苏州市水资源承载力研究

第1期1引言苏州市是我国经济最发达的地区之一，随着苏州市地区经济的快速发展和人口的急速膨胀，对水资源的需求也大幅增加。

而在水资源开发利用过程中，水污染严重、水资源浪费以及水资源有效利用率不高等问题的存在，致使苏州市成为以水质型缺水为主、资源型缺水与浪费型缺水并存的综合型缺水地区。

水资源已成为制约苏州市经济社会发展的主要资源瓶颈之一。

这些现象预示苏州市的水资源承载能力[1-2]已达到或超过极限承载能力，必须采取措施开展水资源可持续利用，以提高水资源承载力，避免影响地区经济的可持续发展。

本文结合苏州市的具体情况，根据系统动力学[3]的特点和系统动力学解决问题的基本步骤，从水资源—生态—社会经济系统分析入手，构建了苏州市水资源与经济、生态环境、人口相联系的水资源承载力系统动力学模型，从维持和保护苏州市河网生态系统正常的基本功能角度出发，根据流域地理位置及河网地区河流自身的特点，在考虑生态环境用水的条件下，通过系统动力学方法模拟计算得出苏州市未来水资源承载能力的变化趋势，据此寻求提高苏州市水资源承载力的优化方案。

2苏州市水资源承载力的定义及影响因素2.1苏州市水资源承载力的定义目前关于水资源承载力的定义多种多样，并无明确统一的定义，但其本质上基本一致。

本文将苏州市水资源承载力定义为：在未来不同的时间尺度上，以可预见的技术、经济和社会发展水平为依据，以社会可持续发展和水资源可持续利用为原则，以维护生态环境良性发展为条件，在水资源得到合理开发利用和有效配置的前提下，苏州市区域内水资源可支撑的社会—经济—环境协调发展的规模。

2.2苏州市水资源承载力影响因素2.2.1水量及水质水资源系统是水资源承载力的主体，水资源系统能提供的水资源量是决定流域水资源承载力的关键因素之一，水资源总量是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。

水资源承载力是针对可供使用的水资源量进行研究，可供使用的水资源量是指可以直接用于生产及生活的水资源量。

在苏州市水资源承载力研究中，由于水污染是苏州市水资源承载能力最重要的影响因素之一，因此要充分考虑水质的影响，必须将水量与水质两者同时考虑。

2.2.2生态环境需水生态环境需水[4-5]是指为维持生态与环境功能和进行生态环境建设所需要的最小水量。

苏州市是属于南方湿润区域，河网密布，水资源丰沛，水资源开发利用对河道径流的影响有限，不足以威胁到水生生物生存与繁衍。

但由于苏州市水污染严重，生态环境需水不仅要满足最小水资源量的需要，还应满足基本的水质要求。

而水流的流速、流量、水质之间是相互联系的，因此在生态环境需水总量计算中需综合考虑。

2.2.3产业结构与科技水平苏州市是社会经济快速发展的地区，可通过调节各产业内部结构以及提高科技水平来减少需水量，提高水资源利用率、重复利用率、污水处理率等，有效解决供水紧张问题，从而提高水水文JOURNAL OF CHINA HYDROLOGY第30卷第1期2010年2月Vol．30No．1Feb ．,2010摘要：基于苏州市水资源现状，从维持和保护河网生态系统正常的基本功能角度出发，在保证生态环境需水的条件下，构建了水资源与社会、经济、生态环境相联系的苏州市水资源承载力系统动力学模型。

以社会经济指标为表征，分别在不同水资源方案（现状延续型、节水型、开源型3种方案）下，依据“以供定需”原则，模拟了2001~2030年苏州市水资源承载力的动态变化，得出不同水平年苏州市水资源承载能力，据此寻求提高苏州市水资源承载力的途径。

结果表明，节水措施对水资源承载力影响大，是提高水资源承载力的有力措施。

关键词：水资源承载力；系统动力学；生态环境需水；苏州中图分类号：TV211文献标识码：A文章编号：1000-0852(2010)01-0047-04苏州市水资源承载力研究程莉，汪德爟（河海大学力学与材料学院水力学与流体力学中心，江苏南京210098）收稿日期：2009－08－20基金项目：国家自然科学基金重点项目（50638020）作者简介：程莉（1974-），女，贵州惠水人，博士生，讲师，主要研究方向为计算水力学、生态水力学。

第30卷水文资源承载力。

3系统动力学简介由于水资源系统是与社会经济系统、生态环境系统相互作用的复杂系统,因此,必须通过建立一套能反映问题本质、技术可行、有科学依据，而且能反映承载问题多元性、非线性、动态性、多重反馈等特征的模型来研究水资源承载力问题，而系统动力学（SD ）能把社会经济、资源环境在内的大量复杂因子作为一个整体，通过综合考虑众多因子的相互关系，实现对水资源承载能力的估算和动态变化过程的预测。

系统动力学不仅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，因此本文采用系统动力学方法作为苏州市水资源承载力的系统分析方法。

4苏州市水资源承载力系统动力学模型4.1苏州市水资源承载力系统动力学模型结构本文采用系统动力学作为苏州市水资源承载力的系统分析方法。

苏州市水资源承载力系统动力学模型空间边界是苏州市全市面积，共8488km 2，以2000~2004年为历史回顾性检验时间，模拟年限为2005~2030年，模拟时间步长为1a 。

本文以“以供定需”为原则，在未来一定时间内考虑年际调节的“水资源供需基本平衡”的控制目标的前提下，得到了苏州市水资源承载力，即苏州市水资源支撑的社会经济规模。

本文将系统分为水资源、社会、经济、生态环境4个部分组成，共划分为7个子系统。

其中经济部分包括第一产业、第二产业和第三产业3个子系统；生态环境部分包括生态环境需水及水污染处理及回用两个子系统。

采用系统动力学专用建模软件Vensim 建立苏州市水资源承载力系统动力学（SD ）模型流图，限于篇幅，本文仅以水资源系统、社会生活系统、第一产业子系统和第二产业子系统流图为例进行说明，见图1。

4.1.1水资源系统水资源子系统的水资源是指可利用水资源。

考虑水资源供水能力和持续开发利用潜力，选定可供水量作为状态变量，供水增长作为速率变量，选“供水紧张程度＝可供水量/总需水量”为控制变量。

在保证生态环境需水的条件下，通过调节生活、第一产业、第二产业及第三产业的配水系数来调剂生活及国民经济各产业之间的供水。

在供水能力一定的情况下，依据“以供定需”的原则，调试模型需水，使供水紧张程度尽可能地趋近1.05或在1.05上下波动，从而达到供需平衡并留有一定的余地。

4.1.2社会生活系统根据对资料的占有情况，选定户籍人口作为状态变量、人口变化作为速率变量；选生活供水紧张程度为控制变量。

由于苏州市人口迁移已成为影响区域人口数量的重要因素，因此在进行总人口统计时要考虑常住外来人口，进行需水计算时，也应计入这一部分人的需水。

本文引入“当量城市人口”，把一个常住人口作为一个“当量城市人口”，把两个常住外来人口或两个从本地48第1期农村进入城镇常住的人口算作一个“当量城市人口”。

4.1.3经济系统经济系统是水资源—生态—经济系统的核心，是水资源系统支撑的主体，经济系统包括第一产业、第二产业和第三产业3个子系统。

（1）第一产业子系统。

第一产业划分为种植业和林牧渔两大部分。

种植业需水主要体现在耕地灌溉上，随着近年来耕地面积大量减少和退化，灌溉用水总体呈下降趋势，但第一产业的用水量占总用水量份额依然较大。

影响农业用水的因素有农业生产布局、种植结构、品种结构；渠道输水有效利用率及田间灌水方法与技术等。

因此，在选定一产总产值作为状态变量、一产产值变化作为速率变量的同时，也选定耕地面积作为状态变量、耕地面积变化作为速率变量；选一产产值增长率作为政策参数；选一产供水紧张程度为控制变量。

（2）第二产业子系统。

第二产业主要分为工业和建筑业。

工业用水可分为高用水行业、一般用水工业和火（核）电工业三方面的用水。

工业用水与工业发展的速度、产值有关，与工业内部行业结构、技术水平、工艺过程、用水重复率、污水处理率、节约用水的程度有关，也与区域的供水条件、技术条件和管理水平等有关。

建筑业用水量与建筑面积相关。

选定工业总产值作为状态变量、工业总产值增长作为速率变量；选工业产值增长率作为政策参数；选二产供水紧张程度为控制变量。

通过对历年建筑业产值与建筑面积的资料分析，建立两者的关系，用建筑面积来计算建筑业需水。

（3）第三产业子系统。

第三产业的用水主要是从业人员的用水，而从业人员的比重与第三产业的比重有趋同性的特点，通过对三产增加值和三产从业人员数量的系列资料分析，发现两者有较好的相关关系，因此第三产业从业人员有较好的可预测性。

第三产业用水量可以依据第三产业行业从业人员进行分析计算。

选定三产增加值作为状态变量、三产增加值增长作为速率变量；选三产增加值增长率为政策参数；选三产供水紧张程度为控制变量。

4.1.4生态环境系统生态环境子系统是水资源—生态—经济系统的重要组成部分，是整个系统的基础。

生态环境为社会经济发展提供了大量的资源，容纳了各种各样的废弃物。

由于生态环境能够提供的资源总量和环境容量是有限的，因此它既是社会经济发展的物质基础，又是社会经济发展的制约条件。

该系统包括生态环境需水及水污染处理回用两个子系统。

（1）生态环境需水子系统。

本文将生态需水分河道外和河道内两类生态环境需水量进行分析计算。

河道外生态环境需水分为绿地生态需水量、道路浇洒需水量和林地生态需水量。

河道内生态环境需水分为：维持河道基本功能的生态需水;维持河流生态服务功能功能化需水；改善水质的稀释自净环境需水。

三者互有重复，互为保证，取三者中最大值作为河道内生态环境需水。

根据苏州市的特点，主要以河流稀释自净需水作为环境功能需水进行河道内生态环境需水的研究。

本文将河道的稀释自净环境需水与河流的纳污能力相结合，从水资源的系统性和整体性出发，将流域生态系统作为一个有机整体，建立了苏州市河网水量水质耦合模型，并与水环境容量[6]计算模型相结合。

根据河网的水体功能区划分，确定水质目标，应用水环境容量的理论和方法，结合水量水质模型，求出不同功能区各时段的水环境容量，以河流不同环境功能区划的水质目标为约束，进行反推而得到河道的稀释自净环境需水。

（2）污水处理及回用子系统。

苏州市污水来源于工业污废水、生活污水、污水厂尾水、农田径流污废水以及畜禽污废水。

通过污水治理可以减少水体的污染，并且可将处理过的污水按等级用于农业灌溉、工业冷却水、城市绿化用水、环境用水等方面，从而有效地增加水资源可利用量。

4.2方案设计与模拟结果分析本文研究的基准年为2000年，近期水平年为2010年，远期水平年为2020年、2030年。

考虑到供水的年际调节，本文选择75％的保证率进行模拟。

根据《苏州市水资源调查评价》，基准年苏州市可供水量为84亿m3，基准年苏州市一产产值、二产产值、三产增加值分别为169亿元、3621亿元、580亿元，城镇人口(含流动人口)为680万人。