（应用数学专业论文）北京市水资源承载力定量评价与风险分析及其管理对策.pdf

摘要 水是维持生态系统完整、人类生存和社会经济发展的基础性资源，然而随着 近年来人口增长、生产扩大和城市化进程加快，全球很多地区都面临着不同程度 的水问题。长期以来北京市一直是中国甚至是世界上水资源最为严重短缺的超大 城市之一，人均占有水资源量仅为全国人均占有量的1 6 ，是世界人均占有量的 1 2 5 。对北京市水资源承载力系统地进行研究，具有十分重要的理论和现实意义。 水资源承载力是区域( 地区) 水资源在一定的技术经济条件下，在满足生态用 水的前提下，可以支撑的最大的、协调发展的社会经济规模。本文首先给出水资 源承载力的概念、特性及影响因素，并综合分析目前国内外研究水资源承载力的 几种常用方法的优缺点，指出多目标分析法是处理社会一经济一资源一环境系统 这类复杂的多属性多目标群决策问题的比较合适的方法，也是当今水资源管理的 一个走向。在收集、整理大量北京市水资源相关资料基础上得出：北京市多年可 利用水量，在保证率为5 0 、7 5 、9 5 时，分别为4 6 8 4 、3 9 6 6 、3 2 9 2 亿m 3 ， 可年均用水总量为3 8 8 亿m 3 ，水资源供需矛盾十分尖锐。为此建立水资源多目 标分析模型，将城市水资源承载力这个大系统划分为以下5 个子系统，确定5 个优 化目标：g d p ( 国内生产总值，反映经济的发展) ，c o d ( 化学需氧量，反映污染状 况) ，f o o d ( 粮食产量，反映农业生产和社会稳定) ，t w p ( 城市就业人口数，反映经济 与社会发展的综合指标) 和w e ( 生态环境需水量，反映生活环境质量) ，此5 个目标 可充分反映水资源对经济、社会、人口等的承载能力。由于影响各目标的主要因 素是相通的，且这些目标之间又存在相互依存、相互制约的关系，因此不可能追求 单个目标的优化，只能追求整体的最优。计算出：5 0 水平年整体满意度达n o 7 2 5 ， 其中满意度最高的为国内生产总值，最低的为生态环境需水量。最终优化结果， 国内生产总值( g d p ) 为4 6 2 6 9 5 亿元，城市c o d 排放量为1 6 6 7 万t ，城市辖区粮食产 量为2 4 2 万t ，城市就业人口为8 1 3 2 2 万人，生态环境用水量为1 2 0 2 亿t 。 最后，本文从风险管理的角度对北京市水资源短缺的风险进行了探讨。通过 对水资源风险内涵的分析，建立风险度、可靠度、持续稳定性指数、恢复性测度、 整体损失性测度几个指标，来定量分析北京市的水资源短缺：北京市多年平均风 险指数r 为0 7 5 ，系统面临较大的风险；多年的持续稳定性指数c o 为0 ，这表明 在水资源安全的前提下，下一年系统仍处于安全的概率几乎没有，这充分说明了 北京市严重缺水的危害性；而多年恢复性测度为0 1 2 5 ，意味着有时系统处于 不安全的状态较长，要恢复到安全状态时困难较大；整体损失性测度“7 为0 0 3 6 ， 这说明该地区由于缺水造成的损失率为3 6 ，水资源短缺损失严重，并由此提 出实施水资源持续发展的对策建议。 关键词：水资源承载力；模糊决策分析；隶属度；多目标分析方法；满意度分 析；水资源风险管理 i i a bs t r a c t w a t e ri st h eb a s i cr e s o u r c ew h i c hc a nk e e pt h ei n t e g r a t e de c o l o g i c a l s y s t e m ，h u m a ne x i s t i n ga n ds o c i o e c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，h o w e r e ，an u m b l e ro f a r e a sa r o u n dt h ew o r l da r ef a c i n gw a t e rp r o b l e m sw i t hd i f f e r e n tl e a v e l s ， a l o n g w i t ht h e p o p u l a t i o ni n c r e a s i n gm a n u f a c t u r ee x p a n d i n ga n dt h e s p e e d i n gu po fu r b a n i z a t i o np r o c e s s b e i j i n gh a sl o n gb e e no n eo ft h es u p e r m a j o rc i t yw i t c hi st h em o s ts e r i o u s l ys h o r t a g eo ft h ew a t e rr e s o u r c ea 1 1 o v e rt h ew o r l d p e rc a p i t ac o n s u m p t i o no ft h ew a t e rr e s o u r c ei sj u s t1 6 o ft h ee n t i r ec o u n t r y ，a n ditis1 2 5o ft h em u n b e ra llo v e rt h ew o r l d h a v i n gas y s t e m a t i c a l i fr e s e a r c ht ot h eb e a r i n gc a p a c i t yo fb e i j i n gw a t e r r e s o u r c ec o n t a i n sv e r yi m p o r t a n tm e a n so ft h e o r ya n dr e a lit y t h i sp a s s a g e ，w h i c hf i r s t l y b r o u g h tu pt h ec o n n e c t i o no fw a t e r r e s o u r s e 7sb e a r i n gc a p a c i t y ，p r o p e r t ya n di n f l u e n c i n gf a c t o r ，i tt h i n k s t h a tw a t e rr e s o u r s e sb e a r i n gc a p a c i t yi sak i n do ft h eb i g g e s ta n d c o o r d i n a t e dd e v e l o p e ds o c i a le c o n o m ys c a l ew h i c ht h ea r e aw a t e rr e s o u r c e c a ns u p p o r tu n d e rc e r t a i nt e c h n i c a le c o n o m yc o n d i t i o na n do nt h ep r e m i s e o fm e e t i n gt h en e e d so f1 i v i n gw a t e r a n dt h e n ， c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s t h ea d v a n t a g e sa n dd is a d v a n t a g e so fs o m ec o m m a nw a y so nr e s e a r c h i n gw a t e r r e s o u r s e sb e a r i n gc a p a c i t yi na n da b r o a da tt h ep r e s e n tt i m e ，p o i n t e d o u tt h a tt h em u l t i t a r g e ta n a l y s i si sac o m p a r a t i v e l ys u i t a b l ew a yd e a l i n g w i t h s o c i e t y e c o n o m y r e s o u r c e s e n v i r o n m e n t a ls y s t e m t h i sk i n do f c o m p l i c a t e d ，m u l t i a t t r i b u t e d ，m u l t i t a r g e tg r o u p sd e c i s i o np r o b l e m a n d a l s oi st h et r e n do fp r e s e n tw a t e rr e s o u r c e sm a n a g e m e n t a f t e rt h a t ，t h isp a s s a g ec o ll e c t e da n da r r a n g e dag r e a ta m o u n to ft h e r e l a t e dd a t aa b o u tb e i j i n gw a t e rr e s o u r c e ，a r r i v ea tt h e f o l l o w i n g c o n c l u s i o n ：b e i j i n ga v a i l a b l ew a t e rq u a n t i t y d u r i n gt h e s ey e a r s ，w h e nt h e g u a r a n t e er a t ea r e5 0 、7 5 、9 5 ，r e s p e c t i v e l ya r e4 6 8 4 、3 9 6 6 、3 2 9 2 h u n d r e dm i l l i o n sc u b i cm e t e r s ，h o w e v e r ，t h ey e a r l yw a t e rc o n s u m p t i o ni s l l i 3 8 8h u n d r e dm i l l i o n sc u b i cm e t e r s ，t h ew a t e rr e s o u r c es u p p l ya n dd e m a n d c o n t r a d i c t i o ni st e r r i b l ys h a r p ! f o rt h i sr e a s o n ，b u i i du pt h ew a t e r r e s o u r c em u l t i t a r g e ta n a l y s i sm o d e l ，d i v i d et h ec i t yw a t e rr e s o u r s e s b e a r i n gc a p a c i t ys y s t e mi n t ot h ef o l l o w i n gf i v es u b s y s t e m s ，t od e t e r m i n e f i v e o p t i m i z et a r g e t ：g d p ( g r o s s d o m e s t i c p r o d u c t ， r e f l e c t st h e e x p a n d i n go fe c o n o m y ) ，c o d ( c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ，f e f l e c t sp o ll u t i n g c o n d i t i o n ) ，f o o d ( g r a i ny i e l d ，r e f l e c t sa g r i c u l t u r a li n d u s t r ya n ds o c i a l s t e a d y ) ，t w p ( u r b a no c c u p i e dp o p u l a t i o n ，r e f l e c t s t h e a g g r e g a t i v e i n d i c a t o ro fe c o n o m i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n t ) ，a n dw e ( e n t i r o n m e n tw a t e r n e e d s ，r e f l e c t sl i v i n ge n v i r o n m e n tq u a l i t y ) ，t h e s ef i v et a r g e t sc a nf u l l y r e f l e c tt h ew a t e rr e s o u r c ec a r r y i n g c a p a c i t yo ne c o n o m y ，s o c i e t y p o p u l a t i o na n ds oo n b e c a u s eo ft h ep r i n c i p a lf a c t o r st h a ti n f l u e n c ee a c h t a r g e ta r ec l o s e l yl i n k e d ，a n dt h e r ea r er e l a t i o n s h i p so fd e p e n d e n c ea n d r e s t r i c tb e t w e e ne a c ho t h e r s ，s oi ti si m p o s s i b l eg o i n ga f t e rs i n g l e t a r g e t sd e v e l o p m e n t ，w ej u s tc a ns e e kt ot h eu n i t a r yr e l a t i v eo p t i m u m i tf i g u r e so u tt h a t5 0 o ft h ey e a r l yh o l i s t i cd e g r e eo fs a t i s f a c t i o n r e a c h e d0 7 2 5 ，t h et o ps a t i s f i e da m o n gt h e s ei sg d p ，t h el o w e s ti sw e t h ef i n a lo p t i m i z er e s a u l t ，g d pi s4 6 2 6 9 5h u n d r e dm i l l i o ny u a n ，u r b a n c o d d i s c h a r g ea m o u n ti s1 6 6 7t h o u s a n dt o n ，u r b a np o p e d o mf o o di s2 4 2 0 t h o u s a n dt o n ，t w pi s8 1 3 2 2t h o u s a n d ，w ei s1 2 0 2h u n d r e dm i l l i o nt o n i nt h ee n d ，t h ep a s s a g ef a t h o m e do nt h es h o r t a g eo fb e i j i n gw a t e r r e s o u r c ef r o mt h ep o i n to fr i s km a n a g e m e n t a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so f w a t e rr e s o u r c er i s k sc o n n o t a t i o n ，d e f i n et h er i s kd e g r e e ，r e l i a b i l i t y ， c o n t i n u i n gs t a b i l i t yi n d e x ， r e s t o r a b i l i t ye s t i m a t e ，i n t e g r a t e dl o s s i n g d e g r e ei n d e x ，u s et h e s ei n d e x e st ot a k eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sa b o u tt h e s h o r t a g eo fb e i j i n gw a t e rr e s o u r c e ：t h eb e i j i n ga v e r a g er i s ki n d e xri s 0 7 5 ，t h es y s t e mi sf a c i n gab i g g i s hr i s k ：t h ec o n t i n u es t a b i l i t y i s 0 ，i ts h o w st h a to nt h ep r e m i s eo ft h es a f t yo fw a t e rr e s o u r c e ，i nt h e c o m i n gy e a rt h ep r o b a b i l i t yo fs y s t e mi ss t i l lb es a f ei si m p o s s i b l e ， i t i v f u ll yp r o v e dt h er is ko fb e iji n g ss e r i o u s l ys h o r t a g eo fw a t e rr e s o u r c e ： a n dt h er e c o v e r a b i l i t yi n d e x i s0 1 2 5 ，i m p l i e ss o m e t i m e st h es y s t e mi s i nas t a t eo fu n s a f e ，i t sa1 i t t l eb i td i f f i c u l tt or e t u r nb a c kt o s a f e s t a t e ：t h ee n t i r e t yl o s s i n gi n d e x 7i s0 0 3 6 ，i ti n d i c a t e st h i sa r e a s r is kr a t eis3 6 m a d eb yt h es h o r t a g eo fw a t e rr e s o u r c e ，t h es h o r t a g e o fw a t e rr e s o u r c ei ss e r i o u s l yr i s k a n dt h e r e o u tp o i n t e do u tt h e c o u n t e r m e a s u r ea n ds u g g e s t i o no nc a r r y i n go u tt h ew a t e rr e s o u r c e s s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t k e yw o r d s - - w a t e r c a r r y i n gc a p a c i t y ：f u z z yd e c i s i o n m a k i n g ；m e m b e r s h i p d e g r e e ；m u l t i + o b j e c t i v ec o u n t e r m e a s u r em o d e ：w a t e r r e s o u c e 。r i s k m a n a g e m e n t ：s a tis f a c t io na n a l y sis v 原创性声明 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： 受三互捣 日 期：生! 呈! ： ! 墨旦 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下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：巡导师签名：耄亘孕日期：出；。 兰州大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究的背景与意义： i i 1 背景 大自然给予人类阳光、空气、水、土地、矿藏等资源，使生活在地球上的人 类世代延续、生存和发展。水资源是最重要的自然资源之一，它不仅维持生态系 统功能完整和良性循环，而且也维持人类生存和社会经济发展，是国家综合国力 的重要组成部分。 虽然地球表面7 0 以上为水覆盖，水的总储量巨大，然而淡水资源总量却非 常有限，仅占总水量的2 5 ，而其中约7 0 以冰山形式储存于人迹罕至的南极和 格陵兰岛，剩下约3 0 的淡水又有大部分以土壤水分或深层地下水存在。仅不足 淡水总量1 ，才形成了河流、湖泊和水库等人类可以直接利用的宝贵水源。据 有关测算，全球年降水量大约为l 1 0 0 0 0 b n 3 ，其中有很大一部分水量通过蒸发和 蒸腾作用又回到大气中，剩下约有4 2 7 0 0 b n 3 形成为地表径流，构成了人类可以利 用的水资源量嘲。不过，由于地理分布和季节变化的影响，这些水量有很大一部 分分布于偏远地区，或者以洪水径流的形式流走，剩下大约9 0 0 0 b n 3 的基本径流 量，加上人类通过修建水坝或水库截获的约3 5 0 0 b n 3 的径流量，共约1 2 5 0 0 b n 3 的 稳定径流量被人类利用“】。 然而，自2 0 世纪初，特别是6 0 年代以来，由于人口及人均用水量的增长、生 产的扩大和城市化的发展，以及人类在水资源开发利用上存在一定的错误认识和 行为，在全世界范围内，尤其是人类高度聚居的城镇地区，已普遍产生了淡水资 源短缺、水质下降、地下水耗竭及生态系统破坏等严峻问题0 1 。联合国和世界资 源研究所有关专家在最近的评估报告中均指出，水的供应不足将成为2 1 世纪最为 紧迫的资源问题和许多地区发展的主要限制因素之一州。 我国是个水资源短缺的国家。根据2 0 世纪8 0 年代初水利部对全国水资源的评 兰州大学硕士学位论文 价，我国多年平均年降水量为6 1 8 8 9 x l o 。m 3 ( 折合年降水水深6 4 8 m m ) ，多年平 均年河川径流量为2 7 1 1 5 x i 0 。( 折合径流深2 8 4 m m ) ，多年平均年地下水资源量 为8 2 8 8 x 1 0 。m 3 ，两者之间的重复计算水量为7 2 7 9 1 0 。m 3 ，扣除这部分重复水量 后，全国多年平均年水资源总量为2 8 1 2 4 x 1 0 。由于人口众多，我国人均水资 源量不足世界平均水平的1 4 。按1 9 9 7 年人口统计，我国人均年水资源量为 2 2 2 0 m 3 ，预钡d n 2 0 3 0 年当我国人口增至1 6 亿时，人均水资源量将降到1 7 6 0 肼3 ， 接近有关水资源紧张标准。同时，我国的水资源还存在时空分布不均、与人口、 土地资源和矿产资源的匹配程度不好等问题，使水资源开发利用的难度进一步 增大 北京是个严重缺水的城市，人均占有水资源量仅为全国人均占有量的1 6 ， 是世界人均占有量的1 2 5 。受地理、气候等因素制约，北京地区存在年降雨变 化幅度大，年内降雨分布不匀，8 5 降雨量集中在汛期三个月，并有连续丰、枯 年交替出现的特点。其可利用地表水量9 0 0 5 以上来自境外，约占全市可用水量的1 3 。由于上游地区山西、河北省的开发利用，入境水量严重衰减，曾使北京地 区多次出现供水危机。由于干旱缺水，北京地区地下水连年超量开采比较严重， 其中中心区( 城近郊区) 最为严重，目前已累计超采2 0 亿m 3 ，地下水位下降最深 处达4 0 m ，西郊地区近2 0 0 平方公里地区已呈疏干、半疏干状态，自来水供水能 力衰减约1 3i l l 。地下水位下降还造成名泉枯竭、地面下沉、地下水质恶化等 破坏环境生态现象。密云水库地表水已由供农业灌溉为主转向城市供水为主，农 业转向以地下水开采为主。由于卫星城镇的建设，乡镇企业的发展，又挤占了农 业用水，农业用水形势也趋恶化。此外，水源的污染，更加重了水资源紧缺。在 水资源可利用量衰减的同时，北京地区的人口和经济建设却发展很快。随着改革 开放政策的进一步实施、城市建设和工农业生产高速增长，以及“和谐社会”的 构建，特别是2 0 0 8 年奥运会的召开，对环境质量的要求进一步增强，水资源紧缺 形势越趋严重，可以说水已成为北京经济发展的重要制约因素以及和谐社会的 “不和谐”元素之一。 2 兰州大学硕士学位论文 1 1 2 研究的意义 水资源对于未来发展有多大的承载能力，越来越成为大众共同关心的问题， 在此背景下，研究水资源承载力及其量化理论，显得十分必要和迫切。具体而言， 水资源承载力研究具有以下方面的重要意义i l 水资源承载力的研究有利于明确水资源对社会经济支撑能力的有限性及其复 杂的内部机理的了解，加深关于水资源效用综合性和整体性的认识，了解水资源 的全面价值，从而帮助建立正确的水资源开发利用伦理价值观。 2 水资源承载力的研究为社会经济发展决策和城市规划提供水资源方面的支撑 依据，拓展增长经济学方面的研究。目前经济决策和城市规划不能有效地考虑水 资源问题，缺少将水资源和社会经济发展及城市规划结合起来分析的框架，缺少 定量化的方法。 3 水资源承载力是区域可持续发展理论的一个重要组成部分，又是可持续发展 理论在水资源领域的具体运用，是水资源利用可持续与否的有力判据。水资源承 载力的量化指标体系和评价方法也是可持续发展指标体系的重要组成部分 4 水资源承载力的研究可以用来评价水资源管理部门的管理水平、绩效和应对 能力，也可以根据综合评价结果，评价水资源开发利用与社会经济之间的协调程 度。如果建立起常规的水资源承载力指标体系，就可以对社会经济发展和水资源 ( 环境) 的适宜性进行监测，从而帮助地方政府迅速做出政策响应，提出改善措施。 5 水资源承载力研究对于水资源学科自身的发展也具有理论上的重要意义。水 资源承载力借助于其与自然水资源生态系统及宏观社会经济系统的双重联系，可 以将目前在水资源学科领域发展起来的各种理论、原则和方法集成到一起，构建 较完善的、适应当前社会经济环境和发展观念的水资源可持续发展理论体系，为 实施具体的水资源管理提供切实的分析手段删。 1 2 承载力概念及其特性： 1 2 1 水资源承载力的概念 “承载力”一词最早起源于生物学，指的是在一定环境条件下某种生物个体 兰州大学硕士学位论文 可存活的最大数量。在力学中，承载能力的含义是指一个承载体在不受破坏的情 况下可以承受的最大外力或是荷载。后来，地理学者把“承载力”概念引用到地 理学中，进行土地承载力分析，认为土地承载力是在保证与社会发展阶段相适应 的物质生活水平下，一个国家或地区的土地资源所能持续供养的人口数量。2 0 世纪7 0 年代以来，承载力研究从土地资源扩展到整个资源领域，提出了生态承 载力、环境承载力、资源承载力，用于说明生态系统、环境系统、资源系统所能 承受的人类活动的限度，探讨了生态、环境和资源与人口、经济发展的关系。水 资源承载力概念是上个世纪8 0 年代提出的，但迄今为止仍然没有形成一个系统 的、科学的理论体系，即便是关于水资源承载力的定义，国内外也没有统一的认 识。许多学者在资源承载力、环境承载力等概念的基础上定义水资源承载力。” 譬如：冯尚友认为，水资源承载力是一定区域、一定物质生活水平下，水资源能 够持续供给当代和后代人需求的规模和能力“”王建华等人认为水资源承载力 是在将来不同时间尺度上，以预期的经济技术发展水平为依据，在对生态环境不 构成危害的情况下，某一区域内可利用水资源持续供养一个良性社会体系的能力 。姜兆雄在长江水资源承载力研究“”一文中，指出水资源承载力是一定时 期、一定环境状态下，某一区域水资源对人类经济、社会活动支持能力的阈值。 薛小杰等人认为城市水资源承载力是指某一城市( 含郊区) 的水资源在某一历史 发展阶段下，以可预见的技术、经济和社会发展水平为依据，以可持续发展为原 则，以维护生态环境良性循环发展为条件，经过合理优化配置，对该城市社会经 济发展最大支撑能力。叼。以上概念反映了水资源承载力的自然、社会特性，符合 可持续发展的原则。综合众多学者的思想，本文提出：水资源承载力是区域( 地区) 水资源在一定的技术经济条件下，在满足生态用水的前提下，可以支撑的最大的、 协调发展的社会经济规模。 1 2 2 水资源承载力的特性 从水资源承载力的概念可以看出，水资源承载力具有以下几个特性： 1 动态性承载主体即水资源的数量是时间和空间的函数，不同的区域水资源 量不相同，同一区域不同时间的水资源量也会不同。并且在不同的发展阶段，人 类开发水资源的技术手段、社会对水资源的配置、社会各行业的用水水平以及社 4 兰州大学硕士学位论文 会经济结构有所不同，水资源的承载力相应不同。 2 极限性在某一阶段下，定区域范围的本土水资源量以及外调水资源量和 一定技术经济条件下的水资源利用率、水环境容量是有限的，所以水资濂承载力 呈现相对的极限性。 3 模糊性水资源承载力涉及到水资源、经济、社会、人i ；1 1 以及水环境等诸多 因素，各因素之间相互制约、相互促进，构成一个复杂的动态系统。系统存在着 许多的不确定性因素，如政府的政策法规、商品市场的运作规律及人文关系等。 由于水资源承载力系统的复杂性、不确定性以及人类认识的局限性，水资源承载 力存在着模糊性。 1 2 3 水资源承载力的影响因素 1 水资源可利用量水资源可利用量与水资源自然条件、水资源的开发利用技 术、水资源的质量等因素有关。水资源可利用量越多，水资源承载的社会经济规 模越大。 2 社会消费结构与水平在社会生产能力确定的条件下，社会消费水平与结构 将决定水资源承载力大小。在同样生产力水平的情况下，可以承载在较低生活水 平下的较多人口，也可以承载在较高生活水平下的较少人口。 3 水资源配置状况不同的用水结构、不同的水资源配置状况将决定水资源承 载力的构成。为了提高水资源承载力需要对用水结构进行调整和对水资源配置进 行优化。 4 市场与政策法规因素商品市场的存在决定了产地销地之间产品的调出调入， 生产单位产品所耗用的水资源也随之调入调出，从而对水资源承载力产生影响。 政策法规因素对区域产业结构和市场格局均会产生影响，从而对水资源承载力产 生影响。 i 3 研究进展及其方法 1 3 1 研究进展 在国际上水资源承载力的单项研究的成果较少，大多将其纳入可持续发展理 兰州大学硕士学位论文 论中，如j o n a t h a n 等( 1 9 9 8 年) 从供水的角度对城市水资源承载力进行了相关研 究，并将其纳入城市发展规划当中“”。r i j i b e r m a n j 等在研究城市水资源评价和 管理体系中将承载力作为城市水资源安全保障的衡量标准“”。h a r r i s 着重研究了 农业生产区域水资源农业承载力，将此作为区域发展潜力的一项衡量标准“”。 随着我国社会经济的不断发展，水资源问题日益突出，水资源承载力研究越 发受到广大学者的关注。在不断的探索中，不少学者提出了水资源承载力的定义， 这些定义在不同程度上反应了其内涵，但表述说法不一、侧重点不尽一致，到目 前为止还没有形成一个普遍接受的定义，但这些研究为水资源承载力定义的统一 奠定了基础。另外，从收集的资料来看，水资源承载力的研究涉及面非常广。横 向上有不同行政区域、流域及具体城市水资源承载力的研究，如阮本青呻1 对黄河 下游沿黄地区、徐中民阿1 等对黑河流域、张立蚴对珠江流域水资源承载力分别进 行了研究；朱一中嘲对西北地区、王在高嘲1 对岩溶地区的水资源承载力分别进行 了研究等。纵向上有对水资源承载力现状的研究，也有对未来的预测，如王建华 m 对乌鲁木齐市1 9 9 3 2 0 2 0 年间的水资源承载力进行了预测；陈冰渊等对柴达木 盆地2 0 2 0 年和2 0 5 0 年的水资源承载力进行了分析和预测等。尤其是严重缺水地区 及生态环境脆弱韵西北地区的水资源承载力问题更是受到了极大的关注，很多学 者多次对关中地区、黑河流域的水资源承载力进行了探讨，这些研究不但丰富了 水资源承载力理论，而且对区域水资源合理开发利用起到了积极的作用。 根据水资源承载力研究现状，今后的研究重点主要在于：( 1 ) 加强基础理论 研究。只有对水资源承载力的概念、内涵有一个完整的认识，水资源承载力的评 价、计算才能有公认的理论基础；在此基础上才能寻找更有效的研究思路、方法， 所得结果也才更有现实指导意义。( 2 ) 加强生态环境需水的研究。生态环境是一 切社会经济活动的载体，只有保障了生态环境需水，可持续发展才有了保障。目 前，生态环境需水的研究尚处于起步阶段，其量化方法还不成熟。因此，今后需 加强生态需水的研究，为水资源承载力的研究提供一个前提。( 3 ) 引入新技术、 方法。以往的研究方法虽各有不足之处，但也是值得借鉴的。此外，还应充分运 用遥感、地理信息系统等先进技术，与以往的研究成果结合解决水资源承载力方 面的问题。( 4 ) 加强有应用价值的水资源承载力研究。水资源承载力的研究最终 目的是用来指导生产，以实现社会可持续发展。但关于水资源承载力的研究能应 6 兰州大学硕士学位论文 用到实践中的不多，今后应加强具有应用价值的水资源承载力研究。 1 3 2 研究方法 水资源承载力的研究关系到样区环境、人口和经济发展规模和持续发展的前 景，是一项涉及面广、内容复杂的重要问题，目前尚无统一和成熟的方法，根据 不同的定义及研究思路，不同学者引入了不同的方法。目前水资源承载力的研究 方法主要有：背景分析法、常规趋势法、系统动力学方法、模糊综合评判法、主 成分分析法和多目标决策法等。 背景分析法是在一定历史时段内，将研究区与自然和社会背景相似的区域的 实际承载情况对比，选取一个或几个承载因子进行分析，推算研究区可能的承载 能力。比较典型的是河西走廊与以色列的水资源分析研究。 常规趋势法以可开采水量为基本依据，在满足维持生态环境的起码要求及合 理分配国民经济各部门的用水比例的前提下，适当考虑建设节水型农业和节水型 社会，并在此基础上计算水资源所承载的工农业及人口量。施雅风嘲等( 1 9 9 2 年) 采用此方法对乌鲁木齐河流域水资源承载力进行了研究。 系统动力学方法是一种以反馈控制理论为基础，以计算机仿真技术为手段， 研究复杂的社会经济系统的定量方法，即用一阶微分方程组描述系统各状态变量 的变化率对各状态变量的依存关系。王建华“”等( 1 9 9 9 年) 利用系统动力学模型 对乌鲁木齐市水资源承载力进行了研究；陈冰汹1 等( 2 0 0 0 年) 根据地区特点，以 人口为承载目标建立了柴达木盆地水资源系统动力学仿真模型；惠泱河( 2 0 0 1 年) 在探讨运用系统动力学方法研究水资源承载力的可行性基础上，建立了二元 模式下水资源承载力系统动力学动态仿真模型，并以陕西关中为例研究了不同方 案下的水资源承载力；吴九红嘲( 2 0 0 3 年) 建立了城市水资源承载力的系统动力 学( s d ) 模型，并以郑州市为例，对城市水资源承载力系统进行了实证分析。 模糊综合评价方法是在对影响水资源承载力的各个因素进行单因素评价的 基础上，通过综合评判矩阵对其承载力做出多因素综合评价，用模糊数学对受多 种因素制约的事物和现象做出总体评价的方法。用该方法分析水资源承载力的实 例很多，如许有鹏嘲等( 1 9 9 3 年) 将模糊综合评判方法应用于和田河流域的水资 源承载力研究中，建立了分析评价模型；肖满意嘲( 1 9 9 8 年) 对区域水资源承载 兰州大学硕士学位论文 能力综合评价指标体系及多因素综合评判方法进行了探讨，通过建立灰色与模糊 综合评判模型，对山西省各流域及水资源分区的水资源承载能力进行了评价：秦 莉云等( 2 0 0 1 年) 利用模糊综合评判模型对准河流域水资源承载能力进行了评 价研究；朱一中嘲等( 2 0 0 3 年) 建立了水资源承载力评价指标体系，对各评价指 标的可承载极限临界值和理想值进行了界定，建立了水资源承载力模糊综合评判 模型，并运用其对西北地区现状年及未来的水资源承载状况进行了评价。 主成分分析法就是在保证数据信息丢失最小的原则下，以少数的综合变量取 代原始采用的多维变量，也就是对高维变量空间进行降维处理，把原来多个指标 化为少数几个综合指标的一种统计分析方法。傅湘嘲等( 1 9 9 9 年) 用主成分分析 法对陕西汉中平坝区水资源承载力进行了综合评价等。 多目标决策法是选取能够反映水资源承载力的社会、经济、人口、生态环境 等若于相互依存、相互制约的目标( 影响这些目标的主要因素是相通的) ，按照 社会可持续发展的原则，用系统分析和动态分析方法通过建立模型研究不同水平 年、不同策略方案下水资源所能承载的生态、经济、人口规模。贾振邦等( 1 9 9 5 年) 就不同备选方案下关中地区的水资源承载力，建立了区域水资源承载力多目 标分析评价模型；徐中民眦1 等( 1 9 9 9 年) 在传统多目标分析决策技术的基础上， 结合黑河流域的具体情况提出了情景基础的水资源承载力多目标分析框架：薛小 杰“”等( 2 0 0 0 年) 应用系统科学的原理和方法，建立了水资源承载力多目标核心 模型，并应用此模型，对西安市水资源承载力进行了实例研究；苏志勇叫1 等( 2 0 0 2 年) 以黑河流域中游为例，提出了研究水资源承载力的多目标模型和纳入生态价 值模块的途径和方法等等。 以上各方法在应用中均存在着一定的不足之处，如背景分析法多局限于静态 的历史背景，系统动力学方法过程复杂，且其中涉及的参变量不好掌握，易得出 不合理结论，模糊综合评判法使大量有用信息遗失，模型的信息利用率低，主成 分分析法仅适用于分析某一区域固定年份水资源承载力的空间差异情况等，多目 标分析方法虽然在目标的选定上有一定的困难，在社会一经济一资源一环境系统 内涵关系的刻划上也存在一定的局限，但是它把运筹学与管理学联系起来，是处 理社会一经济一资源一环境系统这类复杂的多属性多目标群决策问题的比较合 适的方法，也是当今水资源管理的一个走向。 兰州大学硕士学位论文 第二章研究区水资源承载力定量评价 2 1 水资源承载力评价模型 依据水资源承载力的研究理论和研究方法，建立以下几个承载力评价模型。 2 1 1 模糊综合评价模型 模糊综合评价方法是在对影响水资源承载力的各个因素进行单因素评价的 基础上，通过综合评判矩阵对其承载力做出多因素综合评价，用模糊数学对受多 种因素制约的事物和现象做出总体评价的方法 为此先确定对研究区水资源承载能力影响显著的影响因素作为参考指标，记 作x o ( k ) ，k = l ，2 ，3 ，m ，m 为研究区的地区数，其余指标作为比较指标，记作 毛( 后) ，i = l ，2 ，3 ，n ，n 为比较指标个数。将各个指标进行无量纲化，消除因单位 不同而造成的影响，其方法是所有数据均用其平均数除，即无量纲化后的蕾( 为 x , c d 而( d ，从而得到新的数列然后计算关联系数和关联度：各比较指标 五( 七) 对参考指标x o ( d 的灰色关联系数计算公式： = 等鹅器筹帮 式中：善( 力( 七) 表示第i 个因数在第k 个地市对参考指标的关联系数，p 为分辨率， n 乒n 扣k ( 七) 一而o ) l 表示i ，k 两级的最小差，m f l ”炒k ( d 一而( 七) i 为i ，k 两级的 最大差。将信息过于分散且不便于比较的各区的关联系数集中处理成一个值，若 采用求其平均值的方法，其公式为： ，( d 。万i 善m 洲” 式中：r ( i ) 为第i 个比较指标对参考指标的关联度。根据关联度r ( i ) 选出用于分析 水资源承载力的指标体系。 9 兰州大学硕士学位论文 设给定两个有限论域= 似，u 2 ，“ ，v = v s ，屹，v _ ，其中：“代表综合评 价的因素所组成的集合，1 ，代表评语所组成的集合。则模糊综合评价即表示为下 列模糊变换b - - a * r ，式中：a = “，呸，口_ ) ，o s q s l 为上的模糊子集，代表 各个因素对综合评判重要性的权系数，其中q 即为u s 对4 的隶属度，它表示单因 素在总评定因素中所起的作用大小的变量，也在一定程度上代表根据单因素珥 评定等级的能力，因此满足q = 1 。而评判矩阵： r = ，i i ，i 2 r 2 1 吃 吒 r ir , 2 ，肼 式中：7 i 表示因素嵋的评价对巧的隶属度，因而矩阵r 中第所亍焉= ( ，：，即 为对第i 个因素的单因素评判结果。则模糊变换b = 一五为1 ，上的模糊子集， 可退化为普通矩阵计算，表示为：占= 俩，岛，既) ，o s 岛s l ，即 屯= 幽艟q ) ， 综合评