水环境承载力分析计算研究综述

水环境承载力分析计算研究综述

作者：徐荣杰 邵莉

来源：《中国科技博览》2014年第02期

摘要：为了科学地分析计算辽河干流水环境承载力，在查阅了大量的文献基础上，认识到了水环境承载力国内外的研究现状、存在的问题及当前的发展趋势。不同学者对水环境承载力的计算方法、承载对象等基本问题的认识存在不同的见解。当前水资源已成为制约我国社会经济可持续发展的“瓶颈”因素，研究水环境承载能力现状，明确量化水环境承载能力，进而提出增强途径与措施，对解决区域水污染、降低水污染影响、提高水资源质量、促进水资源优化配置、实现人水和谐等方面均具有现实意义。 关键词：水环境；承载力；分析计算；发展趋势 【分类号】：X832 1.概述

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已威胁着人类自身的生存，人们开始思考一个问题：这种生活模式能够维持多久？什么是健康的经济发展模式，因而出现了可持续发展的观点。1987年，世界环境与发展委员会及挪威首相希伦特兰（Brundtland）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“即满足当代人的需要，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[1]。 1.1 承载力概述与水环境承载力的定义

承载力原为力学中的一个指标，指物体在不产生任何破坏时的最大（极限）荷载，通常具有力的量纲。当人们研究区域系统时，借用这一概念来描述区域系统对外部环境变化的最大承受能力。随着研究的不断深入，承载力概念的内涵与外延都发生了变化，并被赋予现代含义，成为用来描述发展限制程度常用的一个指标。承载力在生态学中一般被定义为“某一生境所能支持的某一物种的最大数量”[2]。

水资源承载能力特别强调“生态系统良性循环”这个目标。针对水环境来说，水体到底能容纳多大的污水及污染物，这是水环境承载能力计算问题。我国对水环境承载力的概念，表述从不同角度有下列三种：

第一种表述是站在单纯的水体角度，不考虑作用于水体的人类行为，以水体的纳污能力作为水环境的承载力。如汪恕诚提出的“在一定的水域，其水体能够被继续使用并仍保持良好的生态系统时，所能够容纳污水及污染物的最大能力”，这一定义的特点是其承载对象为污染

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物，指标体系容易表达，指标能够量化，便于和其它水体流域进行比较。该定义下水环境承载力和水资源承载力联合使用，可以较好地表达流域水体对经济社会的支撑作用以及经济社会对流域水体的反作用。

第二种表述是在第一种的基础上加入了水体环境所能承载的人口规模和人口数量，如高占喜在环境承载力中讲述的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容纳的污染物数量，以及可支撑的人口规模与相应人口数量。如朱一中在水环境承载力中讲述的某一区域在特定历史阶段的特定技术和社会经济发展水平条件下，以维持生态良性循环和可持续发展为前提，当地水资源系统可支撑的社会经济活动规模和具有一定生活水平的人口数量。这一定义的特点是将水环境对人类社会的 “承载”内涵表述出来，把水环境承载力具体到人口数量和污染物。

第三种表述是在第二种的基础上加入了水体所能承载的经济规模。将人类行为（经济行为）对水环境承载力的影响概括在内，如何希吾在水环境承载力中讲述的“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，当地水资源能够维持和支撑的人口、经济和环境规模总量”。

鉴于对辽河流域水资源承载能力进行的研究，因此，本次研究将讨论第一种定义下的水环境承载能力，即计算在辽河流域某一水环境单元在给定的环境目标下所能容纳的污染物的量，也就是指环境单元依靠自身特性使本身功能不至于被破坏的前提下能够允许的污染物的量。 1.2 水环境承载力的内涵

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。本文以辽河流域为研究区域，进行了区域水环境承载能力评价。

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[3]。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。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。 1.3 水环境承载力的基本特性

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水环境承载力针对不同时空、流域等因素具有不同计算结果，但是水环境承载力在某些方面上是一致的，这些一致的特征，就是水环境承载力的基本特性，可以归结为以下五方面： （1）相对极限性：指在某一具体的历史发展阶段，水环境承载能力具有最大的特性，即可能的最大承载指标。随着历史阶段的变更，水环境承载能力也会发生一定的变化。 （2）动态性：说明了事物总是处于不断发展变化的历史过程中，通过提高不同时期的总体技术或生产力水平，使水环境承载力在不同时期上具有跳跃性，因而水资源承载力在时间上具有动态性。

（3）模糊性：承载主体水环境系统受生态环境、水生生物及人类活动的影响，有着一定的不确定性。而承载客体社会、经济发展和环境维护则是一个更为复杂的系统，有着更大的随机性。两方面因素加上人类认识世界和自然规律的局限性，决定了水环境承载能力的模糊性。 （4）可增强性：随着人类社会科学技术的进步，人类不断拓宽水环境的研究范围，提高生态系统的多样性，从而增加水环境的承载能力。

（5）被承载模式的多样性：即经济、社会发展模式的多样性，它决定了水环境承载能力研究是一个复杂的决策问题。 2.研究的背景及意义

当今，可持续发展的理念己被人们所广泛接受。要实现人类生存和社会的可持续发展，自然资源的持续利用和良好的生态环境是最根本的物质保证。随着社会经济的持续发展和人口的不断增长，水资源短缺和水环境破坏已经成为全球性的严峻问题。造成这种现象的原因是多方面的，其中最不容忽视的，一方面是用水量逐年增加，另一方面则是人类随意地乱砍滥伐、不合理的放牧以及向环境排入大量污染物，造成水污染不断加剧、水环境明显恶化，人们开始注重水环境问题，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，对于协调区域水资源分配、改善流域水环境，实现区域可持续发展，具有十分重要的意义。

水环境系统到底能够承载多少污染物？选择什么的数学模型才能有效计算出水环境承载能力？怎样做才能保持水资源的开发利用处于水环境承载能力范围内？这对可持续发展十分重要，也是水环境承载能力计算方面亟待解决的问题。因此，研究水环境承载力，了解当前水环境的承载状况，并通过对影响水环境承载能力的各因素有所侧重的改善与发展，从而对达到协调区域经济发展、居民生活水平与生态环境建设关系的目的是非常重要的[4]。它是水资源安全度量和规划的基础，不仅能够给管理者提供决策依据，而且在一定程度上能增强人们的节水意识，对促进水资源的持续利用和实现社会经济的可持续发展具有重要意义。 3.水环境承载力的国内外研究现状

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提到水环境，不得不提及环境与生态环境。环境按其主体可分为两类：一类是以人类为主体，其他生命物体和非生命物质都被视为环境要素的环境；另一类是以生物体作为环境的主体，只把非生命物质视为环境要素，而不把人类以外的生命物体看成环境要素的环境。生态环境是以人类为主体，其他生命物体和非生命物质都被视为环境要素的环境，除包括自然因素外，还包括社会因素。是人类赖以生存的有机结合体，包括生物性的生态因子和非生物性的生态因子，如草木植被、河流、湖泊、土地气候等自然地理条件和人为条件都是人类所赖以生存和发展的环境基础。影响生态环境演变的因素不外乎两大类，即自然因素和人为因素。人为因素形成的生态环境演变现象，包括农垦引起的荒漠化、盐碱化，水生生物减少或灭绝、草场退化；排污引起的水环境污染、大气环境污染、土地肥力下降、生物生存环境破坏。特别是人类活动日益强烈的近代，人类作用急剧加剧了生态环境的破坏。在环境与生态环境的研究基础上，针对水环境研究，国内外都有了很大进展。 3.1 国外研究现状

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在共同发表的《保护地球一可持续生存战略》一书中指出：承载力是“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”。随着承载力研究的深入，水资源具有量的承载力，同时提出质的承载力，首先研究了水资源承载力，水环境承载力国外的经典研究很少，很多只是泛泛的讨论。 如1968年首先由日本学者提出，水环境承载力（Water Environmental of Carrying Capacity， WECC）是承载力概念与水环境领域的自然结合，其理论雏形为水环境容量；1993年，Pearce D .W 研究了经济、环境与可持续发展的关系；国外对于流域、海湾、湖泊等水体进行的生态学意义的承载力研究中，也涉及到一些水环境承载力研究，但专门的研究较少，一般仅在可持续发展文献中简单地涉及。如北美湖泊协会曾对湖泊承载力进行定义；美国的UPS公司对佛罗里达Keys流域的承载能力进行了研究，内容包括承载力的概念、研究方法和模型量化手段等方面；Rijiberman. J等在研究城市水资源评价和管理体系中将承载力作为城市水资源安全保障的衡量指标；2002年，美国环保局United States Environmental Protection）进行了4个镇区环境承载力研究（Four Town ship Environmental Carrying Capacity Study），具体计算了4个湖泊的环境承载力，并提出了保护和改善湖泊水质的建议。 3.2 国内研究现状

水环境承载力的研究对控制环境污染有十分积极的意义，但由于环境承载力指标与经济开发活动、环境质量状况之间的数量关系非常复杂，加之诸多偶然因素的影响，环境承载力研究进展不快，对水环境承载力的理论和实践研究目前尚处于探索阶段。

我国较严格的“环境承载力”概念最早出现在《福建省泥洲湾开发区环境规划综合研究总报告》中[5]，即“在某一时期，某种状态或条件下，某地区的环境所能承受的人类活动的阖值”。此后，许多学者对环境承载力展开了研究。

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1995年，唐剑武等在《环境承载力及其在环境规划中的初步应用》中给出了水环境承载力的概念，但水环境承载力的科学定义目前学术界尚未达成共识。

郭怀成[6]等认为水环境承载力是指某一时期、某种环境状态下、某一区域水环境对人类活动支持能力的闭值。

贾振帮[7]认为水环境承载力的含义是在一定的自然环境条件和特定的社会经济发展模式下，区域水环境（包括水资源和水污染）对其社会经济发展的支持能力。

崔凤军把城市水环境承载力定义为：某一城市（含郊区）、某一时期、某种状态下的水环境条件对该城市的经济发展和生活需求的支持能力。

廖文根[8]认为水环境承载力是指：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（即纳污能力）和承受对其基本要素的改变（系统调节能力）。

汪恕成[9]认为水环境承载能力指的是在一定的水域，其水体能够被继续使用并仍能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。

崔树彬[10]在《河流水环境承载能力及定量化问题探讨》中认为，水环境承载能力就是通常意义上的“水环境容量”或者是“环境（水体）的纳污能力”，水环境容许污染负荷量等。 钱华在《河流水库水环境承载力研究一以黄河万家寨水库为例》中提出的水环境承载力的定义：水坏境系统在自我维持、自我调节能力正常的情况下，水环境系统的承纳能及其可维育的社会经济活动强度和具有一定生活水平的人口数量。

在联合国开发署资助的《华北水资源项目》中，研究的内容就是华北地区的经济发展、资源配置和环境承载能力之间的平衡和协调问题。当时确定的两个最主要的目标函数就是国内生产总值GDP 和生物需氧量BOD5，前者衡量经济发展及效益，后者衡量水环境清洁水平，而没有明确提出其可接受的最大限度，即承载力。

鉴于对辽河流域水资源承载能力进行的研究，因此，本次研究将采用的水环境承载能力，即计算在辽河流域某一水环境单元在给定的环境目标下所能容纳的污染物的量，也就是指环境单元依靠自身特性使本身功能不至于被破坏的前提下能够允许的污染物的量。 4. 水环境承载能力研究中存在的问题

当前，我国时空变化差异很大，不管是南方或北方，水资源危机以及相关生态环境问题都相当突出，在优化水资源配置的同时，也要充分地考虑到各个地区的水环境承载力。我国水环境承载力研究，目前虽已取得了一定的进展，但是仍然存在以下几点问题。 （1）基础理论不完善

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关于水环境承载力概念及其内涵特点多为经验性描述，系统分析不足，其外延模糊，至今还没有统一、公认的定义、理论基础和研究方法，未形成一个完整的计算体系。定义与计算形式不统一，承载力的单位不明确，因此应用上缺乏足够的可行性，实施和操作性还不强。水环境承载力的研究是一个复杂的系统多目标决策问题，其研究领域宽广，涵盖了从生态功能等宏观领域到水生生物呼吸作用等微观领域，从水文学到生态学、环境学、社会经济学、管理学等不同层次、不同学科的研究范围，学科交叉性强。但目前的理论基础还不足以支撑所有的研究领域[11]，因此要加强水资源承载能力的基础理论研究和完善。 （2）研究原则和目标不明确

水的问题已经成为中国社会经济可持续发展的关键制约因素。这就需要我们在进行对水的研究时要充分地考虑可持续发展[12]。而我们在水环境承载力的研究过程中，究竟应该以怎样的可持续发展标准来评价和计算水环境承载力，或者怎样的水环境承载力才可以真正实现可持续发展，目前尚未明确和统一。

（3）亟待建立完善公认的、适合流域特点的承载能力指标体系

现有的水环境承载能力评价指标体系不多，大部分的评价指标体系过于简单或冗余，一般仅是探索性的成果，还未形成统一的、公认的评价指标体系，尚无适宜的筛选框架和分析方法。在承载力研究中，虽然引入了研究复杂系统的数学建模方法，但各方法都具有一定的局限性[13]。而且数学模型中涉及到的指标和指标体系往往过于简单，没有给出分析和筛选框架。这些指标往往不能同时描述人口—生态—社会经济复合系统的复杂性和水环境承载力的大小。而且水环境承载力研究中有大量的定性指标，如政策法规、管理水平、环保意识等，而对这些定性指标的定量化具有相当的难度，所以至今还没有既能描述水资源社会经济系统结构的复杂性，又能描述水环境承载力大小的评价指标体系。现行的指标体系忽略了对自然生态系统各因子间相互作用规律的研究，对水环境承载力的评价因子的引入不全面，这极大地阻碍了水环境承载能力评价研究的深入开展，也限制了水环境承载能力研究的系统性和规范性。 （4）计算分析方法尚待进一步创新

目前，对于水环境承载力的研究大多都是在定性的分析上，而且静态的分析较多，动态的分析计算较少。因此，不能充分反映出动态下的水环境系统、宏观经济系统、社会系统以及生态环境之间的相互协调、相互制约和合理配置的关系。基于水环境的特殊性，建立一套属于水环境承载力系统本身的计算方法非常必要。 5.结语

经过上述探讨，水环境承载力的研究应加强以下方面的研究，以促进水环境承载力分析计算的理论研究和应用发展。

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（1）将水环境承载力置于可持续发展框架下进行研究。研究应建立在生态、经济、社会复合系统可持续发展的前提条件下，因此，只有真正明确可持续发展的内涵，深入剖析水环境承载力与可持续发展的关系，才能合理地对水环境承载力进行评价和计算，同样，只有进行了水资源承载力的研究，才能使水资源的开发利用以及社会的经济发展达到可持续。

（2）重视生态系统需水量的研究。为了实现可持续发展的目的，水环境承载力的研究必须以维护生态环境良性发展为条件，科学研究生态需水量，然后进行水环境分析。

（3）加强水环境承载力理论基础的研究。完善水环境承载力理论体系，为水环境承载力研究寻找新思路新方法提供理论依据，并为国家决策、规划、计划和社会协调发展提供科学依据。

（4）以系统的观点研究水环境与其他资源的综合承载能力。人类社会的可持续发展需要水环境和其他资源的共同支持，因此必须从系统的角度研究水环境与其他资源的综合承载力。[14]

（5）引入新方法。现代计算手段和新技术的日新月异，将为水环境承载力研究提供崭新的理论基础和研究技术手段。

（6）结合物理、化学、生物自净理论，把人工措施与水体自净能力相结合等方面，如建设氧化塘来处理污水，利用土地处理系统处理污水，及结合筑堤、建库等水利工程措施来提高河流自净能力等。利用沿河滩湿地，提高水生生物多样性，提高河道的水体自净能力。 参考文献

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