1、12 城市可持续发展中水资源承载力研究西 南 交 通 大 学博 士 研 究 生 开 题 报 告 姓 名 学 号 导师姓名 职 称 教授 专 业 管理科学与工程 研究方向 应用研究 题 目 城市可持续发展中的水资源承载力研究 2007年01月15日选 题 报 告 主 要 内 容一、课题的研究意义、国内外现状分析。【研究意义】 1、水环境承载力研究是城市可持续发展理论中的重要部分 随着当今世界出现的人口压力、资源短缺和环境恶化，资源、环境、人口、发展之间的矛盾日益尖锐。如何在有限的空间内承受越来越大的压力，如何协调资源、环境、人口、发展之间的关系已成为科学界研究的热点之一。环境承载力研究就是从资源
2、、环境、人口、发展之间的关系入手，从本质上反映环境与人类活动间的辩证关系，建立社会、环境与经济间的联系纽带，研究不同时期，不同策略下环境承载力的动态变化，为人口、资源与经济协调发展提供科学依据。课题将以水资源为研究对象，探讨城市水资源与城市产业结构之间的协调发展关系。 1994年6月在英国曼彻斯特举行的“94环球论坛”作为可持续发展委员会第一次重要的国际会议，其主题是“城市与可持续发展”。针对城市化带来的一系列问题，城市可持续发展(Urban Sustainable Development)、可持续城市(Sustainable City)、生态城市(Eco-city)等城市建设思想被提到日程上
3、来，这些思想均表达了可持续发展思想在城市中的应用，且内涵一致。自从城市可持续发展这一命题提出后，不同的学者分别从资源角度、环境角度、经济角度、社会角度、复合的角度对城市的可持续发展内涵进行了深入的讨论。当前城市可持续发展面临着许多问题需要解决，城市水环境系统的失衡是一个重要问题。城市化的发展直接或间接地改变着水环境，主要表现为三方面：城市水环境问题，即城市水资源紧缺、城市水污染和城市雨洪灾害加剧。 人们需要正确处理城市发展与水系统的各种矛盾，依靠现代科学技术的巨大的力量，使城市走向可持续发展的正确轨道，坚持科学发展观，构造和谐的人与水环境系统的关系。水是自然环境的组成部分，又是一种宝贵的自然资
4、源，也是人类社会持续发展的物质基础和支持条件之一。除人类生活必不可缺少的生存需要外，在更大程度上它具有支持社会经济发展的潜在能力。也就是说，水体不仅具有对人口的承载能力，而且还具有对经济的承载能力，同时水体又具有自净能力，能够容纳一定限度的污染。因此，水环境承载力的研究对国民经济发展规划、环境保护和水资源持续利用具有重要意义。依据环境承载力的理论与研究方法，可把许多传统科学的微观研究成果与决策的宏观要求有机地结合起来。它既体现了环境科学的整体性，又体现了环境科学在研究和解决环境问题中的综合性;既促进了各学科之间的交叉渗透，又推动了环境科学理论体系的建立与发展。 在水资源的可持续利用方而，国内外
5、已经进行了大量的研究，从水资源的基础研究、应用研究和综合研究几个角度出发形成了较为完备的体系。然而，在水资源的综合研究，即水资源系统与社会经济系统、生态环境系统三者平衡关系的，特别是城市经济发展过程中水资源环境容量研究相对滞后。具体表现在水资源在经济系统和生态系统之间的配置以及系统之间的动态耦合方而的定量研究还相对薄弱，加之城市水资源研究本身的复杂性，以及各种利益驱动和制度障碍，使得城市水资源、环境与经济社会协调发展的研究成果还未能被广泛应用。 水环境承载力可以为可持续发展提供量化的判断依据。可持续发展自70年代以来，至今仍没有一个比较客观的判断依据，目前的判断方法主要从两个方面入手，一是局限
6、于某一领域，如对水资源的可持续利用进行判断；二是将它与协调发展联系起来，从环境、经济、社会三个角度来判断，若三个方面都能同时得到增长(或在某一方面向优化方向发展的同时，其它方面至少不会向反向发展)，则这种发展方式就是可持续的。然而在具体的实践中人们更多的是对若干个区域进行横向比较，得出的结论自然是相对而言的，而且这种判断依据本身也是个模糊的概念。环境承载力是一个客观的值，根据水环境承载力值的大小变化可以得出某种发展模式是否为可持续发展，换言之，水环境承载力为可持续发展提供了比较客观的判断依据。在可持续发展己深入人心的今天，这无疑对我国社会、经济的可持续发展具有重大的指导意义。因此，环境承载力理
7、论的深入研究必将推动可持续发展理论的完善。2、水环境承载力研究可以为城市经济结构和社会的协调发展提供有力依据城市是一个地区的政治、经济、文化中心，是人类活动的集中区域，是区域经济和社会发展的载体，城市建设管理涉及面广、政策性强、综合性高，是一项庞大的系统工程，必须全面部署、统筹考虑、综合开发、科学管理。城市水资源综合规划是城市总体规划的重要组成部分，是对城市水资源进行科学管理的基础，也是依法管理水资源的重要依据。城市水资源综合规划的基本任务是评价区域内水资源开发利用状况，研究分析区域自然条件及特点，评价水资源承载能力和水环境承载能力，预测经济社会发展趋势和用水前景，按照科学发展观要求，研究区域
8、内水资源配置、开发、节约、保护和宏观经济社会活动之间的关系，拟定不同发展阶段采取的解决供需矛盾的各种措施，以及实施步骤和水资源管理的意见和建议等。城市水资源承载能力研究，不仅能够给管理者提供决策依据，实现水资源的合理利用，而且能增强人们的节水意识，对有效改善水资源紧缺、水环境恶化等问题，促进水资源的持续利用和实现城市可持续发展具有重要意义。城市水资源承载能力研究是水资源学研究的一个方面，也是水文学服务于人类社会的重要应用，是水文学的基本理论在可持续水资源管理方面的具体应用。水资源承载能力研究的实质是本着可持续利用的原则，从资源、环境、人口、经济之间的关系着手，研究不同时期水资源开发利用、经济适
9、度发展与人口合理承载的动态关系，寻求进一步开发水资源潜力、提高水资源承载能力的有效途径【国内外研究现状】1、国外研究现状承载力(carrying capacity)原为力学中的一个指标，是指物体在不产生任何破坏时的最大荷载。在生态学研究中其特定含义是指在一定环境条件下某种生物个体可存活的最大数量。1921年帕克和伯吉斯首次将其用于研究人口问题，并指出在某一地区特定的环境条件下(主要是指生存空间、营养物质自然资源等因子的配合)，人口数量存在最高极限它可以通过该地区的食物资源来确定。随着资源短缺与人类社会发展的矛盾不断加剧，人口和环境承载能力得到了较多的研究和探讨，承载能力成为探讨可持续发展问题所
10、不可回避的一个概念。20世纪80年代初，联合国教科文组织(UNESCO)提出了“资源承载力”的概念：“一个国家或地区的资源承载力是指在可以预见到的期间内，利用本地能源及其自然资源和智力、技术等条件，在保证符合其社会文化准则的物质生活水平条件下，该国家或地区能持续供养的人口数量。”水资源承载能力(Water Resources Carrying Capacity, WRCC)是承载能力概念与水资源系统的自然结合，是资源承载能力的一个重要组成部分。尽管资源系统包括自然资源、经济资源和社会资源3个子系统，但目前有关资源承载力的研究主要集中在自然资源领域，其中又以土地资源承载力的研究开展的历史最长。从
11、20世纪80年代开始，我国开展了中国土地资源生产能力及人口承载量研究项目。许多学者围绕着土地承载力的各方面进行了研究，其中耕地、粮食、人口承载力研究始终是主流。80年代后期考虑到土地承载力研究的局限性和片面性，在联合国教科文组织的资助下，开始了包括自然资源、能源以及智力、技术等在内的资源承载力的研究。水资源承载力(water resource carrying capacity)是继土地资源承载力之后，研究比较多的一个领域。目前，有关水资源承载能力，国外专门研究的较少，一般仅在可持续发展文献中简单地涉及。如1993年，Pearce D. W研究了经济、环境与可持续发展的关系;1996年，Gle
12、ick研究了可持续利用水的途径; 1999年，Joardor等从供水的角度对城市水资源承载力进行了相关研究，井将其纳入城市发展规划当中；2000年，Rijiberman. J等在研究城市水资源评价和管理体系中将承载能力作为城市水资源安全保障的衡量标准, Harris则着重研究了农业生产区域水资源对农业的承载能力，将此作为衡量区域发展潜力的一项标准。对于水资源承载能力的定义，也往往使用可持续利用水量、水资源的生态限度或水资源自然系统的极限等来表述类似的涵义，且一般直接指天然水资源数量的开发利用极限。2、国内研究现状我国开展水资源承载力的研究始于20世纪80年代末，经过二十多年的研究已取得了大量的
13、研究成果。根据查阅的文献资料，本文从区(流)域水资源承载力和城市水资源承载力两个方面将国内的研究现状介绍如下：（1）在区(流)域水资源承载能力研究方面（见表1）表1-区（流）域水资源承载能力的主要研究贡献作者时间主要工作新疆水资源软科学课题研究组1985以可开采利用水量为基本依据，在满足维持生态环境起码要求以及合理分配国民经济各部门用水比例的前提下，适当考虑建设节水型农业和节水型社会，计算水资源所承载的工业、农业及人口等施雅风等1992首次明确提出了水资源承载能力的概念，并采用常规趋势法对乌鲁木齐河流域水资源承载能力进行了量化分析和研究。许有鹏1993指出水资源承载能力一般是指在一定的技术经济
14、水平和社会生产条件下，水资源中最大供给工农业生产、人民生活和生态环境保护等用水的能力，也即水资源最大开发容量。阮本清1998以系统工程方法为依据，建立了区域水资源适度承载能力分析计算模型。傅湘针1999提出采用主成分分析法对区域水资源承载能力进行综合评价。曲耀光、樊胜岳2000采用简单定额估算法分析计算了黑河流域中游地区的水资源承载能力。贾嵘等2000建立了以多目标分析评价为核心的区域水资源承载能力模型体系。王煌、黄强等2002提出了评价水资源承载能力的指标体系和一种基于最大可支撑人口的水资源承载能力分析模型。王顺久、侯玉等2003针对承载能力评价方法的研究，提出了水资源承载能力综合评价的投影
15、寻踪方法。丽肠建强、陆桂华等2004为水资源承载能力综合评价建立了一种新的数学模型一遗传投影寻踪插值模型。1985年，新疆水资源软科学课题研究组对新疆水资源及其承载能力和开发战略对策进行了研究。它以可开采利用水量为基本依据，在满足维持生态环境起码要求以及合理分配国民经济各部门用水比例的前提下，适当考虑建设节水型农业和节水型社会，计算水资源所承载的工业、农业及人口等。在该研究中，虽然没有明确提出水资源承载能力的概念，但间接地表明了水资源承载能力是水资源可开发利用量，且被认为是我国对水资源承载能力的最初定义和研究。1992年，施雅风等首次明确提出了水资源承载能力的概念，并采用常规趋势法对乌鲁木齐河
16、流域水资源承载能力进行了量化分析和研究。他认为水资源承载能力是指某一地区的水资源，在一定社会历史和科学技术发展阶段，在不破坏社会和生态系统时，最大可承载(容纳)的农业、工业、城市规模和人口的能力，是一个随着社会、经济、科学技术发展而变化的综合目标。2001年，王在高、梁红采用同样的方法对岩溶地区水资源承载能力进行了研究。常规趋势法由于较多考虑的是单承载因子的发展趋势，而忽略各承载因子之间的相互联系，很难处理复杂巨系统之间的藕合关系。1993年，许有鹏指出水资源承载能力一般是指在一定的技术经济水平和社会生产条件下，水资源中最大供给工农业生产、人民生活和生态环境保护等用水的能力，也即水资源最大开发
17、容量，并在新疆和田河流域将模糊综合评判法用于水资源承载能力的研究，为西北干旱区水资源承载能力研究提供了经验和模式。模糊综合评判法是在对影响水资源承载能力的各个因素进行单因素评价的基础上，通过综合评判矩阵对其承载能力作出多因素综合评价。运用此方法的还有2001年秦莉云对淮河流域水资源承载能力的研究和张鑫等对关中平原地下水资源承载能力的研究。1998年，阮本清在可持续发展理论指导下，以系统工程方法为依据，建立了区域水资源适度承载能力分析计算模型。该模型着重从水资源的可能性出发，来研究水资源对区域经济的支持作用，回答水资源支持下的区域经济合理发展规模及在一定生活条件下的合理人口载量。最后以黄河下游沿
18、黄地区为例，对该模型进行了实例计算。1999年，傅湘针对模糊综合评判法在综合评价中存在的主观随意性问题，提出采用主成分分析法对区域水资源承载能力进行综合评价。主成分分析法是通过降维处理技术把影响水资源承载能力的多个变量化为少数几个综合指标，并确保综合指标能够反映原来较多指标的信息以及各指标间彼此独立。为了证实主成分分析法的科学性，结合陕西汉中平坝地区的水资源统计资料进行了实例研究，从而为区域水资源合理利用提供了决策依据。2000年，曲耀光、樊胜岳根据干旱区水资源开发利用阶段可用水资源的计算方法和内陆河流域社会经济发展及其需水预测，采用简单定额估算法分析计算了黑河流域中游地区的水资源承载能力；贾
19、嵘等在充分考虑水资源系统、宏观经济系统、社会系统以及水环境系统之间的相互协调与制约关系下，建立了以多目标分析评价为核心的区域水资源承载能力模型体系，并以陕西关中地区为实例，对不同规划水平年不同方案下的水资源承载能力进行了计算与比较。2002年，王煌、黄强等提出了评价水资源承载能力的指标体系和一种基于最大可支撑人口的水资源承载能力分析模型，通过分析水资源可利用量、生态和环境需水量、人均生活和GDP需耗水量，可以获得区域最大可支撑人口数量。2003年，王顺久、侯玉等针对承载能力评价方法的研究，提出了水资源承载能力综合评价的投影寻踪方法。对于多因素影响的水资源承载能力综合评价问题，依据样本自身的数据
20、特性寻求最优的投影方向，通过线性投影计算反映评价样本综合特征信息的投影特征指标，根据这一指标可以形象、直观地对样本进行分类或评价。该方法避免了诸如各评价因素权重确定的人为任意性。将此方法用于全国30个省和淮河流域水资源承载能力的综合评价，结果表明该方法切实可行且可操作性强。2004年，丽肠建强、陆桂华等为解决单项水资源承载能力评价指标评价结果的不相容问题，提高水资源承载能力综合评价各层次的分辨力和评价模型的精度，采用大样本数据，利用投影寻踪、遗传算法、插值型曲线和水资源承载能力评价标准，为水资源承载能力综合评价建立了一种新的数学模型一遗传投影寻踪插值模型。（2）在城市水资源承载能力研究方面（见
21、表2）城市通常是周围地区的政治、经济、文化中心，人口集中、工商业发达，属于高强度人类活动区。随着城市化进程的加快，城市建设和城市规模不断扩大，城市原有的水资源系统发生巨大变化，出现了一系列的水问题。在对区(流)域承载能力研究的同时，大量学者也开始了对城市水资源承载能力的研究。表2 城市水资源承载能力的主要研究贡献作者时间主要工作魏斌、张霞1995利用系统动力学模型预测了城市水资源系统发展趋势，并在此基础上探讨了水资源承载能力定量表示，提出了可比较区域不同策略的水资源承载能力。张永波、马祖宜等1998建立了城市水资源水环境系统多阶段灰色动态仿真模型，以预测不同仿真方案下城市水资源与水环境系统的变
22、化。冯尚友2000给出城市水资源承载能力的定义并提出了动态模拟递推算法。迟道才等2001以区域经济可持续发展和水资源可持续利用为准则，以水资源综合利用效益最大为目标，建立了盘锦市水资源适度承载能力数学模型。 左其亭2003提出了一套较为完善的城市水资源承载能力计算模型一控制目标反推模型。邵冬海等2004能力的公式计算了大连市水资源承载能力不同年份的变化，比较了不同地区的承载能力差异，并对影响承载能力大小的诸因素进行了敏感性分析，最后提出了措施和建议。孟凡德，王晓燕2004指出影响水资源承载能力变化的驱动力，建立了水资源承载能力变化驱动因子的多元线性回归模型，1995年魏斌、张霞利用系统动力学模
23、型预测了城市水资源系统发展趋势，并在此基础上探讨了水资源承载能力定量表示，提出了可比较区域不同策略的水资源承载能力。1998年，张永波、马祖宜等依据城市人口、经济、水资源和水环境之间相互影响、相互制约的关系，建立了城市水资源水环境系统多阶段灰色动态仿真模型，以预测不同仿真方案下城市水资源与水环境系统的变化。进入21世纪，我国学者对城市水资源承载能力的研究进入了高峰阶段。2000年，冯尚友给出城市水资源承载能力的定义为“在一定供水条件、一定的生活、生产水平下，在保证水环境子系统的一定生态功能的前提下，通过科学的配水措施所能支持的工业规模及人口限度”，并提出了动态模拟递推算法，即利用计算机模拟程序
24、，仿造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)，承载能力按定义己达最大。同年，薛小杰等应用系统科学的原理和方法，介绍了城市水资源承载能力的概念，建立了水资源承载能力多目标核心模型，提出了多目标模型求解思路和方法一逐步宽容约束法，并应用提出的模型和算法对西安市水资源承载能力进行了实例研究。2001年，迟道才等在探讨水资源承载能力内涵的基础上，以区域经济可持续发展和水资源可持续利用为准则，以水资源综合
25、利用效益最大为目标，建立了盘锦市水资源适度承载能力数学模型，并利用研究区的资料对模型进行了验证 2003年，左其亭针对目前大多数城市存在的水问题，在深入剖析水资源承载能力概念、内涵的基础上，提出了套较为完善的城市水资源承载能力计算模型一控制目标反推模型，并以郑州市为实例，计算了不同规划水平年的水资源承载能力。2004年，邵冬海等在分析评价现状的基础上，利用环境承载能力的公式计算了大连市水资源承载能力不同年份的变化，比较了不同地区的承载能力差异，并对影响承载能力大小的诸因素进行了敏感性分析，最后提出了措施和建议，为大连市实现可持续发展目标提供了科学依据；孟凡德，王晓燕在分析北京市水资源和水环境状
26、况及水资源承载能力的基础上，指出影响水资源承载能力变化的驱动力，建立了水资源承载能力变化驱动因子的多元线性回归模型，预测出2010和2015年该市的水资源供需状况。3、简要评述虽然水资源承载能力的研究取得了一定的进展，但由于水资源系统本身的复杂性、随机性、模糊性以及影响水资源承载能力因素的多方面性、多层次性等，所以，从当前的研究成果来看，还存在一些问题：（1）水资源承载力的概念与内涵界定仍不很清楚。从当前研究成果来看，水资源承载力还没有形成一个完整的理论体系，缺乏公认的理论基础和统一的研究方法，对水资源承载力本身的认识和研究还欠深入，无法全面准确地定义水资源承载力的概念，界定其内涵以及它的影响
27、因素。虽然其量化方法很多，但均存在不同程度的不足和应用局限性。（2）缺乏有效的研究方法。缺乏能够同时描述承载力模型的复杂性、随机性和模糊性的综合模型，对水资源承载力模型指标体系中定性指标的研究不够充分，缺乏系统的有效的定性指标化的方法，这限制了水资源承载力研究的规范性与系统性，阻碍了研究的深入开展。（3）缺乏具有普遍适用意义的研究方法，因而在对不同城市进行研究的过程中，需要不断摸索符合城市经济及产业结构发展的评价指标和研究模型。二、研究对象及研究目标【研究对象】1、研究对象城市经济的可持续发展需要以资源环境对城市产业结构及人口发展的支撑为前提，课题将以城市可持续发展中水资源为研究对象，研究水资
28、源对城市人口、城市产业结构和城市经济发展水平的承载能力。2、相关概念界定（1）可持续发展：可持续发展是一个涉及经济、社会、文化、技术及自然环境的综合概念，是既满足当代人的需求，又不损害后代满足其需求能力的发展。 可持续发展包含了发展与可持续性两个概念。其中发展不单单是物质财富的增加，同时也包括生活环境的改善和人们生活质量的提高。可持续性包括社会可持续、经济可持续和自然可持续，其中社会可持续是目的，经济可持续是条件，自然可持续是基础。可持续发展可以能动地调控城市复合系统，在不超越环境系统再生能力的条件下，促进经济发展，保持资源永续利用和生活质量提局。（2）城市环境承载力： 环境承载力既不是一个纯
29、粹描述自然环境特征的量，也不是一个单纯描述人类社会的量，它反映了人类与环境相互作用的界面特征，是研究环境与经济是否协调发展的一个重要依据。城市环境承载力是指在一定时期和一定的城市区域范围内，在维持城市区域环境系统结构不发生质的改变，城市区域环境功能不朝恶性方向(明显不利于人类活动)转变的前提下，城市区域环境系统所能承受的人类各种社会、经济活动的能力。（3）城市水资源承载力：尽管学术界有很多学者对城市水资源承载力给出了不同的定义，但是他们都认为水资源承载能力中，承载的主体是水资源系统，客体是人类社会经济系统；都强调了生态环境的良性发展；都认同可持续发展原则；都强调了水资源的合理开发与优化配置。由
30、此，本文中的水资源承载力指：在特定的城市区，一定时段内，维系生态系统良性循环，水资源系统支撑社会经济发展的最大规模。3、成都市水资源范围界定课题实证部分的主要研究范围是地理范围：成都市中心城规划区（绕城高速以内城区，面积约600Km2）。水流域：一级支流，以中心城区为重点，部分流域可能涉及全市县。 【研究目标】城市可持续发展中的水资源环境承载力的计算应建立在科学、全面、完善的指标体系上。我国学术界的专家学者己经建立了许多种水资源承载力计算指标体系。本文将借鉴前人的成果，着重考虑城市水资源对人口、产业结构和经济水平的承载能力。构建相应的评价指标体系和水资源承载力模型，并以成都市为例，进行验证。三
31、、研究内容及拟解决的关键问题【研究内容】本研究的主要研究内容包括以下几个方面：第一部分：绪论1、研究意义。（详见报告的第一部分）2、国内外研究现状。（详见报告的第一部分）3、研究对象的界定。主要是对可持续发展、城市环境承载力及城市水资源承载力进行界定。4、研究目标。（详见报告的第二部分）第二部分：城市水资源系统界定1、水资源系统分析和各要素的静态分析:确定水资源承载力中的承载主、客体城市水资源承载力的影响因素分析2、提出水资源极限承载力的判断准则；对水资源承载力进行静态分析，给出水资源的极限承载状态；提出水资源承载力的定义、内涵和基本特征等。3、分析城市水资源与人口、产业结构和经济水平的发展关
32、系第三部分：城市可持续发展中水资源承载力评价指标体系构建1、水资源承载力的概念模型的提出2、水资源承载力量化指标体系构建的逻辑基础、设置目的、应用对象，以及指标筛选、检验、管理等3、建立城市水资源承载力的一般指标体系，包括水资源人口承载力指标、水资源产业结构承载力指标和水资源经济水平承载力指标三个二级指标和若干三级指标。最后，对水资源承载力指标体系的应用途径进行探讨。第四部分：城市可持续发展中水资源承载力模型构建1、 模型构建的基本假设和前提界定2、城市水资源承载力总体评价模式分析3、城市水资源人口承载力模型、城市水资源产业结构承载力模型和城市水资源经济水平承载力模型设计4、城市水资源承载力模型设计第五部分：案例分析：成都市可持续发展中水资源承载力研究基于前述研究，以成都市为实证对象研究成都市水资源承载力。具体而言，成都市水资源承载力研究所涉及
