水环境承载力研究分析与展望

屈 豪，包景岭，张 维

QU Hao1 , Bao Jing-ling2 , ZHANG Wei3

1. 河北工业大学 经济管理学院，天津 300000；2. 天津市环境保护局，天津 300000；3. 天津市环境保护科学研究院，天津 300000

1. Heibei University of Technology, Tianjin 300000; 2. Tianjin Environmental Protection Bureau, Tianjin 300000; 3.Tianjin Academy of Environmental Sciences, Tianjin 300000

水环境承载力研究分析与展望

屈 豪1，包景岭2，张 维3

QU Hao1, Bao Jing-ling2, ZHANG Wei3

1. 河北工业大学 经济管理学院，天津 300000；2. 天津市环境保护局，天津 300000；3. 天津市环境保护科学研究院，天津 300000

1. Heibei University of Technology, Tianjin 300000; 2. Tianjin Environmental Protection Bureau, Tianjin 300000; 3.Tianjin Academy of Environmental Sciences, Tianjin 300000

论文对水环境承载力的概念进行了阐述，总结确定了地理特征、水体特性、气候变化及社会活动四项主要影响因素。根据水环境承载力研究方法的不同，将其划分为计算与评价两类，提出了水质水量对比法模型，并对主要研究方法进行了分析总结，阐述了传统方法存在的缺陷，以完善研究方法为目的对水环境承载力研究方法流程图进行了构建。指明了水环境承载力研究面临的关键性问题及系统化、全面化、二元化的发展方向，对水环境与可持续发展之间的关系具有重要意义。

水环境承载力；影响因素；水质水量对比法；研究方法流程图

水资源是社会经济发展的必要条件，而水资源的质量又表现为水环境。目前国内开展众多关于水环境承载力的研究，但它们在理论基础上都未形成系统的理论框架，概念理解尚未达成共识。研究方法呈现出多样化特征，但方法注重单方面优势从而具有一定缺陷，无法满足综合性的水环境承载力研究。本文总结了水环境承载力的多种研究方法，并分析其缺陷。以完善研究方法为目的，提出水环境承载力的计算框架，并对现有问题和未来发展进行了分析和讨论，为今后的水环境承载力研究提供理论参考。

一、水环境承载力研究

（一）概念及研究分类

目前，水环境承载力的概念在学术界尚未达成共识。现有“纳污能力”“人类活动阈值”[1-2]等多种说法。文章根据水环境承载力涵盖范围的不同，将其概念分为三类：（1）第一类主要是指在水环境中可以容纳的污染物和污水量。代表人物汪恕诚和左其亭[3]等。（2）第二类主要指以容纳污染物和污水量上限为基础，水环境所能承载的人口规模和人类活动，高占喜[4]对其进行了具体定义。（3）第三类则是在第二类的基础上加入了水环境所能承载的经济规模大小。邢有凯[5]阐述了其对此定义的见解。除此还有广义和狭义[6]的水环境承载力分类方式。但从本质上看，水环境承载力的不同定义都是对水环境与经济发展和人类活动之间关系的表述。

本文根据水环境承载力目的和表现方式的不同，将其研究方法分为计算和评价两类。水环境承载力的计算研究，依托水环境承载力的定义，在保证水环境可持续发展、无不可逆危害时所能承载污染物的极值条件下，对可承载的积极规模及人口数量进行计算[7]。常用于发展规划提供理论参考等。水环境承载力的评价研究，以水环境承载力概念为基础，在一定自然条件及社会条件下，对某区域水环境与人类社会经济活动的协调程度进行评价。常用于一些决策性文件中，如环境保护规划等。

（二）影响因素

水环境承载力的影响因素包括地理特征、水体特性、气候变化及社会活动四个方面[8-15]。

（1）地理特征。地理特征包括河流周围地形（地貌）、土壤和植被状况等方面，各特征都会对水文产生影响，从而影响区域水环境的河流产汇流状况等。

（2）水体特性。水体特性包括净化能力和扩散能力，两种能力又由流速、流量、含氧量、水温等多种参数决定。这种特性直接影响着水环境容量，净化能力和扩散能力越强，即流速越快、含氧量越高、温度越高等，水体可以容纳的污染物越多，水环境容量越大。

（3）气候变化。气温指标和降水量指标是气候变化最主要的体现，气象任意一种变化都会影响气温或降水量，二者又影响着水环境的循环过程，直接对水环境的稀释和扩散作用产生影响，从而对某区域的水环境承载力产生影响。

（4）社会活动。社会活动指由于人类生产生活等行为产生的某些影响，包括社会经济发展水平、人类的经济活动、人类对生存环境的要求、国家的法律法规等。社会经济发展水平影响着水处理技术的革新，间接影响污水中COD等主要污染物含量。人类的经济活动影响着人口数量及经济发展规模。人类对生存环境的要求是人类所要求的水环境质量标准。水环境承载能力更是直接被制定成国家相关标准进行规范。水环境承载力会对社会活动的各种变化产生相应的变化。

二、水环境承载力方法研究

（一）水环境承载力计算方法

1. 水质水量对比法

水质水量对比法以区域水环境所能承载的工业产值为标准，从水资源和水环境两方面进行计算。水资源方面，通过对外来水资源、生活用水、灌溉用水及生态补水等方面的计算，推断工业用水量，再根据相关工业系数，得到工业废水排放量，从而建立水资源承载力模型。

水资源承载力模型：

(GDP)1为目标年水资源可承载工业产值（亿元），T1为目标年工业废水排放量（万吨/年），K为单位GDP工业废水排放量（万吨/亿元），r为降水入渗系数，l为降水量，S为区域面积（km2），TT1为外来水资源量，Px为第x年区域人口数量（万人），ax为第x年万人日均生活需水量（万吨），PN为农业用水净灌溉定额（m3/hm2），SN为区域内农业灌溉面积（hm2），Tym为渔牧业需水量，Tld为绿地需水量，Thh为河湖需水量，k为工业废水排放系数，β为工业废水处理率。

水环境方面，通过计算区域内水环境容量得到允许排放工业废水的量，再根据单位GDP工业废水量计算出容量承载力。最后通过对工业可用水量，工业废水实际排放量及工业废水允许排放量三者之间关系进行对比分析，建立有关水环境承载力的模型N。

容量承载力模型：

（GDP）2为水环境容量可承载工业产值（亿元），T2为目标年工业废水允许排放量（亿吨），ksh为生活污水排放系数，βsh为生活污水处理率。

水环境承载力模型：

若T1＜T2，目标年水环境可承载的工业产值为（GDP）1。

若T1＞T2，目标年水环境可承载的工业产值为（GDP）2。

2. 多目标模型最优化方法

多目标模型最优化方法[16]是对多个子系统之间关联变量连接的方法。对水环境承载力应用时，将研究区域水环境看作一个整体，再按照一定规律将区域水环境划分为多个子系统。运用数学模型对各个子系统模型进行刻画，从而通过多目标模型将子系统模型进行连接。多目标模型最优化方法通过对系统内部各要素之间关系的表征，确定决策变量，分析追求最大目标条件下，系统内各要素的分布。通过对模型和决策变量的模拟预测，可得到满足多个最优目标下的方案，而得到的此种情况下的最优解即为水环境承载力。多目标模型最优化方法融入了研究者的主观思想，考量了人类的不同价值取向，适合应用于较为复杂的系统。

（二）水环境承载力评价方法

1. 指标体系评价方法

从指标体系评价方法[17-18]的内在看，它是建立影响水环境承载力的指标体系（假设具有m个指标），然后再假设有n种发展方案，每种发展方案分别对应一种水环境承载力，对n种水环境承载力的m个指标进行归一化处理，而归一化后所得结果即为水环境承载力模型。可以看出，通过指标体系评价方法，得到的并非真正的水环境承载力，而是依赖于人类的评价及承载力之间指标数值的比对，反映水环境与人类活动之间的协调程度。

指标体系评价方法包括模糊综合评价法、向量模法、主因子分析法和层次分析法等，这些方法本质都是确定指标体系中评价因子的权重。指标的数量与所得水环境承载力结果的准确性成正比，但过多的指标，会增加指标收集和权重确定的工作难度。因此，根据收集的资料情况和允许工作的时间等，选取能充分反应承载状况的指标，更有利于评价过程的进行并提高水环境承载力结果的准确性。

2. 系统动力学方法

系统动力学方法是以反馈控制理论为基础，依托计算机仿真技术对复杂系统定量化的方法，它具有灵活性、动态性、直观性及多变量等优点[19]。通过系统动力学方法（如图1）可以得到水环境承载力的量化结果，也可以模拟水环境承载力的不同影响因素变化，从而预测不同经济政策或发展模式下的结果。庞大复杂的系统内多种变量指标类别需要通过主观意识确定是系统动力学方法需要完善的地方，研究者的认识程度对结果的准确性产生影响。

图1 系统动力学流程示意图[20]

（三）当前研究方法的缺陷

当前研究方法都具有某方面的特定优势，但同时也存在一定缺陷，这些缺陷的存在会致使结果出现偏差。

1．计算方法缺陷

由于环境的复杂性和计算过程中可能涉及到的利益关系，水环境承载力的计算研究方法多缺乏全面性的指标，或不同利益团体之间认识的冲突，从而导致计算结果的不准确性。如水质水量对比法无法适应当前的动态性发展，选取指标全面性不足；多目标模型最优化方法涉及到多方利益团体的不同认识，容易造成彼此间认识的冲突[21]。

2．评价方法缺陷

运用评价方法研究水环境承载力，在评价过程中掺杂有大量的研究者主观认识，并不能建立一个完整的、协调统一的系统，从而导致最后评价结果的不准确性。如指标体系评价方法由于具有极强的主观性，运算中指标的大小选择会遗失很多重要信息，遗失信息的多少又会影响评价结果的准确性，而随着选取指标数量的增加，所遗失的信息量也会增加，致使结果发生错误的可能性增加；系统动力学方法，由于建立的庞大环境系统，以各要素协调统一为基础，对参量的选取没有一个准确的把握，尤其对于长远未来发展状况的动态模拟过程中，更易导致结论的不准确[22-23]。

（四）水环境承载力研究方法流程设计

本文以改善研究方法，填补水环境承载力现存方法缺陷为目的，基于水环境承载力的概念及定义，建立了研究方法流程图（图2）。

计算步骤如下：（1）分别计算测定水体的水质、水量，从而得到水环境总容量；（2）根据各行业发展需要及政策要求，将水环境总容量分配给各行业，即工业、农业、生活、其他四部分；（3）分别对各行业所排放的污水水质、污水水量进行计算测定，确定污水及污染物的排放总量。（计算过程中应根据地区规定，考虑污水排放过程中的消耗量）；（4）计算水环境在污水及污染物排入并经过净化和扩散过程后，水环境的总容量；（5）将最终计算结果与法律法规标准相比较，若结果大于标准，则可以按当前状况进行承载，反之，超出承载范围。若超出承载范围，需对水环境总容量进行重新分配，重复上述（2）（3）（4）（5）步骤，至达到可承载的最优解。

图2 水环境承载力研究方法流程图

三、水环境承载力的研究不足与未来展望

（一）研究不足

为落实可持续发展、人与自然和谐共处的方针政策，实现经济与环境共同又好又快发展，我国近年来在水环境承载力的深入研究中取得了突破性进展。但由于水环境的复杂性等原因，仍存在诸多亟待解决的问题，有下面几个方面：

1．研究方法不完善

当前，已有的多种研究方法，如系统动力学、目标模型优化和指标体系评价等，都停留在研究之初，只具有各自独立的优点，并未能有长足的改进以完善本身不足。在技术革新的时代背景下，出现众多具有高效性的现代技术，但并未有学者将传统方法与现代技术进行有效的结合，运用到水环境承载力研究当中。

2．缺乏环境间要素的结合

当前水环境承载力研究只停留在水环境的单一层面上，而未能与土壤、大气等环境因素结合考虑。

3．指标体系不健全

当前指标体系多选取常规资料中所能体现的因素，大多单一，简单。全指标收集工作较为繁琐，尚未有学者能考虑并建立出相对完整的指标体系框架。

4．现实条件方考虑较少。

众多结合社会经济发展，仅以理论上的数据分析水环境承载力，而未考虑如人工等诸多现实条件能否按理论有效进行。

（二）未来展望

未来水环境承载力的研究将朝着系统化、全面化、二元化3个方向进行发展。

1．系统化。由于水环境处在复杂的环境大系统当中，水环境承载力又涉及到多种行业及社会活动，并运用到多种学科知识，从而难以形成系统化的方法。水环境承载力需要继续明确承载对象、研究目的并对研究标准进行界定，并深入研究现代科技与传统方法的合理交点，从而增加水环境承载力结果的准确性。

2．全面化。对承载主体更全面考虑，有利于增加体现水体富营养化的指标数量，如总氮（TN）和总磷（TP）。在富营养化背景下，增加的体现水质变化的指标是体现水环境承载力状况的重要指标[24]。通过多种指标更全面的考虑水体富营养化及水质变化，以准确表征承载状况。对于主体对象的相互结合，有利于全面考虑各主体研究过程中可能碰到的问题。考虑土壤、大气等主体因素，以完善水环境与环境大系统之间的连接[25]，从而增加承载力研究的深度，为全面体现水环境承载状况提供可靠基石。

3．二元化。随着近年来人类在环境中的地位日益重要，人类活动对环境所能产生的影响不容忽视。人工的影响使水循环系统这一整体变为人工水循环系统与自然水循环系统两个部分，即产生“天然-人工”的二元化[26]。随着水循环过程中二元化表现的日益突出，二元水循环系统的各个环节都影响着水环境承载力，为解决水资源等问题提供更准确的服务。

图3 二元水循环流程图[27]

四、结语

水环境承载力概念的本质是对水环境与经济发展和人类活动之间关系的表述。

水环境承载力在地理特征、水体特性、气候变化及社会活动因素影响下呈现动态变化，以这些影响因素为指标保证的水环境承载力研究为环境保护提供了有力支撑。

水环境承载力研究方法分为计算和研究两类，分析总结了现存研究方法指标存在片面化、主观认识掺杂和重要信息遗失等缺陷。建立计算流程图以力争改善现有方法的不足，为未来水环境承载力方法的发展方向提供理论参考性价值。

未来水环境承载力研究将以概念方法系统化、对象指标全面化及二元化为发展方向。

[1] 汪恕诚. 水环境承载能力分析与调控[J]. 水利发展研究,2002(1): 1-6.

[2] 彭静, 李翀. 广义水环境承载理论与评价方法[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2006.

[3] 左其亭, 马军霞, 高传昌. 城市水环境承载能力研究[J]. 水科学进展, 2005, 16(1): 103-108.

[4] 高占喜. 可持续发展理论探索[J]. 北京: 中国环境科学出版社,2010. 8-32.

[5] 刑有凯, 余红, 肖扬, 等. 基于向量模法的北京市水环境承载力评价[J]. 水资源保护, 2008, 24(4): 1-4.

[6] 贺瑞敏. 区域水环境承载能力理论与评价方法研究[D]. 南京:河海大学, 2007.

[7] 罗子云. 水环境承载力方法研究[J]. 环境科学与管理, 2010(8):31-33.

[8] 刘文政, 朱瑾. 资源环境承载力研究进展:基于地理学综合研究的视角[J]. 中国人口·资源与环境, 2017(6): 75-86.

[9] 何少苓, 彭静. 论提高水域纳污与自净能力的水动力潜力[J].水环境论坛, 2001, 33(S): 18-22.

[10] 李玮, 肖伟华, 秦大庸, 等. 水环境承载力研究方法及发展趋势分析[J]. 水电能源科学, 2010, 28(11): 30-32.

[11] MOHAMMED SAIF AL-KALBANI, MARTIN F PRICE, ASMA ABAHUSSAIN,et al. Vulnerability Assessment of Environmental and Climate Change Impacts on Water Resources in Al Jabal Al Akhdar, Sultanate of Oman [J]. Water, 2014(6): 3118-3135.

[12] 林巍, 户艳领, 李丽红. 基于土地承载力评价的京津冀地区结构优化研究[J]. 首都经济贸易大学学报, 2015, 17(2): 74-80.

[13] 李玮, 肖伟华, 等. 水环境承载力研究方法及发展趋势分析[J].水电能源科学, 2010(11): 30-32.

[14] 程国栋. 承载力概念的演变及西北水资源承载力的应用框架[J]. 冰川冻土, 2002, 24(4): 361-367.

[15] 张晓旭, 孔德平, 张淑霞. 贫营养湖水环境承载力及对策研究——以抚仙湖为例[J]. 环境科学导刊, 2014(4): 5-12.

[16] 孙颖, 朱丽霞, 等. 多目标决策模型下洱海流域产业结构优化[J]. 农业现代化研究, 2016(2): 247-254.

[17] 张旋. 天津市水环境承载力的研究[D]. 天津: 南开大学, 2010.

[18] 黄敬, 军姜素, 等. 城市规划区资源环境承载力评价指标体系构建——以徐州市为例[J]. 中国人口·资源与环境, 2015(S2):204-208.

[19] 施佩, 涂国平. 系统动力学建模法在城市生态系统健康评价中的应用[J]. 统计与决策, 2007(15): 37-38.

[20] 杨阳. 基于系统动力学模型的交通政策模拟与实证研究[D]. 南京: 南京大学, 2014.

[21] 李清龙, 闫兴新. 水环境承载力量化方法研究进展与展望[J].地学前缘, 2005(4): 43-48.

[22] 秦克丽. 区域水环境承载力评价模型研究[J]. 灌溉排水学报,2010(1): 86-89.

[23] 肖舒刈. 珠江片水环境承载力评价研究[J]. 环境保护科学,2016(5): 86-90.

[24] 姜大川, 肖伟华. 武汉城市圈水资源及水环境承载力分析[J].长江流域资源与环境, 2016(5): 761-768.

[25] 程硕. 生态村水环境承载力系统评价研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2011.

[26] 黎攀. 基于二元循环的区域水环境压力分析和多目标调控研究[D]. 北京: 清华大学, 2011.

[27] 蒋晓辉. 自然-人工二元模式下河川径流变化规律和合理描述方法研究[D]. 西安: 西安理工大学, 2003.

Research and Prospect of Water Environmental Carrying Capacity

In this paper, the concept of water carrying capacity is expounded, and four main influencing factors of geographical features, water characteristics, climate change and social activities are summarized. According to the different methods of water environment carrying capacity, this paper divides them into two types of calculation and evaluation. The model of water quality and water is put forward, and the main research methods are analyzed and summarized, and the shortcomings of traditional methods are expounded. For the purpose of water environment carrying capacity research method flow chart was constructed. It points out the key problems and the systematic,comprehensive and dual development direction of water environment carrying capacity, which is of great significance to the relationship between water environment and sustainable development.

water environment carrying capacity; influencing factors; comparison of water quality and water;research method flow chart

X32

A

1007-6875(2017)05-0025-06

10.13937/j.cnki.hbdzdxxb.2017.05.005

屈豪（1993—），男，河北石家庄人，河北工业大学经济管理学院硕士研究生，研究方向为环境管理与可持续发展。

（责任编辑：刘格云）