西北干旱半干旱區水資源承載力研究現狀與發展趨勢

韓 琦，姜紀沂，李 瑛，史志廣，尹鵬浩

(1.防災科技學院，河北 三河 101601；2.中國地質調查局西安地質調查中心，西安 710054)

我國是一個缺水國家，水資源存在時空分布不均勻、水環境污染和水資源不合理利用等問題，目前我國水資源供需矛盾已日趨激化。尤其是西北干旱半干旱地區，深居內陸，降水稀少，可利用水資源量較少，生態環境脆弱，水資源不合理利用引起的水資源短缺和生態環境破壞問題已經成為制約可持續發展的“瓶頸”。因此，研究水資源承載力，對西北干旱半干旱區水資源的科學與合理開發利用、經濟發展、環境保護、生態平衡以及人地關系和諧等都具有重要的理論和現實意義。

1 水資源承載力的概念

“承載力”一詞源于力學,是指物體在不改變原有形狀和未損壞的前提下，所能承受的最大荷載。后來生態學加以引用，指“在特定的生態環境下，某一物種所能生存數量的極限值”[1]。作為資源承載力的一部分，水資源承載力概念的提出比較晚。

國外大部分發達國家水資源相對充足，所以對水資源承載力的研究較少，針對水資源承載力提出的概念也相對較少，通常是在可持續發展的研究中有所涉及[2]。Rijiberman等在研究城市水資源評價和管理體系過程中，將“承載力”這一要素作為城市水資源供需和安全保障的重要標準[3]；Harris等人重點研究了農業生產區域水資源對農業的承載能力,并以此作為農業區域規劃的參考標準[4,5]；另外，在關于虛擬水與水足跡的研究之中，以及在農產品產量評估和農業區劃的研究之中，也涉及對水資源承載力的探討[6-8]。

國內對水資源承載力的研究始于20世紀80年代，我國新疆水資源軟科學課題組[9]第一次提出了水資源承載能力的概念，此后施雅風[10]、許有鵬[11]、惠泱河[12]、王傳武[13]、田靜宜[14]、劉曉[15]等也分別給出了水資源承載力的概念。綜合前人從不同角度給出的定義，筆者認為水資源承載力是指在國家法律法規政策允許范圍內，在依托當前科技水平的前提下，在可持續發展的目標下，一個地區的可利用水資源總量所能支撐最大規模人口數量、生態環境、工農業發展、城市化水平等的能力。

2 西北干旱半干旱區水資源承載力的研究進展

圍繞水資源承載力的內涵，推進我國典型區域尤其是西北干旱半干旱區水資源承載能力評價體系及其應用研究，是水科學領域的重點研究課題之一。針對我國西北內陸干旱半干旱區水資源承載力的研究，主要集中在城市水資源承載力研究、區域(省、地區)水資源承載力研究和流域水資源承載力研究3個方面。

2.1 城市水資源承載力研究

城市承載著第一、二、三產業的發展，承載著巨大的生態環境和經濟、人口壓力，城市化的進程加劇了水資源緊缺情況。所以水資源供需平衡顯得異常重要，水資源承載力研究的重要性也凸顯了出來。

牟海省等[16]探討了城市戰略布局和不同類型城市設置的水資源標準，并提出城市水資源評價預測的理論和方法，以及準城市區域水環境容量的估算；佟長福等[17]則具體以鄂爾多斯市為例，利用灰色關聯分析方法分析其水資源承載力，結果顯示當地水資源承載力提升空間不大，應大力發展節水工程和水權轉換工程；肖迎迎等[18]基于主成分分析法，對陜西榆林水資源承載力進行了分析，研究表明各分區水資源承載力狀況差異明顯，要對水資源統籌規劃；李瑞等[19]也采用主成分分析法，對博爾塔拉蒙古自治州水資源承載力進行了研究，為當地合理利用水資源提供了科學依據；王濤等[20]則通過構建研究指標體系，使用主成分分析法對烏魯木齊市水資源承載力進行了分析，研究發現烏魯木齊市水資源利用程度很高，水資源承載能力在不斷下降，而且以后的利用發展潛力非常小。

2.2 區域水資源承載力研究

區域水資源承載力研究的范圍更大，往往是一個省、城市群，或者一個地區，所以需要整體把握，統籌考慮。

賈嶸等[21]對缺水地區的水資源承載力評價模型進行了研究，初步建立了區域水資源承載力評價模型體系，并應用到關中地區研究了當地水資源承載力；朱一中等[22]則運用模糊模型對西北5省(新疆、甘肅、青海、陜西、寧夏)干旱、半干旱地區現狀年以及未來10、20、50 a的水資源承載力進行了分析預測與評價；鄭奕等[23]運用多目標決策分析方法，對新疆焉耆盆地的水資源承載力進行了研究，建立了區域水資源承載力多目標決策模型，并且預測了未來規劃水平年水資源承載力情況；牛叔文等[24]基于系統動力學模型，對甘肅省沿黃地區的水資源承載力進行了分析，指出其水資源承載力狀況不均，要合理分配水資源，發展節水技術；欒芳芳[25]調查了新疆現狀水平年水資源利用狀況，利用生態足跡法和供需平衡法對新疆各地州未來水平年的水資源承載力進行了分析，結果顯示新疆南疆、北疆、東疆均無承載優勢，水資源承載力狀況堪憂。

2.3 流域水資源承載力研究

流域水資源承載力研究涉及的范圍最大，多以干旱半干旱區內陸河流域為主要研究對象，也有將流域水資源承載力與城市化結合起來加以研究的。

曲耀光等[26]較早地對黑河流域的水資源承載力進行了常規趨勢預測，根據干旱區水資源不同利用階段的特點和不同地區特殊的社會經濟需水要求，要對水資源進行合理調配；李吉玫等[27]運用模糊評價模型對新疆伊犁河流域現狀和不同水平年的水資源承載力進行了評價，結果顯示伊犁河流域水資源開發潛力巨大，但隨著經濟發展，水資源承載力逐漸減弱；姜鋒等[28]則選取了《國家人口發展功能區工作技術導則》中的水資源承載力評價模型，對陜北延河流域水土資源承載力進行了研究，其中流域內各縣的水資源承載力均為超載；韋潤芳[29]建立了模糊評價模型，對開都-孔雀河流域水資源承載力進行了系統研究，指出流域總體水資源承載力堪憂，地區差異明顯，承載力總體呈下降狀態，開發潛力不大；王長建等[30]基于改進的相對資源承載力模型，計算了2000-2011年塔里木河流域的相對資源人口承載力和相對資源經濟承載力，并探討了塔里木河流域42個縣市相對資源承載力的演變規律及空間差異，其中涉及水資源承載力的部分結果顯示，塔里木河流域水資源是限制當地發展的主要因素，今后發展要以水土資源合理配置和科學利用為主線。

綜上這些研究進展，水資源承載力研究使得人們對面臨的區域水資源生態環境問題引起了足夠的重視。在當前經濟社會發展的背景下，開展不同尺度的水資源承載力的研究就顯得尤其重要和急迫。

3 西北干旱半干旱區水資源承載力的研究方法

水資源承載力的研究方法眾多，從定性研究逐漸發展到引入數學模型進行定量化的研究,選用的技術手段也多種多樣。目前，應用到西北干旱半干旱區水資源承載力的研究方法主要有常規趨勢法、模糊評價法、主成分分析法、生態足跡法、多目標分析法、系統動力學方法等等，各方法的優缺點和適用性對比見表1，各方法的概況分析如下。

3.1 常規趨勢法

該法主要是對研究區不同水平年社會經濟各部門發展趨勢、需水標準以及需水量進行預測，分析計算水資源所能承載的人口、工業、農業以及生態環境等。這種方法計算簡便，內容直觀。新疆軟科學課題組[9]最先采用常規趨勢法對新疆自治區水資源承載力進行了研究，施雅風[10]也采用這種方法對烏魯木齊河流域進行了水資源承載力的研究。但是常規趨勢法選取的指標中多涉及社會因素，并且只是分析單因子的發展趨勢，而實際上各因素之間相互影響，錯綜復雜，計算結果難以準確反應研究區水資源承載力的實際狀況。

3.2 模糊評價法

許有鵬[11]最先采用模糊評價法對新疆和田流域水資源承載力狀況進行了研究，張曉鵬[31]也采用這種方法對陜西省榆林市進行了水資源承載力的研究。該法是選取對研究區內水資源承載力造成影響的因素，然后在進行單因素分析的基礎上，對每個因素賦以權重，通過綜合評判矩陣對其水資源承載力進行多因素綜合評判。這種方法能比較全面地反映出研究區水資源承載力狀況。但是模糊評價法在評價因素的選取上需要取舍和有針對性，需要選擇影響較大的因素，存在主觀性。此外，在評判矩陣計算過程中，對于各因素權重的賦予上也存在主觀性，所以評價結果也必然會與實際情況之間有偏差。

3.3 主成分分析法

該法是一種把多個指標按類別劃分為少數幾個綜合指標的多元統計方法，在保證指標變量信息丟失最小的前提下，對影響水資源承載力的高維變量進行降維處理，以少數幾個綜合指標代替多個指標。傅湘[32]采用主成分分析法，利用陜西漢中平壩區水資源承載力數據，進行了區域水資源承載力的綜合分析和研究。王濤[20]也利用這種方法分別對烏魯木齊市進行了水資源承載力的研究。但是這種方法需要對幾個綜合指標賦予權重，在權重賦予的大小上，仍存在準確性與否的問題；此外，降維處理過程中，也難以避免出現信息量的損失。

3.4 生態足跡法

該法是構建研究區水資源二級賬戶，然后引進生態生產性土地來定量分析水資源的承載力狀況，利用生態赤字和生態盈余來衡量和評價水資源可持續利用情況。這種方法適用性較廣，能彌補其他方法在計算水資源承載力時難以考慮水資源生態功能的不足，同時可以實現水資源承載力的動態變化趨勢研究。但生態足跡法在計算水資源承載力時，是轉化成水資源的生物生產能力來間接地計算和衡量，所以計算結果與實際情況存在偏差。張軍[33]采用生態足跡法對疏勒河流域進行了水資源承載力和生態赤字的研究，馬豪[34]也采用這種方法對新疆自治區水資源承載力以及用水效率進行了分析和研究。

3.5 多目標分析法

該法主要是選取影響水資源承載力的經濟、社會、人口、生態環境等約束條件，依據可持續發展原則對多目標進行整體最優化。這種方法可以將水資源系統和經濟社會系統結合起來形成一個整體，然后再進行分析，更具有整體性。徐中民[35]采用多目標分析法，建立了黑河流域中游水資源承載力分析模型，對其水資源承載力進行了評價。但是這種方法也有一個不足，就是在影響因子的權重賦予上仍存在主觀性和片面性。

3.6 系統動力學法

該法主要是以反饋控制理論為基礎，以計算機仿真技術為手段，定量研究高階次、非線性、多重反饋、復雜時變系統的系統分析技術。王建華[36]采用系統動力學方法，基于SD模型，分析和預測了烏魯木齊1993-2020年水資源承載力狀況。李同升[37]、朱鋒[38]等也采用這種方法分別對渭河流域關中段和甘肅酒泉肅州區進行了水資源承載力的研究。這種方法能夠較好地把握系統各要素之間的響應關系，但是它也存在一個問題，就是在系統的參數變量選取上不好把控，計算結果仍然會有偏差。

表1 水資源承載力各種研究方法的優缺點和適用性對比Tab.1 The relative merits and application condition of several approaches to study water resources carrying capacity

盡管目前水資源承載力研究方法眾多，但每一種方法都存在各自的弊端，如何總結和找到一種能最大程度上符合實際承載力，同時又計算簡便，易于操作的客觀、統一的方法，還有待進一步研究。目前，國內諸多學者正在對水資源承載力的評價指標、方法及其應用進行研究，以期建立統一的水資源承載力計算方法和評價體系以便推廣應用。

4 西北干旱半干旱區水資源承載力研究展望

4.1 相關概念、理論和評價方法的研究將會持續進行

任何一個學科的發展和研究的推進都需要理論的支撐，而水資源承載力的概念、理論以及學科背景還不統一。一方面，學科的交叉以及概念的不明確能夠促使研究方向的拓寬，但另一方面學科背景和基礎的缺乏，使得水資源承載力的研究難以深入推進。此外，水資源承載力的評價方法眾多，如何使得評價結果更接近實際，針對評價方法改進和創新研究也會持續進行。所以，水資源承載力的相關概念、理論和評價方法還會是學者們繼續探討和研究的基礎性問題。

4.2 研究將會更多地涉及生態環境

水資源承載力的研究通常考慮較多的是人口、工業和農業需水，往往是結合城市化來研究，而水資源與社會經濟、人口、生態環境共同構成一個系統問題，生態環境和水資源之間的相互作用關系復雜，對于生態需水和水資源承載力不足導致的生態環境問題研究不夠深入。生態環境對人類和其他生物生存都異常重要，而我國西北干旱半干旱地區生態環境的特殊性明顯，所以生態環境和水資源承載力之間的響應關系會是未來水資源承載力研究的一大方向[39]。

4.3 研究方法趨向多元化和多技術結合

隨著科技的飛速發展，水資源承載力的研究方法也趨向多元化，獲取的基礎資料和數據也會更加精確。數理統計方法和數學模型的動態仿真模擬，能夠很好地將時間序列加入到研究之中，使其結果更接近實際。水資源承載力的研究是一個系統問題，條件錯綜復雜，針對不同條件選用不同方法進行結合和對比，能夠擇優取舍，使計算結果更加準確。同時，GIS技術具有強大的空間分析和數據處理能力，會為水資源承載力的研究提供更寬闊的思路。

5 結 語

我國西北干旱半干旱區特殊的自然地理條件以及西部大開發背景下的經濟社會發展，使得水資源承載力不足問題異常突出。只有統籌好水資源-生態環境-社會經濟-人口這一系統問題，科學合理地配置和利用水資源，提高水資源承載能力，才能實現區域的可持續發展，才能實現人地關系的和諧。因此，對西北干旱半干旱地區開展水資源承載力研究具有相當深遠的科學和現實意義。

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