水资源安全的度量.docx

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水资源安全的度量

水资源安全的度量：

水资源承载力的研究与挑战（夏军）

摘要：

本文首先讨论了水安全和水资源承载力问题，指出变化环境下的水文循环时空变化规律、可持续发展理论、“水-生态-社会经济”复合系统理论是水资源承载力研究的理论基础，对水资源承载力研究的基本内容、评价指标体系的建立和评价方法进行了概括和总结。

针对目前水资源承载力研究的不足，认为RS、GIS等信息技术和现有模型方法的结合是促进水资源承载力研究深化的必然技术手段，而将区域合理配置（包括水土资源配置，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）纳入水资源承载力研究的范畴，不但是水资源承载力研究的一个重要方面-区域差异研究的需要，而且也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。

关键词:

水安全，水资源承载力

中图分类号:

X37文献标识码:

A

1．前言

安全是危害或灾害的反义词，它与危害（或灾害）的风险紧密联系。

危害（或灾害）的风险愈小，安全度就愈高，反之亦然。

水安全问题通常指相对人类社会生存环境和经济发展过程中发生的水的危害问题。

例如，水多了（发生洪水灾害，导致人的财产损失，人口死亡问题）、水少了（发生干旱、水资源短缺以及引起的生态环境退化、人类生存环境损失）和水脏了（水污染导致的病害健康问题、人口死亡问题）。

中国是降水时空分配非常不均匀、“水“的问题十分突出的发展中国家。

水多了（洪涝灾害）、水少了（干旱、水资源短缺）和水脏了（水污染问题）业已成为制约中国可持续发展最为重要的限制因子，其紧急程度已经危及人类基本环境和生存问题和国家发展利益的安全问题。

在水安全问题研究中，水资源安全问题是最为重要的一个方面[1]。

水资源安全通常指水的供需矛盾产生对社会经济发展、人类生存环境的危害问题。

20世纪末，不满足可持续水资源利用的模式和环境问题导致严重的水资源安全问题，业已引起国际各国政府的高度重视。

2000年3月，在荷兰海牙（Hague）召开了“第二届世界水论坛及部长级会议”。

会议主题是：

水的安全：

从洞察到行动，全世界140多个国家首脑或部长，3000名科学家出席会议。

21世纪水安全面临7个主要挑战[23]：

（1）满足基本需求（meetingbasicneeds）

（2）保护生态（protectingecosystems）

（3）食品安全（securingthefoodsupply）

（4）水资源共享（sharingwaterresources）

（5）处理灾害（dealingwithhazards）

（6）水的价值（valuingwater）

（7）科学管水（governingwaterwisely）

因此，水资源安全已经成为水资源研究的国家前沿热点，受到世界范围的注目。

水资源安全问题研究主要有：

水资源安全的范畴，水资源安全的度量，水资源安全评价和水资源安全保障体系的建设等方面。

从学术研究，水资源安全的度量最为关键。

核心问题是：

回答如何量度水资源安全程度和如何保证水资源安全？

我们的观点是：

水资源承载力是水资源安全的基本度量。

因此，研究水资源承载力对于认识和建设水资源安全保障体系尤为重要。

“承载力”一词，亦称“承载能力”（CarryingCapacity），起源于生态学，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[1]。

随着人类社会经济发展，全球资源环境问题日趋严重，人们逐渐认识到自然资源是支持地球上生命系统和人类生存发展的物质基础，其量和质是有限的，它们满足人类现在与未来发展需要的能力也是有限的。

关于生态承载力的一个较早的概念，是由世界自然保护同盟（IUCN）联合国环境规划署（UNEP）及世界野生生物基金会WWF在其出版的《保护地球》一书中提出的。

他们把承载能力定义为一个生态系统所能支持的健康有机体即在维持它的生产力、适应能力和再生能力的容量。

后了“承载力”概念得到延伸发展，比较多地用于说明生态系统、环境系统、资源系统承受发展和特定活动能力的限度。

因此，生态承载力、环境承载力、资源承载力等诸多概念也相继出现。

1974年，Bishop在《环境管理中的承载力》一书中指出“环境承载力表明在维持一个可以接受的生活水平的前提下，一个区域所能永久地承载的人类活动的强烈程度”[2]；高吉喜（2000）在其关于生态承载力的研究中特别指出：

环境承载力是指在一定生活水平和环境质量要求下，在不超出生态系统弹性限度条件下环境子系统所能承纳的污染物数量以及可支撑的经济规模与相应人口数量[3]。

此外，一些学者还从经济、社会、环境、发展等方面对全球承载力进行了探讨（Cohen，J.E.,1995；Sagoff,M,1995；Daly，H.E.，1995，1996）[4][5][6]。

然而无论是生态承载力、环境承载力抑或全球（区域）承载力都是一个比较泛化的概念，如何描述和量化，实施和操作性不强，目前的研究还不深入。

事实上，在对作为生态环境组成要素的各项自然资源的承载力问题还没有完全解决的时候，是无法对生态环境承载力做更深入的研究的。

相比之下，当前对资源承载力的研究则获得了更多学者的关注。

对自然资源承载力的研究主要集中于土地、水和关键矿产资源方面。

1949年美国的Allan将土地资源承载力定义为：

“在维持一定水平并不引起土地退化的前提下，一个区域能永久地供养人口数量及人类活动水平”。

50-70年代，国外许多学者探讨了土地承载力的计算依据为：

在确保不会对土地资源造成不可逆的负面影响的前提下，土地的生产潜力能容纳的最大人口数量。

同时，对承载力的研究从静态转向动态，Millington等应用多目标决策分析方法，以各种资源（土地、水、气候、能源等）对人口数量的限制，计算了澳大利亚的土地资源承载力。

1986年我国也开始了题为“中国土地资源生产力及人口承载量”的研究，研究者认为土地资源承载力通常是指：

一个区域在一定的农业技术条件下，土地用于食物生产所能供养的人口数量；或在一定生产条件下，土地资源生产力所能承载一定生活水平下的人口限度。

由此，关于土地和水资源承载力的研究在中国全面展开[7]。

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。

而“水资源承载力”一词，则是随着水问题的日益突出由我国学者在80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，且往往是水资源紧短和贫水地区支持人口与发展的“瓶颈”,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。

进入90年代以来，在地区和国家社会经济发展中坚持走可持续发展道路已是普遍的共识，而水资源短缺与“水资源安全”问题也已成为影响可持续发展的重要制约因素，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，水资源承载力研究已引起学术界的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。

2．水资源承载力的定义

水资源承载力最早是源自生态学中的“承载能力”（CarryingCapacity）一词，是自然资源承载力的一部分。

近年来，我国不少学者在资源承载力、环境承载力等概念的基础上对水资源承载力的定义进行了更深入的探讨，兹选取几个有代表性的例子列举如下：

（1）在某一历史发展阶段的技术、经济和社会发展水平条件下，水资源对该地区社会经济发展的最大支撑能力[8]。

（刘燕华，1999）

（2）某一历史发展阶段，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，以维护生态良性循环发展为条件，在水资源得到合理开发利用下，该地区人口增长与经济发展的最大容量[9]。

（李令跃，2000）

（3）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口、经济和环境规模总量[10]（何希吾，2000）。

（4）一定的区域内，在一定的生活水平和生态环境质量下，天然水资源的可供水量能够支持人口、环境与经济协调发展的能力或限度[2]。

（冯尚友，2000）

（5）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。

（惠泱河，2001）

总之，尽管已有的水资源承载力定义在表述上各有不同，但其思路并无本质上的差异，都强调了支撑能力的概念。

但是，对水资源“承载力”本身的内涵，表达比较宏观。

结合中国科学院知识创新工程有关项目初步研究，作者的观点是：

水资源承载力可定义为“在一定的水资源开发利用阶段，满足生态需水的可利用水量能够维系有限发展目标的最大的社会-经济规模”。

因此，水资源承载力是一个度量区域社会经济发展受水资源制约的阈值，它通常用满足生态需水的可利用水量与社会经济可持续发展有限目标需求水量的供需平衡退化到临界状态所对应的单位水资源量的人口规模和经济发展规模（如GDP）等指标体系表达。

显然，水资源承载力受水的供、需矛盾双方影响，它需要从受自然变化和人类活动影响的水循环系统出发，通过“自然生态-社会经济”系统对水的需求和流域能够提供的多少可利用水资源量的“支撑能力”方面加以量度。

一种概化的水循环与水资源供需关系如图1所示意。

图1量化水资源承载力的系统关系示意

核心问题是：

在一定的水资源开发利用阶段和生态环境保护目标下，一个流域/区域的可再生利用的水资源量究竟能够支撑多大规模的社会经济系统发展？

如何合理管理有限的水资源（开源与节流），维持和改善陆地系统水资源承载能力？

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：

·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。

因为一个流域和区域的水资源承载能力大小，直接与该流域和区域的可利用水资源量与质有本质的联系。

而区域可利用水资源量又决定于在不但变化的自然环境（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。

·需要把把它置于水资源的可持续利用概念的框架，建立在生态系统完整、水资源持续供给和水环境长期有容纳量的基础上。

生态系统需水是水资源承载力必须要考虑的重要、方面。

·需要从“水循环-自然生态-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；

·水资源承载能力度量除了水循环和水资源变化的自然属性影响外，还取决与社会经济持续发展的有限目标。

社会经济发展的要求目标不同，相应的承载能力也不一样。

因此，水资源承载能力的大小是随水资源开发阶段、目标和条件不同而变化，是一个动态、变化的概念。

它不仅是水文循环、水资源研究的重要方面，而且与社会经济发展、环境系统的耦合研究密切相联，是可持续发展重大的国家需求研究的问题。

3．水资源承载力的度量与计算方法

由图1的系统关系和水资源承载力的定义，可以导出水资源承载力的度量与计算方法。

主要过程概述如下：

（1）水资源总量（W）：

它指流域水循环过程中可更新恢复的地表水与地下水资源总量（WL）。

流域水循环受自然变化（包括气候变化）和人类活动的影响，可更新恢复的地表水与地下水资源量也在不断变化。

另外，除了本地产生的水资源量外，人工跨流域调水（WT）可以增加本流域（或地区）的水资源总量。

由于流域水循环降水和径流形成的不确定性，对应不同保证率的水资源量，有流域水资源总量关系

W=WL+WT

（2）生态需水量（We）：

生态系统是流域水循环和流域环境系统的基本部分，满足一定环境要求的最小生态需水量（We）首先应该加以估算。

它们通常由河道外的生态需水的估算（如天然生态需水、人工生态需水等），和河道内的生态需水估算（如防止河道断流所需的最小径流量等）构成。

（3）可利用水资源量（WS）：

流域可利用水资源量是指在经济合理、技术可行和生态环境容许的前提下，通过技术措施可以利用的不重复的一次性水资源量。

在概念上，维系生态环境最小的需水量需要扣除，以保证生态环境容许的前提条件。

因此，原则上讲，可利用水资源量可以通过流域可更新恢复的地表水与地下水资源总量加上境外调水扣除生态需水量加以估算，即：

WS=aWL+WT–We

式中：

a为反映工程技术措施的开发利用系数。

（4）水资源需求总量（WD）:

流域社会经济发展规模水平可以表达为人口数量（P）,国民生产总值（GDP）或净福利（H）等指标。

因此，它们对水资源需求包括：

人口需水（Wp），工业需水（WI），农业需水（WA），环境和其它需水（WM）等。

因此，社会经济发展对水资源需求总量（WD）可表达为：

WD=Wp+WI+WA+WM

（5）流域水资源承载力的平衡指数（IWSD）：

为了描述水资源的承载力，首先需要定义流域水资源承载力的供需平衡指数（IWSD）即：

很显然，当流域可利用水量小于流域社会经济系统的需水量，即

有

这说明流域可供的水资源量不具备对这样规模的社会经济系统的支撑能力。

流域水资源对应的人口及经济规模是不可承载。

但是，通过调水增加WS和通过节水减少WD可提高IWSD。

反过来，当流域可供水量大于等于流域社会经济系统的需水量，即

这说明流域可供的水资源量具备对这样规模的社会经济系统的支撑能力，流域水资源对应的人口及经济规模是可承载，供需为良好状态。

（6）水资源承载力的分量测度：

如何量度流域水资源的承载力呢？

由定义和上述水资源承载力的供需指数可知，首先需要建立研究对象的“水-社会经济-环境”系统关系。

它们的作用是将水资源量支撑的环境、社会经济系统规模（如人口数或人口密度、人均GDP工业产值、农业产值、水环境污染级别等）联系起来。

然后，通过一定的水资源开发利用阶段与有限发展目标，分析识别出由供大于需,即IWSD>0可行域退化到IWSD＝０，即系统供需平衡达临界状态的水资源WS=WD所对应的流域人口数（P）和社会经济规模（GDP）等等指标参数。

记水资源供需平衡达到临界状态的可供水资源量为

，进一步，可以定义水资源承载力的各个分量，即：

意义是：

λ1表明维系现状/目标水平的人口规模所需要最少水资源量WS；λ2维系现状/目标水平的经济规模所需要的最少水资源量WS。

流域的综合水资源承载力（F）是其分量的集成，例如，

λ=人均GDP/WS=（GDP/p）/Ws

（7）单位水资源量承载力的度量：

为了达到水资源承载力分量和总量可比性的目的，可以进一步转化水资源承载力分量为某单位水资源量的承载指标参数。

例如，当统一转化W0为亿m3的可比单位水资源量，有对应的水资源承载力的各个分量，即：

上述公式中的

就是流域系统第i个水资源承载力分量。

例如，F1的单位量纲是每亿m3的人口数目，说明该流域每亿m3可利用水资源量能够承载的最大人口数。

同理，F2的单位量纲是每亿m3的GDP，它说明该流域每亿m3可供水资源量能够承载的经济发展最大规模的GDP。

同理，流域的综合水资源承载力（F）是其分量的集成。

例如：

F=人均GDP/亿m3=（GDP/p）/W0

4．西北干旱区水资源承载力综合研究的关键问题

广义上的西北地区包括新疆、青海、甘肃、宁夏、陕西和内蒙古的西北部，总土地面积为374万km2，占全国的39%，总人口约1亿，占全国的8%。

涉及西北内陆河流域（包括新疆的部分外流河流域）、黄河流域、长江流域和澜沧江流域。

本文讨论的范围，界定在西北内陆河干旱地区。

西北干旱区水资源承载力综合研究的关键问题有：

变化环境的流域水循环模拟研究，生态需水研究，社会经济可持续发展的水资源需求研究，流域水资源承载力的计量，西北干旱区水资源承载力综合。

下面重点讨论水循环模拟，生态需水和指标体系问题。

（1）变化环境的流域水循环模拟研究

水文循环是联系地球系统地圈~生物圈~大气圈的纽带，是全球变化三大主题碳循环、水资源和食物纤维中的核心问题之一，它受自然变化和人类活动的影响，决定水资源形成与演变的规律。

因此，人类活动经济开发和影响剧烈地区的水循环与水资源安全研究，是21世纪资源环境学科领域一个十分重要的方向性问题。

目前水科学发展的前沿问题突出反映在：

水文循环的生物圈方面，自然变化和人类活动影响下的水资源演变规律，水与土地利用土地覆被等社会经济相互作用影响等。

因此，水文循环需要考虑地球生物圈、全球变化以及人类活动等方面的影响。

国际地圈生物圈计划（IGBP）代表国际地球学科发展前沿，水文循环的生物圈方面（BiosphereAspectsofHydrologicalCycle，简称BAHC）是IGBP的核心之一。

它注重陆面生态-水文过程与空间格局的变化规律和受人类活动影响的关键问题。

进入90年代末，变化环境（即全球变化与人类活动影响）下的水文循环研究成为热点。

人类活动对水文过程的影响，集中表现在对下垫面的改变上，改变流域下垫面的地形、地貌、土壤、植被等条件，可概括为土地利用和土地覆被的变化。

下垫面条件发生变化了，水文过程的各环节也相应发生变化，如蒸发、入渗、产流的量会加大或减小，水循环的路径和速率也会发生变化，也就是说，利用原来的降水-径流关系不能反映土地利用/土地覆被变化后的流域降水径流形成规律和水文循环过程，分析人类活动（土地利用/土地覆被变化）对流域径流形成规律的影响成为当水资源承载力研究的基础问题。

以河西走廊的黑河流域为例，由于中游引水等人类活动的剧烈影响，已经完全改变了流域中下游水循环关系，造成下游流量减少和断流，产生严重的生态环境问题。

为了说明黑河干流的水资源变化，我们将黑河干流上游出流控制水文站（莺落峡站）及下游输水控制水文站（正义峡站）1959年以来的实测流量资料进行了分析比较。

根据1959-1998年实测资料统计，黑河莺落峡多年平均流量49.83m3/s，相当于年径流量15.71×108m3，正义峡多年平均流量31.05m3/s，相当于径流量9.80×108m3，莺落峡流量高于正义峡流量18.78m3/s，相当于区间多年平均每年损耗水量5.92×108m3。

从两站流量多年变化趋势看，莺落峡站水量历年变化平稳，年际变化不大，甚至还稍有上升。

正义峡站水量不仅远远小于莺落峡站，且水量在逐年减少（图2），两站水量年均差值越来越大（图3）。

图2黑河莺落峡及正义峡历年径流量变化图

图3莺落峡-正义峡年均流量差值图

造成下游水资源量减少的原因：

中游张掖地区人口持续增长，工农业生产迅速发展，用水量急剧增加，导致黑河干流水资源大量损耗，水资源的变化与人类活动的关系密不可分。

因此，深入研究自然变化和人类活动影响下的黑河流域水循环规律，是建立黑河流域水资源承载力模型的重要基础。

（2）生态需水研究

中国西北地区气候干旱、水资源短缺，水已经成为中国西北地区环境与发展最大的限制因子。

实际观测与实验研究表明，水对生态环境质量有明显的限制作用，生态系统对水的需求也存在胁迫响应的机制。

生态环境需水量是维系生态系统平衡最基本的需用水量，是生态系统安全的一种基本阈值。

因此，生态环境需水估算问题成为生态环境建设依据的重要基础。

确定不同生态类型的生态需水量，是生态环境建设区域配置的重要内容，是建设生态环境系统的关键。

这也是中国工程院咨询项目“西北地区水资源合理配置、生态环境建设和可持续发展问题”中第2课题中的关键问题之一。

20世纪90年代后，随着国际地圈生物圈计划（IGBP）等大的科学计划推动，如水文循环的生物圈方面（BAHC）实施，国际国内对生态环境需水问题十分重视并且已有了一些研究。

国家“九五”科技攻关项目有关课题，如“西北地区生态环境保护对策研究”等，利用土地利用/覆被变化的遥感信息对区域生态需水进行初步的估算。

中国工程院一期咨询项目《中国可持续发展水资源战略研究》，取得了一批重要的研究成果，所完成9个专题报告中对生态环境用水也做出初步的测算，取得一些进展。

但是，目前有关生态需水的研究仍处在初级发展阶段，人们对“生态需水”问题理解还不尽相同。

目前，与生态需水有关的概念和定义有多个方面，如“生态需水”、“生态用水”、“生态环境耗水”等。

不同人从不同角度看问题有不同的理解与解释。

总之，生态环境与水文水资源以及人类生存环境的交叉研究，面临许多挑战，也存在不同的学术观点与看法。

由于目前对“生态需（用）水量”一词，还没有确切的或者得到公认的定义，因此在对它的理解与计算上还存在这样那样的问题。

总的来看，多数认为：

生态需水量是指在水资源短缺地区为了维系生态系统生物群落基本生存和一定生态环境质量（或生态建设要求）的最小水资源需求量。

它包括天然生态保护与人工生态建设所消耗的水量。

其内涵：

以可持续发展为前提的天然生态保护与人工生态建设的需水，其外延包括地带性植被所用降水和非地带性植被所用的径流。

因此，生态需水量可以理解为维系一定生态系统功能所不能被占用的最小水资源需求量，包括天然生态和人工生态，其计算有河道内和河道外之分。

基础是自然变化和人类活动影响下的流域水循环规律的认识与模拟。

·河道外的流域上的生态需水的计算

根据补给来源，生态需水首先可以分为降水性生态需水和径流性生态需水。

降雨形成径流以及径流运动过程中，地带性植被所在的天然生态系统完全消耗降水量，非地带性植被所在的天然生态系统消耗径流量为主、降水为补充，处于地带性与非地带性的交错过渡带以消耗降水为主、径流为补充。

从生态系统形成的原动力又进一步分为天然生态需水和人工生态需水两大类。

从植物生理角度分析生态需水，可以得到天然植被或农作物正常生长时的总腾发量ET。

其水分来源有两部分：

直接利用的有效降水，以及通过水利工程直接或间接利用的供水。

区域生态需水计算应该以流域为单元，建立变化环境下的流域水循环模型，如图1所示意。

然后，充分利用高分辨率的土地利用遥感信息，结合陆面水文生态实验站的校核分析识别确定。

对于每个流域，结合其生态特点和水循环特点，确定一级分区为山区、平原绿洲、过度区、荒漠无流区。

为了突出人类活动影响，在山区和平原绿洲中进一步区分天然生态系统和人工生态系统，作为二级计算分区。

二级计算单元内在以土地利用单元作为三级计算分区,由遥感信息土地利用图上读取各类生态面积单元。

对三级分区的每一项，单独计算其生态需水或经济需水。

在计算中考虑了天然植被或人工植被对径流性水资源和降水性水资源的同时利用。

国家“85”科技攻关项目中的一种基于水循环概念的流域生态需水计算框图如图6所示意（细节略）。

·河道内的生态需水的计算

河道内的生态需水的计算主要考虑的问题是维系河流湖泊水系的生态平衡的最小水量。

主要考虑的方面有：

维持河湖水生生物生存的最小需水量；

维系城市人工生态环境景观的最小需水量；

防止河流泥沙淤积所需最小径流量；

防止河流水污染的最小水量；

防止海水入侵所需维持的河道最小流量；

防止河道断流、湖泊萎缩所需维持的最小径流量

通常需要通过流域水循环模拟、枯水分析后，在给出一定生态环境标准（或要求）下确定上述多个的最小流量组合的阈值（具体方法讨论略）。

（3）水资源承载力评价指标及计算方法

水资源承载力评价指标的建立是水资源承载力研究中的另一个关键问题。

核心是用什么指标体系反映“社会-经济-环境”系统的发展规模与质量？

目前，借鉴土地资源承载力的概念，采用在水资源可供给量所能维持生产的粮食产量的基础上计算水资源承载力的方法显然将问题过于简化了[10]。

从目前的认识，水资源承载力评价指标的选取有不同的做法。

例如，有人从定义出发直接选取可支持人口数量、工农业发展规模等人口和社会经济发展指标作为衡量水资源承载力大小的依据