水资源承载力预警研究进展

刘世玉 李传江

摘要：随着社会的发展，我国的现代化建设的发展也突飞猛进。针对水资源承载力预警方法的研究，通过揭示水资源-社会经济-生态环境复合系统间各要素的相互作用机制，可有效地对水资源承载力的突发和异常状况进行事前行为评价和预警，是资源环境承载能力预警研究的关键组成部分。为此，借鉴有关学科领域对预警系统现有的研究成果，立足于水资源承载力预警系统的概念和机制，从诊断、预测、评价和调控方面对水资源承载力预警的主要方法进行综述，并提出水资源承载力预警未来研究重点和主要发展方面的建议，包括：①进一步完善水资源承载力预警系统的概念界定；②构建水资源承载力预警指标体系；③深入水资源承载力预警系统的整体研究；④重视实现水资源承载力预警动态性预测；⑤进一步加强水资源承载力调控措施方面的研究。

关键词：水资源；承载力；预警研究进展

引言

水资源是人类赖以生存和发展不可或缺的一种宝贵资源，具有多种用途，但水资源量是有限的，因此在一定条件下可能会导致不同用水途径之间、不同地区之间为争水而出现矛盾，以及用水与供水之间出現矛盾。一个地区或流域的水资源到底能支撑多大的经济社会规模，一直是水资源研究的核心内容之一，也是区域或流域发展的重要制约因素。随着经济社会发展，特别是我国自20世纪70年代末期大规模经济建设以后，快速的经济增长和社会发展，带来了用水量增加、排污量增加、生态系统受人工干扰强烈的局面，迫使人们不得不认真考虑水资源系统的承载能力。在这一背景下，20世纪80年代末出现了水资源承载力（也称作“水资源承载能力”）的概念，随后，我国学者对此开展了一系列研究工作，到21世纪初基本上形成了相对完善的理论方法及应用体系，对支撑我国水资源可持续利用、人水和谐治水思想的贯彻起到了非常积极的作用。

1水资源承载力预警系统概念与机制方面的研究进展

1.1预警的概念内涵与工作原理

预警的科学内涵包括预警指标、警戒阈值、预测并评价危害范围及程度、调控措施5个方面。预警的科学过程就是通过总结以往系统的发展规律，对已选定的预警指标划定一定的警戒阈值；同时在系统变化趋势预测基础上，利用警戒阈值对警情的危害范围和程度进行判断，以此向关联方发出不同的示警信号，为其及时采取调控措施从而减轻相关损失提供参考。从预警过程可看出预警是一种更高层次意义上的预测和评价，预警的目的在于基于预测的结果，对其进行价值意义上的评价，相对于预测对全面宏观方面的关注，预警更倾向于对特定异常不利情况的警示作用。系统科学是预警系统的理论基础，系统工程提供的科学研究方法自然成为解决预警相关问题的重要途径。从1969年美国Hall提出的系统工程三维结构图中逻辑维的主要组成要素包括明确警义、寻找警源、分析警兆、预报警度和排除警患，预警的工作原理就是在明确警义的基础上，寻找警源并分析警兆，达到预报警度最终排除警患的目的。预警原理中的警义包含警素和警度两方面的内容，警素是指系统发展过程中出现了哪些警情，在实际研究中可按照警情的来源或者性质进行分类；警度是指警情的严重程度，通常用等级进行划分。其中警度是明确警义的重点和难点，重点在于确定警度在实际应用中根据实际情况划分警限，警限的阈值范围直接影响到系统的状态判别；难点在于警限受制于空间地理位置的不同很难在不同地区划定统一标准，同时进行预警研究需要警限应在一定时间范围内保持相对稳定，但是实际上客观的警限随着时间应该是变化发展的。警源是警情和警患的源头所在，是对事物发展造成不良后果的根源，寻找警源是调控措施能够治标又治本的关键；警兆是指先于警情发生的先兆事件，对预警的前瞻性起着至关重要的作用，分析警兆的目的在于通过对警兆的挖掘分析选用相较于警情指标在时间上先行的指标作为预警指标，在此基础上的预警才具有预先于警情的特性。总之，明确警义是预警研究的前提，寻找警源是排除警患的基础，分析警兆是预报警度的关键，预报警度是排除警患的依据，排除警患是预警研究的最终目的。

1.2水资源承载力预警系统的概念

目前世界性水资源危机已成为各国学术界关注的重要焦点，国内外有大量的专家和学者从水资源监测、水循环转化、水资源配置管理、水资源开发利用等不同角度对水资源问题展开了研究并取得了大量的研究成果，而针对区域水资源承载力预警系统研究则属较新的课题，虽之前也有涉及到预警研究，但大多见于如水资源可持续利用等其他水资源研究问题中，尤其在国外研究中多选用如水资源可持续利用量、水资源的限制量类似概念表示水资源承载力的内涵。对水资源承载力预警的定义可参考相关近似研究成果。认为区域水资源可持续利用预警是指对一定区域范围内的水资源现状和未来进行测度，预报不正常状态的时空范围和危害程度，对于已有问题提出解决措施，对于即将出现的问题则给出防范措施的报警和调控措施。

2防范措施

2.1人工神经网络法

人工神经网络中误差反向传播网络（Back-PropagationNetwork，BP神经网络）在不需事先了解输入输出变量间关系规律的情况下，仍可通过构建网络结构建立系统模型，在水资源系统预警预测方面适用性和操作性均较强。运用改进的非线性BP神经网络建模技术预测合肥市水资源承载力，经检验模型精度较高，十分接近实际情况。综合污染指数作为评估参数，利用BP神经网络建模预测了丽水市内河不同方案下水环境承载力状况。利用人工神经网络方法对宁夏水资源的时空分布、分配及使用等进行分析，为宁夏水资源的合理使用提供科学的参考依据。以喀斯特典型分布区贵州省为例，建立喀斯特地区水资源安全评价指标体系，构建BP神经网络模型，对贵州省9个州市进行了水资源安全评价。从方法特点来看，人工神经网络方法拥有很强的适应和学习能力，在多变量非线性系统的预测方面通常可取得满意的结果。神经网络理论为水资源承载力量化研究提供了发展契机，可望进一步促进水资源承载力预警研究的发展。

2.2水资源动态承载力

受气候变化、人类活动的影响，水资源系统始终处于变化之中，其承载力也必定随之变化。此外，伴随着人类社会的发展，科学技术水平、用水效率不断提升，同样会促进水资源承载力提升。

结语：

调控是预警达到最终目的的有效手段，因此，能否提出切实可行、实用性强的水资源承载力调控措施来缓解外界对水资源系统的压力，是决定水资源承载力预警系统研究是否具有现实意义和应用价值的关键。今后研究应从区域水资源承载支撑力提升和承载压力调控角度，构建区域水资源承载支撑力、承载压力与承载调控力之间的定量关系模型，从优化区域水资源配置、多种水源统筹调配等方面提出提升区域水资源承载力的措施建议，并在水资源承载力预警系统的研究中加入对水资源承载力调控方案的评价，有利于预警综合效益的最大化，促进社会经济和生态环境对水资源的可持续利用。

参考文献：

[1]朱一中，夏军，谈戈.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（3）：180-188.

作者简介：

第一作者：

刘世玉，男，汉族，学生，河南省陕县，单位：郑州大学水利与环境学院，专业：水文与水资源工程

第二作者：

李传江（1997.4.7），男，汉族，学生，河南省信阳市商城县，单位：郑州大学水利与环境学院，专业：水文与水资源工程