水资源设计承载力的探讨

丁晶, 覃光华, 李红霞

(1.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,四川 成都 610065; 2.四川大学 水利水电学院,四川 成都 610065)



水资源设计承载力的探讨

丁晶1,2, 覃光华1,2, 李红霞1,2

(1.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,四川 成都 610065; 2.四川大学 水利水电学院,四川 成都 610065)

在现阶段水资源承载力定义中,由于未深入考虑主体(水资源)随时间变化的不确定性,并且所涉及的客体过于理论化、抽象化、笼统化,往往导致计算成果难以用于实践。本文将“设计”的概念和思维融入到水资源承载力之中,提出水资源设计承载力的确切定义，并界定其内涵。根据设计的供水保证率和发展模式分别计算相应的可供水量和用水量,基于供用水平衡,推求出可承载的最大人口数量。经过分析和实例验证,证明水资源设计承载力计算简单且成果实用。

水资源;承载力;设计承载力;发展模式

近些年来,水资源短缺严重影响了社会经济的发展,关于水资源承载力的研究成为了非常热门的课题[1]。尽管在这个领域的探索已经历了较长时间,施雅风、李令跃、左其亭、龙腾锐等学者对水资源承载力已做了较深入的研究,取得了一些成果,但关于水资源承载力的定义和内涵仍较为模糊,并存在一定的分歧[2-8]。本文在前人研究的基础上,分别从水资源主体和客体的角度分析归纳出现阶段水资源承载力定义的两大不足,将“设计”的概念和思维融入到水资源承载力之中,提出了“水资源设计承载力”以代替现有常用名词“水资源承载力”。水资源设计承载力有全新的内涵和确切的定义。本文探讨的重点在于全面分析与水资源设计承载力紧密相关的关键问题。

1　现阶段水资源承载力定义的不足

水资源承载力是以水资源作为主体和以主体支撑的各部分作为客体组成的复杂体系中显示出来的一种特殊定量特征[9-10]。这个具有重要意义的定量特征,既取决于主体也受制于客体。因此，它的性质必然与主体和客体的性质紧密相关。分析主体性质引出现有水资源承载力涵义的第一个不足;继而分析客体性质引出现有水资源承载力涵义的第二个不足。

第一个不足是未深入考虑主体(水资源)随时间变化的不确定性。水资源量受众多因素的影响,不仅随日、旬、季的变化而变化,而且也随年而变。对于未来的某一个时间或时段,水资源量是一个不确定性量。在推求承载力时,若将其视为一个已知的确定量就背离了水资源量固有的禀性,因缺乏坚实的基础,获得的结论就失去了可信性。水资源量对于未来任何一年,可能会出现各种各样的数值,只是概率的大小不同而已。若要对未来某一年可能出现的水资源量作出预测,当前只能基于水资源量的随机变化特性,借助概率论的统计手段来达到。例如某一年出现水资源量等于或大于100亿m3的可能性为70%。在推求承载力时,若需要一个明确而固定的水资源量,则涉及选择一个合理保证率(可能性)的问题。这就与“设计”相联系。

第二个不足是传统水资源承载力概念中涉及的客体过于理论化、抽象化、笼统化,导致实践上难以应用。水资源承载力的客体一般是指广义的相关系统[9],此相关系统包括经济系统、社会系统、生态系统和环境系统等,同时还涉及技术经济发展水平和资源合理利用程度等。现有研究成果在涉及水资源承载力时加上了若干条件,如在某一历史发展阶段,以维护生态环境良性发展为条件,以可预见的经济、技术和社会发展水平为依据,在水资源得到合理开发和利用的条件下等,并且追求的是在这些条件下的最优解(最大值)。从形式上看,对于研究对象的表述客观且具体,但实质上难以应用于实践,因此一般都采取主观性简化,但如此会导致研究结果缺乏实际意义。

为了使水资源承载力概念中所涉及的客体客观实际并且成果有实用价值,必须进行三大转变:一是从理想到现实的转变;二是从抽象到针对的转变;三是从笼统到具体的转变。转变的关键在于将“设计”二字冠于“承载力”之前,即“水资源设计承载力”。

2　水资源设计承载力的涵义

“设计”一词为人们熟知并广泛使用。这里引用“设计”一词并无特殊之处,仍保持着其一般的涵义。“设计”就一般而言是指，在正式做某项工作之前,依据对某一特定事物或现象的某些特性、定量特征的认识,根据一定的目的要求,预先制定方法,作出判断、抉择和取舍。设计过程中,人类思维起着关键作用,而人的智慧和能动性则是决定性的因素。设计的焦点是目的,不同的目的就会出现截然迥异的设计。设计所固有的这种性质,无疑会蕴藏在设计承载力的涵义中。为了形象地说明“设计承载力”,这里以“设计洪水”作对比论述。所谓“设计洪水”是指水利水电工程设计所依据的设计标准的洪水[11]。这样“设计洪水”就从“一般洪水”的范畴中分离出来,而具有明显的个性和特殊含义。

类似地,所谓水资源设计承载力是指在设计的水资源量和社会经济发展模式下的水资源承载力。显然,设计的发展模式一经确定,与之相应的承载力就会出现。举例说明,一个城市的社会经济发展模式可能是多种多样的,其中有些是不合理的,难以持续发展,有些则是合理和可持续发展的。对于合理和可持续发展的几种模式可能有几种对应的承载力。若几种模式中不包括设计的发展模式,那么这些模式对应的承载力都不合乎要求。设计承载力只能基于设计的发展模式而产生,可见“设计”的重要性。

现阶段水资源承载力的定义中,最终结果常表达为:

1)最大的农业、工业、城市规模和人口[3];

2)人口增长与经济发展的最大容量[4];

3)对该地区社会经济发展所能提供的最大支承力[5];

4)社会经济发展的最大规模[12]。

本文从现实性出发,除提出水资源设计承载力的新涵义,还建议以最大人口数量作为与该定义相匹配的最终结果。其理由如下:人类社会中,人是起主宰作用的决定性因素,是社会不可缺少的基础。社会经济的规模在很大程度上取决于人的规模(以人口数量表征)。因此,以最大人口数量可以间接表示最大社会经济规模。当然,最大人口数量在一般情况下并不会等同于最大社会经济规模。但是,在当前人类社会条件下,从总体而言,一个城市或地区的人口数量可以在一定程度上表征社会经济的规模。以最大人口数量作为水资源设计承载力最终结果的定量表示是合理的。

综上所述,水资源设计承载力是指在设计的社会经济发展模式下,一定供水保证率的水资源量可以支撑的最大人口数量。水资源设计承载力和现阶段水资源承载力具有本质的差异。前者是对应设计发展模式的一种设计特征量,后者则是在多重条件限定下、难以直接应用于实践的量。

3　关键问题分析

由水资源设计承载力的涵义可以看出,要准确地计算出一个地区的水资源设计承载力,关键在于供水保证率和发展模式的确定(设计)。

3.1供水保证率的确定

供水保证率是指预期供水量在多年供水中能够得到充分满足的年数出现的概率。其中居民用水的供水保证率较高,一般在95%以上;工业用水的供水保证率在90%以上;因地域广大并受经济条件、自然条件的限制,农村供水保证率相对较低。由于供水工程的水源不同和用水户不同,并受经济、社会、环境的影响,供水保证率的计算需综合考虑各项因素。

3.2设计发展模式的确定

关于设计发展模式的确定,以下就设计发展模式的分类、设计发展模式中应包含哪些指标，以及指标应如何合理地定量共3个问题加以论述。

3.2.1设计发展模式的分类

设计发展模式反映的是人类社会经济发展阶段与水资源利用有关的各因素(特征)的特性和关系。发展模式的确定必须从战略层面上考虑,因为它与基本国策、经济方针、发展规划等密切相关。例如地区发展战略对水资源分配和利用有重要影响;管理法制和体制在一定程度上影响着承载力,特别是通过科技进步提高水资源利用率和重复利用率以及污水处理率等从而提高水资源承载力。发展模式分类的具体依据可能多种多样。本文就人类生活、经济和科技水平的差异尝试性地提出了3类发展模式,见表1。

表1　水资源设计承载力的3类发展模式

必须指出:在推求水资源承载力之前,必须明确水资源所支承的水平。不同的支承水平会有不同的承载力与之对应。显然,这与设计目的息息相关,如追求的目的是Ⅰ类,即必须以Ⅰ类发展模式作为设计依据来推求承载力。获得的最终结果即为此发展模式下的设计承载力。

3.2.2设计发展模式的指标选择

3.2.2.1指标选取原则

原则上,选择的指标必须具有下列特性:①对水资源承载力的影响较大;②概念清晰;③物理意义明确;④易于相互之间作对比;⑤实践操作方便。

3.2.2.2指标选取

探求承载力时所涉及到的因素和与之相关的各种关系可以由一些特殊的定量指标体现出来。这些定量指标大体上可分为如下几类:表示社会经济系统主要特征的指标、表示生态系统主要特征的指标、表示科技发展水平的指标等。在指标选取原则的基础上,为从不同的角度显示用水特性、用水结构和用水效率等与水资源承载力密切相关的基本特征要素,选取了设计承载力指标体系,见表2。

表2　水资源设计承载力指标体系

3.2.2.3未包括“三条红线”的原因

表2中所选取的指标,在一定程度上刻画了人类社会经济发展的某种模式,但仍存在不少问题。比如选定的指标中没有全部包含文献[13]中明确提出的水资源管理“三条红线”指标:用水总量、用水效率和水质达标率。用水总量指研究地区(城市)的全部用水量;用水效率指万元GDP用水量和灌溉水有效利用系数;水质达标率指水质达标的环境水功能区数量占该城市环境水功能区总数的比例。这三条红线指标对控制不合理的用水增长、控制不科学的用水方式和不合理配置以及控制生态环境以达到国家要求的标准是极其重要的,也是当前水资源管理中必须严格遵守的原则。但是作为设计水资源承载力分析的指标,“三条红线”明显存在不足。分析如下:

1)用水总量指标。对承载力的影响很大,概念清晰、物理意义明确、实践上可操作,但是不能相互之间作对比。用水总量为一绝对量,缺乏相互对比的基础。同时对绝对量很难做出一般的优劣判断,例如水量1亿m3是好是坏,达标还是不达标,无法评判论断。一般而言,单位指标和相对指标优于绝对指标。例如舍弃“用水总量”指标而代之以“人均用水量”指标或者代之以“用水率”指标(用水总量占总供水量的比例)比较合理。

2)用水效率指标。用水效率指标包含灌溉水有效利用系数和万元GDP用水量两个指标,总体而言,用水效率高对应着较小的万元GDP用水量。虽然,万元GDP用水量是高度综合的宏观指标,可以充分反映总体平均经济效益,但是既不能反映产业结构用水的特性和状况,也不能真实地反映用水效率。例如某市2010年万元GDP用水量为97 m3,其中以工业为主的主城区为31 m3,而以农业为主的郊区却高达404 m3。两者差别之大并不是二者的用水效率不同所致的,而是二者的农业比重差别大,最终导致万元GDP用水量异常悬殊。因此，万元GDP用水量并非总是一个衡量用水效率的客观而真实的指标。所以,本文采用了灌溉水有效利用系数,而没有考虑万元GDP用水量。

3)水质达标率。该指标的最大问题在于实践操作不便。环境功能区的达标涉及到功能区水体的水质定量状况。这与污染物的浓度有关,即与水体的水量和纳污量有关。水体的水量和纳污量随时间而不断变化,是否达标的判断也随之变化,可能发生汛期达标而枯期不达标,丰水年达标而枯水年不达标的情况。这给实际操作带来了困难,为了在实践上方便,对水质达标的定义要作补充和完善,明确在何种条件下达标,水量和污染物按何种要求预测等。

基于上述原因,没有将用水总量、万元GDP用水量、水质达标率指标列入表2中。

3.2.3指标的定量

指标的定量需要结合基本国策、经济方针、发展规划以及地区的实际发展情况，归纳、综合比较并经分析判断而获得,是重要的一步,尚需进行大量的分析和研究。本文据现有的文献资料,结合研究地区实际情况,初步给出各种指标在不同模式下的赋值。

4　实例研究及结果分析

4.1基本资料

某城市2010年控制总面积12 121 km2(即1 818万亩)，常住总人口为1 405万人，地区生产总值为5 551亿元，其中第一产业增加值285亿元,第二产业增加值2 481亿元,第三产业增加值2 785亿元,人均GDP为41 253元。该市多年平均地表径流量约80亿m3,地下水多年平均天然资源量为32亿m3，扣除二者重复计算水资源量26亿m3，即当地水资源总量为86亿m3。

4.2计算思路

基于水量平衡原理,即供水和用水平衡来计算最大人口数量。假定可支撑最大人口数量为x。则按照设计发展模式,据该人口数x分别计算出各种用水量,累加各用水量得总用水量。以供水量等于总用水量列出平衡方程式,解方程式中的未知数x，即为该发展模式下的水资源设计承载力。

4.3计算过程

该城市的生活水平和经济基础都较好,以第Ⅰ类发展模式的要求发展。经分析和计算,该城市90%保证率下的年用水量为59亿m3,即可持续利用的总水量为59亿m3。根据表2中的指标值计算该城市在Ⅰ类发展模式下的水资源设计承载力为:

1)生活用水量Q0:

Q0=Q01+Q02+Q03。

(1)

城镇居民生活用水Q01：

Q01=x×90%×200×10-3×365÷0.98%；

农村居民生活用水Q02：

Q02=x×10%×100×10-3×365÷0.98%；

渔牧业用水Q03：

Q03=Q02×20%。

说明:渔牧业用水本属于农业用水,由于研究区数据来源是按农村居民生活用水量估算该项,故归类于此。

2)第二产业用水量Q2：

Q2=2 481×40÷98%。

(2)

3)第三产业用水量Q3：

Q3=2 785×3÷98%。

(3)

4)农业用水量Q1：

Q1=Q11+Q12。

(4)

农田灌溉用水量Q11:

Q11=1 818.15×20%×400÷0.65；

园林地用水量Q12:

Q12=Q11×8%。

5)考虑水资源的重复利用量,采用系数8%,则生活生产总用水量QL为:

QL=(Q0+Q1+Q2+Q3)×(1-8%)。

(5)

6)环境生态用水量QE(拟取环境生态用水率为30%)：

(6)

7)总用水量Q为生活生产总用水量和环境生态用水量之和,即:

Q=QL+QE。

(7)

8)90%保证率的供水量:

Q90%=59×104万m3。

9)令总用水量等于供水量,即Q90%=Q，求得x=1 292万人。

即在90%的供水保证率下，该市2010年按照Ⅰ类发展模式计算的水资源设计承载力可支撑人口数为1 292万人。按照Ⅱ类发展模式计算的水资源设计承载力可支撑人口数为1 017万人。按照Ⅲ类发展模式计算的水资源设计承载力可支撑人口数为728万人,详见表3。

表3　2010年不同模式下水资源设计承载力计算结果

考虑到新增供水能力受很多因素影响,本文假设至2020年总供水量不变,二产、三产产值按该市总体规划预测分别为6 230、8 170亿元,在此条件下该市2020年3种模式下的水资源设计承载力计算结果见表4。

表4　2020年不同模式下水资源设计承载力计算结果

同理，假设至2030年总供水量不变,二产、三产产值预测值分别为12 300、20 200亿元,则该市2030年在3种模式下的水资源设计承载力计算结果见表5。

表5　2030年不同模式下水资源设计承载力计算结果

4.4结果分析

未来的水资源量易受随机因素的影响，是一个不确定量,其不确定性会造成分析与研究的困难,而且获得的结果同样是不确定的,不利于实际应用。本例采用90%供水保证率下的水资源量,既考虑了未来水资源不确定的特性,又使承载力计算中的不确定量转化为确定量,计算大大简化。不同水平年均按此供水量进行分析,也方便比较不同水平年不同模式下的缺口。图1给出了不同水平年、不同发展模式下的水资源设计承载力对比结果。由分析计算结果及图1可知,同一水平年下,模式越高级(用水效率越高),可支撑的人口数越多。而不同水平年下，由于二产、三产产值发生了较大增幅,因此同一模式下可支撑的人口数随时间呈下降趋势,这与一般的用水规律是一致的。

图1　不同水平年不同模式下的水资源设计承载力对比

5　结语

1)从水资源主体和客体的角度分析可知，现阶段水资源承载力的定义存在未考虑水资源的不确定性以及承载客体太过理想化的问题。为了从根本上解决这些问题,将“设计”的概念和思维融入到水资源承载力之中,通过选择合理的设计保证率将水资源转化为可计算的量,通过确定设计发展模式使承载客体中的复杂定量关系变得简单且符合实际,最终提出水资源设计承载力的涵义以及计算方法。经过多方面分析和实例计算验证,水资源设计承载力计算简单而且成果更为实用。

2)新定义的关键在于设计发展模式的确定,这涉及发展模式分类和指标取值。本文尝试提出了3类发展模式和指标体系,仅供参考。由于每个研究区域用水结构差异大,用水指标选取及赋值差异也相应很大,因此水资源设计承载力计算一定要结合研究区域的实际情况进行,尚有很多需要进一步研究的内容。

3)水资源设计承载力的定义和推求是一个非常复杂且重要的课题。本文的探索仅仅是跨出了第一步,后续研究可进一步就水资源设计承载力的优化分析进行探讨。

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Discussion on Design Carrying Capacity of Water Resources

DING Jing1,2, QIN Guanghua1,2, LI Hongxia1,2

(1.State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China;2.College of Water Resource & Hydropower, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

In the definitions of water resources carrying capacity at the present stage, for the unpredictability of subject (i.e. water resources) over time and the objects involved in water resources are too theoretical, abstract and general, calculation results about water resources carrying capacity are often difficult to guide practice. This paper integrates the concept of design into water resources carrying capacity, and proposes the exact definition on the design carrying capacity of water resources. Based on the design guarantee rate of water supply and development pattern, the corresponding amount of water supply and water consumption are respectively calculated, and the maximum number of population carrying capacity can be deduced on the basis of water supply and demand balance. The case study shows that the calculation method about design carrying capacity of water resources is simple and practical.

water resources; carrying capacity; design carrying capacity; development pattern

2016-04-27

国家重点基础研究发展计划(“973”计划)资助项目(2013CB036401)。

丁晶(1935—),男,江苏泰兴人,教授,博导，主要从事水文计算研究。E-mail:mrdingjing@126.com。

覃光华(1975—),女,重庆人,副教授,主要从事水文分析计算、水资源规划与利用方面的研究。E-mail:ghqin2000@163.com。

TV213.4

A

1002-5634(2016)04-0001-06

(责任编辑：张陵)

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2016.04.001