区域水资源综合评价及现代化新技术

6.4.4.1　水资源承载能力

1.水资源承载能力的概念

水资源条件综合分析是对评价区水资源状况及开发利用程度的概括性评价，应从不同方面、不同角度进行全面综合和类比，并进行定性和定量的整体描述。

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，其量和质满足人类现在与未来发展需要的能力是有限的。因此，为了实施可持续发展战略，分析和估算各种资源对可持续发展的支持能力，特别是找出“瓶颈”资源的承载能力，是可持续发展研究的一项重要内容。“承载能力”（Carrying Capacity）一词，起源于生态学，其意是指：在特定条件（如生存空间、营养状况等）下，某种生物个体生存数量的极限。后来，这个术语延展至整个自然界，产生了生物资源与非生物资源、再生资源与非再生资源的各种资源承载能力的概念。资源承载能力是指一定区域内、一定物质生活水平条件下，某资源可持续供养人口数量的规模。也有人定义为：一个国家或地区，按人口平均的资源数量和质量，对该空间内人口的基本生存与发展的支持能力。

（1）水资源承载力的定义及指标。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，且往往是水资源紧缺和贫水地区支持人口与发展的“瓶颈”资源。因此，水资源承载能力对一个国家或地区综合发展和发展规模至关重要。水资源承载力的定义可表述为：在一定区域内，在一定生活水平和一定生态环境质量下，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。这个能力或限度用以下3个指标来衡量。

1）可供水量的数量。地区（或流域）水资源的天然生产力有最大、最小界限，一般以多年平均产出量（水量）表示，其量值基本上是个常数，也是区域水资源承载能力的理论极限值，常用总水量、单位水量表示。可供水量是指地区天然的和人工可控的地表与地下径流的一次性可利用的水量，其中包括生活用水、工农业生产用水、生态环境用水和其他用水等。可供水量的最大值将是供水增长率为零时的相应水量。一些专家认为，经济合理的水资源可利用量约为水资源量的60%～70%。

2）区域人口数量限度。在一定生活水平和生态环境质量下，合理分配给人们生活用水、环卫用水所能供养的人口数量的限度，或计划生育政策下人口增长率为零时的水资源供给能力，简而言之，也就是水资源能够养活人口数量的限度。

3）经济增长的限度。在合理分配给国民经济的生产用水增长率为零时，或经济增长因受水资源供应限制为“零增长”时，国民经济增长将达到最大限度或规模，这就是单项水资源对社会经济发展的最大支持能力。当然，一个地区的人口数量限度和国民经济增长限度并不完全取决于水资源供应能力。但是，在一定的空间和时间内，由于水资源紧缺和匮乏，它很可能是该地区持续发展的“瓶颈”资源，制约着经济和社会发展，具有十分重要的地位，故在制订和实施规划时必须尽早研究，寻找对策。

评价地区水资源载能力的目的，在于提示有限水资源与人口、环境和经济发展之间的关系，从中找出与水资源承载能力不相匹配而制约地区发展的因素和条件，以利统筹对策，促进全社会的持续发展。然而，水资源对地区发展的支撑条件，并不仅仅体现在可供水量的多少，更需要从水资源对人类社会所产生的利害关系全面考虑，综合评价。据此，一个地区的水资源承载能力，基本上是由水资源量的支撑力、水资源质或水环境的承载力和地区水害的防御能力3个部分所组成。三者之间的关系既有相互影响的一面，也有相互独立的一面；三者的各自作用和内容不尽相同，且具有各自特有的能力和阈值，但支持持续发展的目的是一致的。

（2）3个承载能力的概念及含义。3个承载能力是指水资源量的支撑能力和水环境的承载能力以及区域水害的防御能力，其概念及含义如下。

1）水资源量的支撑能力。水资源量的承载力是指水资源可供地区人口、生态环境、工农业生产和社会其他用水的能力。它是维持地区社会生存与发展的“生命之源”，是衡量地区水资源承载能力的主要成分和主导方面，其现状能力与未来能力的阈值，可通过地区的供需平衡来确定。

地区水资源现状承载力是指地区现状发展的情况下，水资源对现状人口、环境、经济和社会发展的供应能力，预示着水资源对地区发展的贡献、存在的问题和支持发展的潜力。现状承载力可用地区水资源开发利用率、人均占有水量和人均利用水量表示。

水资源最大承载力因地区水的丰缺程度而有不同含义：对水资源紧缺和贫乏地区，水资源的最大承载能力是指在合理分配人口、环境和生产用水的条件下，水资源可供水量（包括当地和域外可能调引的可用水源）的增长率为零时的总可供水量；对水资源丰富地区，水资源的最大承载能力是指在合理满足各种用水的条件下，人口发展达到零增长或经济增长达到零增长时的可供水量。由于地区发展的复杂性，人口、经济零增长的时间不见得会同时出现，因此，水资源的最大承载力，严格地说，应是人口、经济零增长均已发生后的可供水量之和。

我国疆土辽阔，各地自然、经济、社会发展条件和现状极不均衡，南方水多，北方水少。面对广大北方缺水和贫水的局面，除合理利用当地水资源和大力开展节水措施外，调引南方多余水量势在必行。

2）水环境的承载能力。水环境承载能力是指一定水域、一定时期内，为了维持水域生态环境和人类健康环境，实施设定的水质和环境质量目标对人类活动的支持能力。由于对水环境设定的水质标准取决于水的不同用途，如饮用水源、灌溉水源、工业水源等水质要求不同，由它们构成的水环境及其质量对人类活动的限制也不同，因此，一般水环境的承载力也有最大、最小之分。水环境最小的承载力是指在维持水体自净能力的条件下，保证水环境质量最低要求时对人类活动的限制。例如，饮水水源一般设有保护区（尤其在城市）区内禁止一切有损水质的活动。

水环境的最大承载力则是指在保持一定生态环境质量目标的条件下，采用无污染环境的各种措施，达到人类活动与水环境和谐状态时所具有的支持能力。例如，采用生态工程技术、建立污水处理厂使污水资源化；采用无污染的生态工艺流程，使工业废水“消化”在生产过程中，尽量减少或消除废水排泄；采用无污染的化肥和农药，控制面污染。只有达到污水排放少、点面污染源的污染得到控制、生态环境步入良性循环发展，人类生活、生产活动与水环境系统处于和谐状态，才能实现水环境对人类活动的最大支持。

水环境最小、最大承载力之间存在一个非常重要的环境容量承载力。它的含义是指在一定的水质或环境目标下，某水域能够允许承纳某类污染物的最大数量，称为该污染物在这一水域的环境容量；这个环境容量对人类活动的支持能力，即为环境容量的承载力。它对开发利用水环境、防治水污染、管理水环境、保护水资源均起着重要的作用。

目前我国大中城市周围的水域和缺水地区的广阔范围内的水质，几乎都受到了比较严重的污染，有的地区水质现状已超过了国家标准要求，水环境承载力出现了负值，如不及时加强治理是不堪设想的。

区域水环境某时期的承载力分析需通过水质调查分析、水质规划、供水工程与污水处理回收等措施的优化组合才能进行，这就是水环境容量承载力分析的内容。至于水环境达到最大支持能力的要求，不管经过怎样的艰苦努力也是必须要达到的，因为它是支持当代持续发展与代际发展必不可少的重要条件。

3）区域水害的防御能力。区域水害的防御能力是指对水具有的危害性进行防御，以支持地区经济、社会发展的能力，也就是根据地区自然、社会条件，依设立的防灾目标，采用工程和非工程措施相结合的防御体系，所能保护和支持地区社会发展的能力。我国自古以来就是一个水旱灾害频繁发生的国家，一部中华文明史，从一定意义来说，就是中华儿女不断与水、旱灾害斗争的历史，直到今天，水、旱自然灾害也是无法避免的事实，不可能全部消灭，只能采取加强防御能力的办法，尽量减轻自然灾害损失和争取局部消除灾害损失。减灾就相当于增加生产和增加社会福利，防御能力越强，增加的正面效益也越大。

防御灾害的最小承载力是指天然状态下，即无人工防御措施时，对人类活动的支持能力。这种情况也许在某个风调雨顺、或受灾损失不大的地区出现，不过随着地区经济社会的发展，完全不设防的状况也将随之改变。

灾害防御的最大承载力是指采取各种措施能够使区域社会发展不受限制的能力，或即使有水、旱灾害发生，但无灾害损失或损失可以忽略不计的支持能力。这是一种理想的最大支持能力，实际上是不可能、也不必要的。因为水的不确定性和投入防御措施的经济性，无法设想并达到理想防御能力的最大标准，只能要求达到与地区经济发展相适应的、能够使灾害损失降到最小的防御标准。

现状防御灾害的能力就是支持人类活动的现状承载力。水害一般包括洪、涝、旱、碱等与水有关的自然灾害，其中以洪水灾害产生的破坏性最大。目前我国七大江河的防洪标准偏低，严重威胁着中下游地区的发展，继续加强防御能力势在必行，任何侥幸心理都会贻误大事。1998年夏天以来长江流域遭受了与1931年、1954年同样的全流域性的大水，通过全民的抗洪抢险努力，基本保住了长江干堤和沿江大、中城市，使之安然无恙，表明沿江综合防御能力已较1954年的防御能力大大提高，但损失还是惨重的。至于防旱、抗旱能力，直接关系着农产品的稳产和高产，提高防御能力和标准也是当今的重要任务。总之，提高水害的防御能力是支持持续发展的必要防护措施，但应与区域自然特性、社会经济状况和投入防御措施的经济技术能力相适应。

2.区域（流域）水资源承载力分析方法

（1）水资源承载力分析方法简介。区域（流域）水资源承载能力分析关系到地区环境、人口和经济发展规模和代际持续发展的前景，是一项涉及面广、内容复杂的重要问题。

地区水资源承载能力一般是指水资源数量的供应能力、水环境质量保护能力和水害防御能力的综合。通过综合分析，找出促进或制约地区发展的有利或不利因素及其相互关系，为地区社会经济发展战略的制定提供可靠的科学依据。

目前，国内外对水资源承载力的研究处于初始阶段，尚无成熟的方法。但根据地区社会、经济发展情况和水资源的自然、社会属性，循着可持续发展主向，借助有关科技知识、理论和方法，结合地区问题性质和决策者需求，应用已有的和创新的方法是可以解决问题的。解决的方法大致可有三类：综合指标法、系统动力学法和模拟技术与优化技术混用的系统分析法。

1）综合指标法：综合指标法是一种采用统计方法、选择单项和多项指标、反映地区水资源承载力现状和阈值的简捷方法。

例如，用地区人均占有水量和水资源开发利用率大体判断区域水资源承载力的现状与潜力。国外研究经验认为：当某个地区人均占有水资源少于500m3，水资源开发利用程度达到70%时，如不采用复杂的高效用水措施和生态环境保护措施，必将造成严重的社会与生态环境问题。利用流域开发函数法可以概略地衡量流域水资源综合开发程度和流域开发阶段。这些指标基本上可作为衡量区域水资源量承载力的简明方法。

可用水环境承载力反映水环境状况与社会经济之间的关系等；利用防洪防涝的标准，如防多少年一遇的洪水和内涝，表示对洪涝灾害的防御能力；利用地区农田灌溉面积与非灌溉面积之比和灌溉保证率，表明防旱、抗旱的能力。应用上述综合指标反映地区水资源承载能力的状况，具有直观、简便、综合的特点，因此，综合指标法得到了较广泛的应用，但提出问题的精度和深度不够具体和细致。

2）系统动力学方法：系统动力学法是应用系统动力学原理、采用动态反馈模拟模型评价一个地区资源承载能力通用性的方法。

其中由联合国教科文组织发起、英国研究人员主持的，名为提高资源能力分析的ECCO（Enhan Cement of Carrying Capacity Options）方法，就是专门研究提高资源承载能力备选方案的资源计量方法。该法（或模型）将地区人口、资源、环境与发展（PRED）统一纳入发展计划，采用资源计量系统进行分析，通过PRED之间的相互关系，选出能够提高地区资源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，称资源计量方法。该模型曾在肯尼亚（1985年）、毛里求斯（1987年）和英国（1987年）3个国家级资源承载能力研究中应用，取得了较好的成果。

3）系统分析方法：水资源承载力分析涉及自然条件和社会系统的各个方面，是一个典型的复合系统问题，因此，系统分析的方法及其有关的模型，如数学的、模拟的、复合的等均可根据问题的性质选用和创新。根据这种认识，我们采用动态模拟和数学与经济分析相结合的方法，即根据系统分析原理拟定的水资源承载力分析方法。在这类方法中，由于采用的数学工具和着眼点不同，可能衍生出许多不同的分析方法。只要依据系统论及其分析原理、能确切地反映问题实质，均可寻得合适的数学工具和模拟模型，问题的焦点在于方法简捷有效、可操作性强、能真正解决实际问题。

（2）水资源承载力动态模拟递推算法。水资源虽有多种功能，但其最基本的用途是设法满足当代和后代人生存与发展需要的清洁淡水，因此，水资源量、质的供应能力便是衡量一个地区或城市水资源承载能力的主要指标。水资源供应的对象是地区居民、生态环境和经济、社会发展、有一定水质要求的用水，通过水的动态供需平衡计算，便可显示水资源承载力的状况和支持人口与经济发展的最终规模。

本法的实质是模拟，即利用计算机模拟程序，仿照地区水资源供需真实系统运动行为进行模拟预测，根据逐年运行的实际结果，有目的地改变模拟模型参数或结构，使其与真实系统尽可能一致。当水资源、供应能力达到“零增长”时（对水资源紧缺地区）或地区人口增长，或经济增长达到“零增长”时（对水资源丰裕地区），即使水资源供应能力可能继续增长，但其承载力按定义已达最大。

本法的模拟算法与传统的水的长期运转规划（如调度规划、供水规划和水质规划）的模拟算法并无本质区分，其唯一的特点是不设规划期或规划水平年，而以年为时段，每年终了都要对模拟计算结果进行分析，根据实际情况及时修正模型参数，再进行下一年的模拟计算。这样逐年地递推计算下去，直到水资源承载力达到极限为止，故称为动态模拟递推算法。

这样做的目的一是能直观地反映地区水资源承载力的发展和达到承载力最大的全部过程，利于分析和采取对策；二是更能贴近地区发展的实际状况，反映地区有关政策、科技进步与管理水平对水资源承载力的影响。

水资源承载力动态模拟递推算法，过程清晰、简单实用，且能提供直到水承载能力出现极限的全过程的供需平衡状况，预示出供需之间可能出现的问题，以便尽早采取应变对策。

6.4.4.2　水环境容量的确定

环境容量是环境科学中的一个重要理论问题，目前环境容量主要用于水体和土壤污染负荷容许程度的定量研究，但目前尚有一些具体问题没有完全解决。例如，污染物进入土壤、包气带、地下水或随地下水排泄进入地表水等过程中，会产生一系列复杂的物理、化学和生物作用过程，如何定量地刻画这些细节并用于环境容量计算，还在不断探索之中。另外，环境容量与环境单元的选取有关，如何划分单元，且处理好相邻单元间溶质输入输出的关系也有待研究，但环境容量所提供的思路使人们有可能在环境承受能力与人类活动所施加的强度之间找到一个“平衡点”，为保护环境、控制人类自身的活动提供理论依据。

目前有关环境容量的含义在不断拓宽，应用范围也在扩大。除水体、土壤污染问题外，环境容量一词还被理解为：为保持某种宏观稳定状态，环境系统所具有的抗干扰能力，用于地质环境评价和生态领域中，包括水资源开采条件下保证一定地质环境质量或生态平衡时的可利用水量限额等。水环境容量的许多概念和计算、模拟方法都从环境容量衍生或借用而得。

1.环境容量的概念

（1）国外学者对环境容量概念的描述。国外有些学者认为，环境容量是污染物允许排放量与环境中污染物浓度的比值；有的则认为是环境对污染物的自净同化能力，即环境容量（自净能力）是污染物允许排放总量与该污染物在环境中的降解速率的比值。日本学者矢野雄幸则认为：环境容量是按环境质量标准确定的一定范围的环境所能承纳的最大污染物负荷总量。

为了建立污染物浓度与环境自净能力之间的平衡关系，实现对污染物的总量控制，1968年日本学者西村肇、中田喜三郎和矢野雄幸提出了环境容量的概念，并给出了以下表达式：

式中：Q为污染物控制总量；C为环境中污染物的浓度；K为环境容量（Q与C的关系系数）。

（2）我国学者对于环境容量概念的解释。我国有些学者把环境容量定义为“自然环境或环境组成要素对污染物质的承受量和负荷量”，即认为环境容量是指某环境单元所允许承纳污染物的最大数量。它是一个变量，包括两个组成部分：基本环境容量（或称差值容量）和变动环境容量（或称同化容量）。前者可通过拟定的环境标准减去环境本底值求得，后者是指该环境单元的自净能力。某环境单元（区域）容量的大小，与该环境单元本身的组成、结构及其功能有关。因此，在地表不同区域内，环境容量的变化具有明显的地带性规律和地区差异。通过人为的调节，控制环境的物理、化学及生物学过程，改变物质的循环转化方式，可以提高环境容量，改善环境的污染状况。

我国学者钟佐、田春声等人认为，环境容量是指相对于某种环境标准，某环境单元所容许承纳污染物的最大数量。它是差值环境容量（可通过拟定的环境标准减去环境本底值求得）和变动环境容量（该环境单元的自净能力）之和。

从这一环境容量的概念可以看出，环境容量的核心是环境的自净能力，即环境凭借其内部的物理、化学和生物作用，具有消除污染或降低污染程度的能力。环境的自净能力越强，容量就越大，所能承纳的污染物越多。另外，环境容量还与所拟定的环境标准有关，在相同的条件下，拟定的标准越严格，差值环境容量小，环境容量也就越小，反之亦然。

对某一水体，其所能承纳某种污染组分的最大数量可用下式计算：

式中：Wi为该水体（即环境单元）对第i种污染组分的容量；V为水体的总体积；Si为第i种污染组分的最大允许浓度（环境标准）；Bi为水体第i种污染组分的环境本底值；Ci为水体对第i种污染组分的自净能力。

若污染物的成分较复杂，含有几种组分，该水体的总环境容量为：

式中：E为水体的总环境容量；Wi为该水体对第i种污染组分的环境容量（i＝1，2，…，n）。

事实上，进入水体的各种污染组分可以与水中离子、微生物发生作用，形成新的污染物或污染组分之间反应形成沉淀物而减轻污染，所以，总环境容量不应是各种组分容量的简单叠加。

2.水环境容量的类型

在地表水（河、湖）环境容量研究中，若不考虑环境的自净过程，可把环境容量划分为以下几种类型：

（1）理想水环境容量（绝对水环境容量）。即以水域的原始本底值或以清洁本底值（表示在最清洁状态下的水质）与环境标准对照，用以反映未受人类活动影响水域的自然纳污能力。这种水环境容量是水域环境容量的最大值。

（2）现状水环境容量。指根据水域的水质现状，估算它在达到环境标准时所能容纳的污染物数量。它可进一步划分为面源污染现状的水环境容量和点源污染现状的水环境容量，后者需要根据污染源的分布，通过现状模拟来计算容量值。

（3）可优化利用的水环境容量。通过水质规划、优化决策，对整个水域的点污染源进行合理安排后，所能利用的水环境容量。在优化决策计算中，由于附加了费用函数，增加了经济约束、社会条件约束，其结果更符合实际。

3.水环境容量总量的确定方法

水环境容量一般是指地表水（河流和湖泊）的环境容量，通常分为平均环境容量和安全环境容量。

安全环境容量是指在河流或湖泊任一点处都能满足环境标准的前提下，水体还能容纳的污染物的量。计算公式如下：

式中：Q容为某一种污染物的环境容量，t；C0为某种污染物的环境标准，mg/L；Cmax为水体在某点处的最大浓度，mg/L；V为水体的体积，m3。

4.平均环境容量

一般水体的环境容量是指平均环境容量，即某段河流或者某个湖库还能再多容纳污染物的平均量。计算公式如下：

式中：为某种污染物在水体中的平均浓度，mg/L；其他符号意义同前。

下面简要介绍某一段河流平均环境容量计算方法。

（1）水体自净能力的研究。一段河流通常有许多个排污口，污染物排入水体中要经过一系列的变化，如扩散、稀释、生物降解、絮凝沉淀、河床吸附等。这些过程对于污染物降解均起到积极作用。河水的自净能力是对上述过程的具体反映。研究水体的自净能力对于确定水体的环境容量是非常重要的环节。

确定研究水体的自净能力常采用模拟实验和现场实验相结合的方法，其中包括实验室模拟法和河流模拟法等。

（2）环境容量的确定。某河段的环境容量可用以下公式计算：

式中：x为河流接纳排入污染物后流过的距离，m；u为河流的流速，m/s。

则该河段的平均浓度为：

某河段的环境容量为：

式中：Qi为某河段的某种污染物的环境容量，t；V为研究河段的水体体积，m3；为河流的平均浓度，mg/L。

某区域由若干个污水排放口，可把该河流分成若干段，则多段河流的某污染物允许入河总量为：

6.4.4.3　水资源优化配置

水资源科学是研究水资源的形成、运动、分布和演变规律以及揭示水资源开发利用、保护与经济社会发展和生态环境保护之间的相互关系，并应用这些规律和关系解决人类社会可持续发展对水资源在数量和质量上需求的科学。其核心是研究和解决水资源的稀缺性问题。规律问题属于基础理论研究的范畴，关系问题属于应用理论研究的范畴。水资源承载能力和合理配置是应用理论研究的主要内容。

1.水资源承载能力与合理配置的相互关系

水资源承载能力是以水资源为出发点，探求与经济或生物总量之间的关系，要分析计算水资源承载能力，需要先确定水资源可利用量和年综合用水量。水资源可利用量是指在水资源可持续利用的前提下，考虑技术上的可行性、经济上的合理性以及生态环境的可承受性，通过工程措施可以获取并利用的一次性水量。随着科学技术的发展及国家经济实力的增强，开发利用水资源的手段和措施会不断改进或更新，水资源可利用量也会发生变化，所以只能根据可能预计的未来某个水平年的技术经济条件进行估算。分析计算水资源可利用量的过程相对比较复杂，因为它是供应用水户消耗和损耗的一次性水量指标，不包括上游区与下游区之间、地表水与地下水之间、城市与农村之间重复的用水量。

人均年综合用水可以建立人口总量和经济总量与水资源之间的定量关系。我国现行的人均年综合用水量包括了生活用水、生产用水和部分城市生态用水，能够比较客观地反映一个地区或区域经济社会的用水水平。事实上，人均年综合用水量就是一个地区或区域经济社会的总用水量与其人口的比值。

水资源合理配置是以经济或生物总量为出发点，探求与水资源之间的关系。任何经济制度的基本问题都是通过资源配置使有限的资源产生最大的效能。现代经济学认为，资源配置的途径是通过市场和价格机制来实现的。因此，市场经济是合理配置资源的有效形式。从宏观方面看，社会生产和社会需求是在不断变化的，通过市场配置资源，可以合理、高效地利用各种资源，减少和避免资源的浪费。从微观方面看，市场经济要求每个生产单位都以最少的劳动和资源消耗获取最大的利润，这就促使生产单位必须充分利用各种资源，包括水资源。(www.xing528.com)

依据社会主义市场经济的法律、行政、经济和技术手段，正确处理水资源天然分布与经济社会发展格局（也可以说生产力布局）之间的关系，为国家实施可持续发展战略积极创造有利的水资源条件，是水资源合理配置的基本内涵。水资源的天然分布包括其数量和质量在时间与空间上的分布。显然，水资源合理配置是一个长期的、动态的过程，将随着经济的发展和社会的进步而不断发展，始终保持其前瞻性和适应性。

水资源合理配置以保障和支撑经济、社会和环境的协调发展为依据，合理安排水资源在数量上和质量上的时间与空间分布。需要特别强调的是由于水资源具有自然属性和商品属性的双重属性，其合理配置问题不能等同于其他只具有商品属性的资源，如煤、石油、天然气等。因此，在水资源合理配置过程中，既要遵循自然规律，同时又要遵循价值规律。正是由于水资源的双重性，导致水市场是一个不完全的市场，也称之为“准市场”，需要政府和市场的共同行为，才能合理配置水资源。

从上述水资源承载能力是以水资源为出发点，探求与经济或生物总量之间的关系，以及水资源合理配置是以经济或生物总量为出发点，探求与水资源之间的关系的阐述可见水资源承载能力与合理配置之间存在互逆关系和互动关系。

（1）互逆关系：水资源承载能力的出发点是水资源合理配置的目标点，反之亦然。说明在逻辑上两者之间存在互逆关系。事实上，在数学上也可以证明这种互逆关系的存在。这就为实际应用提供了新的思路。

（2）互动关系：由于存在互逆关系，就可以用一方的结果作为另一方的起点。比如说，以水资源承载能力的结果作为水资源合理配置的初始值（起点），经过分析计算后，将得到水资源合理配置成果。又以新的水资源合理配置成果作为下一步分析计算水资源承载能力的初始值，进行新一轮的分析计算。一般来说，这种互动关系是收敛的。

2.水资源优化配置与可持续发展

（1）水是可持续发展的支撑条件。水是人类和一切生物赖以生存的不可缺少的一种宝贵资源。水，是生态与环境的基本要素，是支撑生命系统、非生命环境系统正常运转的重要条件，如果缺水或无水，将无法维持地球的生命力和生态、生物多样性，生态与环境也必将遭到破坏；水，是一个国家或地区经济建设和社会发展的重要自然资源和物质基础。作为提供人类生活用品和生态与环境保护资金来源的农业和工业生产活动必须要有水的参与。

总之，从水资源与社会、经济、环境的关系来看，水资源不仅是人类生存不可替代的一种宝贵资源，而且是经济发展不可缺少的一种物质基础，也是生态与环境维持正常状态的基础条件。哪一方面离开水资源也不能正常运行，更谈不上社会经济的持续、稳定、发展。

（2）可持续发展的量化准则。左其亭和陈曦认为从量化的角度，可持续发展有3个基本准则：

1）可承载：可持续发展首先要求不允许破坏地球上生命支撑系统（如空气、水、土壤等），即处在可承载的最大限度之内，以保证人类福利水平至少处在可生存状态。“可承载”通常是针对“资源”、“环境”而言，如资源可承载、环境可承载等。可持续发展要求社会、经济、资源、环境协调发展就必须满足“可承载”准则。

2）有效益：可持续发展鼓励经济增长，而且不仅重视增长数量，更追求改善质量。它必须以保护自然环境为基础，以改善和提高生活质量为目标，与资源、环境的承载能力相协调。因此，可持续发展要求经济投入和资源管理带来的发展是一种包括经济效益、社会效益、环境效益等有效益的发展。

3）可持续：可持续发展不仅考虑到当代人，而且顾及到后代人；不仅要保证现代的发展，而且要保证未来的发展，使发展处在不断增加的趋势。它不是“短期经济增长”，而是持续性的发展。

（3）水资源优化配置的概念。水资源优化配置的概念是在一定的社会经济条件及水资源问题出现的背景下提出的。

水资源优化配置泛指通过工程和非工程措施，改变水资源的天然时空分布；开源与节流并重，兼顾当前利益和长远利益；利用系统科学方法、决策理论和先进的计算机技术，统一调配水资源；注重兴利与除弊的结合，协调好各地区及各用水部门之间的利益与矛盾，尽可能地提高区域整体的用水效率，以促进水资源的可持续开发利用和区域的可持续发展（许新宜等，1997）。亦即“运用系统工程理论方法，建立水资源优化配置模型，以此制定水资源配置方案”。

通过水资源优化配置研究来制定水资源配置方案至少有两方面的作用：一方面，通过控制社会发展规模、调整经济结构以及节约用水等措施，使需水量在可供水量允许范围内，减小人类活动对水资源的压力；另一方面，通过工程措施和非工程措施，改变水资源系统的时空分布特征，以最大可能满足社会经济可持续发展的需要，创造最大的综合效益。

水资源优化配置的概念由来已久，但在建立水资源优化配置模型时，没有充分考虑社会经济—水资源—环境的协调发展的思想。目前，如何保证社会经济—水资源—环境协调发展，以使社会、经济、环境综合效益最大，已成为面向可持续发展的水资源优化配置理论的研究目标。

面向可持续发展的水资源优化配置，是以可持续发展为指导，利用系统科学方法、决策理论和先进的计算机技术，将流域水资源进行最优化分配，从而获得最大的社会、经济、环境综合效益。其意义突出表现在：能有效促进水资源的合理有效利用；能保证最大可能满足社会经济—水资源—环境的协调发展；不仅考虑经济效益，还考虑社会效益和环境效益，使社会、经济、环境综合效益最大。

（4）水资源优化配置模型。水资源优化配置的一般做法是运用系统工程理论，将区域或流域水资源在各子区、各用水部门间进行最优化分配。也就是要建立一个有目标函数、有约束的优化模型。

首先划分子区、确定水源途径和用水部门。设研究区划分k个子区，k＝1，2，…；k子区有I（k）个独立水源、J（k）个用水部门。研究区内有M个公共水源，c＝1，2，…，M。公共水源c分配到k子区水量用：表示。其水量和其他独立水源一样，需要在各用水户之间进行分配。因此，对于k子区而言，是J（k）＋M个水源、J（k）个用水户的水资源优化配置问题。

其次，确定模型目标函数。面向可持续发展的水资源优化配置模型，追求社会、经济、环境综合效益最大，可以把“社会、经济、环境综合效益最大”作为目标函数。对于一般的水资源优化配置模型，可以视目标要求不同，选择目标函数。根据目标函数建立方法的不同，可以分为多目标模型、单目标模型。

最后，列举出模型的所有约束条件。目标函数和约束条件组合在一起就组成了水资源优化配置模型。因此，其一般形式如下：

式中：X为决策向量；F（X）为综合效益函数；G（X）为约束条件集。

在上述模型中，如果仅含一个目标函数，该方程就是单目标优化模型，如果含多个（两个或两个以上）目标函数，方程就是多目标优化模型。现简单介绍具有一般意义的多目标水资源优化配置模型。

1）目标函数。假设水资源优化配置考虑到社会效益、经济效益、环境效益3个方面，对应地把目标函数分成3个目标，即社会效益目标、经济效益目标、环境效益目标。

a.目标1：社会效益。社会效益不易度量，但区域缺水量大小或缺水程度直接影响到社会发展和安定，是社会效益的一个侧面反映，故可以用区域总缺水量最小来间接反映。根据这个概念建立的目标函数如下式所示：

式中：为k子区j用户需水量，104m3；，为独立水源i、公共水源c向k子区j用户的供水量，104m3。

b.目标2：经济效益。水资源优化配置在经济效益方面的目标，应该是使供水带来的直接经济效益达到最大，据此建立的目标函数入下式所示：

式中：，为独立水源i、公共水源c向k子区j用户的单位供水量效益系数，元/m3；，为独立水源i、公共水源c向k子区j用户的单位供水量费用系数，元/m3；，为独立水源i、公共水源c向k子区j用户供水效益修正系数，与供水次序、用户类型及子区影响程度有关。

c.目标3：环境效益。与水资源利用直接有关的环境问题，其优化配置的目标可以用污水排放量最小来衡量。一般可以选择重要污染物的最小排放量来表示，其目标函数用下式表达：

式中：为k子区j用户单位污水排放量中重要污染物的浓度，mg/L，一般可以用化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）等水质指标来表示；为k子区j用户污水排放系数。

2）约束条件。一方面，可以从水资源配水系统的各个环节分别进行分析；另一方面，可以从社会、经济、水资源、环境协调方面进行分析。约束条件有供水系统的供水能力约束、输水系统的输水能力约束、用水系统的供需变化约束、排水系统的水质约束和非负约等。

供水系统的供水能力约束：

式中：Wc，为公共水源c和k子区独立水源i的可供水量上限；W（c，k）为公共水源c分配给k子区的水量；其他符号意义同前。

输水系统的输水能力约束：

对公共水源，有：　

对独立水源，有：　

用水系统的供需变化约束：

式中：L（k，j）、H（k，j）分别为k子区j用户需水量变化的下限和上限。

排水系统的水质约束：

对达标排放，有：　

对总量控制，有：

式中：为k子区j用户排放污染物r的浓度；为污染物r达标排放规定的浓度；W0为允许的污染物排放总量；其他符号意义同前。

非负约束：

其他约束条件：

针对具体情况，可能还需要增加一些其他约束条件，例如，投资约束、风险约束、湖泊最低水位约束、地下水位最低约束、社会经济系统结构关系约束、水资源—生态系统结构关系约束等。

将上述各目标函数和约束条件组合在一起就构成了水资源优化配置模型，该模型是一个十分复杂的多目标多水源多用户的优化模型。如下式所列：

根据水资源优化配置问题的性质，可以把水资源优化配置模型分为不承载条件下的水资源优化配置模型、承载条件下的水资源优化配置模型、面向可持续发展的水资源优化配置模型等。

在现实水资源研究中，以上几种配置模型都可能会遇到。例如，对于许多城市现状水资源利用已经超越水资源承载能力的范围，则针对现状水平年建立的水资源优化配置模型只能是“基于不承载条件的水资源优化配置模型”。若对于某一规划水平年，要强迫满足水资源承载能力的要求，这时建立的水资源优化配置模型是“基于承载条件的水资源优化配置模型”。若把水资源可持续利用纳入其中，则建立的水资源优化配置模型是“面向可持续发展的水资源优化配置模型”。

3）水资源优化配置模型。水资源优化配置模型有基于不承载条件的、基于承载条件的和面向可持续发展的水资源优化配置模型之分，现分述如下：

a.基于不承载条件的水资源优化配置模型。“基于不承载条件”，即在水资源优化配置模型中，没有考虑水资源承载能力条件。它适用于“已经不可能达到水资源承载能力范围的情况”。

例如，对已经严重超出水资源承载能力范围的现状年份，经过一定程度努力也不能满足水资源承载能力条件的规划水平年份，在进行水资源优化配置研究时所建立的优化配置模型。这一模型就是针对水资源配置要求建立的一般优化模型。

b.基于承载条件的水资源优化配置模型。“基于承载条件”，即在水资源优化配置模型中，可以考虑水资源承载能力条件，把水资源承载能力条件方程作为约束方程，加入到优化模型中。它适用于“要求达到水资源承载能力范围的水资源优化配置问题”，特别是研究现状水平年理想情况下或规划水平年满足水资源承载能力情况下的水资源优化配置问题，需要把水资源承载能力作为模型的约束条件。

建立“基于承载条件的水资源优化配置模型”方法，主要有两种途径：一是把水资源承载能力模型作为优化配置模型的子模型，直接纳入到优化模型中；二是把水资源承载能力计算结果作为边界条件，新建立相关的约束方程，纳入到优化模型中。

对于第一种途径，是把上述建立的水资源承载能力约束条件方程放在一般水资源优化配置模型[式（6.172）]中；第二种途径，要把水资源承载能力计算结果转化为约束条件，这就要求分析哪些是主要指标，哪些是需要约束才能保证满足水资源承载能力条件，并从中分析出社会经济规模的约束和主要控制目标这两个方面加以主要考虑。

社会经济规模的约束。社会经济规模的约束是水资源承载能力直接计算的结果，要求配置区域的人口数、工业产值、农业产值在可承载的范围之内。约束方程如下：

式中：P为人口数的变量；为特定时段承载的人口数；YIndu为工业产值的变量；为特定时段承载的工业产值；YArg为农业产值的变量；为特定时段承载的农业产值。

为了进一步约束变量范围，可以根据实际情况从水资源承载能力计算模型中选择主要约束方程作为主要控制方程，加入到水资源优化配置模型中。例如，为了保证水环境质量在可接受的范围之内，建立水环境约束方程如下：

式中：Cm为控制断面水质浓度，g/L；Cs为控制断面水质浓度控制目标值，g/L。

再例如，对城市污水排放量的限制，建立的约束方程如下：

式中：∑W排为城市污水总排放量，kg；WS为城市污水排放量控制值，kg。

另外，还可以把水资源承载能力计算模型中的一些其他约束方程加入到优化模型中来进一步约束水资源配置结果。例如，把社会经济系统内部相互制约方程、水资源承载程度指标约束方程纳入优化配置模型中。

“基于不承载条件的水资源优化配置模型”和“基于承载条件的水资源优化配置模型”，都是一种优化模型，其求解方法与一般优化模型相同。

c.面向可持续发展的水资源优化配置模型。面向可持续发展的水资源优化配置，是以可持续发展为目标建立的更高层次的优化配置模型。模型中要充分体现可持续发展的思想，目标函数以综合效益最大为目标，在约束条件中要体现出可持续发展的量化准则。

此类模型中多采用“基于发展综合指标测度（DD）量化方法”的水资源优化配置模型，现简介如下。

目标函数：以可持续发展为目标，要求“发展”的目标函数BTI值达最大。即，在某一特定时段丁，在满足一定条件下，使其总效益达到最大即目标函数值BTI最大，其数学表达式为：

式中：DD（T）为时段T的发展指标综合测度。

约束条件：除具有一般水资源优化配置模型如式6.172的约束条件外，依据可持续发展准则，还可以写出以下约束条件。

可承载：欲保证整个系统可持续发展，必然要求系统可承载程度达到某一最低水平（设为LI0），即：

式中：LI（T）为系统在T时段可承载隶属度。

可持续：欲保证整个系统可持续发展，必然要求系统发展是“可持续”的，即要求态势隶属度超过某一最低水平（设SDDT0），即：

式中：SDDT为发展相对可持续性隶属度。

由以上目标函数和所有约束方程组成的水资源优化配置模型，是一个单目标优化模型。该模型是基于可持续发展量化研究方法建立的，体现了可持续发展思想，是面向可持续发展的水资源优化配置模型的一种形式。

当然，有时为了简化，在一般水资源优化配置模型式（6.172）中，直接引用协调度方程来间接表达可持续发展的目标要求。用协调度表达社会、经济、环境和水资源之间协调发展的程度，并对协调度规定最低要求。例如：

（5）水资源优化配置模型的特点及其应用。

1）一般水资源优化配置模型是最普通的、最基础的、主要是针对一般要求建立的优化模型，没有考虑“水资源承载能力”、“可持续发展”。

2）基于不承载条件的水资源优化配置模型没有考虑水资源承载条件，适用于“已经不可能达到水资源承载能力范围的情况”。对现状水平年，若不能满足水资源承载能力条件，就按照“基于不承载条件的水资源优化配置”来建立模型；对近期规划水平年，若经过一定努力仍然不可能满足水资源承载能力条件，也只能按照“基于不承载条件的水资源优化配置模型”来考虑。

3）基于承载条件的水资源优化配置模型能考虑水资源承载能力条件，要求优化模型在满足其他约束条件的同时还要满足水资源承载能力条件。对现状水平年，若能够满足水资源承载能力条件，就按照“基于承载条件的水资源优化配置模型”来考虑；对规划水平年，若经过一定努力能够满足水资源承载能力条件，就应按照“基于承载条件的水资源优化配置”来建立模型。

4）面向可持续发展的水资源优化配置模型不仅要体现水资源承载能力条件，而且要全面体现可持续发展的思想，是更高层次的优化配置模型。在进行水资源长期综合规划和管理时，要坚持可持续发展的思想，在可预测的时间段内，应建立“面向可持续发展的水资源优化配置模型”，为科学寻找走可持续发展道路的水资源规划方案和管理途径提供科学依据。