基于多目标决策的水资源可持续承载力理论及应用研究

□胡士辉 □孙世雷（黄河水利委员会水文局）

□张桂花 □田永军（河南省水利勘测设计研究有限公司）

1.引言

城市化进程的快速推进带来了人口膨胀、水资源短缺和水环境恶化等问题，水资源承载力作为自然资源承载力的重要组成部分，已成为水资源短缺地区能否支撑人口、经济和环境协调发展的一个“瓶颈”因素。水资源承载力研究作为水资源安全度量和规划的基础，不仅能够为管理者提供决策依据，而且在一定程度上能够增强节水意识，对促进水资源的可持续利用和实现城市可持续发展具有重要意义。

2.郑州市水资源状况

郑州市总面积7446km2，境内大小河流35 条，分属于黄河、准河两大水系。据郑州市水资源公报统计，1995～2005年郑州市多年平均降水量为650.75mm，水资源总量为12.59 亿m3，其中地表水资源量5.98 亿m3，地下水资源量9.86 亿m3，重复水量3.25 亿m3。按2005年人口计算，郑州市人均占有水资源量仅为222m3/人，水资源十分短缺，供需矛盾十分突出。与此同时，水污染加剧，水环境日益恶化，2005年污水排放总量6.55 亿m3，污水处理量1.71 亿m3，污水处理率仅为26%，大量污水排入河道，引起水质恶化，主要河流水质综合评价列别为Ⅴ类和劣Ⅴ类。

3.多目标决策分析模型体系

本研究从可持续发展的角度出发，将水资源承载力定义为：在某一具体历史发展阶段下，以可预见的社会经济发展水平为依据，以可持续发展为原则，以生态环境的良性发展为前提，经过合理的配置，某区域（流域）可利用水资源所能持续支撑的人口、经济和环境协调发展能力。基于多目标决策的水资源承载力分析方法能够把运筹学与管理学联系起来，是处理社会经济—资源—环境这类复杂的、多属性、多目标、群决策问题的比较合适的方法，也是当今水资源管理的一个趋势。其具体方法为：选取能够反映水资源承载力的人口、社会经济、生态环境以及水资源质和量等若干指标，按照可持续发展的原则，从整体的角度剖析各个指标之间的关系，并用数学约束进行描述，不追求单个目标的优化，而追求整体最优，用系统分析和动态分析方法研究不同水平年、不同策略方案下水资源所能承载的生态、经济、人口规模，从而选择合适的发展策略。

3.1 目标函数

本研究选取GDP，人口规模，污染物总量这3 个指标来分别反映水资源对经济，人口和水环境的承载状况。多目标分析模型目标函数如下：

式中：xijk为决策变量，表示用水部门从第k 子区第j 种水源所取的水量(104m3)；i=1～5，分别表示第一、第二、第三产业，城镇和农村生活五个用水部门；j=1～m，表示水源的个数，k=1～n，表示子区的个数。σ 为量纲转换系数；λ 为目标权重。

3.1.1 经济目标

采用第一、第二、第三产业用水量除以万元产值用水量计算得出的三大产业产值之和的最大值作为经济目标。

式中：K 为子区总数；J(k)为第k 子区的水源个数；δi 表示i用水部门用水公平系数；K1、K2和K3 分别表示第一、第二和第三产业万元产值用水量（m3/104元）；E 表示总产值(104 元）。

3.1.2 人口目标

采用城镇、农村居民年用水量除以用水定额计算得出的城镇和农村人口之和的最大值作为人口目标。

式中：K4、K5分别表示城镇、农村生活居民生活需水定额(升/人·日)；P 表示人口目标（人）。

3.1.3 水环境目标

本文采用重要污染物的排放量最小来反映水环境目标。

式中：di为i 用水部门单位废水排放量中重要污染因子的含量（mg/L），一般可用生化需氧量BOD、化学需氧量COD 等水质指标来表示；pi为i 用水部门污水排放系数；R 表示污染物排放总量（t）。

3.2 约束条件

本研究考虑到可持续发展要求，首先满足生态用水，然后从社会经济、水资源、生态环境的协调方面进行分析，引入了以下约束条件：

3.2.1 可供水量约束：

式中：Wjkmax为规划水平年第k 子区第j 种水源最大可供水量(104m3)，i=1～5，k=1～n。

3.2.2 部门用水量约束：

式中：Wikmin、Wikmax分别为规划水平年第k 子区供给第i 用水部门的最小、最大水量(104m3)，i=1～5，k=1～n。

3.2.3 国民经济约束：

式中：Eimin、Eimax分别为规划水平年第一、第二、第三产业的最小、最大产值(104元)，i=1～3。

3.2.4 人口约束：

式中：Pimin、Pimax分别为规划水平年城镇和农村的最小、最大人口（人），i=4～5。

3.2.5 环境约束：

式中：Rmax为规划水平年水体所能容纳的某种重要污染物的容量（t）。

3.2.6 非负约束：

式中：i=1～5，j=1～m，k=1～n。

3.3 综合评价指标及分类

本研究选用相对承载指数（RCI）和绝对承载指数（ACI）反映指标预测值与多目标模型计算的指标值之间相对和绝对关系。参考土地承载力的分类系统进行分类（详见表1），进行水资源承载力综合评价。

式中：RCIi为第i 种指标的相对承载指数；Oi 预测和Oi 分别为第i 种指标预测值和模型计算的水资源承载指标值；λi 为第i 种指标的权重；RCI 为综合相对承载指数；ACIi 为第i 种指标的绝对承载指数。

表1 水资源承载能力分类系统及划分标准表

4.郑州市水资源承载力分析评价

本研究统筹经济、人口及环境平衡协调发展，拟定基本和节水两种方案，根据不同规划水平年可供水量，人口、经济、纳污能力、生态需水量以及各类指标用水定额预测成果，赋予各目标不同权重，求解模型，分析评价不同方案郑州市水资源承载能力。两种方案各项指标预测值、承载值及评价结果见表2和表3。

表2 郑州市水资源承载能力方案分析表

表3 郑州市水资源承载类型分析表

由表2和表3可以看出，得益于南水北调引用水量，2015年两种方案均为弱度缺载（ⅢC），水资源构不成郑州市经济和人口迅速发展的主要制约因素；到2020年，已呈现缺水趋势，只有采取节水方案才能维持经济社会的可持续发展；然而2025年以后，缺水已比较严重，两种方案均为弱度超载（ⅠC），人水关系呈现不可持续性，水资源承载力已不能满足经济社会可持续发展的需要。以上分析说明郑州市为资源性缺水，水资源已经成为制约社会发展的主要因素。因此，必须要采取一定的对策高效开发利用水资源，以提高郑州市水资源承载能力，确保人水关系长期处于可持续发展状态。

5.结语

本文利用多目标决策分析评价方法，从定量和定性两个方面对郑州市水资源承载能力做了分析研究，直观地反映了各规划水平年水资源对经济社会的承载状况。结果表明，郑州市属资源性缺水，当地水资源不足，外来水源占主导地位。建议采取以下措施增强水资源可持续承载能力：一是有效引用黄河水、南水北调水，拦蓄过境水，大力推广集雨节灌、雨水利用和污水处理中水回用，充分利用各种水资源；二是加快推进郑州城市生态水系建设，大力改善城乡生态环境；三是合理配置水资源，提高水资源的利用效率；四是调整工业产业结构，大力兴建节水设施，提高水的重复利用率；五是调整农业产业结构，推广先进节水技术，发展高效节水型农业；六是加强宣传，转变观念，树立全社会的节水意识。

[1]朱一中,夏军等.关于水资源承载力理论与方法的研究[J].地理科学进展,2002,21(2)：180～188.

[2]杨之生.大理市土地资源人口承载能力之研究[J].云南大学学报,1994,16(1)：40～47.