城市水环境与水资源承载能力的概念及量化研究框架论文

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1、城市水环境与水资源承载能力的概念及量化研究框架论文摘要：自然界中的水资源量是有限的。而有限的水资源能支撑多大的社会经济发展规模，即水资源到底能有多大的承载能力？怎样做才能保持水资源的可持续利用？这是水资源可持续利用管理需要回答的现实问题。关键词：城市水环境水资源承载能力研究框架本文将从水资源承载能力的概念谈到内涵，揭示“水资源承载能力”的真正含义，讨论水资源承载能力和水环境承载能力的概念；从影响水资源承载能力大小的主要因素分析来探讨水资源承载能力量化研究的框架；并针对水资源承载能力计算提出几个关键问题。1城市水环境

2、与水资源承载能力概念1.1水资源承载能力的概念及内涵水资源承载能力（CarryingCapacityofalthus）“人口理论”中关于“有限粮食对人口增长的支撑能力”的论述（SeidlandTisdell,.freelulation-andOptimization-BasedControlObjectInversionModel），简称COIM模型。关于水环境承载能力的计算模型及方法详见《城市水资源承载能力——理论.方法.应用》（化学工业出版社，2005）。2城市水资源承载能力量化研究框架及关键问题2.1量化研究

3、框架基本思路：紧扣水资源承载能力概念，以“水资源系统、社会经济系统、生态系统相互制约（模拟）模型”为基础模型，以“维系生态系统良性循环”为控制约束，以“支撑最大社会经济规模”为优化目标，建立最优化模型。通过最优化模型求解（或控制目标反推）得到的“最大社会经济规模”就是水资源承载能力。我们称此方法为“基于模拟和优化的控制目标反推模型”方法（ASimulation-andOptimization-BasedControlObjectInversionModel），简称COIM模型方法。水资源承载能力计算框架简单表述如图

4、2.1，表达了水资源承载能力量化研究“COIM模型方法”的基本思路。COIM模型方法是把城市最大社会经济规模（即，这里代表水资源承载能力）作为目标函数，把水资源循环转化关系方程、污染物循环转化关系方程、社会经济系统内部相互制约方程、水资源承载程度指标约束方程以及生态与环境控制目标约束方程联合作为约束条件，建立起一个优化模型。通过该优化模型的求解，得到的目标函数值就是水资源承载能力。在COIM模型中，水资源系统、社会经济系统、生态系统本身的复杂性和相互制约关系得到了体现，并且水资源承载能力概念所要求的“生态系统良性循

5、环”也被作为一个约束条件包括在模型中。水资源承载能力的计算结果既可以采用优化模型求解来得到，也可以采用控制目标反推得到。2.2关键问题针对上文介绍的COIM模型方法，主要有以下几方面的关键问题：（1）目标函数选择问题图2.1是水资源承载能力计算的一个框架图。如果水资源被开发利用后，能确保水环境及生态系统可承载，那么，这时的水资源系统处于可承载范围之内。根据这一最大范围就可以确定水资源系统能够支撑社会经济发展的最大规模，这就是水资源承载能力。在此模型中，用最大的社会经济规模来表达水资源承载能力。所以，一般“水资源承载

6、能力”不只是一个数值，而是由表征社会经济规模的一组数值组成的集合，如人口数、工业产值、农业产值、城市面积等。可以把“水资源承载能力”的集合表达为：F={f1,f2,∧，fn}（2.1）上式中，F为水资源承载能力；f1，f2，…，fn分别为社会经济规模的表征指标。为了叙述方便起见，下面只选择人口数、工业产值、农业产值三个指标来进行讨论。从水资源承载能力的概念可以引申出：假如工业、农业及其它行业发展规模和用水量一定，可以通过人均用水定额来计算城市水资源最大供养的人口数，即得到“水资源人口承载能力”；再假如生活用水一定，

7、可以通过万元产值耗水量来计算最大的经济发展规模，即得到“水资源经济承载能力”。实际上，在一定条件下计算水资源人口承载能力和水资源经济承载能力都是比较理想化的。因为它们都是假设在其它条件不变的情况下得到的结果。实际上，人口、社会、经济是一个十分复杂、相互联系、相互制约的大系统，应该把它们纳入一个大系统中来研究。因此，针对COIM模型来说，首先遇到一个问题就是“目标函数选择问题”。到底是选择一个指标还是多个指标？一方面，它决定着模型的性质和求解方法的选择。如果是单指标，所建的模型是单目标优化模型，如果是多指标，所建的模

8、型就是多目标优化模型；另一方面，它还影响到模型约束方程的选择。假如选择的是单目标（如人口），还要考虑其它表征社会经济规模的指标（如工业产值、农业产值）与已选择的目标（如人口）之间的量化关系，需要把这个量化关系方程作为模型的一个约束条件放到模型中；再一方面，目标函数的选择也反映了水资源承载能力关注社会经济系统侧重面的选择。一般，人们在分析计算水资源承载能力时经