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(地质工程专业论文)黑河流域水资源承载力分析.pdf.pdf 免费下载
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文档简介
兰州大学硕士学位论文黑河流域水资源承载力分析 摘要 作为可持续发展研究和水资源安全战略研究中的一个基础课题,水资源承 载力研究己引起学术界高度关注并成为当前水资源科学中的一个重点和热点研 究问题,其分析计算和评价是干旱、半干旱地区寻求区域可持续发展道路的重要 依据。 本文选择我国第二大内陆河黑河流域为研究区域,在详细分析该区域水 资源利用现状的基础上,采用系统动力学的方法分析计算黑河流域水资源承载 力,并提出了流域可持续开发利用水资源的建议。主要研究内容和成果如下: 在总结前人研究成果的基础上,综合阐述了可持续发展下的水资源承载 力研究的理论与方法。具体分析了水资源承载力的概念、理论基础和研究内容体 系、评价指标体系和评价方法,并对未来水资源承载力研究进行了展望。 简要介绍了研究区域的自然条件,社会经济状况及水资源概况。 从供水、用水以及供需平衡等角度详细分析了黑河流域水资源开发利用 现状,并指出黑河流域水资源利用中存在的问题。 运用系统动力学理论及其相应的应用软件v e n s i mp l e 分别建立黑河流 域上、中、下游水资源承载力s d 模型,将黑河流域水资源承载力分析的动力学 方程输入计算机进行仿真模拟,并选择合理的控制参量对流域水资源系统进行调 控实验,最后运用该模型对黑河流域水资源承载能力进行了预测与分析。研究结 果表明:随着退耕还林面积的不断扩大、高新节水面积的不断发展、灌渠配套的 不断完善,以及流域恢复生态的规划,黑河流域用水结构将发生变化。 研究结果表明:黑河流域社会经济在未来3 0 年内将取得长足的发展,但 将长期处于水资源紧张状态;同时,各部门需水量将发生很大变化:因此实行可 持续水资源管理是黑河流域发展的必然选择。 关键词:黑河流域;水资源承载力;可持续发展:系统动力学 兰州大学硕士学位论文黑河流域水资瓣承载力分析 a b s t r a c t a st h eb a s i cr e s e a r c h p r o j e c to f s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ta n dw a t e rs a f e t y , w a t e r r e s o u r c e sc a r r y i n gc a p a c i t yh a sd r a w nm u c ha t t e n t i o nf r o mt h er e s e a r c h e r s ,a n di ti s b e c o m i n g ak e y s t o n ea n dh o tp o i n ti nt h ew a t e rr e s o u r c e ss c i e n c e st h em e a s u r e m e n t o fw a t e rr e s o u r c e s c a r r y i n gc a p a c i t y i sa n i m p o r t a n tg u i d a n c e t ot h es u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t o fa r i da n ds e m i a r i da r e a s s e l e c t i n gt h e s e c o n dl o n g e s ti n l a n dr i v e r - - h e i h er i v e ra st h es t u d ya r e a ,w e c a l c u l a t et h ew a t e rc a r r y i n gc a p a c i t yo fh e i h er i v e ru s i n gt h es y s t e md y n a m i c so n t h eb a s i so ft h ea n a l y s i so fw a t e rr e s o u r c e su t i l i z i n gs i t u a t i o n t h em a i nc o n t e n t i n c l u d e s : b a s e do nt h ef o r m e rr e s e a r c ha c c o m p l i s h m e n t 。t h et h e s i s s y n t h e s i z e st h e t h e o r i e sa n dm e t h o d o l o g yo fs u s t a i n a b l ew a t e rr e s o u r c e sc a r r y i n gc a p a c i t y i ti n c l u d e s t h ec o n c e p to fw a t e rr e s o u r c e sc a r r y i n gc a p a c i t y , t h et h e o r e t i c a lb a s i sa n dc o n t e n t s y s t e m ,t h ee v a l u a t i n gi n d e xs y s t e ma n dm e t h o d ,a n dt h ee x p e c t a t i o no f t h er e s e a r c h o f w a t e rr e s o u r c e sc a r r y i n gc a p a c k y i ti n t r o d u c e st h en a t u r a lc o n d a i o n s s o c i a le c o n o m ya n dw a t e rr e s o u r c e so f t h es t u d ya r e a f r o mt h ea s p e c to fw a t e rs u p p l nw a t e rd e m a n d a n dt h eb a l a n c eb e t w e e n s u p p l ya n dd e m a n d ,i ta n a l y z e st h ew a t e r u t i l i z a t i o ns t a t u sa n di n d i c a t e st h eu t i l i z i n g p r o b l e m s o f h e i h er i v e r u s i n g t h es y s t e md y n a m i c sa n di t ss o f l w a r e - - - v e n s i m p l e ,i te s t a b l i s h e s t h es dm o d e lo fw a t e rr e s o u r c e s c a r r y i n gc a p a c i t yo f u p p e r , m i d d l ea n d l o w e rr e a c h e s o fh e i h er i v e rb a s i n ,s i m u l a t e st h em o d e lw i t ht h e d y n a m i cf o r m u l a t i o n s ,a n d c h o o s e st h er e a s o n a b l ep a r a m e t e r st oc o n d u c tt h ec o n t r o l l i n ge x p e r i m e n t so fw a t e r r e s o u r c e ss y s t e ma tl a s ti tc a l c u l a t e st h ew a t e rr e s o u r c e sc a r r y i n gc a p a c i t yo f h e i h e r i v e et h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ew a t e ru s es t r u c t u r ew i l lc h a n g ew i t ht h ee x p e n s eo f t h ew o o da r e aa n dt h ew a t e rs a v i n ga r e a ,t h ec o m p l e t i o no ft h ei r r i g a t i o ne q u i p m e n t , a n dt h ea c t u a l i z a t i o no f e c o l o g i c a lr e m e d i a t i o n 兰州大学硕士学位论文 黑河流域水资源承载力分析 i ti n d i c a t e st h a tt h es o c i a le c o n o m yw i l l g e tm o r ed e v e l o p m e n ti nn e x t3 0 y e a r s ,b u tt h ew a t e rr e s o u r c ew i l lb es c a r c e w a t e rd e m a n di nv a r i o u sd e p a r t m e n t s w i l lc h a n g ed r a m a t i c a l l y t h e r e f o r e ,t h es u s t a i n a b l e m a n a g e m e n to f h e i h e r i v e ri st h e n e c e s s a r yc h o i c e k e y w o r d s :h e i h e r i v e r ;w a t e r r e s o u r c e s c a r r y i n gc a p a c i t y ;s u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t ;s y s t e md y n a m i c s 原创性声明 y 一7 3 1 g 7 6 本人郑重声明:本人所呈交的学位论文,是在导师的指导下独立进行 研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、 数据、观点等,均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外,不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成 果做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名:叠塑塑遮 日期:2 1 堕:! 立 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导f 所完成的论文及相关的职务作品,知识产权归属兰 州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定,同意学 校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版,允许论文被 查阅和借阅;本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索,可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本 人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时, 第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名: 雌名:聪蚴日期: 趁受翻i 砑 q 兰州大学硕士学位论文 黑河流域水资源承载力分析 再舌 水资源是人类生存和社会发展中最熏要的成分,水资源稀缺是我国西北干旱 区的特色,也是生态安全和经济发展面临的最大挑战( 肖洪浪等,2 0 0 4 ) 。“资 源”通常是对利用而言的,常说的水资源主要包括地表水、地下水和土壤水等,在 利用过程中经常以地表水为主,忽略地下水,不考虑土壤水。我国水资源2 8 ,1 2 4 亿m 3 ,内陆河地区仅占42 7 ,天生的格局成就了内陆河地区的“缺水”。千百年 来西北内陆河地区在干湿交替中干旱化程度不断加强,区域水环境不断退化( 竺 可桢,1 9 7 3 ;康兴成等,2 0 0 2 ;m i s c h k es ,e ta l ,2 0 0 3 ) 。 黑河是我国西北地区第二大内陆河流域,总面积1 28 万k m 2 。中游有历史悠 远的“金张掖”,下游额济纳旗边境线绵延5 0 0 多k m 。黑河流域水资源合理开发利 用及生态建设与环境保护,不仅事关流域内人民的生存和社会发展,也关系到西 北、华北地区的环境质量,是关系民族团结、社会安定和国防稳固的大事。 黑河流域目前面临着水资源、经济和生态三方面问题。其中,水资源严重短 缺,供需矛盾突出,用水结构不合理,利用效率和效益较低;社会经济问题主要 包括产业结构不合理,高耗水的一产比重过高,二产发展严重滞后,社会经济发 展水平相对落后;生态环境问题突出表现为下游天然植被大面积退化、土地盐碱 化和沙漠化面积扩张、河湖萎缩退化等方面( 王浩等,2 0 0 4 ) 。 黑河流域面临的三大问题相互关联,其根本原因足国民经济用水和生态环境 用水两大系统之间,以及系统内部各用水部门强烈竞争背景下,流域水资源调配 不当所引起的经济、生态后果,为此建立与流域水资源条件相适应的合理生态保 护格局和高效经济结构体系,统一合理调配水资源,是实现流域可持续发展的根 本出路。 本文在前人研究的基础上,针对目前黑河流域水资源承载力研究上的不足, 着重注意了以下几点: ( 1 ) 更加强调社会经济一水资源一生态环境复合系统的综合研究。以黑河流域 可持续发展为目标,以可持续水资源管理为前提,研究了影响流域水资源承载力 的各因素及其相互关系。 ( 2 ) 重视生态环境需水的研究。在黑河流域水资源承载力研究中,首要考虑了 生态环境的可持续发展,首先满足了生态环境的需水要求。 兰州大学硕士学位论文黑河流域水资源承载力分析 ( 3 ) 采用基于反馈机制的系统动力学方法分析黑河流域水资源承载力,并运用 相应的软件v e n s i m p l e 建立分析模型。 综上所述,黑河流域水资源承载力分析旨在对流域合理开发利用和生态环 境保护问题提出对策,为流域的可持续发展以及可持续水资源管理提供科学决策 的依据。 2 兰州大学硕士学位论文黑河流域水资源承载力分析 l 可持续发展下的水资源承载力研究的理论与方法 1 1 水资源承载力理论 “承载力,一词源于生态学,早在2 0 世纪2 0 年代就有学者提出了承载力的概 念( p a r k r f ,1 9 2 1 ;h a w d e ns ,1 9 9 4 ) ,原用以衡量特定区域在某一环境条件 下可维持某一物种个体的最大数量( 孙鸿烈,2 0 0 0 ) 。在对资源短缺和环境污染 问题的研究中,“承载力”概念得到延伸发展并广泛用于说明环境或生态系统承受 发展和特定活动能力的限度( 冯尚友,2 0 0 0 ;u n e s c o & f a o ,1 9 8 5 ) 。承载力 概念的演化与发展是对发展中出现问题的反应与变化结果。在不同的发展阶段, 产生了不同的承载力概念和相应的承载力理论。如针对环境问题,人们提出了环 境承载力的概念与理论,针对土地资源短缺问题,人们提出了土地资源承载力的 概念与理论( 高吉喜,2 0 0 1 ;a l l a n ,1 9 4 9 ;m i l l i n g t o n ,1 9 7 3 ;r u s s e l l ,2 0 0 3 ;i r m i ,1 9 9 9 ; j o n a t h a n ,1 9 9 9 ) 。而“水资源承载力”则是随水问题的日益突出由我国学者在8 0 年代末提出来的。 水资源承载力是一个国家或地区持续发展过程中各种自然资源承载力的重 要组成部分,且往往是水资源紧缺和贫水地区制约人类社会发展的“瓶颈”因素, 它对一个国家或地区综合发展和发展规模有至关重要的影响( 汤奇成等,2 0 0 1 ) 。 作为可持续水资源管理研究和水资源安全战略研究中的一个基础课题,水资源 承载力研究已引起学术界高度关注并成为当前水资源科学中的一个重点和热点 研究问题( d a i l y ,1 9 9 6 ;s a g o i f , 2 0 0 4 ) 。 1 1 1 水资源承载力概念 目前我国对水资源承载力的定义有多种表述,如惠泱河认为水资源承载力 可理解为某一区域的水资源条件在自然人工二元模式影响下,以可预见的技 术、经济、社会发展水平及水资源的动态变化为依据,以可持续发展为原则,以 维护生态良性循环发展为条件,经过合理优化配置,对该地区社会经济发展所能 提供的最大支撑能力( 李令跃等,2 0 0 0 ) 。该定义充分考虑了人类活动影响对水资 源系统的干预和水文循环过程的影响作用,并强调了动态发展的观念。何希吾将 水资源承载力定义为一个流域、一个地区、一个国家,在不同阶段的社会经济和 技术条件下,在水资源合理开发利用的前提下,当地水资源能够维系和支撑的人 兰州夫学硕士学位论文黑河流域水资 碌承载力分析 e l 、经济和环境规模总量( 刘燕华,2 0 0 0 ) 。这一定义将环境规模和社会经济发展 规模一并纳入水资源承载力的范畴,从理论上而言是正确的,然而对环境规模进 行界定和度量却较为困难。考虑到水资源承载力研究的现实与长远意义,对它的 理解和界定,要遵循下列的事实:第一,必须把它置于可持续发展战略构架下进 行讨论;第二,要从水资源系统自然生态系统一社会经济系统耦合机理上综合考 虑水资源对地区人口、资源、环境和经济协调发展的支撑能力;第三,要识别水 资源与其它资源不同的特点,它既是可再生、流动的、不可浓缩的资源,又是可 耗竭、可污染、利害并存和不确定性的资源:最后,水资源承载能力受自然资源 影响外,还受到许多社会因素如社会经济状况、国家方针政策包括水政策、管理 水平和社会协调发展机制的影响和制约( 夏军,1 9 9 8 ) 。因此,水资源承载力是 一个动态、变化的概念,在此我们认为可将水资源承载力定义为:指某一区域在 特定历史阶段的特定技术和社会经济发展水平条件下,以维护生态良性循环和可 持续发展为前提,当地水资源系统可支撑的社会经济活动规模和具有一定生活水 平的人口数量( 程国栋,2 0 0 2 ;朱一中等,2 0 0 2 ) 。 1 1 2 水资源承载力的特性与影响因素 水资源承载能力的大小是随空间、时间和条件变化而变化,具有动态性、地 区性、相对极限性、模糊性等特点。影响水资源承载力大小的因素可概括为以下 方面: ( 1 ) 水资源数量、质量及开发利用程度。当地水资源总量及根据法律规定分配 给当地可利用过境水量,水资源的矿化度、埋深条件等质量情况,以及当前水资 源开发利用方式和程度; ( 2 ) 生态环境状态。生态环境不但自身需要一定的水资源量得以维持,并通过 对水文循环的影响在相当程度上决定了水资源总量的大小; ( 3 ) 社会经济技术条件。在不同阶段一定社会经济与技术条件决定了可开发控 制的可利用水量和水资源利用效率; ( 4 ) 社会生产力水平。不同历史时期或同一历史时期的不同地区具有不同的生 产力水平,决定了水资源可承载社会经济发展规模的差异; ( 5 ) 社会消费水平与结构。在社会生产能力确定的条件下,社会消费水平和结 构将决定水资源承载力的大小; 4 兰州大学硕士学位论文黑河流域水资源承载力分析 ( 6 ) 区际交流。劳动区域分工与产品交换也将间接影响水资源承载力的大小。 1 1 3 水资源承载力研究的理论基础 ( 1 ) 可持续发展理论 可持续发展强调三个主题:代际公平、区域公平以及社会经济发展与人口、 资源、环境间的协调性。在可持续发展理论的指导下,资源的可持续利用、人与 环境的协调发展取代了以前片面追求经济增长的发展观念。可持续发展是一种哲 学观,是关于自然界和人类社会发展的哲学观,可作为水资源承载力研究的指导 思想和理论基础,而水资源承载力研究则是可持续发展理论在水资源管理领域的 具体体现和应用。 ( 2 ) 水一生态一社会经济复合系统理论 流域是具有层次结构和整体功能的复合系统,由社会经济系统、生态环境系 统和水资源系统组成。水资源既是该复合系统的基本组成要素,又是社会经济系 统和自然生态系统存在和发展的支持条件。水资源的承载力状况对地区的发展起 着重要的作用,水资源状况的变化往往导致区域环境的变化、土地利用和土地覆 被的改变、社会经济发展方式的变化等。水生态社会经济复合系统理论也是水 资源承载力研究的基础,应将水资源作为生态经济系统的一员,从水资源系统一 自然生态系统社会经济系统耦合机理上综合考虑水资源对地区人口、资源、环 境和经济协调发展的支撑能力。 ( 3 ) 自然一人工二元模式下的水文循环过程与机制 随着人类活动的加强,原有的一元流域天然水循环模式受到严重挑战,人类 活动不仅改变了流域降水、蒸发、入渗、产流、汇流特性,而且在原有的天然水 循环内产生了人工侧支循环,形成了天然循环与人工循环此消彼长的二元动态水 循环过程。具有二元结构的流域水资源演化不仅构成了社会经济发展的基础,是 生态环境的控制因素,同时也是诸多水问题的共同症结所在,因此它也是进行水 资源承载力研究的一个基石。 1 1 4 水资源承载力的研究内容体系 ( 1 ) 水资源系统构成 水资源数量与质量、来源与组成,水资源的开发利用方式及开发利用潜 兰州大学硕士学位论文黑河流域水资源承载力分析 力,水利工程可控制面积、水量等,这些条件构成了天然水循环通量和人工水循 环通量的比例;水量转化规律与水流系统( 大气降水、地表水、地下水、土壤 水和植物生态水1 模拟研究。 ( 2 ) 生态系统 生态系统的组成要素、规模及各要素平衡匹配关系,生态系统平衡闽值; 生态系统的需水和耗水规律研究。 ( 3 ) 社会经济系统 国民经济发展规模及内部结构,社会消费水平及结构,区际交流;人 口与社会经济发展的规模、速度和方向。 ( 4 ) 水资源系统生态系统社会经济系统耦合机制 水资源系统、生态系统和社会经济系统的相互作用和影响,相互依赖和 制约关系的机理和量化研究;二元模式下的水文循环规律。 ( 5 ) 水资源承载力评价指标体系的建立及计算方法 ( 6 ) 水资源系统生态系统一社会经济系统耦合下的水资源承载力评价模型及其 应用 1 2 水资源承载力研究可持续水资源管理量化 1 2 1 可持续水资源管理量化研究的基础 12l 1 可持续水资源管理一水资源一生态环境状况与社会经济发展的综合 人类社会不断向前发展。在人类起源初期,人的社会活动范围狭窄,经济发 展从零开始,利用的资源量很有限,当然,创造的社会财富也很少,也基本没有 出现环境问题。随着人类的发展,特别是工业革命以来,人口不断增长,人类社 会活动增加,科技飞速发展,经济也在不断飞速增长,当然伴随着资源消耗量不 断增加,水资源危机也从开始出现”到“日益突出”,带来的环境问题也越来越大。 反过来又在不同程度上制约着经济增长、社会进步。可以这样说,社会、经济、 水资源、环境相互联系、相互制约、互为因果,构成一个复杂的大系统。 可持续水资源管理的目标,是为社会经济的发展和生态环境的保护提供源源 不断的水资源。实现水资源在当代人之问、当代人与后代人之间、以及人类社会 与生态环境之间公平合理的分配。因此,可持续水资源研究的对象系统应该界定 在流域社会经济水资源一生态环境复合系统上。复合系统的一般组成结构如图 6 兰州大学硕士学位论文 黑河流域水资源承载力分析 1 - 1 所示( 左其亭,2 0 0 2 ) 。 资 源 、 抹 境 社会经济系统 图l l 社会经济一水资源一生态环境复合系统关系图 f i g 1 - 1r e l a t i o n s h i po fs o c i a le c o n o m y - w a t e rr e s o u r c e s e c o l o g yc o u p l e ds y s t e m 在可持续水资源管理研究的复合系统中,社会经济、水资源、生态环境三大 子系统相互作用与影响,构成了有机的整体。系统各部分的功能与关系如下: ( 1 ) 流域生态环境系统和水资源系统是流域社会经济系统赖以存在和发展的物 质基础,它们为流域社会经济的发展提供持续不断的自然资源和环境资源。 ( 2 ) 流域社会经济系统在发展的同时,一方面通过消耗资源和排放废物对生态 环境和水资源进行污染破坏,降低它们的承载能力;另一方面又通过环境治理和 水利投资对生态环境和水资源进行恢复补偿,以提高它们的承载能力。 ( 3 ) 流域水资源系统在社会经济系统和生态环境系统之问起到一条纽带作用。 它置身于生态环境系统之中,是组成和影响生态环境的重要因子。同时它又是自 然和人工的复合系统,一方面靠流域水文循环过程产生其物质性;另一方面靠水 7 兰州大学硕士学位论文黑河流域水资源承载力分析 利工程设施实现其资源性。从水资源利用的可持续性上能够直接反映出“人与自 然”的协调关系。可持续水资源管理实质上也是可持续发展战略在水利部门的具 体落实,它要求水资源的规划与管理必须同社会经济的发展和生态环境的保护相 结合。 ( 4 ) 流域社会经济一水资源一生态环境复合系统中,任一个系统出现问题都会 危机到另外两个系统的发展,而且问题会通过反馈作用加以放大和扩展,最终导 致复合大系统的衰退。比如,区域生态环境系统遭到破坏( 如森林被大量砍伐, 水土流失,环境污染等等) ,必然会影响或改变区域的小气候和水文循环状况, 使得区域洪灾增加,水环境污染,水利设施损坏,可利用水资源量减少,最终将 阻碍社会经济的发展。而社会经济发展的迟缓必然会减少环境治理和水利部门的 投资,使生态环境问题和水资源问题得不到解决。这些问题将会随着人口和排污 的增加变得更加严重,并进步影响到社会经济的发展,造成恶性循环的局面, 就如同一些发展中国家目前所面临的状况。 因此,保护生态环境,合理开发与优化配置水资源是实现复合系统可持续发 展的关键性因素,也是可持续水资源管理的核心内容。 1 2 1 2 水文一生态耦合系统模型与社会经济系统模型的耦合 如前所述,水资源一生态环境系统与社会经济系统之间相互联系,互相制约。 人的社会经济行为必然影响着水资源系统,比如,人口增长增大了需水量,社会 发展、经济增长也增大了需水量,同时也增大了向水资源系统排放污水、废水的 范围、数量,给水资源可持续利用带来威胁。 图1 - 2 水资源系统与社会经济系统耦合模型框架 f i g 1 - 2t h e s c h e m eo f c o u p l e dm o d e lo f w a t e rr e s o u r e t s s y s t e ma n ds o c i a l - e c o n o m i cs y s t e m 反过来,水资源出现的危机也影响着人类的生存条件,比如,健康状况,社 会进步,经济增长等。 当然,随着社会发展、科技进步,人类处理污水、改善环境的能力也在提高。 兰州大学硕士学位论文黑河流域水资源承载力分析 原来不能治理的污染现在可以治理了,原来需要花费很大代价才能治理的污染现 在需要花费较小的代价。另外,由于人的素质不断提高,人们管理水资源的水平 也在提高。这些又说明,社会发展又能促进水资源系统管理。 总之,二系统具有相互联系、互相制约、相互促进的复杂关系。由于社会经 济系统与水资源一生态环境系统的密切关系,需要把“水文一生态耦合系统模型” 与“社会经济系统模型”耦合起来。基本的耦合框架如图1 - 2 ( 左其亭,2 0 0 2 ) 。 1 2 2 可持续水资源管理量化准则及量化指标体系 1 2 2 1 可持续水资源管理新的准则 就现行的水资源规划与管理的准则而言,主要考虑的是:经济效益( e c o n o m i c b e n e f i t ) 、技术效率( t e c h n i c a le f f i c i e n c y ) 和实施的可靠。i 生( p e r f o r m a n c er e l i a b i l i t y ) 。 尽管它们仍然被应用,但是,就现状而言已经不能满足可持续水资源管理的要求。 从 2 1 世纪议程要求的社会、经济、资源、环境相协调的高度,已迫切需要 逐步转变到新的行为准则。 可持续水资源管理强调了未来变化、社会福利、水文循环、生态系统保护这 样完整性的水的管理。目前,国内外水文水资源学术界正在积极探讨可持续水资 源管理新的准则。 从量化的角度提出可持续水资源管理量化研究需要考虑的三个基本准则: ( 1 ) 可承载 可持续发展首先要求不允许破坏地球上生命支撑系统( 如空气、水、土壤等1 , 即处在可承载的最大限度之内,以保证人类福利水平至少处在可生存状态。一些 国外学者主张可持续发展应满足“可生存”准则。然而,“可生存”与“可承载”既有 区别又有联系。 “可承载”指的是地球生命支撑系统不遭到破坏的最大承受能力。它通常是针 对“资源”、“环境”客体而言,如:资源可承载、环境可承载等。 “可生存”则是针对主体( 人类或更广泛的“生物群体”) 生存所必须由客体f 资 源、环境) 支撑的最低条件而言。一旦资源缺乏,环境恶化,人类生存就会出现 危机。 二者之问的联系是:人类要生存下去,要求资源与环境是可承载的:反过来, 可承载又意味着人类生存的基本条件是可满足的。因此,可持续发展满足“可承 兰州大学硕士学位论文黑河流域水资源承载力分析 载”准则更有利于社会、经济、资源、环境协调发展。 ( 2 ) 有效益 可持续发展鼓励经济增长。当然,它与传统的经济学观点有质区别,它不仅 重视增长数量,更追求改善质量。它是以保护自然环境为基础,以改善和提高生 活质量为目标,与资源、环境的承载能力相协调。因此,可持续发展要求经济投 入和资源管理带来的发展是一种有效效益的发展( 包括经济效益、社会效益、环 境效益等) 。 ( 3 ) 可持续 可持续发展不仅考虑到当代人,而且顾及到后代人。不仅要保证现代的发展, 而且要保证未来的发展,使发展处在不断增加的趋势。它与传统的“短期经济增 长”截然不同,发展是有持续性的。 12 2 2 可持续水资源管理指标体系 可持续水资源 管理指标体系 社会经济指标群 水资源指标群 生态环境指标群 综合性指标群 人口发展指标 经济发展指标 社会发展指标 科技发展指标 水资源总量 水环境容量 水资源利用 水资源变化 植被覆盖率 水环境指标 土地环境指标 大气环境指标 人均社会净福利 生态环境质量 水资源承载力 缺水指数 洪灾频率 图1 - 3 可持续水资源管理指标体系结构图 f i g 1 - 3 t h es c h e m eo fi n d e xs y s t e mo fs u s t a i n a b l ew a t e rr e s o u r c e sm a n a g e m e n t 1 0 兰州大学硕士学位论文 黑河流域水资源承载力分析 根据可持续水资源管理的准则,流域社会经济发展状况、生态环境质量状况、 水文循环与水资源配给情况、以及复合系统整体发展与内部子系统协调的情况是 我们评估可持续水资源管理的主要依据,也是建立可持续水资源管理指标体系的 主要来源。 可持续水资源管理的指标体系是一个多层次的复杂结构体系,根据图1 3 中 的系统结构关系,可将其分为四大类:社会经济指标、水资源指标、生态环境指 标和综合性指标( 左其亭,2 0 0 2 ) 。 1 3 水资源承载力评价方法 水资源承载力分析关系到地区环境、人v i 和经济发展规模和代际持续发展的 前景,涉及面广、内容复杂,目前国内外尚无统- a n 成熟的方法。在已有的研究 成果基础上,设想解决问题的方法可以有以下几类: 1 3 1 水资源供需平衡法与多目标分析模型 采用水资源供需平衡法进行水资源承载力评估与预测与水资源的合理配置 有密切关系,它首先阻维护生态平衡和生态环境质量以及可持续发展为前提,将 水资源在生态系统和社会经济系统之间进行平衡分析和配置,然后以对社会经济 系统可供给水量为约束条件,通过多目标分析模型确定社会发展模式( 经济结构、 农业种植结构等) 、供水组成( 节水、污水回流、开发当地水、外流域调水等) 及 供水分配状况,最后在上述水资源供需平衡及水资源合理配置的基础上计算水资 源承载力的大小( 绝对指标) 包括人口发展规模和社会经济发展规模。本方法 中主要采用的模型包括 ( 1 ) 生态环境模拟模型 以生态保护与环境保护约束关系作为模型框架建立模型,揭示生态系统平衡 与生态系统耗水关系、生态系统平衡与社会经济活动方式和强度关系的规律,从 天然植被面积指标、绿洲面积指标、水环境指标等方面提出生态环境重点保护对 象和生态环境保护规模,确定生态需水量,作为水资源供需平衡的参考依据。 ( 2 ) 多目标分析模型 以对社会经济系统可供给水量为约束条件,建立描述水资源在社会经济系统 内部各子系统之间的分配关系以及这种关系是怎样决定社会发展模式的模型,通 过经济发展目标、结构优化目标、资源约束与利用效益目标等多目标之间的权衡 兰州大学硕士学位论文黑河流域水资源承栽力分析 来确定社会发展模式( 经济结构、农业种植结构等) 、供水组成( 节水、污水回 流、开发当地水、外流域调水等) 及供水在国民经济各部门之间的分配状况。 1 3 2 多指标综合评价法与综合评判模型 该方法通过水资源系统支持力和水资源系统压力来共同反映水资源承载状 况。水资源系统支持力代表了承载媒体的客观承载能力大小,其分值越大,表示 水资源现实承载力越高;水资源系统压力代表了被承载对象的压力大小,其分值 越大,表示系统所受压力越大,水资源承载力越低;通过两值相比得到水资源承 载力指数( 相对指标) 并进行分级,可指示水资源承载状况。 ( 1 ) 评价指标的标准化处理 在多指标综合评价问题中,通常评价指标有“效益型”和“成本型”两大类。“效 益型”为指标指属性值越大越好的指标,“成本型”指标为属性值越小越好的指标, 应分别对这两类指标进行无量纲化处理。在水资源系统支持力和水资源系统承受 压力指标体系中,有人均水资源数量、可采水量与用水总量之比,( c o d ) 标 ( c o d ) ,人口规模与增长率,g d p 产值及增长速度,万元g d p 废水排放量属 于“效益型”指标,其余属于“成本型”指标。对于区际交流指标,可将产品调入调 出量折算成水资源调入调出量计入支持力指标( 差额为正时) 或压力指标( 差额为 负时) 。 ( 2 ) 评价因子权重的确定 多指标的综合评价因子权重的确定是整个评价过程中的关键一环,根据计算 权数时原始数据来源的不同,权数的确定方法大体上可分为主观赋权法和客观赋 权法两大类。主观赋权法主要是由专家根据经验主观判断得到,如古林法、d e l p h i 法、a h p 法等,这种方法研究较早,也较为成熟,但客观性较差。客观赋权法的 原始数据是由各指标在评价单位中的实际数据形成,它不依赖于人的主观判断, 因而客观性较强,如主成分分析法、均方差法等。 ( 3 ) 综合评价值的计算 对于支持力和压力指标,分别依公式多因子综合评价公式进行计算。 1 3 3 系统分析方法一动态模拟递推算法 动态模拟递推法主要是通过水的动态供需平衡计算来显示水资源承载力的 状况和支持人口与经济发展的最终规模,其实质是模拟法,将动态模拟和数学经 1 2 兰州大学硕士学位论文黑河流域水资源承载力分析 济分析相结合,利用计算机模拟程序,仿造地区水资源供需真实系统运动行为进 行模拟预测,根据逐年运行的实际结果,有目的地改变模拟参数或结构,使其与 真实系统尽可能一致。当水资源供应能力达到“零增长”( 对水资源紧缺地区1 或 地区人口增长,或经济增长达到“零增长”( 对水资源丰裕地区1 时,水资源承载 力按定义己达最大( 冯尚友,2 0 0 0 ) 。 ( 1 ) 地区水资源承载力分析系统描述 水资源供需系统一般由供水子系统、用水子系统、排水子系统和水资源子系 统组成。 ( 2 ) 分析步骤 第一步:对区域水资源进行评价和开发利用条件分析。 第二步:根据地区社会经济发展计划,预测未来各项用水的需求量和总量。 第三步:根据地区拥有的水资源量和开采利用条件,预测满足用水需要的新 增供水工程的可供水量和相应措施。 第四步:通过逐年或一定时期的水资源供需平衡计算,采用动态模拟递推算 法,进行水资源的现时承载力和承载过程的计算和分析,直到找到可供水量达到 零增长时的水资源极限承载力或人口增长、经济发展达到零增长时的最大水资源 承载力限度。 1 3 4 系统动力学方法与系统动力学仿真模型 系统动力学( s d ) 模型是一种定性与定量相结合,系统、分析、综合与推理集 成的方法,并配有专门的d y n a m o 软件,给模型的仿真、政策模拟带来很大方 便,可以较好地把握系统的各种反馈关系,适合于进行具有高阶次、非线性、多 变量、多反馈、机理复杂和时变特征的承载力研究。用s d 模型计算的水资源承 载力不是简单地给出区域所能养活人口的上限,而是通过各种决策在模型上模 拟,清晰地反映人口、资源、环境和发展之间的关系,可操作性较强( 惠泱河, 2 0 0 1 ) 。 ( 1 ) 系统流图设计 系统流图是系统动力学的基本变量和表示符号的有机组合。根据水一生态社 会经济复合系统内部各因素之间的关系设计系统流图,其目的主要是反映系统各 因素因果关系中所没能反映出来的不同变量的性质和特点,使系统内部的作用机 兰州大学硕士学位论文黑河流域水资源承载力分析 制更加清晰明了,然后通过流图中关系的进一步量化,实现政策仿真的目的。流 图中一般包含两种重要变量:状态变量和变化率。 ( 2 ) 主要状态方程描述与模型构建 根据水资源承载力及承载状况的反馈关系,建立描述各类变量的数学方程, 以模型用计算机进行仿真。这些描述方程通常包括状态方程、常数方程、速率方 程、表函数、辅助方程等。系统模型正是由这一组动态方程有机组合而成。 ( 3 ) 模型的仿真计算 对不同( 提高水资源承载力的) 方案确定不同的变量输入值,通过仿真操作 运算,得到不同发展方案下的水资源承载力仿真运算结果,包括g d p 、人口数、 农业产值、c o d 含量及可供水量等各种具体的水资源承载指标,通过对比分析 来进行方案的比较择优。 1 4 水资源承载力研究趋势 水资源承载力研究在我国目前还处于初期阶段,还没有形成水资源承载力 研究的成熟的理论、内容和方法体系。为使水资源承载力研究进一步深入,取得 更精确和实用的成果,近期主要研究方向应包括以下方面: ( 1 ) 置于水资源的可持续利用概念的框架下,研究区域水资源的承载力 可持续发展的核一t l , 是指人类的经济和发展不能超越资源与环境的承载能力, 主张人类之间及人类与自然之间和谐相处。对水资源来说,就是将水资源的开发 利用提高到人口、经济、资源和环境4 个方面协调发展的高度认识,水资源开发 利用必须与可持续发展统一起来,水资源对社会经济的承载力是维持水资源供需 平衡的基础,也是可持续发展的重要指标之一。 ( 2 ) 趋向于从“水循环一自然生态一社会经济”系统耦合机理上综合考虑,加强 学科交融 变化环境下( 即自然变化和人类活动影响) 的水循环是水资源演变和水资源 承载力研究的基础,一个流域和区域水资源承载能力的大小,直接与该流域和区 域的可利用水资源量与质有本质联系,而区域可利用水资源量又决定于在不断变 化的自然环境( 包括全球气候变化) 和人类活动影响下水文循环规律及其控制的 水资源形成规律。另外,水资源作为生态环境的有机组成和控制性因素,单纯基 于社会经济系统的水资源开发利用必然会影响由水资源系统、人类社会系统、生 1 4 兰州大学硕士学位论文黑河流域水资源承载力分析 态环境系统共同构成的复杂巨系统的稳定性。在各种水资源和生态环境问题的胁 迫下,现代水资源承载力的研究将会囊括水资源系统生态环境系统和社会经济系 统三者平衡关系的研究。 ( 3 ) 技术方法的创新 目前制约水资源承载力研究的一个重要因素就是数据的获取与分析处理。 g i s 在支持与水文和水环境有关的地理空间数据的获取、管理、分析、模拟和显 示,以解决复杂的水资源、水环境规划和管理问题方面显示了其强大的功能( 王 劲峰,2 0 0 0 ) 。水资源承载力研究必须突破陈旧的数据获取与分析手段,充分利 用现代先进技术,将地面水文观测与空中遥感信息相结合,利用地理信息系统进 行数值计算和模拟,并将现有水资源承载力数学模型方法与g i s 集成,这是水资 源承载力研究取得突破性进展的一个关键所在。 ( 4 ) 从区域管理出发,水资源承载力的动态变化过程及发展趋势预测不断加强 最初对于水资源承载力的研究只是停留在简单地定量描述,属于一种静态分 析,直到系统动力学的方法应用的水资源承载力的分析当中,才使该研究走向动 态预测研究。现在,水资源承载力研究日趋模型化,并已从静态分析为主转向动 态分析方向。因此,加强水资源承载力动态模拟的研究,建立一套能反映本质问 题、技术上可行、科学上有依据,而且能反映承载力多元性、非线性、动态性、 多熏反馈特征的模型成为未来研究的重点,最终实现对水资源承载力估算和动态 变化过程的预测。 ( 5 ) 研究领域的不断拓宽 地域分异和空间配置历来是地理学最重要的优势研究领域。现有的水资源承 载力研究着重研究了水资源可承载人口和社会经济发展总量规模和结构,这只是 表征水资源承载力大小的一个面上的宏观指标,事实上水土资源与社会经济活动 的空间配置状况对水资源承载力有着极为重要的影响,因此有必要加强空间差异 与区域组合研究,以进一步增强水资源承载力研究成果的适应性。与水资源承载 力密切相关的区域合理配置研究内容包括水土资源空间配置,上、中、下游的城 市与产业合理布局,水源保护区区域范围内的人口、产业布局等,在水资源承载 力研究中考虑区域分异与空问配置问题,不但是水资源承载力研究的一个重要方 面一水资源承载力区域差异研究的需要,也必将使水资源承载力研究成果对社会 实践具有更明确的指导作用。 兰州大学硕士学位论文黑河流域水资源承载力分析 2 黑河流域水资源概况 黑河是我国西北地区较大的内陆河,发源于祁连山中段,流域东起山丹县境 内的大黄山,与石羊河流域接壤,西以嘉峪关境内的黑山为界,与疏勒河流域毗 邻,北至内蒙古自治区额济纳旗境内的居延海,范围介于东经9 8 。1 0 2 0 ,北纬 3 7 0 5 07 4 2 。4 0 之间,涉及青海、甘肃、内蒙古三省(
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