高宏超，徐一劍，孔彥鴻，李迎霞

(1．北京師范大學環(huán)境學院，北京 100875;2．中國城市規(guī)劃設計研究院，北京 100044)

1 背景介紹

水資源承載力研究是以可持續(xù)發(fā)展理論為原則，對某一區(qū)域，某一時期，一定的社會、經(jīng)濟、技術(shù)發(fā)展水平下，本地水資源量所能支撐的最大人口數(shù)量或經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模的研究［1］。重點分析區(qū)域內(nèi)可利用水資源量與社會經(jīng)濟發(fā)展之間的相互影響，綜合考慮維護生態(tài)環(huán)境健康、推動經(jīng)濟社會發(fā)展等不同發(fā)展原則，從而實現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟-社會-環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的目標［2］。隨著中國城市化進程的不斷加速，城市人口、經(jīng)濟規(guī)模不斷快速增長，水資源承載力也愈發(fā)成為限制城市發(fā)展的主要因素之一。在此背景下，研究水資源承載力對區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的影響成了研究者越來越重視的課題。

區(qū)域的水資源承載力受到來自內(nèi)部、外部多種因素的影響。研究顯示區(qū)域降雨、氣溫、日照等氣候因素的變化與區(qū)域內(nèi)水資源量的變化有著十分密切的關(guān)系，并會造成其十分顯著的波動［3］。一些人為因素的變化，如水資源利用效率、用水模式、節(jié)水程度及經(jīng)濟發(fā)展狀況等也會影響到區(qū)域水資源承載力［4-6］。水資源承載力研究通常會涉及社會、經(jīng)濟、環(huán)境等多方面因素及生產(chǎn)、生活、生態(tài)等不同用水部門。這些因素共同作用影響區(qū)域水資源利用的效率和規(guī)模，而且各因素、各用戶之間也存在十分密切的聯(lián)系，從而間接影響到區(qū)域水資源承載力的變化。研究表明［7，8］區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與各行業(yè)就業(yè)人口、總?cè)丝谥g通常存在顯著相關(guān)性，而這一關(guān)系會直接影響到區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，進而改變區(qū)域水資源承載力。另外，隨著人們對水資源綜合效用的關(guān)注度不斷提高，如何整體權(quán)衡區(qū)域水資源使用在社會、經(jīng)濟、環(huán)境等多方面的效益也成為研究者越來越關(guān)注的問題。

為解決水資源承載力中多目標、多用戶的問題，越來越多的研究者開始著手多目標優(yōu)化方法。該方法模擬實際水循環(huán)過程中各用戶各部門的用水、排水關(guān)系，結(jié)合用水效率與效益，根據(jù)設定的優(yōu)化目標及約束條件，對系統(tǒng)綜合效益進行優(yōu)化，從而計算得到區(qū)域水資源承載力。多目標優(yōu)化方法可以很好地體現(xiàn)流域水資源在社會、經(jīng)濟、環(huán)境等不同方面的綜合表現(xiàn)，其結(jié)果還力求尋找保證綜合能力最佳的情境下所能獲得的最優(yōu)解決途徑，從而進一步提升研究的適用性［9-11］。另外，為了分析不同因素影響下水資源承載力的變化差異，情景分析方法也成為比較普遍的研究方法之一。情景分析法針對研究對象未來可能出現(xiàn)的合理變化情況而構(gòu)造不同的情景，通過對不同因素變化的定量定性描述來預測其未來的發(fā)展趨勢。

結(jié)合國家水專項相關(guān)課題的研究任務，本文選擇杭州市區(qū)的錢塘江流域作為研究區(qū)域，即杭州市區(qū)內(nèi)由錢塘江供水的區(qū)域，包括上城、下城、西湖、江干、濱江、蕭山等6區(qū)與余杭組團。杭州市作為浙江省省會城市和中國重要的經(jīng)濟、旅游城市，其社會經(jīng)濟的發(fā)展對當?shù)亓饔蚪?jīng)濟發(fā)展起著舉足輕重的作用。在“十二五”規(guī)劃中，杭州市明確提出發(fā)展新型城市，創(chuàng)建國家級生態(tài)城市、全面建設低碳城市、生態(tài)文明城市。因此，如何協(xié)調(diào)杭州市社會經(jīng)濟發(fā)展與水資源承載力的關(guān)系，是一個亟待解決的重要問題。

本文采用多目標優(yōu)化法及情景分析法，對杭州市區(qū)錢塘江流域進行多目標水資源承載力研究。重點考慮區(qū)域各部門節(jié)水管理差異，區(qū)域氣候變化以及不同規(guī)劃年下用水技術(shù)效益變化，建立綜合社會、經(jīng)濟、環(huán)境等方面的多目標優(yōu)化模型，并著力于各目標之間，尤其產(chǎn)業(yè)發(fā)展與人口之間的相互影響。

2 模型建立

構(gòu)建杭州市區(qū)錢塘江流域水資源承載力多目標優(yōu)化模型。在模型中將用水部門分為城鎮(zhèn)居民生活、農(nóng)村居民生活、種植業(yè)、畜牧業(yè)、漁業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)。

2．1 優(yōu)化目標

設定優(yōu)化目標為流域承載人口規(guī)模最大化、流域承載經(jīng)濟規(guī)模最大化、流域污染物排放量最小化，具體如下所示。

流域承載人口規(guī)模最大化f1(x):

其中j—農(nóng)村、城市;

P—人口數(shù)量，萬人。

流域承載經(jīng)濟規(guī)模最大化f2(x):

其中GDPi—不同行業(yè)各情景下的經(jīng)濟規(guī)模。

流域污染物排放最小化f3(x):

其中COD點源—各相關(guān)行業(yè)的點源COD排放量;

COD面源—各相關(guān)行業(yè)面源COD排放量。

水污染物種類繁多，本文僅選取應用廣泛、綜合性強并有重要表征意義的COD作為衡量指標，后續(xù)研究可以進一步深化。

本研究采用加權(quán)法將多目標方程轉(zhuǎn)化為單目標方程進行求解，設定總目標如下所示。

其中ai—各分目標的權(quán)重。

本研究暫不考慮各分目標之間權(quán)重的差異，即假設各目標的權(quán)重均為1，后續(xù)研究可對權(quán)重作進一步的深入探討。

2．2 約束條件

(1)水資源約束

區(qū)域社會、經(jīng)濟總用水量不超過可利用水資源量，具體如下式所示。

可利用水資源量包括水資源總量(W)、不可開發(fā)水資源量(Wu)、生態(tài)環(huán)境最小需水量(We)、不可開發(fā)水資源量與生態(tài)環(huán)境需水量重復部分(Wr)，各變量關(guān)系如下式所示。

(2)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與勞動力約束

城市人口、各行業(yè)從業(yè)人員數(shù)量在一定程度上反映并同時影響經(jīng)濟增長與經(jīng)濟結(jié)構(gòu)，社會不同產(chǎn)業(yè)的就業(yè)人數(shù)占總?cè)丝诘谋壤谝欢ǚ秶鷥?nèi)波動。本研究用各行業(yè)單位就業(yè)人口創(chuàng)造的增加值(αi)和就業(yè)人口占總?cè)丝诘谋壤?βi)來表示各行業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、就業(yè)人口與總?cè)丝谥g的約束關(guān)系。根據(jù)二者的歷史變化情況進行分析，結(jié)合對未來的分析判斷，確定未來的波動范圍，即上限與下限，具體如下所示。

2．3 水資源需求量

水資源需求量的計算采用用水定額法。城市和農(nóng)村居民生活需水量用各自的人均生活用水量及人口數(shù)量進行計算，種植業(yè)、畜牧業(yè)等農(nóng)業(yè)用水采用畝均用水量、單位牲畜用水量及相應的規(guī)模進行計算，第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)需水量采用單位增加值用水量與增加值進行計算，具體如下所示。

2．4 污染排放負荷

各部門污染排放負荷的計算采用污染排放強度的方法。本研究以COD為考察指標，并分為點源污染排放和面源污染排放2類。點污染源COD排放量由各行業(yè)用水量、廢水排放率和COD排放濃度進行計算，具體如下式所示。

面污染源COD排放量根據(jù)COD排放強度、入河率和行業(yè)規(guī)模(如耕地面積、牲畜數(shù)量或者漁業(yè)養(yǎng)殖面積)進行計算，具體如下式所示。

3 模型參數(shù)確定

3．1 情景設定

為了充分考慮不同的規(guī)劃年下氣候因素、經(jīng)濟水平及用水效率的差異對區(qū)域水資源承載力的影響，采用情景分析的方法進行研究，即設定不同的情景，分別進行多目標優(yōu)化求解，并作對比分析。氣候因素主要考慮根據(jù)錢塘江流域歷年水資源量統(tǒng)計獲得的不同保證率下水資源量的變化情況。經(jīng)濟發(fā)展主要考慮不同規(guī)劃年下各行業(yè)經(jīng)濟發(fā)展趨勢的變化情況。用水效率主要考慮各行業(yè)的節(jié)水狀況。

基于以上考慮，從氣候、節(jié)水、時間3個不同維度設定12種情景。氣候維度，分別設定50%、75%和95%水資源保證率3種情景。節(jié)水維度，設定一般節(jié)水和強化節(jié)水2種情景。時間維度，設定2020年和2050年2種情景。

3．2 用水定額

各情景下的城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民生活用水定額根據(jù)《城市給水工程規(guī)劃規(guī)范》(GB 50282—98)、《室外給水設計規(guī)范》(GB 50013—2006)、浙江省用水定額以及杭州市區(qū)多年生活用水量數(shù)據(jù)等加以確定，具體如表1所示。

表1 城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民生活用水定額Tab．1 Annual Water Consumption Quota of Urban and Rural Residents

各行業(yè)用水定額主要根據(jù)《杭州市水資源公報》、《浙江省用水定額》、《杭州市水資源綜合規(guī)劃》及《中國城市統(tǒng)計年鑒》等加以確定，具體如表2所示。

3．3 COD排放負荷

各行業(yè)的COD排放濃度、排放強度、入河率及廢水排放率數(shù)據(jù)主要根據(jù)中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒、城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準及其他相關(guān)文獻［12，13］確定，具體如表3所示。

表2 種植業(yè)、畜牧業(yè)、漁業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)用水定額Tab．2 Annual Water Consumption Quota of Farm，Stock Raising，F(xiàn)ishery，Secondary and Third Industries

表3 各行業(yè)COD排放強度及廢水排放率Tab．3 COD Discharge Intensity and Discharge Rate of Waste Water in All Industries

3．4 就業(yè)人口比例

對杭州市多年統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行整理，得到區(qū)域內(nèi)第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)就業(yè)人口比例及單位就業(yè)人口創(chuàng)造的增加值數(shù)據(jù)，具體如圖1所示。

第一、二、三產(chǎn)業(yè)的單位就業(yè)人口增加值均呈明顯的上升趨勢，其中三產(chǎn)最為顯著。而各行業(yè)就業(yè)人口占總?cè)丝诘谋壤瑲v年變化差距并不十分顯著，其中第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)就業(yè)人口比例略有上升，第一產(chǎn)業(yè)就業(yè)人口基本持平。根據(jù)杭州市的歷史變化情況，并結(jié)合對未來發(fā)展走勢的判斷，確定規(guī)劃年各行業(yè)就業(yè)人口占總?cè)丝诒壤姆秶?，具體如表4所示。

圖1 各行業(yè)就業(yè)人口比例及單位就業(yè)人口增加值Fig．1 Ratio of Employed Population and Unit Value-Added of Employed Population in All Industries

表4 各行業(yè)就業(yè)人口占總?cè)丝诒壤娜≈捣秶鶷ab．4 Range of Ratio of Employed Population in All Industries

3．5 可利用水資源量與水環(huán)境容量

根據(jù)錢塘江河口水資源配置規(guī)劃［14］的數(shù)據(jù)可知在50%、75%、95%保證率下，杭州市區(qū)錢塘江流域可利用水資源量分別為28．16、23．56、19．53 億 m3。

根據(jù)杭州市水資源綜合規(guī)劃［15］的數(shù)據(jù)可知杭州市區(qū)錢塘江流域的COD水環(huán)境容量為12．95萬t。

4 計算結(jié)果及分析

采用LINGO 11．0優(yōu)化求解器，分別對以上設定的12種情景進行多目標優(yōu)化的求解。各情景的計算結(jié)果及分析如下。

4．1 不同情景下經(jīng)濟與人口規(guī)模

各情景下水資源可承載的經(jīng)濟規(guī)模(地區(qū)生產(chǎn)總值)如圖2所示。

圖2 不同情景下可承載的經(jīng)濟規(guī)模(地區(qū)生產(chǎn)總值)Fig．2 Carrying Capacity of Economic Scale(Regional GDP)in Different Conditions

水資源可承載的經(jīng)濟規(guī)模由2020年的7 418億～15 529億元顯著升至2050年的23 112億～50 008億元，這由技術(shù)進步和經(jīng)濟發(fā)展等因素決定。其次，同一規(guī)劃年下，由于氣候變化所引起的可利用水資源量的變化會顯著影響可承載的經(jīng)濟規(guī)模。如2020年一般節(jié)水情景中，水資源75%保證率下的經(jīng)濟規(guī)模比50%保證率下的低約22%。這說明干旱氣候的發(fā)生會直接制約區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模。最后，加強節(jié)約用水能顯著緩解氣候變化可能造成的不利影響。經(jīng)分析比較，各強化節(jié)水情景比一般節(jié)水情景的可承載經(jīng)濟規(guī)模高約21%。這充分表明強化節(jié)水措施對區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的促進作用和重要意義。

對不同情景下可承載的城市人口(見圖3)的分析可知氣候變化及節(jié)水程度會顯著影響可承載的城市人口規(guī)模。以2020年為例，在50%保證率下，節(jié)水程度的提高使可承載的城市人口由771．7萬人增加到964．17萬人，增加24．9%。而隨著水資源保證率的降低，城市人口規(guī)模平均下降23．1%。因此，為減少未來氣候變化對城市發(fā)展的影響，強有力的城市節(jié)水政策的實施將變得十分必要。

圖3 各情景城市人口承載量Fig．3 Carrying Capacity of Urban Population in Different Conditions

分析區(qū)域可承載的農(nóng)村人口規(guī)模(見圖4)可知2050年可承載的農(nóng)村人口規(guī)模低于2020年，從平均94．5萬人下降到72．14萬人，這主要受技術(shù)進步及經(jīng)濟產(chǎn)出效率的影響?？傮w上，相對于城市人口規(guī)模，農(nóng)村人口規(guī)模對氣候、節(jié)水因素變化的敏感度較低，變化較為平穩(wěn)。相對于2050年，2020年可承載的農(nóng)業(yè)人口規(guī)模更易受到氣候和節(jié)水強度的影響，水資源保證率下降會使農(nóng)村人口下降約10．6%，節(jié)水強化會給農(nóng)村人口規(guī)模帶來7%左右的變動。

圖4 各情景農(nóng)村人口承載量Fig．4 Carrying Capacity of Rural Population in Different Conditions

4．2 不同情景下用水結(jié)構(gòu)狀況

以75%保證率的4組情景為例，對不同行業(yè)的用水結(jié)構(gòu)進行分析(見圖5)。第二產(chǎn)業(yè)用水在各情景下均占據(jù)了用水量的主導位置，所占總用水量比例為45%～52%，遠大于其他部門。第一產(chǎn)業(yè)用水量僅次于第二產(chǎn)業(yè)用水，占總量的16% ～27%。城市居民用水和第三產(chǎn)業(yè)的用水量比較接近，占總量的12%～17%。農(nóng)村生活用水量最少，僅為1%～2%。其次，隨著節(jié)水技術(shù)的進步以及規(guī)劃年的推移，除第一產(chǎn)業(yè)用水比例下降之外，其余各部門的用水比例均有所提升。這是因為相對于其他部門，第一產(chǎn)業(yè)用水的經(jīng)濟產(chǎn)出效率較低，水資源配置到其他部門能取得更大的效益。

圖5 75%保證率下不同情景的行業(yè)用水結(jié)構(gòu)Fig．5 Water Consumed Structure of Each Industry at 75%Assurance Rate

4．3 不同情景下污染排放狀況

不同情景下COD排放狀況如圖6所示。

圖6 各情景下COD排放量Fig．6 COD Discharge in Different Conditions

由圖6可知在保持各用戶單位COD排放強度不變的情況下，水資源在50%保證率時COD排放總量將超過流域環(huán)境容量約20%。這說明在水資源50%保證率的情況下，杭州市區(qū)如果發(fā)展到水資源可承載的最大經(jīng)濟與人口規(guī)模，水環(huán)境質(zhì)量將難以得到保證。如果要保證水環(huán)境質(zhì)量，那么相應地減少經(jīng)濟與人口規(guī)?；蛘哌M一步提高用水效率，或者提高COD的削減程度。其他情景下，污染物排放總量雖均未超過環(huán)境容量，但也比較接近。考慮到污染排放的空間分異性，仍有可能對水環(huán)境帶來一定的潛在風險。

對75%保證率的各情景中各行業(yè)污染物排放比例(見圖7)分析后發(fā)現(xiàn)第二產(chǎn)業(yè)的污染排放是最主要的來源。與圖5對照表明，第二產(chǎn)業(yè)的污染物排放量所占比重遠高于其水資源消耗量所占比重。這表明工業(yè)的單位用水的污染排放量要高于其他部門，其污染治理程度仍需要有較大的提高。此外，各情景中的第三產(chǎn)業(yè)和居民生活的污染排放均占排放總量的10%以上，高于第一產(chǎn)業(yè)用水的污染排放比例(為5% ～11%)。這表明相對于農(nóng)業(yè)面源污染，杭州市區(qū)隨著可承載的經(jīng)濟及人口規(guī)模的增加，點源污染所帶來的風險將高于農(nóng)業(yè)面源污染。

圖7 75%保證率情景下不同行業(yè)污染排放比例Fig．7 Proportion of COD Discharge of Each Industry in Conditions of 75%Assurance Rate

5 結(jié)論

本文以區(qū)域人口與經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模最大、污染排放最小為目標，著重分析區(qū)域內(nèi)各用戶不同節(jié)水潛力及經(jīng)濟結(jié)構(gòu)與人口之間的關(guān)系，構(gòu)建了杭州市區(qū)錢塘江流域水資源承載力多目標優(yōu)化模型。運用所構(gòu)建的模型，對不同氣候條件(50%、75%及95%水資源保證率)、不同節(jié)水模式(一般節(jié)水和強化節(jié)水)及不同規(guī)劃年(2020年和2050年)下的杭州市區(qū)錢塘江流域水資源所能承載的最大能力進行了研究。

模型計算結(jié)果顯示氣候因素與節(jié)水程度會顯著影響區(qū)域所能承載的人口與經(jīng)濟規(guī)模。2020年，不同情景下，杭州市區(qū)錢塘江流域可承載的經(jīng)濟規(guī)模為0．74萬億 ～1．55萬億元，可承載人口為514萬 ～1 080萬;2050年，不同情景下，可承載的經(jīng)濟規(guī)模為2．31萬億～5．00萬億元，可承載人口為558萬 ～1 211萬人。各情景下，COD排放量為9．47萬 ～15．90萬t。這些結(jié)果對制定杭州市的社會經(jīng)濟發(fā)展政策能夠提供有力的科學依據(jù)。

從整體上看提高區(qū)域節(jié)水程度不僅能增加區(qū)域的水資源承載能力，還能有效緩解氣候變化對區(qū)域用水安全所帶來的風險，并進一步支撐城市化的進程。同時，強化節(jié)水對緩解區(qū)域供水設施壓力也有潛在的效果。結(jié)合其他研究相關(guān)經(jīng)驗來看，諸如再用水、雨水等非傳統(tǒng)水資源的利用將是提高區(qū)域水資源利用效率的良好途徑。階梯水價、節(jié)水器具更換及相應的政府補貼也會提高居民、相關(guān)行業(yè)的節(jié)水意愿。

從行業(yè)用水結(jié)構(gòu)及污染排放結(jié)構(gòu)的角度分析，第二產(chǎn)業(yè)始終是本區(qū)域主要的用水和排污部門，所占比重分別達到約1/2和2/3。因此，在未來的發(fā)展規(guī)劃中，進一步加快區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、優(yōu)化工業(yè)結(jié)構(gòu)、提高技術(shù)水平，可以顯著改善區(qū)域水資源壓力，保障水環(huán)境安全。

［1］夏軍，朱一中．水資源安全的度量:水資源承載力的研究與挑戰(zhàn)［J］．自然資源學報，2002，17(3):262-269．

［2］Rijisberman M A．Different approaches to assessment of design and management of sustainable urban water system ［J］．Environment Impact Assessment Review，2000，129(3):333-345．

［3］黃慶旭，何春陽，史培軍，等．氣候干旱和經(jīng)濟發(fā)展雙重壓力下的北京水資源承載力變化情景模擬研究［J］．自然資源學報，2009，24(5):859-810．

［4］劉佳駿，董鎖成，李澤紅．中國水資源承載力綜合評價研究［J］．自然資源學報，2011，26(2):258-269．

［5］黃慶旭，何春陽，史培軍，等．城市擴展多尺度驅(qū)動機制分析——以北京為例［J］．經(jīng)濟地理，2009，29(5):714-721．

［6］陳瑩，劉昌明，趙勇．節(jié)水及節(jié)水型社會的分析和對比評價研究［J］．水科學進展，2005，16(1):82-87．

［7］劉乃全，孫海鳴．上海產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、人口、就業(yè)的互動關(guān)系研究［J］．財經(jīng)研究，2003，29(1):55-62．

［8］戰(zhàn)炤磊．產(chǎn)業(yè)發(fā)展與人口就業(yè)協(xié)調(diào)共進研究——以江蘇為例［J］．人口與發(fā)展，2008，14(3):30-36．

［9］薛小杰，惠泱河，黃強，等．城市水資源承載力及其實證研究［J］．西北農(nóng)業(yè)大學學報，2000，28(6):135-139．

［10］方國華，胡玉貴，徐瑤．區(qū)域水資源承載能力多目標分析評價模型及應用［J］．水資源保護，2006，22(6):9-13．

［11］徐中民．情景基礎的水資源承載力多目標分析理論及應用［J］．冰川凍土，1999，21(2):99-106．

［12］方曉波，張建英，陳偉，等．基于qual2k模型的錢塘江流域安全納污能力研究［J］．環(huán)境科學學報，2007，27(8):1042-1047．

［13］沈根祥，王振旗，錢曉雍，等．上海大蓮湖區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染特征研究．上海農(nóng)業(yè)學報［J］．2010，26(1):55-59．

［14］浙江省水利水電勘測設計院，浙江省水利河口研究院．錢塘江河口水資源配置規(guī)劃報告［R］．2004．

［15］杭州市水利水電勘測設計院，杭州市水文水資源監(jiān)測總站．杭州市水資源綜合規(guī)劃［R］．2007．