水资源承载力预测模型分析：水利工程与县域经济发展

水资源承载力反映的是区域水资源最大可利用条件下所支撑的社会经济发展规模，其受人口、经济、生态、环境等多种因素的综合制约，供需平衡是水资源承载力能得以求解的基础。用数学模型可表达为：

式中，WCC为区域水资源承载力；C1为人口指标；C2为经济指标；C3为生态环境指标；f为综合效益函数；Wd为满足区域社会经济发展等要素所需的总用水资源量；Ws为区域水资源最大可利用量。

（一）总用水资源量

满足区域社会经济发展等要素所需的总用水资源量Wd由生活用水量、生产用水量和生态需水量等组成。生产用水量主要包括工业用水量和农业用水量和第三产业的用水量，第三产业的用水量可并入工业用水量^[15]。总用水资源量的各类组成用公式表示如下：

式中，WD为生活用水量，WI为工业用水量，WA为农业用水量，WE为生态需水量。其中，生活用水量、工业用水量、农业用水量和生态用水量的具体计算方法如式（4）～式（6）所示：

1.生活需水

生活需水包括城镇生活用水和农村生活用水两部分。城镇生活用水分，用城镇人口数量和城镇人口用水定额来计算，农村生活用水用农村人口数量和农村人口用水定额来计算。其中，城镇人口用水定额和农村人口用水定额，是决定生活用水量的主要参数，它的选取主要采用现状用水定额和目标用水定额，以及全省、全国用水定额和标准来确定。生活需水由式（4）～（6）测算：

式中，RDU、RDA分别表示城市与农村生活用水量标准，单位一般为L/（人·天）；P为区域人口数量，PU、PA分别为城市和农村人口数量，r为城镇化率。

2.农业需水

农业需水包括耕地灌溉用水和林牧渔业用水，耕地灌溉用水又可细分为水浇地和水田两类。如果统计方便或预测要求精度高的情况下，农业用水可用水浇地和水田面积与相应用水定额来计算，也可综合地用耕地面积和灌溉综合用水定额计算，其中灌溉综合用水定额包括了水浇地和水田以及林牧鱼业用水部分。

另外一种预测农业需水量的方法不从耕地面积入手，而从农业GDP、种植结构、粮食产量、单位粮食产量用水量方面，预测万元农业GDP用水量，进而推算出农业用水量。

以上两种方法实际是一类计算方法，可以互相借鉴的。本文采用第一种方法。农业需水综合地用农业有效灌溉面积和农业有效灌溉用水量定额计算，农业需水由式（7）测算：

RAI为农业有效灌溉用水量标准，单位可取米3/公顷，AI为农业有效灌溉面积。

3.工业需水

工业需水包括重工业、轻工业、高耗水、低耗水业生产所消耗的水量。由于工业部门繁多、用水定额也相应复杂，因此，工业需水量的测算很难按不同部门的需水去统计，目前一般采用工业用水综合定额法来计算。

本文采用工业现状和目标年万元工业用水定额来计算和预测工业需水量。

式中，UI为工业增加值，PI为单位水量平均工业增加值，它是单位工业增加值平均用水量的倒数，单位一般为万元/米3。(www.xing528.com)

区域工业发展规模可由式（9）进行计算：

式中，UIn为预测期工业增加值，UI 0为基准期数值，t为年递增率，n为预测期与基准期之间的间隔数。

4.生态需水

生态需水量指特定的生态系统为维持其原有状态、原有功能及保证良性循环所需要的水量，分为河道内生态需水量和河道外生态需水量两个部分。河道内生态用水主要用于防止河道断流、维持水生生物栖息地、保持河床稳定和泥沙冲淤平衡、保持河流对污染物的稀释能力和自净能力等。国外，如美国规定河道内大多数水生生物在主要生长期优良的栖息条件和多数娱乐用途所推荐的径流量为P＝50%频率下的河道径流量的60%，而保持大多数水生动物有良好的栖息条件和一般的娱乐活动所推荐的基本径流量是河道内径流为P＝50%频率下河道径流量的30%～60%。国内对河流生态需水计算研究刚刚起步，迄今还没有明确一致的意见和公认的计算方法。钱正英认为我国因为水资源紧张，一般采取的标准是河流开发利用率不超过60%～70%，生态环境用水的比例不小于30%～40%；汪恕诚认为河流本身的开发利用率不得超过40%；沈茂成认为要保留60%以上流量作为生态环境用水；许新宜认为水资源开发利用率一般在30%左右；陈传友认为中国河川径流量的开采限度不能超过河道年来水量的40%；邓英淘认为地表水和可动用地下水总量的50%～60%应留给自然环境；王浩认为河道内生态用水应占多年平均径流量的50%～60%^[16]。总体上来看，河道的生态环境用水一般应维持在30～50%左右，这一取值范围与国外的取值范围趋向一致，并无大的差异^[17]。

河道外生态需水量包括植被生态需水量、湖泊与湿地生态需水量等类型，往往与当地的生态环境状况、生态系统类型及其分布和比例有关，其数值相对较为恒定。此外，河道外生态需水量还包括城市市政环境用水量等。河道外生态需水量一般按区域水资源量总量的10%～20%计算。生态需水由式（10）测算：

其中，RI河道内生态需水量，RO为河道外生态需水量。

（二）总可利用水资源量

区域水资源最大可利用量（Ws）包括区域水资源量总量、区外来水量和区外输水量三部分。区域水资源量总量为当地降水形成的地表和地下产水量。前者称为地表水资源量，指河川径流的年径流量；后者为降雨入渗补给的地下水量，即地下水资源量与地表水资源量不重复的部分。区外来水量指从区域外输入的可利用水量。区外输水量指输往区域外的水量。故区域水资源最大可利用量（Ws）可由下式计算：

式中，WR为区域水资源量总量，WIX为区外来水量，WEX区外输水量，单位均为立方米。

在忽略量纲情况下，将（2）～（11）式联立求解得出区域水资源承载力的表达式为：

P值即为区域的水资源承载力。当区域的水资源最大可利用量、城镇化水平、各项用水量指标及相关技术经济指标等可以预测时，其水资源最大承载人口规模就可以确定。

（三）区域人口

采用曲线拟合、一元线性回归法和自然趋势法三种方法预测2015、2025年湖北调水影响区30县（市、区）户籍人口，取其平均值。

曲线拟合是趋势外推法的一种，它是通过对过去发展趋势的分析，找出其中的规律，与已知曲线进行对照、修正、拟合，来预测未来情况。

一元线性回归法多用于人口增长平稳期，人口增长或减少速率基本保持不变，这里人口为状态变量，时间为控制变量，通过时间和人口增长速率来预测人口量，其公式为：Y＝a+bx。其中，Y为预测期人口数值，x为时间变量。

自然趋势法，根据过去若干年的平均增长率进行类推，公式为：Y＝Y 0（1+k）n。其中，Y为预测期数值，Y 0为基准期数值，k为年递增率，n为预测期与基准期之间的间隔数。目前，湖北调水影响区（户籍）人口还处于增长状态，据大多数学者预测研究我国的人口峰值年份将在2020—2030左右到来，故可以采用自然趋势法进行预测。