水资源承载力模型研究

刘小妹，康彤

(中国传媒大学 理学院，北京 100024)

水资源承载力模型研究

刘小妹，康彤

(中国传媒大学 理学院，北京 100024)

随着人口不断增长和社会经济的快速发展，水资源短缺和水环境恶化已经成为全球性问题。本文从系统论的角度出发，研究社会-经济-生态-水资源的协调发展关系，运用水资源承载力综合评级模型来评估一个地区的水资源短缺。随后，本文选择天津市和广西壮族自治区对评价模型进行实例应用，验证表明广西省水资源利用协调，承载适宜，然而天津市水资源严重匮乏。

水资源短缺；水资源承载力；指标处理；承载力压力指数

1 引言

水是生命的源泉，是人类赖以生存的自然资源，是一个国家综合国力的重要组成部分，为社会经济发展提供了基础条件。然而，随着全球经济的迅猛发展、人口的快速增长和生态环境的日益恶化，在水资源时空分布不均匀、水土资源分布不匹配与人类的不合理利用的综合作用下，最终出现全球性的水资源污染问题和水资源短缺等问题。因此，水资源已成为制约各国社会经济可持续发展的因素之一。水资源问题已经成为 21世纪全世界普遍关注的首要资源环境问题。

因此，为使国家经济社会健康可持续发展，必须高度重视水资源承载力问题，将水资源的合理开发、高效利用、优化配置、全面节约、有效保护治理结合在一起，将其优势最大化展现[1]。

承载力，原用于衡量特定区域或国家在某一环境条件下可维持某一物种个体的最大数量。水资源承载力是承载力概念与水资源领域的自然结和，是随着水资源与水环境问题日益突出由我国学者在20世纪80年代末提出来的，在吸收了国外承载力研究成果的基础上，进而得到了独立的研究成果[2]。本文认为水资源承载力是指以可预见的技术、经济和社会发展水平为依据，以社会可持续发展和水资源可持续利用为原则，以维护生态环境良性发展为条件，以水资源得到合理开发和配置为前提，一定区域上的水资源可支撑的社会、经济、生态环境协调发展的规模[3]。

2 水资源承载力计算模型

为了综合考虑水资源、水环境、经济社会发展的各种约束条件，追求经济效益最大化，对于环境影响降低到最小，本文对某区域水资源承载力作出系统评价，并利用复合系统学原理，建立以社会-经济-生态-水资源为4个子系统的区域水资源承载力复合系统，利用综合理论分析方法选取了社会、经济、生态与水资源复合系统评价指标，构建综合评价指标体系，建立区域水资源承载力综合评价模型[4]。

2.1 评价指标体系

2.1.1 指标选取

水资源涉及经济、社会、生态等多方面的内容，因此，我们对水资源的评价利用还应考虑其他方面，因此不同地区经济发展水平、人口情况等都对评价结果有重要的影响。本文建立的水资源可持续利用的评价体系，结合了可持续的发展思想和观点。

本文从系统论的角度出发，选取水资源承载力综合评价指标，即将经济、社会发展、生态环境与水资源视为一个复合系统，构成这个复杂系统的 4个子系统间是辩证统一的关系。选取水资源承载力综合评价指标时，应遵循以下基本原则：

①目的性，复合系统协调具有明确的目的性，即实现复合系统的协调发展和良性循环。

②层次性，主要表现为子系统内部各个组成要素之间的协调以及子系统之间的协调。

③区域性，本文研究的对象是某一区域，因此构建指标体系时需要考虑以区域为单元，区域内各系统相对独立却又相互联系，系统内社会、经济与环境等子系统均以区域为界，并同水资源系统之间相互联系、相互作用和相互影响。

④综合性，选取的流域内既涉及各个区域又包含了各区域的经济社会系统，增加了系统的复杂性。全球水资源可持续利用水平是一个综合性的概念，需要全面反映流域内水资源数量、水资源利用效率以及社会经济状况与水系统的相互作用，因此指标构建应该全面、综合反映。

⑤动态性，区域内水资源的发展变化与经济发展密不可分，经济社会指标对其影响较大，因而不能只对一年的水平进行评价，应该是一个连续的过程，通过动态的监测、积累才能真正反映水资源系统的变化情况。

2.1.2 综合评价指标体系确立

本文利用数据统计与理论分析方法选取指标，同时对区域经济、社会、生态与水资源复合系统的内涵、特征、基本要素等主要问题进行分析、比较、综合，选择与和谐发展联系紧密且针对性较强的指标。综上，本文构建了区域社会、经济、生态与水资源复合系统综合评价指标体系(表 1)和协调指标体系(表2)。

2.1.3 数据处理

数据标准化处理包括正向指标和负向指标标准化方法[5]。将数据进行标准化的目的为：消除各指标量纲不同和量级差异的影响，对现有指标数据进行标准化处理，即对统计过程进行描述。其中，正向指标代表向上或向前发展、增长的正相关程度，这些正相关程度越大代表评价就越好；负向指标代表向下或阻碍发展、减少的负相关程度，这些负相关程度越大代表评价就越差。其中正向指标和负向指标的标准化方法为：

(1)

(2)

2.1.4 指标加权

在多指标综合评价中，指标的权重系数是指各指标对决策问题的相对重要程度。确定权系数的方法可分为主观赋值法和客观赋值法两大类。主观赋权法可以有效地确定各指标按重要程度给定的权系数的先后顺序，不至于出现指标系数与指标实际重要程度相悖的情况。客观赋权法的原理为：若该指标xi对所有的决策方案而言均无差异，则指标xi对方案决策和排序将不起作用。这样的评价指标可令其权重系数为零；若该指标对所有决策方案的属性值有较大差异，这样的评价指标对方案的决策与排序将起重要作用，应给予较大的权系数。即各指标系数的大小应根据该指标下，各方案属性值差异的大小来确定，差异越大，该指标权系数越大，反之越小[6]。

表1 评价指标体系

表2 协调指标体系

我们在主客观赋值法的基础上又运用了熵权法。其中熵权法能尽量消除各指标权重计算的主管干扰，使评价结果更符合实际[7]。

其中熵权法的公式可表示为：

2.2 承载力评价

根据设计综合评价指标体系[3]，区域水资源承载力综合指标W表达式为：

(3)

式中：WeI和WpI分别为区域内水资源承载的经济压力指数和人口压力指数；CI表示为区域水资源复合系统承载压力指数；FI表示为区域内水资源复合系统协调指数；α，β为待定权重，本文研究采取WeI和WpI为同等权重。

根据模型计算数值将区域水资源承载力综合指标W度量标准确定如表3。

表3 区域水资源承载力综合指标度量标准

2.2.1 区域水资源承载经济压力指数WeI

区域水资源承载经济压力指数计算公式为：

(4)

(5)

其中：Me为区域内水资源承载的最大经济规模；Wd为区域内社会系统和经济系统的最低用水总量；Wz为区域水资源最大可利用总量；GDP意为当用水为Wd时，所产生的国内生产总值；GDPN为当前国内生产总值。

2.2.2 区域水资源承载人口压力指数WPI

区域水资源承载人口压力指数计算公式为：

(6)

(7)

其中：MR为区域在某一社会发展水平，可利用水资源量转化成全部产品所能供养的人口规模，即区域内水资源所能承载的最大人口规模；GDPX为区域在某一社会发展水平的人均占有国内生产总值的下限阀值；PN为当前人口规模。

为保证社会、经济的可持续发展，应保证经济规模和人口规模不超过区域内水资源的最大支持力，即

WeI≤1，WpI≤1

2.2.3 区域水资源复合系统承载压力指数CI

区域水资源复合系统承载压力指数计算公式为：

(8)

式中，Y为水资源系统压力指数；C为水资源系统的承压指数。

对于水资源系统的承压指数计算，本文选用水资源系统C1的各项指标进行计算；对于水资源系统压力指数计算，本文选取社会系统C2、经济系统C3、生态系统C4各项指标进行计算。承载压力指数反映水资源的承载状况。为了保证社会经济的可持续发展，就应保证水资源社会经济系统的压力不超过支持力，即承载压力指数：

CI≤1

2.2.4 区域经济、社会、生态与水资源复合系统协调指数 FI

首先通过上述加权方法得到协调指标C5，C6，C7，C8的权值，然后再综合计算协调指数FI。协调指数FI越大，表明区域社会、经济、生态与水资源复合系统协调发展程度越高，反之越低。并且其变化范围在0～1之间。具体计算按各层指标的计算模型与方法计算。

3 水资源承载力模型的应用

中国是一个主要由时空分布均匀造成的缺水国家。同时，天津市是一个重度缺水的城市，然而广西省是一个水资源丰裕的省份。因此，我们通过网络搜寻大量的有效数据，并且代入本文建立的水资源承载力模型，其目的是验证本文建立的水资源承载力模型是否贴合实际。经验证表明，若不符合实际情况，本文将建立新的模型，直到符合现实情况。

其中需要指出的是，本文在搜寻数据的过程中，发现许多数据是缺失的。我们为提高模拟过程的可操作性，我们需对缺失的数据进行合理的填充。从方便操作的角度考虑，本文中选用了多重填补法对缺失数据进行合理的填充。

在此之后，我们将数据代入以上模型，得出了以下结论：

从表4中可看出，从2000年到2014年，天津省的水资源承载力综合指标维持在1.2上下波动，所以根据本文模型中定义的区域水资源承载力综合指标度量标准的定义，我们分析出天津市是一个水资源严重缺水的城市。同理我们分析出，广西省是一个水资源丰裕的省份。

表4 天津市和广西省的水资源承载力综合指标度量标准

通过本小结的验证分析，说明了本文建立的水资源承载力模型是合理有效的。但对于像天津市，必须从战略高度来认识天津市水资源问题的严重性，今后需加大水利工程投资力度，开源节流并举，以扭转天津市水资源面临的严重危机状态[8]。

4 结束语

水资源是生产和生活必不可少的资源之一，是一个社会的制约因素，因而对于评估地区水资源承载力具有重要意义。实际上对于评估水资源承载已有许多方法，而本文在与其他方法进行比较时，既考虑到主观因素，又考虑到客观因素，具有较强的可持续性。

[1]刘慧梅.水资源承载能力分析模式与计算模型[J].中国农村水利水电，2005(9)：18-21.

[2]翟国静，苏永军，畅金元，赵国华，耿俊华.区域水资源承载力计算模型[J].中国农村水利水电，2009(5)：38-41.

[3]龙腾锐，姜文超，何超.水资源承载力内涵的新认识[J].水利学报，2004(1)：38-45.

[4]刘佳骏，董锁成，李泽红.中国水资源承载力综合评价研究[J].自然资源学报，2011，26(2)：258-269.

[5]俞立平、潘云涛、武夷山.学术期刊综合评价数据标准化方法研究[J].国书情报工作，2009，53(12)：136-139.

[6]李岱松，李学伟.中国企业孵化器营运模式[M].北京：北京交通大学出版社，2007，01，114.

[7]杨晓东，施闻明，夏卫星，程建华.舰船半解析式惯性导航原理及应用[M]. 北京：国防工业出版社，2014，05，249.

[8]贾嵘，蒋晓辉，薛惠峰，沈冰.缺水地区水资源承载力模型研究[J].兰州大学学报(自科版)，2000，36(2)：114-121.

(责任编辑：宋金宝)

StudyonWaterResourceCarryingCapacityMode

LIU Xiao-mei，KANG Tong

(School of Science，Communication University of China，Beijing 100024，China)

With the increase of population and the development of social economy，the shortage of water resources and the deterioration problem of water environment have become a global problem. In this paper，the coordinate development among society-economy-ecology-water resources is studied from the perspective of system theory and water resources carrying capacity comprehensive evaluate the shortage condition of water resources in a country or district. Then，this paper chooses the application model of Tianjin and Guangxi Zhuang Autonomous region to verify the model，and shows that the water resources utilization in Guangxi is coordinated and carried，but the water resources in Tianjin is seriously lacking.

water resources shortage；water resources carrying capacity；index processing；carrying capacity pressure index

TV213

A

1673-4793(2017)05-0045-05

2017-05-03

刘小妹(1993-)，女(汉族)，山东德州人，中国传媒大学研究生. E-mail：919103107@qq.com