水環境承載力研究分析與展望

屈 豪，包景嶺，張 維

QU Hao1 , Bao Jing-ling2 , ZHANG Wei3

1. 河北工業大學 經濟管理學院，天津 300000；2. 天津市環境保護局，天津 300000；3. 天津市環境保護科學研究院，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

水環境承載力研究分析與展望

屈 豪1，包景嶺2，張 維3

QU Hao1, Bao Jing-ling2, ZHANG Wei3

1. 河北工業大學 經濟管理學院，天津 300000；2. 天津市環境保護局，天津 300000；3. 天津市環境保護科學研究院，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

論文對水環境承載力的概念進行了闡述，總結確定了地理特征、水體特性、氣候變化及社會活動四項主要影響因素。根據水環境承載力研究方法的不同，將其劃分為計算與評價兩類，提出了水質水量對比法模型，并對主要研究方法進行了分析總結，闡述了傳統方法存在的缺陷，以完善研究方法為目的對水環境承載力研究方法流程圖進行了構建。指明了水環境承載力研究面臨的關鍵性問題及系統化、全面化、二元化的發展方向，對水環境與可持續發展之間的關系具有重要意義。

水環境承載力；影響因素；水質水量對比法；研究方法流程圖

水資源是社會經濟發展的必要條件，而水資源的質量又表現為水環境。目前國內開展眾多關于水環境承載力的研究，但它們在理論基礎上都未形成系統的理論框架，概念理解尚未達成共識。研究方法呈現出多樣化特征，但方法注重單方面優勢從而具有一定缺陷，無法滿足綜合性的水環境承載力研究。本文總結了水環境承載力的多種研究方法，并分析其缺陷。以完善研究方法為目的，提出水環境承載力的計算框架，并對現有問題和未來發展進行了分析和討論，為今后的水環境承載力研究提供理論參考。

一、水環境承載力研究

（一）概念及研究分類

目前，水環境承載力的概念在學術界尚未達成共識?，F有“納污能力”“人類活動閾值”[1-2]等多種說法。文章根據水環境承載力涵蓋范圍的不同，將其概念分為三類：（1）第一類主要是指在水環境中可以容納的污染物和污水量。代表人物汪恕誠和左其亭[3]等。（2）第二類主要指以容納污染物和污水量上限為基礎，水環境所能承載的人口規模和人類活動，高占喜[4]對其進行了具體定義。（3）第三類則是在第二類的基礎上加入了水環境所能承載的經濟規模大小。邢有凱[5]闡述了其對此定義的見解。除此還有廣義和狹義[6]的水環境承載力分類方式。但從本質上看，水環境承載力的不同定義都是對水環境與經濟發展和人類活動之間關系的表述。

本文根據水環境承載力目的和表現方式的不同，將其研究方法分為計算和評價兩類。水環境承載力的計算研究，依托水環境承載力的定義，在保證水環境可持續發展、無不可逆危害時所能承載污染物的極值條件下，對可承載的積極規模及人口數量進行計算[7]。常用于發展規劃提供理論參考等。水環境承載力的評價研究，以水環境承載力概念為基礎，在一定自然條件及社會條件下，對某區域水環境與人類社會經濟活動的協調程度進行評價。常用于一些決策性文件中，如環境保護規劃等。

（二）影響因素

水環境承載力的影響因素包括地理特征、水體特性、氣候變化及社會活動四個方面[8-15]。

（1）地理特征。地理特征包括河流周圍地形（地貌）、土壤和植被狀況等方面，各特征都會對水文產生影響，從而影響區域水環境的河流產匯流狀況等。

（2）水體特性。水體特性包括凈化能力和擴散能力，兩種能力又由流速、流量、含氧量、水溫等多種參數決定。這種特性直接影響著水環境容量，凈化能力和擴散能力越強，即流速越快、含氧量越高、溫度越高等，水體可以容納的污染物越多，水環境容量越大。

（3）氣候變化。氣溫指標和降水量指標是氣候變化最主要的體現，氣象任意一種變化都會影響氣溫或降水量，二者又影響著水環境的循環過程，直接對水環境的稀釋和擴散作用產生影響，從而對某區域的水環境承載力產生影響。

（4）社會活動。社會活動指由于人類生產生活等行為產生的某些影響，包括社會經濟發展水平、人類的經濟活動、人類對生存環境的要求、國家的法律法規等。社會經濟發展水平影響著水處理技術的革新，間接影響污水中COD等主要污染物含量。人類的經濟活動影響著人口數量及經濟發展規模。人類對生存環境的要求是人類所要求的水環境質量標準。水環境承載能力更是直接被制定成國家相關標準進行規范。水環境承載力會對社會活動的各種變化產生相應的變化。

二、水環境承載力方法研究

（一）水環境承載力計算方法

1. 水質水量對比法

水質水量對比法以區域水環境所能承載的工業產值為標準，從水資源和水環境兩方面進行計算。水資源方面，通過對外來水資源、生活用水、灌溉用水及生態補水等方面的計算，推斷工業用水量，再根據相關工業系數，得到工業廢水排放量，從而建立水資源承載力模型。

水資源承載力模型：

(GDP)1為目標年水資源可承載工業產值（億元），T1為目標年工業廢水排放量（萬噸/年），K為單位GDP工業廢水排放量（萬噸/億元），r為降水入滲系數，l為降水量，S為區域面積（km2），TT1為外來水資源量，Px為第x年區域人口數量（萬人），ax為第x年萬人日均生活需水量（萬噸），PN為農業用水凈灌溉定額（m3/hm2），SN為區域內農業灌溉面積（hm2），Tym為漁牧業需水量，Tld為綠地需水量，Thh為河湖需水量，k為工業廢水排放系數，β為工業廢水處理率。

水環境方面，通過計算區域內水環境容量得到允許排放工業廢水的量，再根據單位GDP工業廢水量計算出容量承載力。最后通過對工業可用水量，工業廢水實際排放量及工業廢水允許排放量三者之間關系進行對比分析，建立有關水環境承載力的模型N。

容量承載力模型：

（GDP）2為水環境容量可承載工業產值（億元），T2為目標年工業廢水允許排放量（億噸），ksh為生活污水排放系數，βsh為生活污水處理率。

水環境承載力模型：

若T1＜T2，目標年水環境可承載的工業產值為（GDP）1。

若T1＞T2，目標年水環境可承載的工業產值為（GDP）2。

2. 多目標模型最優化方法

多目標模型最優化方法[16]是對多個子系統之間關聯變量連接的方法。對水環境承載力應用時，將研究區域水環境看作一個整體，再按照一定規律將區域水環境劃分為多個子系統。運用數學模型對各個子系統模型進行刻畫，從而通過多目標模型將子系統模型進行連接。多目標模型最優化方法通過對系統內部各要素之間關系的表征，確定決策變量，分析追求最大目標條件下，系統內各要素的分布。通過對模型和決策變量的模擬預測，可得到滿足多個最優目標下的方案，而得到的此種情況下的最優解即為水環境承載力。多目標模型最優化方法融入了研究者的主觀思想，考量了人類的不同價值取向，適合應用于較為復雜的系統。

（二）水環境承載力評價方法

1. 指標體系評價方法

從指標體系評價方法[17-18]的內在看，它是建立影響水環境承載力的指標體系（假設具有m個指標），然后再假設有n種發展方案，每種發展方案分別對應一種水環境承載力，對n種水環境承載力的m個指標進行歸一化處理，而歸一化后所得結果即為水環境承載力模型?？梢钥闯?，通過指標體系評價方法，得到的并非真正的水環境承載力，而是依賴于人類的評價及承載力之間指標數值的比對，反映水環境與人類活動之間的協調程度。

指標體系評價方法包括模糊綜合評價法、向量模法、主因子分析法和層次分析法等，這些方法本質都是確定指標體系中評價因子的權重。指標的數量與所得水環境承載力結果的準確性成正比，但過多的指標，會增加指標收集和權重確定的工作難度。因此，根據收集的資料情況和允許工作的時間等，選取能充分反應承載狀況的指標，更有利于評價過程的進行并提高水環境承載力結果的準確性。

2. 系統動力學方法

系統動力學方法是以反饋控制理論為基礎，依托計算機仿真技術對復雜系統定量化的方法，它具有靈活性、動態性、直觀性及多變量等優點[19]。通過系統動力學方法（如圖1）可以得到水環境承載力的量化結果，也可以模擬水環境承載力的不同影響因素變化，從而預測不同經濟政策或發展模式下的結果。龐大復雜的系統內多種變量指標類別需要通過主觀意識確定是系統動力學方法需要完善的地方，研究者的認識程度對結果的準確性產生影響。

圖1 系統動力學流程示意圖[20]

（三）當前研究方法的缺陷

當前研究方法都具有某方面的特定優勢，但同時也存在一定缺陷，這些缺陷的存在會致使結果出現偏差。

1．計算方法缺陷

由于環境的復雜性和計算過程中可能涉及到的利益關系，水環境承載力的計算研究方法多缺乏全面性的指標，或不同利益團體之間認識的沖突，從而導致計算結果的不準確性。如水質水量對比法無法適應當前的動態性發展，選取指標全面性不足；多目標模型最優化方法涉及到多方利益團體的不同認識，容易造成彼此間認識的沖突[21]。

2．評價方法缺陷

運用評價方法研究水環境承載力，在評價過程中摻雜有大量的研究者主觀認識，并不能建立一個完整的、協調統一的系統，從而導致最后評價結果的不準確性。如指標體系評價方法由于具有極強的主觀性，運算中指標的大小選擇會遺失很多重要信息，遺失信息的多少又會影響評價結果的準確性，而隨著選取指標數量的增加，所遺失的信息量也會增加，致使結果發生錯誤的可能性增加；系統動力學方法，由于建立的龐大環境系統，以各要素協調統一為基礎，對參量的選取沒有一個準確的把握，尤其對于長遠未來發展狀況的動態模擬過程中，更易導致結論的不準確[22-23]。

（四）水環境承載力研究方法流程設計

本文以改善研究方法，填補水環境承載力現存方法缺陷為目的，基于水環境承載力的概念及定義，建立了研究方法流程圖（圖2）。

計算步驟如下：（1）分別計算測定水體的水質、水量，從而得到水環境總容量；（2）根據各行業發展需要及政策要求，將水環境總容量分配給各行業，即工業、農業、生活、其他四部分；（3）分別對各行業所排放的污水水質、污水水量進行計算測定，確定污水及污染物的排放總量。（計算過程中應根據地區規定，考慮污水排放過程中的消耗量）；（4）計算水環境在污水及污染物排入并經過凈化和擴散過程后，水環境的總容量；（5）將最終計算結果與法律法規標準相比較，若結果大于標準，則可以按當前狀況進行承載，反之，超出承載范圍。若超出承載范圍，需對水環境總容量進行重新分配，重復上述（2）（3）（4）（5）步驟，至達到可承載的最優解。

圖2 水環境承載力研究方法流程圖

三、水環境承載力的研究不足與未來展望

（一）研究不足

為落實可持續發展、人與自然和諧共處的方針政策，實現經濟與環境共同又好又快發展，我國近年來在水環境承載力的深入研究中取得了突破性進展。但由于水環境的復雜性等原因，仍存在諸多亟待解決的問題，有下面幾個方面：

1．研究方法不完善

當前，已有的多種研究方法，如系統動力學、目標模型優化和指標體系評價等，都停留在研究之初，只具有各自獨立的優點，并未能有長足的改進以完善本身不足。在技術革新的時代背景下，出現眾多具有高效性的現代技術，但并未有學者將傳統方法與現代技術進行有效的結合，運用到水環境承載力研究當中。

2．缺乏環境間要素的結合

當前水環境承載力研究只停留在水環境的單一層面上，而未能與土壤、大氣等環境因素結合考慮。

3．指標體系不健全

當前指標體系多選取常規資料中所能體現的因素，大多單一，簡單。全指標收集工作較為繁瑣，尚未有學者能考慮并建立出相對完整的指標體系框架。

4．現實條件方考慮較少。

眾多結合社會經濟發展，僅以理論上的數據分析水環境承載力，而未考慮如人工等諸多現實條件能否按理論有效進行。

（二）未來展望

未來水環境承載力的研究將朝著系統化、全面化、二元化3個方向進行發展。

1．系統化。由于水環境處在復雜的環境大系統當中，水環境承載力又涉及到多種行業及社會活動，并運用到多種學科知識，從而難以形成系統化的方法。水環境承載力需要繼續明確承載對象、研究目的并對研究標準進行界定，并深入研究現代科技與傳統方法的合理交點，從而增加水環境承載力結果的準確性。

2．全面化。對承載主體更全面考慮，有利于增加體現水體富營養化的指標數量，如總氮（TN）和總磷（TP）。在富營養化背景下，增加的體現水質變化的指標是體現水環境承載力狀況的重要指標[24]。通過多種指標更全面的考慮水體富營養化及水質變化，以準確表征承載狀況。對于主體對象的相互結合，有利于全面考慮各主體研究過程中可能碰到的問題?？紤]土壤、大氣等主體因素，以完善水環境與環境大系統之間的連接[25]，從而增加承載力研究的深度，為全面體現水環境承載狀況提供可靠基石。

3．二元化。隨著近年來人類在環境中的地位日益重要，人類活動對環境所能產生的影響不容忽視。人工的影響使水循環系統這一整體變為人工水循環系統與自然水循環系統兩個部分，即產生“天然-人工”的二元化[26]。隨著水循環過程中二元化表現的日益突出，二元水循環系統的各個環節都影響著水環境承載力，為解決水資源等問題提供更準確的服務。

圖3 二元水循環流程圖[27]

四、結語

水環境承載力概念的本質是對水環境與經濟發展和人類活動之間關系的表述。

水環境承載力在地理特征、水體特性、氣候變化及社會活動因素影響下呈現動態變化，以這些影響因素為指標保證的水環境承載力研究為環境保護提供了有力支撐。

水環境承載力研究方法分為計算和研究兩類，分析總結了現存研究方法指標存在片面化、主觀認識摻雜和重要信息遺失等缺陷。建立計算流程圖以力爭改善現有方法的不足，為未來水環境承載力方法的發展方向提供理論參考性價值。

未來水環境承載力研究將以概念方法系統化、對象指標全面化及二元化為發展方向。

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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，河北石家莊人，河北工業大學經濟管理學院碩士研究生，研究方向為環境管理與可持續發展。

（責任編輯：劉格云）