城市水资源承载能力多目标分析

第33卷　第9期西北农林科技大学学报(自然科学版)V o l.33N o.9 2005年9月Jour.of N o rthw est Sci2T ech U niv.of A gri.and Fo r.(N at.Sci.Ed.)Sep.2005城市水资源承载能力多目标分析Ξ

赵新宇1,费良军1,高传昌2

(1西安理工大学水电学院,陕西西安710048;2华北水利水电学院水利工程系,河南郑州450011)

[摘　要]　在分析城市水资源系统特点的基础上,讨论了城市水资源承载能力的概念,建立了城市水资源承载能力多目标分析模型和层次分析评价模型。实例分析表明,该模型和方法能够有效地用于城市水资源承载能力的研究。此外,还对城市水资源承载能力经济模型、社会目标度量、城市居民日生活用水量的预测和城市生态用水量计算进行了探讨。

[关键词]　城市水资源;承载能力;多目标分析;层次分析法

[中图分类号]　TV213.9 [文献标识码]　A[文章编号]　167129387(2005)0920099204

随着经济的发展和城市化进程的加快,城市经济规模和人口数量越来越大,用水量迅速增加,由此造成的水资源短缺已经成为制约我国许多城市发展的“瓶颈”。城市水资源承载能力研究以城市水资源对城市可持续发展的支撑潜力为内容,对缓解城市缺水问题,发展节水型经济,建设节水型社会及节水生态型城市有着非常重要的意义。我国水资源承载能力研究起步较晚,从1989年对新疆水资源及其承载能力研究之后[1],关于区域水资源承载能力的研究发展较快,但这些研究[2～7]多从区域自身水资源条件和开发利用手段出发,局限于对区域水资源承载能力的研究,而关于城市水资源承载能力的研究还比较少,且其定义基本与区域水资源承载能力相同[8]。笔者认为,城市是人类活动相对集中的区域,其水资源系统具有用水的空间集中性、用水的时间平稳性、供水对用水的反调节性、水供需关系的可控制性及用水水质要求较高等特点,故城市水资源承载能力与区域水资源承载能力的定义和分析方法都应有较大的不同。本研究在分析城市水资源承载能力的基础上,建立了城市水资源承载能力的多目标分析模型和层次分析评价模型,并以河南郑州市为实例进行了城市水资源承载能力方案评价,以期为城市水资源承载能力的定量分析提供科学依据。

1　城市水资源承载力多目标分析模型 城市水资源承载能力是指某一城市(含郊区)的水资源量(含外来水)在某一具体历史发展阶段、技术条件和管理水平下,在保证人们正常生活水平、维持生态系统良性循环和社会经济可持续发展的基础上,对社会经济和人口规模的最大支撑能力。其以水资源评价为基础,以水资源合理配置为前提,以水资源潜力和开发前景为核心,以人口、资源、经济和环境协调发展为目标。本研究采用多目标系统分析法,对城市水资源承载能力进行了分析,分析模型包括城市经济持续发展、社会秩序稳定、环境无污染和生态保护良好4个方面的目标。

1.1　目标函数

经济目标:人均国内生产总值最大

m ax(GD P)=m ax[∑

t

X G D P(t) PO P(t)](1) 社会目标:居民可支配性收入最大

m ax(I N C)=m ax[∑

t

X P I N C(t)](2) 环境目标:人均生化需氧量的排放量最小m in(BOD)=m in[∑

t

X BOD(t) PO P (t)](3) 生态目标:人均生态面积最大

m ax(GR EEN)=m ax[∑

t

X GR EEN(t) PO P(t)]

(4)式中,X G D P(t)为水平年国内生产总值;X P I N C(t)为水平年城市居民可支配性收入;X BOD(t)为水平年BOD排放量;X GR EEN(t)为水平年林地草地面积; PO P(t)为水平年人口数量;t为时间。

1.2　约束条件

1.2.1　城市经济模型　城市经济模型反映了城市

Ξ[收稿日期]　2005201219

[基金项目]　河南郑州市重点科技攻关项目“郑州市水资源承载能力研究”(03BB65ABKB02)

[作者简介]　赵新宇(1974-),男,河南遂平人,在读博士,主要从事水资源管理和节水灌溉研究。E2m ail:spxyz@

水资源系统在特定的可持续发展背景下,对城市经济系统的最大支撑能力。城市经济系统主要由11个行业组成,其中种植业、林业、牧业、副渔业属第一产业,采矿、轻工、电力、重工、建筑属第二产业,邮电运输和服务业属第三产业。其约束条件为

X

G D P

(t )=

∑3

i =1

(X

i

(t )×P i (t ))(5)X W ai (t )≤X W (t )(6)X

G D P

(t )>X

G DP

(t -1)

(7)

式中,X i (t )为水平年第i 个产业的总产值;P i (t )为水平年第i 个产业的附加值率;X W ai 为水平年各个部类的总用水量;X W (t )为水平年可用于支撑经济发展的水量;t 为时间。

1.2.2　城市居民可支配性收入模型　城市居民可支配性收入,是反映一个城市居民富裕程度和物质生活水平的重要指标,本研究将其作为城市水资源承载能力社会目标的评价指标。

通过对河南郑州市经济指标资料的分析,发现城市居民可支配性收入和人均GD P 之间有着很显著的对数相关关系,即:

X P I N C =a ×ln (X

PG DP

(t ))+b (8)

式中,X P I N C 为居民可支配性收入;X PG DP (t )人均国内生产总值;a ,b 为系数和常数;t 为时间。

1.2.3　居民日生活用水量模型　在一定阶段,城市居民日生活用水量与城市社会经济发展水平及居民生活水平成正比,但是由于受城市所在地水资源承载能力的约束,居民日生活用水量达到一定限度时,就必定要采用提高水价等管理措施,提高居民的节约用水意识,采取必要的节约用水措施,使日用水量不再增长,甚至可能还有一定程度的下降。据此可以建立城市居民日生活用水量的阻滞型预测模型,来进行城市居民年生活用水量的预测,其预测模型为:

d P W (t )d t =r W (1-P W (t )

P W m

)P W (t )(9)P W (0)=P W 0(10)式中,P W (t )为水平年城市居民日生活用水量;P W m

为城市居民极限日生活用水量;P W 0为城市居民现状日生活用水量;t 为时间;r W 为日生活用水量年增长率。

1.2.4　城市生态用水量的计算　城市生态用水量可以分为天然生态用水量和人工生态用水量。天然生态用水量是指自然状态下植物的耗水量和维持河湖正常生态功能所需的水量;人工生态用水量是指生态系统中人工干预的用水量。水资源总量不含作

为蒸发散发水量的天然生态用水量,也就是说通常所计算的水资源总量不包括天然生态用水量。因此,在进行城市水资源承载能力研究时,天然生态用水量不在用水量计算之列。城市人工生态用水量在城市用水量中通常表现为城市人工绿地的灌溉用水量、需要灌溉的人工林地的用水量及城市人工水系的补水量。

借鉴农田水利学计算作物需水量的方法,本研究采用修正的彭曼公式来计算人工绿地和人工林地的生态用水量。

1.2.5　其他约束方程　其他约束方程包括人口模型、农业约束方程、工业约束方程、第三产业约束方程、生态约束方程、水资源子系统约束方程、BOD 排放量方程、水工程投资方程及与其相对应的子约束方程等,其计算可参见文献[9,10]。

2　城市水资源承载能力的层次分析评

价模型

城市水资源承载能力多目标模型的约束方程数量众多,用现有数学方法很难求得其最优解,而且实际应用中也往往只需得到其满意解即可。本研究通过对城市水资源生态经济系统不同发展情景的组合设计,给出了城市水资源规划利用的不同方案,然后利用城市水资源承载能力分析模型,求出这些方案的水资源承载能力,再用层次分析法进行方案的优选。

层次分析法[11](A nalytic H ierarchy P rocess )是一种定性与定量相结合的系统化、层次化的分析方法。利用层次分析方法进行城市水资源承载能力方案评价的步骤为:

(1)将城市水资源承载能力的评价问题分解为3层,最上层为目标层,即城市水资源承载能力方案

的选择;中间层为准则层,有经济目标、社会目标、生态目标、环境目标4个选择水资源承载能力方案的准则;最下层为方案层,有4个或其他数目的承载能力方案以供选择。各层间的联系用相连的直线表示(图1)。

(2)通过相互比较确定准则层对目标层的权重及方案层对准则层的权重。

①准则层对目标层权重的确定。城市水资源承载能力方案的决策涉及到社会、经济、人文等因素。这些因素通常不易定量量测,人们多凭自己的经验和知识进行判断,当因素较多时给出的结果往往是不全面和不准确的。为此,本研究不是将所有因素放

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