考虑区域具体的发展目标,而且发展目标也是多方面的,不仅体现在人口、经济发展上,而且还体现在资源、环境等多方面。针对水资源承载能力研究的这些特点,选择目标规划法来对水资源承载能力进行量化求解。目标规划模型充分考虑区域发展目标,其原理就是在使各项变量最接近目标值时得出区域发展模式。

212　发展目标确定

根据水资源承载能力研究所涉及的内容,从水资源、社会、经济、环境四个方面提出了北京市的发展目标,并分别选取相应的指标来反映。依据北京市“十五”规划并结合北京市社会经济发展趋势确定了2005年和2010年两个水平年下北京市发展目标。其中水资源利用目标可认为是未来区域可供社会经济利用的水资源量,这里主要依据《21世纪初期首都水资源可持续利用规划专题报告》[5],通过对北京市未来可供水资源总量(保证率P=50%,枯水年份认为可通过年际间调蓄实现)的预测和生态需水的估算得出(表1)。

表1　北京市2005、2010年发展目标预定值

T able1Development goals value expected of B eijing in2005and2010

年份水资源利用目标经济发展目标社会发展目标环境目标

水资源利用

总量/亿m3

G DP

/万元

产业结构

人均收入

/元

人口总量

/万人

城市污水处

理率/%

城市绿化率

/%

2005421473700217∶3713∶601518411605040

20105310848763∶30∶67169661199168045

213　水资源承载能力目标规划模型

分析各目标的影响因素作为模型的决策变量,并给出相应的以决策变量表达的目标函数。目标函数的具体数学表达形式根据历史数据运用各种统计方法进行拟合。完成函数的建立主要是规定各目标的优先级别。由于水资源承载能力是一个临界状态下的值,所以各目标中水资源目标应赋予最大的优先级别。人口增长本身具有一定的规律,不太可能在短期内加以调控,而且对人口增长的预测一直以来也比较精确。经济发展目标中,经济结构受原有产业结构基础以及产业结构调整政策影响,确定性较大,因此将经济结构目标与人口目标设为第二等级。将G DP总量与人均收入目标定为第三等级,环境目标设定为第四等级。建立的水资源承载能力目标011水科学进展第16卷

规划模型如下:

min (a 1,a 2,a 3,a 4)={p 1(d +1+d -1),p 2(d +2+d -2+d +7+d -7),p 3(d -3+d -4),p 4(d -5+d -6)}S.T

(GDP 1×EW 1+GDP 2×EW 2)/1E +4+01072×P -66112-d +1+d -1=WA TER

GDP i GDP

×100%-d +2+d -2=RC i i =1,2,3

GDP -d +

3+d -3=GDP 571172+10295142×C/P -d +

4+d -

4=AI

01027×GDP -010327×GDP 2+0100083×T -21386-d +4+d -4=WT

29129+01003×GDP -d +6+d -6=GR

P -d +7+d -7=P d +,d -≥0 d +×d -

=0

其中:

GDP 1=-48188+0100016×ARE A +01176×FI 1+01099×GDP 2

GDP 2=66196+1119×FI 2+3×T

GDP 3=-230141+11162×FI 3+3192×T +01000055×L 3P =827139+01000078×L 3 GDP =GDP 1+GDP 2+GDP 3

C =01644×GDP -01598×f (

6

3

i =1

FI i )-621959

式中　WATER 为水资源利用总量,亿m 3

;RC i 为经济结构,%;G DP 为国内生产总值,亿元;AI 为居民人均实际收入,元;P 为常住人口数量,万人;WT 为城市污水处理率,%;GR 为城市绿化覆盖率,%;d +i 、d -i 分别为正、负偏差变量;a k 为d +i 、d -i 的线性函数;FI 1、FI 2、FI 3分别为第一、第二、第三产业固定资产投资额,亿元;L 3为第三产业劳动力数量,人;EW 1、EW 2分别为农业、工业用水效率,m 3/万元;WC 1、WC 2、

WC 3分别为第一产业、第二产业、生活用水量,亿m 3;WCS 为用水结构,%;T 为科技水平,R &D 的经费支

出,亿元;C 为消费水平,最终消费额,亿元;ARE A 为有效耕地面积,hm 2。

214　模型求解与结果

针对上述建立的北京市水资源承载能力多目标规划模型,在Matlab 610中编程实现,以2000年作为初始年份,选取2005、2010年作为目标年,并采用模式搜索法进行求解。确定最大搜索步长为4000步,搜索精度为10-6。

水资源承载能力的计算结果包括3个层次的内容。首先是一定区域发展目标下的水资源承载能力,即可承载的区域社会、经济规模,这里选取承载的人口数量来反映水资源的社会承载能力,国内生产总值G DP 和相应的产业结构(三产比例)来作为水资源的经济承载能力指标;二是应该给出区域发展目标以及区域预定发展目标的实现状况。决策者可以通过对区域发展目标实现状况的判读,来决定是提高区域水资源承载能力来满足区域发展目标,还是对区域发展规划进行调整,从而真正把水资源承载能力研究与区域可持续发展实践结合起来;最后,水资源承载能力的计算结果应该包括得出该水资源承载能力时对应的决策变量值。通过给出对应决策变量的值,可以为实现或提高该区域水资源承载能力指明具体的方向。

2005年、2010年北京市水资源承载能力具体计算结果如表2～表4所示。

表2　水资源承载能力求解结果

T able 2C alculating results of the w ater resources carrying cap acity

年 份

社会承载能力经济承载能力

人口数量/(万人)

国内生产总值/(亿元)

经济结构(一、二、三产比例)

2005

1110133109173151∶33166∶621382010

118313

473217

3120∶31103∶65177

1

11　第1期姚治君等:基于区域发展目标下的水资源承载能力研究

表3　目标值求解结果

T able3C alculating results of the development goals

目标表征指标意义20052010

预定值实现值预定值实现值

水资源目标WATER水资源利用总量/亿m342147421475310853108 G DP国内生产总值/亿元37003109174876473217 RC1G DP中第一产业所占的比例/%21731513103120

经济目标RC2G DP中第二产业所占的比例/%3713331663031103 RC3G DP中第三产业所占的比例/%60621836765177

AI居民人均实际收入/元15184120841696616135社会目标

P常住人口数量/万人1160111013119916118313

环境目标WT城市污水处理率/%50471798078102 GR城市绿化覆盖率/%40381624543149

表4　决策变量求解结果

T able4C alculating results of the decision variables

决策变量意 义初始值

求解结果20052010

FI1一产固定资产投资额/亿元3110981161

FI2二产固定资产投资额/亿元1571223410536517

FI3三产固定资产投资额/亿元51013932141633

L3第三产业劳动力数量/人338210833825303383230

P常住人口数量/万人110715111013118313

EW1农业用水效率/(m3?万元-1)1832183170218150013

EW2工业用水效率/(m3?万元-1)1111598157816

WC1第一产业用水量/亿m3181451815622169

WC2第二产业用水量/亿m3101561013111155

WC3生活用水量/亿m31217131618184

WCS用水结构(一产:二产:生活)44123∶25132∶3014543169∶24128∶3210342175∶21175∶35150 T科技水平:R&D经费/亿元230232197320196

C消费水平:最终消费/亿元1221133124115178817

ARE A有效耕地面积/hm2326248326664327182

3　结果分析与讨论

(1)2005年在预期的水资源开发利用状况下,按照预定的发展目标,北京市的水资源承载能力,即可承载的社会经济规模为111013万人和G DP310917亿元(产业结构:3151∶33166∶62183)。此时,预定的经济、社会、环境目标均难以实现(各发展目标的实现程度见表3)。

(2)2010年,随着水资源开发利用水平的提高,特别是南水北调中线工程实现后,极大地缓解了北京市用水紧张的局面。按照预定的发展目标,北京市2010年的水资源承载能力,即可承载的社会经济规模为118313万人和G DP473217亿元(产业结构:3120∶31103∶65177)。基本上可保证各发展目标的实现(表3)。

(3)从用水状况来看,2005年北京市水资源开发利用的提高仅从内部节水与挖潜着手改善,用水形势依旧严峻。在生活用水量持续增加的压力下,农业、工业用水量基本保持稳定或出现略减;2010年则由于南水北调工程的实施极大缓解了用水紧张的状况,在生活用水大幅度提高前提下,工业、农业用水都有所增加,但二者用水增加幅度差异很大,主要是由于工业用水稳定性较大而农业用水的灵活性较强所致。

(4)2005年北京市水资源承载能力与发展目标之间存在着较大差距,如果按照既定的发展目标去指导北京市的发展,在实际发展过程中只能通过侵占生态环境用水来保证其社会经济目标的实现,必然会使北京市水资源的实际承载状况超过水资源承载能力阈值,导致一系列生态环境问题,影响北京市可持续发展。解决水资源承载能力与发展目标间的矛盾必须从两方面着手,一方面要调整北京市的发展目标,使之更加符合实际状况;另一方面,通过控制人口数量,进一步提高用水效率,优化产业结构等措施来提高北京市水资源承载211水科学进展第16卷

能力。

(5)尽管南水北调中线工程大大提高了水资源供给能力,但对北京市自身用水状况的优化与调整工作亦不能忽视。从决策变量求解结果(表4)中可以看到,在2010年为了保证发展目标的实现,必须大幅度增加第三产业投入,进一步优化北京市的产业结构,从2000年的316∶3811∶5813变为2010年的3120∶31103∶65177;其次要不断增加科技投入,从2000年的232亿元增加到320196亿元,工业用水效率和农业用水效率要求分别提高到7816m 3/万元和150013m 3/万元。

参考文献:

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[2]Irmi Seidl ,Clem A T isdell 1Carrying Capacity Reconsidered :From Malthus ’population theory to CuItural Carrying Capacity[J ]1Ecological

Economical ,1999,31:395-4081

[3]程国栋1承载力概念的演变及西北水资源承载能力的应用框架[J ]1冰川冻土,2002,24(4):361-3671[4]马振华1运筹学与最优化理论[M]1北京:清华大学出版社,1997.354-3581

[5]北京市水利局121世纪初期首都水资源可持续利用规划专题报告汇编[R]1北京:北京市水利局,19961

Study on w ater resources carrying capacity based on regional development goals

Ξ

Y AO Zhi 2jun 1,LI U Bao 2qin 1,2,G AO Y ing 2chun 1

(11Institute o f G eographical Science and Natural Resources Research ,C AS ,Beijing 100101,China ;

21Graduate School o f Chinese Academy o f Sciences ,Beijing 100039,China )

Abstract :This paper discusses and analyzes the essence of water res ources carrying capacity (WRCC )of the radical carrying capacity questions 1The WRCC ,unlike other carrying capacity being the objective and internal value ,is affected by the re 2gional development g oals ,and alters under the different development g oals 1Accordingly ,the study on WRCC must be carried out under concrete regional development g oals 1Therefore ,this paper em ploys g oal programming as the quantitative method of WRCC and takes Beijing as a study case ,and calculates and analyzes the WRCC and g oals realization under the expected de 2velopment g oals 1The results show that the expected economic ,s ocial and environmental development g oals in 2005can not be achieved totally because of the condition restriction of water res ources.The expected development g oals in 2010can be achieved basically due to the im provement of local water res ources exploitation and utilization and water supply from the middle route water trans fer project of the s outh 2to 2north water trans fer projects ,and the s ocial and economic sizes can be cons olilated by means of water res ources 11833thousand people and 473127billion RM B G DP 1T o s olve the inconsistency between water res ources carrying capacity and development g oals ,the population ,on the one hand ,should be controlled ;the water con 2sum ption effectiveness should be im proved ;and the industrial structure should be optimized.On the other hand ,the expected development g oals should be adjusted according to actual situation 1

K ey w ords :water res ources carrying capacity ;development g oals ;g oal programming ;Beijing

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11　第1期姚治君等:基于区域发展目标下的水资源承载能力研究ΞThe project is supported by the National Natural Science F oundation of China (N o.40371006).