水环境承载力量化方法的研究进展

水环境承载力量化方法的研究进展

李川，董先锋，吴若静

河海大学环境科学与工程学院，南京（210098）

E-mail：lcwhy54321@

摘要：水环境承载力作为衡量水环境与社会经济协调发展程度的研究刚刚起步，目前尚未形成比较完善的理论体系和量化方法。本文介绍了不同学者对水环境承载力基本概念的不同提法，论述了水环境承载力的量化方法，分析了各自的优缺点和研究中存在的问题，并提出了水环境承载力量化方法的研究趋势。

关键词：水环境承载力量化方法研究趋势

中图分类号：P641.8

1．引言

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。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。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，它体现了在维持一定生活水平的前提下，水环境所能永远承载的人类活动的强烈程度。自90年代中期水环境承载力作为可持续发展研究和水资源安全战略研究中的基础课题被提出后，已迅速成为当前水科学研究中的热点。本文综述了水环境承载力量化方法的主要研究进展,分析了当前研究中存在的不足和新的发展趋势。

2．水环境承载力的概念和内涵

水环境承载力(Water Environmental Carrying Capacity, WECC)是承载力概念与水环境领域的自然结合，属于可持续发展理论的范畴。水环境承载力的研究在我国起步较晚，尽管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[1]。关于水环境承载力的定义，目前学术界达成普遍共识，归纳起来有以下几种类型：①崔凤军[2]，何少苓[3]，郭怀成[4]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；②汪恕诚[5]，申献辰[6]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；③廖文根[7]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；④崔树彬[8]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：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。水环境承载力是由水环境系统结构决定的，其本质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人、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。

3．水环境承载力量化方法

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、系统动力学仿真模型法、人工神经网络模型法。常用的水环境承载力量化方法有：

3.1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、时期或地区的水环境承载力。郭怀成、崔凤军[9－10]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[11]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[12－13]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＝—u1,u2,…,u n—和V=—v1,v2,…,v n—。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 ij构成的模糊关系矩阵，其中的第i行第j列元素r ij表示某个被评价对象从因素u i来看对v j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、纪昌明[14]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[15]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。

3.2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——经济——生态——环境——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[16]，蒋晓辉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问题[17]。

3.3系统动力学法(System Dynamics)

系统动力学是由美国麻省理工学院教授福雷斯特于1956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[18]。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ECCO(Enhm Cement of Carrying Capacity Options)法[19]，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、环境与发展(PRED)统一纳入发展计划，采用环境计量系统进行分析，通过PRED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。ECCO模型将经济活动中的粮食生产、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(1985年)、毛里求斯(1987年)和英国(1987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90年代后期开始应用系统动力学模型对水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SD模型对乌鲁木齐市1993-2020年水资源承载力进行预测分析[5]，崔凤军运用SD模型分析了不同策略下的城市水环境承载力[2]，惠泱河采用SD模型模拟了陕西关中地区在自然—人工二元模式下的水资源承载力[5]。汪彦博、王嵩峰等利用系统动力学方