（环境工程专业论文）秦淮河流域江宁区水环境承载力评价及可持续利用研究.pdf

摘要 流域水环境承载力是自然资源承载力的重要组成部分，是人类经济社会与河 流生态环境协调发展的重要影响因素。开展水环境承载能力研究，对于协调区域 社会经济发展与水资源、水环境关系，实现区域可持续发展，具有十分重要的意 义。论文以秦淮河流域江宁区为例，进行了区域水环境承载能力评价及可持续利 用研究。主要研究成果如下： ( 1 ) 进一步探讨了水环境承载力内涵，分析了与传统水资源承载力和水环境 容量概念的联系与区别。在水环境承载力关键影响因子分析的基础上，构建了水 资源一水环境一社会一经济相互耦合的水环境承载力概念体系。 ( 2 ) 针对秦淮河流域特征，选取关键指标构建了水环境承载力的评价指标， 使用层次分析法确定各个指标的权重，用承载度的概念对水环境承载力评价结果 进行表征，形成了秦淮河流域水环境承载力的量化模型体系。 ( 3 ) 在水环境承载力已有量化模型研究的基础上，对模型的资源模块，增加 了水资源配置功能模拟；对模型的环境模块，细化了污染物产生、处理及其排放 途径的模拟。建立了适用于秦淮河流域的水环境承载力系统动力学模型。 ( 4 ) 秦淮河流域水环境承载力的量化模型模拟结果说明，秦淮河流域江宁区 在现有发展模式下，水环境现状处于弱承载边缘，水环境承载力呈逐渐下降趋势。 分析了不同人口、工业发展规模对水环境承载度的影响大小。 ( 5 ) 针对研究区域水环境承载力现状，提出节水减污、资源调配和污染治理 等可持续发展策略，运用水环境承载力量化模型模拟了不同方案下水环境承载度 变化，提出了研究区域可持续发展建议。 关键词：水环境承载力系统动力学评价指标可持续发展秦淮河流域 a b s t a c t t 1 1 ew a t e re n v i r o n m e n tc a r 巧i n gc a p a c i t ) ，( s i m p l i f i e da sw e c c ) o fr i v e ri st l i e i m p o r t a n tp a r t o fn a t u r a lr e s o u r c e sc 邺7 i n gc a p a c i 锣d u r i l l gt 1 1 e d e v e l o p m e n t p r o c e d u r ei 1 1r i v e rb 确n 1 1 啪u 曲s t u d y i i l gt h cw e c co fr i v e r ，w ec a l lh a r l l l o i l i z et l l e r e l a t i o n 蛳p绷o n ge c o l o g i c a lc o n s t r u c t i o 玛p e o p l e s l i f e锄dw a t e rr e s o u r c e 明v i r 0 姗e n t i ti sv e 巧i m p o n a n tm e a i l i n gf o rs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n td i s t r i c t t 1 1 i s p 印e rt o o kj i a n g l l i n gi nq i n l l u a ib a s i i li i l 弱a 1 1e x a m p l et 0s t u d yt h ew e c co f r i v e r t h em a i na c m e v e m e n t so b t a i n e d 羽旧a sf b l l o w s ： ( 1 ) 1 1 1 e o r e t i c a l l yt 1 1 i sp a p e rd i s c u s s e dt h ec h 撇c t e r i s t i ca i l de s s e n c eo fw e c c ， a n a l y s i n gt l l ec o n 僦i n ga 1 1 dd i 疏r e n c e 谢t i lt h ec o n c e p to fw a t e rr e s o u r c e sc 印a c 时 a 1 1 dw a t e re n v i r o n m e n t a lc a p 撕t y i tb u i l tt h ew a t e rr e s o u r c e s - e n v i m m n e n t s o c i e 够 e c o n o m yc o n c e p tm o d e lo fw e c co fr i v e r ，b ya 1 1 a l y z i n gm ec r i t i c a le 疏c tf a c t o r s0 f ，e c co fr i v e rb a s i n ( 2 ) f o rq i n h 喊b a s 吨证e v a l u a t i o ni n d e xs y s t e m0 fw e c ci sd e c i d e db y a n a l 如ch i e r a r c h y - t h er e s u l to fe v a l 删i o ni se x p r e s s e db yw a t e re r l v i r o 舢e n t c a r 巧i n gs t a t e 1 1 1 e o r e t i c a l l y ，t 1 1 eb a s i cm o d e ls y s t e mo fw e c c o fr i v e rb a s i ni sb u i l t ( 3 ) b a s e do nt h ep r e v i o u sm o d e lo f 、砸c c ，妇1 i sp a p e ri m p r o v e dt h ew a t e r r e s o u r c em o d u l eb ya d d i n gw a t e rr e s o u r c e sa l l o c a t i o n ，t h ew a t e re n v i r o n m e n tm o u d l e b ya d d i n gp o l l 此m tg e n e r a t i o na 1 1 dt r e 釉e n t s y s t e md y n 糊i c s ( s i h l p l i f i e da ss d ) o f w e c cm o d e lw a sb u i l ta p p l i c a b l et ot h eq i n h _ u a ib a s i l l ( 4 ) b a s e do nt l l ew a t e re n v i r o 姗e n t a lc a p a c i t yo fj i a i l 舀血gi nq i n h u a ib a s i n ，i t s i m u i a t e dt 1 1 ei n d e x e si nw e c c ，a i l a l y s e dl i v i n gc o n d i t i o na n dt h ec l m g i n g 舵n d n w o u l dd e c l i n ei nc u r r e n tt r e n d ，c a u s e db yr a p i d 笋o w t hi np o p u l a t i o na n di i l d u s t 叮 ( 5 ) a c c o r d i n gt ot h ee v a l u a t i o nr e s u l to fr e s e a r c hr e g i o n ，m e a s u r e ss u c ha ss o c i o - e c o n o m i ca 枷u s t i n e m ，w a s t e w a t e rr e d u c t i o nb yw a t e rc o n s e r v a t i o n ，o p t i m a la l l o c a t i o n o fw r a t e rr e s o u r c e s ，w a s t e w a t e r 仃e a t m e n tw e r ep u tf o r w a r dt o h e l p 、析t h t i l e s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ts t r a t e g yi nq i l l h 谢b a s i n t h eo p t i m a ls t r a t e g yw a ss e l e c t e d b ys i m u l a t i i 培v a r i o u sd e v e l o p m e n t si n d i 舒宅r e n ts c e n a r i o s e s ，w l l i c hh a sp r a c t i c 甜 s i 印i f i c a n c ef o ri m p r o v i n gt h ee c o l o g i c a lah u m a ns u n ，i v a le n v i r o i m l e n to ft h e q i n h u a ib a s i n k e yw o r d s ：w e c c ，s y s t e md y n a m i c ，e v a l u a t i o ni n d e x ，s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ， o i n h u a ib a s i n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：垒：! !年月 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 叠：! !年 月 日 秦淮河流域江宁区水环境承载力评价及可持续利用研究 第l 章绪论 1 1 研究背景和意义 水是关系到人类生存和社会发展的基本物质条件，是一种有限的、无可替代 的宝贵资源，是实现经济社会可持续发展的基础条件和重要保证。随着人口增长 和社会经济的发展，水资源短缺和水环境破坏已成为全球性的严峻问题。1 9 9 7 年联合国人类环境和世界水会议向世界发出警告：“水不久将成为一项严重的社 会危机，石油危机之后下一个危机是水 。水不仅是最宝贵的自然环境，而且又 是区域内重要的环境因素【l 】。水资源是基础自然资源，是生态环境的控制性因素 之一，同时又是战略性经济资源，是一个国家综合国力的有机组成部分，水资源 正日益影响全球的环境和发展【2 1 。 水环境承载力是在人们对社会可持续发展与水环境相互关系有了较深刻认 识的基础上被提出来的。人类社会发展初期，生产力水平低下，人类生产活动对 水环境破坏程度轻微，水环境并没有对社会发展带来制约作用，直至工业革命以 前，水环境问题一直没有成为社会的突出问题。随着工业革命的发展，人类开发 利用和改造自然的能力空前增强，人类从自然界获取的资源越来越多的同时，排 放的污染物也迅速增加，其排放量已远远超出水环境的自净能力，水环境质量日 益恶化，人们开始注重水环境问题的研究。少量污染物进入水环境并不会引起环 境质量的明显变化，但水环境的纳污量是有限的，污染物的排放量超过一定限度 之后，水环境质量就会发生恶化。随着污染物种类和数量的增多，水环境构成的 制约作用越来越明显，人们不得不考虑水环境与社会经济协调发展的问题。尤其 当人类社会进入二十世纪后，生产力飞速发展，环境污染日趋严重，在某些地区 资源的掠夺性开发及环境污染己威胁着人类自身的生存，人们开始思考健康的经 济发展模式。19 8 7 年，世界环境与发展委员会及挪威首相希伦特兰( b m i l d t l a l l d ) 提出了我们共同的未来这份著名的纲领性报告，可持续发展的概念被定义为 “既满足当代人的需要，又不对后人满足其自身需要的能力构成危害的发展 。 为了实现可持续发展人们很自然地提出了环境承载能力的问题，即人们寻求的资 源开发程度和污染水平，不应超过环境承载能力。 我国是人均水资源短缺的国家，加之水资源时空分布不均匀，水土资源的布 局不相匹配，年际变化较大，尤其是干旱与半干旱地区，水资源开发利用与生态、 河海大学硕士论文 环境的矛盾日益突出。过去的2 0 年，国民经济高速增长对水资源的需求，靠挤 占农业及生态环境用水，以牺牲生态环境为代价。产生了水环境、水域生态系统 严重破坏的普遍现象，在北方地区出现了天然绿洲和湖泊萎缩、荒漠化面积扩大、 黄河断流、华北平原地区地下水严重超采，在长江中下游区域出现了水质恶化、 湖泊富营养化生态环境问题。同时随着经济、城市的高速发展，人口的不断增加， 废污水排放量快速增长，其中8 0 左右未经处理直接排入水域，7 0 以上的河段 受到污染，造成水体污染和水环境质量恶化。加强污染防治及水环境容量和承载 力的研究显得十分重要。水利部汪恕诚部长在水环境承载能力分析与调控的 报告中，论述了我国当前水利面临的三大课题即：洪涝灾害，干旱缺水，水环境 恶化，并着重指出“我国水污染的问题不仅会越来越严重，而且治理的难度也最 大，造成的严重后果不亚于洪灾和旱灾，己经到了迫在眉睫，非解决不可的时候 了”1 3 1 。因此研究水环境承载力，对优化水资源配置、保护水环境，协调区域生 态建设、人民生活、工农业生产与水资源、水环境的关系，实现区域可持续发展， 起到重要的作用f 4 】。 水环境承载力( w a t e re n v i r o n m e n t a lc a r i y i n gc 印a c i t y ，即w e c c ) 研究属 于区域可持续发展的研究范畴。水环境承载力既是衡量水环境是否具有可持续性 的一个重要指标，也是水环境能否支持社会经济发展联系的一个关键指标，对于 实现区域社会一经济一生态环境复合系统的协调发展具有重要意义，已成为当前 水科学研究领域中的重点和热点问题之。 秦淮河是南京的母亲河，南京城的发展同秦淮河息息相关，相存相依。秦淮 河流域的主体位于江宁区。2 0 世纪8 0 年代以来，特别是1 9 9 2 年以后，开发区、 机场及高速公路建设与撤县设区大大增加了秦淮河流域的水资源开发利用，水质 恶化趋势明显，对秦淮河下游南京市区造成了资源和环境压力。为了适应时代的 发展，实现水资源的合理利用，促进流域生态环境的恢复和重建，保证秦淮河流 域的可持续发展，缓解水环境的日益恶化，必须研究秦淮河流域的水环境承载力。 本文结合“南京市秦淮河流域节水减污措施研究”课题，以秦淮河流域江宁区作 为主要研究对象，将水环境承载力与流域的社会经济发展联系起来，制定水环境 与社会经济协调发展的经济战略，以使人类在不破坏生态环境的基础上优化发展 社会经济。因此，秦淮河流域江宁区水环境承载力的研究对水环境保护和社会可 持续发展都有着重要的理论和现实意义。 秦淮河流域江宁区水环境承载力评价及可持续利用研究 1 2 国内外研究现状 1 2 1 水环境承裁力概念与内涵 早期的承载力研究首先与生态学的发展密切相关，1 9 2 1 年，p a r kr f 和 b u r g r e s se w 在人类生态学杂志中，提出了承载力的概念。即“某一特定环境条 件下( 主要指生存空间、营养物质、阳光等生态因子的组合) ，某种个体存在数量 的最高极限 。1 9 世纪末期开始在畜牧场管理中得到应用，后来逐渐被写入生态 学教材。2 0 世纪6 0 年代以后，随着人、资源和环境问题日趋严重，人口和环境 承载力得到了较多的研究和探讨，承载力成了一个探讨可持续发展问题所不可回 避的概念，目前已在生态规划与管理等多个领域得到广泛的应用。后来这一术语 被应用于土地、资源、环境等各个领域，产生了不同的承载力概念和相应的承载 力理论，如土地承载力、资源承载力、环境承载力等等。1 9 6 8 年日本学者首先 提出了环境容量的概念，1 9 7 5 年环境计量化调查研究报告一文发表以来，环 境容量在日本得到广泛的应用，以环境容量研究为基础，制定了日本环境总量控 制制度。 自7 0 年代起环境承载力广泛应用于环境管理与环境规划中。1 9 7 4 年， b i s h o p 【5 】在环境管理中的承载力一书中指出：环境承载力是维持一个可以接 受的生活水准下，一区域所能永久承载的人类活动的强烈程度。d s c l u l e i d e r i o j 强调，环境承载力是：“自然或人造环境系统在不会遭到严重退化的前提下，对 人口增长的容纳能力”。世界自然保护联盟、联合国环境规划署、世界野生生物 基金会 7 】在共同发表的保护地球一可持续生存战略一书中对承载力的概念进 行了描述：“地球或任何一个生态系统所能承受的最大限度的影响就是其承载 力”。人类对这种承载力可以借助于技术而增大，但往往是以减少生物多样性或 生态功能作为代价的，然而在任何情况下，也不可能将其无限增大。这一极限取 决于系统自身的更新或对废弃物的安全吸收。 2 0 世纪8 0 年代，水资源承载力的概念被提出。9 0 年代中期，水资源承载 力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，已引起学术界 的高度关注，并成为当前水科学研究中的一个热点，但国外的研究往往仅限于就 水体谈水体，将其作为一个综合体，从各要素相互联系、相互制约的角度谈水资 源承载力的地域分异尚未见报导。 河海大学硕士论文 水环境承载力( w a t e re n v i r o n m e n t a lc a n 了i n gc 印a c i 以w e c c ) 是承载力概 念与水环境领域的自然结合，是水环境容量和水资源承载力概念的融合与延伸。 目前有关研究主要集中在我国，国外专门的研究较少。北美湖泊协会曾对湖泊承 载力进行定义【8 】。美国u r 5 公司曾对佛罗里达k e y s 流域的承载能力进行了研究 【9 】【1 0 】。另有对c 0 x s 河、e id o r a d oc o 呻河流以及d c e pc r e e k 湖进行相关研究 的报告”13 1 。f a l k e n m a r k 等一些学者也有一些研究涉及到水资源的承载限度 【1 4 - 1 6 1 。1 9 9 8 年j o 矾a r 【1 7 】通过对城市用水供应和卫生系统等基础设施的承载力进 行评价，以决定城市可持续发展的相对潜力。研究中提出了一系列涉及数量和质 量的指标用来评价供水、污水排放和固废处理等的承载能力i l 引。一些国际组织 也进行了相关的研究，如2 0 0 2 年亚洲发展银行给出了中国水资源承载力研究的 技术支持框架【1 9 】。此外，国外一些对于流域、海湾、湖泊等水体进行的生态学意 义上的承载力研究中也涉及到一些水环境承载力研究。如b a n h 0 1 0 m e w f 2 0 j 提出了 有效的河口水质预测模型，根据水质、河口流体动力学和承载能力分析了洪都拉 斯南部河口可能的捕虾量。p d u a n e 和k fc h e n 也进行了类似的研究【2 1 】。 国内环境承载力的概念最初出现在我国沿海新经济开发区环境的综合研究 一福建省湄州湾开发区环境规划综合研究报告中，是指在某一时刻、某种状态 或条件下，某地区的环境所能承受的人类活动的阈值【2 2 1 。水环境承载力的系统研 究起步较晚，与水环境承载力密切相关的基础研究却已经有了相当的积累，如水 域纳污能力计算分析、水环境容量研究、水环境价值与效益核算等等，但对水环 境承载力系统各要素的内涵、特征、变化关系和定量化表征等问题，尚未见有较 为系统的成果f 2 3 】。 水环境承载力的概念，目前还没达成一个统一的认识：崔凤军【2 4 1 ，何少苓 【2 5 】，郭怀成 2 q 等认为：水环境承载力可以理解为在某一时期，某种状态或条件 下，某地区的水环境所能承受的人类活动作用的阈值。此定义侧重于人类经济发 展行为在规模、强度或速度上对水环境造成的压力；汪恕诚，申献辰【2 7 】等认为： 水环境承载力指在一定的水域，其水体能够被继续使用并保持良好生态系统时， 所能够容纳污水及污染物的最大能力。侧重于水体的纳污能力，更多的关注水质； 廖文根【2 8 】等认为：水环境承载力指水环境系统功能可持续正常发挥前提下接纳 污染物的能力( 纳污能力) 和承受对其基本要素改变的能力( 缓冲弹性力) ，即水 环境承载力包括纳污能力和缓冲弹性力两个方面，并且以水环境系统功能的可持 秦淮河流域江宁区水环境承载力评价及可持续利用研究 续正常发挥为前提。该定义中水环境基本要素是指水体、河道、河岸，其中水体 包括水量、水流条件和水质条件：河道包括河道形式、河床地形、底泥；河岸包 括河岸形态、河岸植被、景观等。此定义赋予了水环境承载力更具体丰富的含义， 从力学的角度分析，增加了缓冲弹性力，也就是水环境的一种调节能力；崔树 彬【冽等认为：水环境承载力也就是通常所说的水环境容量或者说是水环境( 水体) 纳污能力、水环境允许污染负荷量。此定义着重从水环境的纳污及自净能力方面 来研究。 根据上述对水环境承载力的定义，其内涵至少包括四个方面1 3 0 ，3 1 】：一是人们 在一定生活水平和生活质量要求下的承载力，反映在环境方面就是要求满足一定 的环境质量标准；二是水体纳污能力，反映在环境方面为相应的污染物容量；三 是在满足前两个条件的前提下，可支撑社会可持续发展规模，而这又与人们的生 产活动方式有关；四是水体自我维持、自我调节能力和纳污能力是水环境承载力 的支撑部分，社会可持续发展规模是水环境承载力的压力部分。从本质上说，水 环境承载力是由水环境系统结构决定的，是表征水环境系统的一个客观属性，是 水环境系统与外界物质输送输入、能量交换、信息反馈的能力和自我调节能力的 表现，它体现了水环境与人和社会经济发展活动之间的联系。水环境承载力是有 限度的，当人类的行为活动超越了这个限度，水环境系统的结构和功能将会发生 质的变化，它反过来影响人类的生存和发展。而远离水环境承载力这个限度的人 类行为，不能让人类取得最大利益，从而又影响了人类的快速发展。 人类利用和改造自然资源的同时，给环境过多的压力，引起了环境系统的破 坏。为实现可持续发展，人类活动应遵循水环境客观存在的自然规律，同时人类 水环境资源观和价值观的变化也相应地发生变化，水环境承载力也表现出很多特 征。综合起来，水环境承载力具有以下特点【3 2 。5 】： ( 1 ) 水环境承载力的客观性。在某一特定时空和状态下，水环境的自我调 节能力和纳污能力，所支撑的入口、经济及社会可持续发展的最大规模都是一定 的。因此，在特定时期，水环境的承载力是固定的，是客观存在的。 ( 2 ) 水环境承载力的动态性。在自然界，生态环境系统是动态平衡的。所 有的自然系统的平衡都处在一种相对稳定的状态，即围绕中心位置有自然波动， 虽然这种波动有时可以偏离到不同的平衡位置，但总体上是在中心位置上下波 动。因此，水环境是一个相对稳定的系统，水环境承载力是围绕一个中心值不断 河海大学硕士论文 波动而不是固定不变的，具有动态性。 ( 3 ) 水环境承载力的时代性。水环境承载力是相对于某一流域( 区域) 范 围特定时期、特定的社会经济发展状况和水平而言，同时人类要求的环境质量标 准也因时代而有所不同，所以对“水环境系统功能可持续正常发挥 的认同程度 在不同时期是不同的，这取决于当时对水环境资源特性和价值特性的认识水平。 ( 4 ) 水环境承载力的分区性。作为水环境核心要素的水体( 水质、水量、 水速等) 在空间分布上有很大差异，与水环境密切相关的人类活动也存在明显的 地域差异，加之不同水域的功能及生态环境保护标准也可能存在差异。因此，不 同水域的水环境承载力是不同的。 ( 5 ) 水环境承载力的可调性。水环境承载力存在一定的缓冲弹性力，在一 定范围内可通过人类活动有效地进行调控。比如开源节流、防污、跨流域调水等。 ( 6 ) 水环境承载力的关联性。研究某一区域，其各分区间水环境功能高度 关联，生态带，流量上的连续性，上、中、下游之间和干、支流之间的相互制约 和交互影响十分显著。 ( 7 ) 水环境承载力的不确定性和模糊性。因水环境承载力涉及自然一社会 一经济一环境这一复杂巨系统，大系统内部的结构因素之间存在的不确定性决定 其具有不确定性。同时，水环境承载力的量化值是一个模糊的概念，并不是说超 过了水环境承载力的量化值，水环境就完全不具备承载力。因此，它还有模糊性。 1 2 2 水环境承裁力评价理论与方法 水环境承载力研究涉及范围广、内容复杂，目前国内外尚无统一和成熟的研 究方法。近些年来，我国学者通过对水环境承载力的深入研究，在传统的指标体 系评价方法的基础上，提出了很多新的水环境承载力的量化研究方法，包括模糊 综合评价法、多目标决策分析方法、人工神经网络模型法、系统动力学仿真模型 法。常用的水环境承载力量化方法有： ( 1 ) 综合指标体系评价方法 它是一种采用统计的方法，选择单项或多项指标，反映地区水环境承载力现 状和阈值的简捷方法，主要有向量模法、模糊综合评价法和主成分分析法。向量 模法是将水环境承载力视为一个由n 个指标构成的向量，设有m 个发展方案或 m 个时期( 地区) 的城市发展状态，分别对应着m 个水环境承载力，对m 个水 环境承载力的n 个指标进行归一化，则归一化后应量的模即是相应方案、时期或 秦淮河流域江宁区水环境承载力评价及可持续利用研究 地区的水环境承载力。郭怀成、崔风军【3 6 ，3 7 1 等在研究山东省临淄等市不同条件 下的水环境承载力过程中，利用向量模法对水环境承载力进行了量化。后来贾振 邦、赵智杰等【3 8 j 也采用向量模法对本溪市的水环境承载力进行了计算。模糊综合 评价法【3 9 删是将水环境承载力的评价视为一个模糊综合评价过程，其模型为：设 给定两个有限论域u = iu l ，u 2 ，u i il 和v = fv l ，v 2 ，v ni 。其中u 代表评价因 素( 即评价指标) 集合，v 代表评语集合，则模糊综合评价为下面的模糊变换： b = a r ，其中a 为模糊权向量，即各评价因素( 指标) 的相对重要程度。b 为v 上的模糊子集，表示评价对象对于特定评语的总隶属度，r 为由各评价因素u n 对评语v 的隶属度v i j 构成的模糊关系矩阵，其中的第i 行第j 列元素岛表示某 个被评价对象从因素u i 来看对v i 等级模糊子集的隶属度。通过上面的合成运算， 可得出评价对象从整体上来看对于各评语等级的隶属度。再对上面的隶属度向量 b 的元素取大或取小，就可确定评价对象的最终评语。由于这种方法取大或取小 的运算法则会使大量有用信息遗失，傅湘、纪昌咧4 l 】采用主成分分析法来克服这 一缺陷，它通过对原有变量进行线性变换和舍弃一部分信息，将高维变量系统进 行综合于简化，同时客观地确定各个综合变量的权重。李如忠、钱家忠【4 2 】等在模 糊综合评价法的基础上，建立了一种适用于指标信息不确定的区域水环境承载力 评价模糊随机优选模型。在该模型中，考虑到随机因素的影响，将不确定性指标 的属性值划分为若干状态，每个状态都与一定的发生概率相对应。在此基础上， 依据模糊理论构造以待评样本加权距优距离的二次方与加权距劣距离二次方之 和为最小的目标函数，由此求得样本优属度值。根据样本优属度大小，对区域水 环境承载力状况或变化趋势进行分析。 ( 2 ) 多目标模型分析法 多目标模型分析决策法是将研究区域作为一个整体系统来研究，通过对系统 内部各要素之间关系的剖析，用数学约束进行描述，通过数学规划，分析系统在 追求目标最大情况下系统的状态和各要素的分布。 水环境承载力应从可持续发展的角度，研究水环境在社会一经济一生态一环 境一资源这一多目标、多层次、群决策复杂系统中的作用，为多目标模型分析方 法提供了理论依据。该方法被应用于研究黑河流域水资源承载力，蒋晓辉1 4 3 】等人 建立多目标大系统分解协调模型研究陕西关中地区的水环境承载力。该方法考虑 了人类不同目标和价值取向，融入决策者的思想，比较适合处理这类复杂巨系统 河海大学硕士论文 问题【州。 ( 3 ) 人工神经网络法 人工神经网络( a n i f i c i a ln e u r a ln 鲍o 比砧州) 是在人类对其大脑神经网络 认识理解基础上，人工构造的能够实现某种功能的神经网络。它是理论化的人脑 神经网络的数学模型，是基于模仿大脑神经网络结构和功能而建立的一种信息处 理系统，其并行分布处理、自组织、自适应、自学习和具有容错性等独特的优良 性质引起了广泛地关注。尤其在信息不完备情况下，在模式识别、方案决策、知 识处理等方面具有很强的能力，设计灵活，可以较为逼真地模拟真实社会经济系 统。近年来，神经网络技术己在许多领域得到应用。通过构建人工神经网络并使 其学习、“掌握 不同时段的社会、经济、资源、环境系统发展历程的运行参数， 逐渐成为系统结构和功能的映射集成。将人工神经网络技术应用于水环境承载力 评价建模时，不必了解变量之间的具体关系，只须根据实际问题确定网络结构， 通过典型样本数据的学习，获得有关该问题知识的网络权值，从而进行水环境承 载力的评价分析，具有结构简单、建模方便、评价结果直观等特点。 人工神经网络技术可用于水环境承载力的研究中，国内目前研究比较少。王 俭、孙铁珩【4 5 】在分析水环境承载力概念及人工神经网络技术基础之上，从阈值角 度出发，建立了基于人工神经网络的区域水环境承载力评价模型，并将其应用于 辽宁省水环境承载力评价，通过模型计算得到该省水环境承载能力指数。 ( 4 ) 系统动力学法( s y s t e md y n 锄i c s ) 系统动力学是由美国麻省理工学院教授福雷斯特于1 9 5 6 年创立的一门分析 和模拟动态复杂系统的学科，对于认识和处理高阶次、非线性、多重反馈的时变 系统是一种极为有效的认识工具和模拟方法。系统动力学在对问题进行定性分析 时，强调系统、动态和反馈，并使三者有机结合起来，同时强调系统的结构决定 系统的功能。该方法是在总结运筹学的基础上，综合系统理论、控制论、信息反 馈理论、决策理论、系统力学、仿真与计算机科学等基础上形成的崭新科学f 矧。 其中由联合国科教文组织发起，英国研究人员主持的，名为提高环境能力分析的 e c c o ( e 血nc 锄e n to f c 鲫了i n gc a p a c i t yo p t i o n s ) 法【4 7 1 ，就是专门研究提高环 境承载能力备选方案的环境计量方法。该模型将地区人口、环境与发展( p i 迮d ) 统一纳入发展计划，采用环境计量系统进行分析，通过p r e d 之间的相互关系， 选出能够提高地区环境承载能力的发展战略。e c c 0 模型将经济活动中的粮食生 秦淮河流域江宁区水环境承载力评价及可持续利用研究 产、工业产品、基本建设、电力建设、服务设施等的实物表示或货币表示等均折 算成用能量单位表示，因此称环境计量方法。该模型曾在肯尼亚( 1 9 8 5 年) 、毛 里求斯( 1 9 8 7 年) 和英国( 1 9 8 7 年) 三个国家级环境承载能力研究中应用过， 作为模型的验证应用，取得了较好的成果。 国内在9 0 年代末开始应用系统动力学模型对资源环境承载力进行研究。中 国科学院自然资源考察委员会运用s d 模型对乌鲁木齐市1 9 9 3 2 0 2 0 年水资源承 载力进行预测分析【4 】，崔凤军运用s d 模型分析了不同策略下的城市水环境承载 力f 2 4 1 ，惠泱河采用s d 模型模拟了陕西关中地区在自然一人工二元模式下的水资 源承载力【4 】。汪彦博、王嵩峰等利用系统动力学方法，建立了石家庄水环境承载 力模型，并量化比较了南水北调工程对石家庄市水环境承载力的影响【4 跚。 系统动力学方法应用于区域水环境承载力研究，把资源、环境、社会、经济 在内的大量复杂因子作为一个整体，综合考虑众多因子的相互关系。通过模拟不 同发展战略得出人口、环境和经济发展间的动态变化趋势及其发展规模，即对一 个区域的资源环境承载力进行动态计算，具有系统发展的观点，而且具有分析速 度快、模型构造简单、可以使用非线性方程等优点，缺憾是趋势变化受参数影响 大，主要用于短期预测。 1 2 3 水环境承载力研究趋势 水环境承载力研究在我国目前还处于初期阶段，还没有形成水环境承载力研 究的成熟的理论、内容和方法体系。在已有研究中由于水环境承载力基本概念认 识上存在抽象与具体、承载主体与承载客体定义的不统一，以及量化某些方法本 身存在缺陷，致使水环境承载力研究过程中出现了一些问题： ( 1 ) 量化结构及量化结果与水环境承载力的内涵和概念不一致【4 9 】，如采用 量化指标体系方式给出的承载力评价结果是量纲为1 的数值，实际是水环境与社 会经济之间的协调程度，而并非严格意义上的水环境承载力。 ( 2 ) 一些评价方法本身存在缺陷，其评价结果可能出现偏差。如系统动力 学将水环境纳入复杂系统，从系统整体协调的角度对水环境承载力进行计算，其 参量不好掌握，尤其是对长期发展情况的动态模拟，因而易导致结论出现偏差； 模糊评价【5 0 】是一种对主观产生的“离散”过程进行综合防治的处理，其方法本身 存在取大取小的运算法则，使大量信息遗失，评价因素越多，其遗失的有用信息 就越多，误判的可能性就越大；而多目标除了其求解过程过于复杂外，由于不同 河海大学硕士论文 利益团体对多目标的认识不同，很难建立不同利益间的损益，容易引起较大争论。 为使水环境承载力研究进一步深入，取得更精确和实用的成果，目前主要研 究方向包括以下方面： ( 1 ) 系统地研究水环境承载力的基础理论，包括确定水环境承载力的判别 标准、研究目的、服务对象和研究范围；建立水环境承载力的概念体系、完善其 内涵和特征；建立水环境承载力的概念模型和研究方法等。 ( 2 ) 完善水环境承载力的支撑理论，包括人类活动对水文现象和水循环的 影响机理、生态系统各因子的相互作用规律、生态环境标准、水资源在国民经济 各部门的优化配置理论等。 ( 3 ) 以基础理论为前提，研究适用于不同承载力内涵的量化体系和量化方 法，量化体系应包括3 个层次【5 l 】：能够作为中长期规划限制发展规模的承载力的 量化方法；与不同地域用地方式和产业结构相结合的承载力的最优化规划方法， 能够给出短期的发展方案和水资源、水环境开发利用方案；指标体系评价方法， 用于对某一特定时期的水资源水环境社会经济系统对下一时期人口增长和经济 发展的承载能力，或水资源开发利用与社会经济之间的协调程度进行评价，这种 承载能力可以是量纲为一的相对指标，这一量化方向应侧重于给出建立指标体系 和综合评价的方法体系，以便各地自行分析和评价其当地水环境承载力。 ( 4 ) 学科交叉融合的研究 水环境承载力研究涵盖了从理论到实证【5 2 】；从水生态一社会经济复合系统下 的二元模式水文循环和水量平衡等宏观领域到水环境容量、植被耗水机理等微观 领域；从水文水资源科学到社会经济科学、规划科学等不同层次、不同学科的研 究范围，并以多目标决策分析方法、系统动力学方法、遥感与地理信息系统方法 等作为技术手段，属于典型的交叉学科研究领域。迫切需要加强学科交叉融合的 研究。 ( 5 ) 技术方法的创新 目前制约水环境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【5 3 1 。 水环境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 l o 秦淮河流域江宁区水环境承载力评价及可持续利用研究 模拟，并将现有水环境承载力数学模型方法与g i s 集成，这是水环境承载力研究 重要的发展方向。 1 3 论文研究内容及技术路线 1 3 1 论文研究内容 本论文以水环境、水资源出发，以环境与经济协调发展为目标，进行秦淮河 流域水环境承载力研究，研究内容包括： ( 1 ) 进一步探讨流域水环境承载力的内涵和本质，对水环境承载力的关键 因子进行分析，建立流域水环境承载力研究的概念体系。 ( 2 ) 从流域的河流水环境承载力承载媒介( 水资源量和水质) 入手，以流 域水环境承载力的承载对象( 人口、污染物质、人类活动等) 为基础，建立流域 水环境承载力评价指标体系，采用层次分析法确定指标权重；用承载度的概念来 表征水环境承载力与社会经济发展的协调关系，最终形成完整的水环境承载力量 化模型体系。 ( 3 ) 对原有水环境承载量化模型进行改进，构建适合秦淮河流域的水环境 承载力系统动力学模型。模型综合考虑经济发展、人口增长、环境容量、水资源 配置、节水措施、水污染控制措施等诸多方面的因素。 ( 4 ) 运用水环境承载力量化模型体系分析和模拟秦淮河流域江宁区的水环 境承载力现状和发展趋势。在水环境承载力研究的基础上提出提高流域水环境承 载度的对策和措施，并对不同治理方案进行模拟，提出环境目标约束下的可持续 发展方案。 1 3 2 论文创新点 将水资源配置和污染物产生排放、途径的模拟纳入水环境承载力模型体系， 考虑资源调配和水污染治理对水环境承载系统的影响，将宏观的水环境承载与具 体的水资源配置和水污染控制措施相结合。提出在水环境承载约束下的可持续发 展方案，由被动的污染物治理到对整个社会环境系统进行积极的调控。 河海大学硕士论文 1 3 3 论文技术路线 图1 1 论文的技术路线图 1 2 秦淮河流域江宁区水环境承载力评价及可持续利用研究 第2 章流域水环境承载力概念体系和量化模型 2 1 水环境承载力概念体系 2 1 1 水环境承裁力的内涵 水资源作为人类社会经济活动必要的物质基础，同时也是一切污水的受纳 体。本论文研究的水环境承载力是指在一定社会、经济与技术条件下，某一区域 ( 流域) 的水系统功能正常发挥和保持良好状态时，水环境对社会经济发展和人 民生活需求的支撑度【州。 水环境承载力对人类社会的支撑包括两个方面：一是水环境对人类社会的制 约，即人类社会活动的强度不超过水环境所能承受的程度。从具体的方面表征， 就是人类社会污染物排放量与水环境容量的关系；二是水资源对人类社会的支 持，即人类社会对水资源的需求不超过水资源维持自身良好状态时所能提供的水 资源量，这是通常意义上水资源承载力的概念。从具体的方面表征，就是水资源 供给与需求之间的关系。 根据水环境承载力的定义和内涵分析建立水环境承载力概念体系【”l ，具体见 图2 1 。体系将传统的水资源承载力和水环境容量的概念进行融合，从供给和容 纳两方面探讨水资源、水环境与人类社会之间相互制约的关系。 图2 1 水环境承载力概念体系 河海大学硕士论文 2 1 2 水环境承载力的影响因素 水环境承载力涉及到社会、经济、资源、环境的多个方面，影响承载能力的 因素包括资源、环境条件以及社会经济的发展水平。其支撑能力的大小，主要受 以下几项因素影响1 5 6 】： ( 1 ) 水环境容量 水环境容量越大，水环境所能容纳的污染物质越多，相应所能支撑的社会经 济的规模越大。在同样的社会经济发展情况下，水环境容量的大小决定了水环境 承载力的差异。水环境容量是决定水环境承载力的最重要因素。 ( 2 ) 水资源可利用量和供需比 由于水资源在时空上分布的不均匀性，实际可利用的水量远小于水体的天然 径流量，水资源开发利用程度高，一定天然径流量水休的承载能力就大。水资源 可利用量的大小决定着社会经济发展的规模，水资源的供给和需求之间的关系直 接影响着人类社会的发展速度和潜力。水资源可利用量和供需比是制约人类社会 经济发展的重要因素。 ( 3 ) 人口数量 在水资源数量有限的情况下，入口愈多，对水资源的需求量越大，对水环境 的干扰和破坏就越严重，区域水环境的承载能力也越低。人口的增长是造成区域 承载情况下降的重要因素。 ( 4 ) 区域社会经济发展水平 水环境系统承载能力与社会经济发展水平的密切关系主要体现在：首先，经 济发展水平高，说明单位水资源能够创造的价值高，其承载能力大；其次，区域 经济水平越高，为水利工程建设和改善水环境可提供的资金也越多，从而提高水 环境的承载能力；再次，区域经济越好，越有可能使用更先进的科学技术和设备 以提高水资源的利用效率，从而提高水环境的承载能力。 在工业生产中，具体表现为单位工业产值的耗水量和排污量，即在造成相同 资源环境压力的前提下，工业所能达到的规模。单位耗损和排污量越小，资源环 境支持的工业产业规模越大。单位损耗和排污量越大，资源环境支持的工业产业 规模越小。在农业生产中，具体表现为农业用水的效率。农业用水效率越高，一 定农业规模对资源环境的压力越小。农业用水效率越低，一定农业规模对资源环 境的压力越大。 1 4 秦淮河流域江宁区水环境承载力评价及可持续利用研究 2 1 3 水环境承裁力评价指标 从水环境承载力的内涵和影响因素分析可以看出，水环境承载力研究涉及到 社会、经济、人口、资源、环境在内的纷繁复杂的大系统。在这个大系统内既有 自然因素影响，又有社会、经济、文化等因素的影响。水环境承载力指标体系是 一个复杂的大系统，它并非仅是水环境承载力大小的评判依据，而且也应该是水 环境承载力大小的决策工具【5 7 1 。指标体系的确定应该遵循下列一般原则【5 8 删： ( 1 ) 科学性：即指标体系既能反映水环境承载力的内涵，又能较好地度量 水环境承载力。 ( 2 ) 全面性：即指标体系既能全面反映系统的总体特征，又要避免指标之 间的重叠。 ( 3 ) 可操作性：即体系中的指标应具有可测性和可比性，并尽可能简化， 数据易于获得。