水资源安全的度量:水资源承载力的研究与挑战

第#/卷第-期自然资源学报!"#$%&’"$(

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水资源安全的度量：水资源承载力的研究与挑战

夏军，朱一中

!中国科学院地理科学与资源研究所"北京#$$#$#%

摘要：水资源承载力是对水资源安全的一个基本度量，研究水资源承载力对于认识和建设水资源

安全保障体系具有重要意义。基于水资源承载力的定义和水资源承载力系统关系，论文给出了水

资源承载力的度量与计算方法，包括可利用水资源量、水资源需求量的计算，流域水资源承载力

平衡指数、水资源承载力分量的测度等。西北干旱区是我国水资源极为短缺的地区，因此，论文

就西北干旱区水资源承载力综合研究的一些关键问题，如变化环境下的流域水循环模拟研究、生

态需水研究等进行了重点讨论，并认为水资源承载力的进一步研究应加强水文基础与水资源、社

会经济学科的综合研究，促进&’、()’等信息技术和现有模型方法的结合，并重视区域差异研究。

关键词：水安全；水资源承载力；水资源承载力计算

文献标识码：0文章编号：#$$$1-$-/（,$$,）$-1$,2,1$3中图分类号：*+,#-；.-/

#前言

水安全问题通常指相对人类社会生存环境和经济发展过程中发生的水的危害问题，包括水多了（洪水灾害）、水少了（干旱）和水脏了（水污染）的问题。中国是降水时空分配非常不均、水问题突出的发展中国家。水多了、水少了和水脏了的问题业已成为制约中国可持续发展的重要限制因子，已危及到人类基本环境和生存问题以及国家发展利益的安

,5。全问题4#、

在水安全问题研究中，水资源安全问题是最为重要的一个方面4,6/5。水资源安全通常指水资源（量与质）供需矛盾产生的对社会经济发展、人类生存环境的危害问题。,$世纪末，由于经济发展中忽视可持续水资源利用而导致日益突出的水资源安全问题业已引起各

第二届世界水论坛及部长级会国政府的高度重视。,$$$年-月，在荷兰海牙召开了“

议”。会议主题是7“水的安全：从洞察到行动”。全世界#8$多个国家首脑或部长，-$$$

-5名科学家出席了会议。,#世纪水安全面临/个主要挑战4,、：!满足基本需求（9::;?@A

；"保护生态（；#食品安全（；B:CGBHB;:9B）B:CIF;J:KGGDBIEELH）

；%处理灾害（；&水的价值$水资源共享（BJ@FM@;:FF:BGIFC:B）D:@LM

!O@LIM@;:F%；’科学管水!>GO:F=M@;:FM

水资源安全问题的主要研究领域有：水资源安全的范畴、水资源安全的度量、水资源安全评价和水资源安全保障体系的建设等方面，其中水资源安全的度量是关键问题之一：即如何量度水资源安全程度和如何保证水资源安全？而水资源承载力是评价水资源安全的

收稿日期：,$$#1##1,3；修订日期：,$$,1$#1$/。

基金项目：中国科学院知识创新工程重大项目课题（PQR.#1#$1$-）和重要方向性项目（PQR.,1’S1-#/）以及中国科学院“百人计划”项目资助。

，男，湖北人，教授，博士生导师，中国科学院“百人计划”入选者，现任国际水第一作者简介：夏军（#TU81）

文科协（)0V’）水资源系统委员会副主席等职务，研究方向为水文水资源的复杂系统理论与方法。

!期夏军等：水资源安全的度量：水资源承载力的研究与挑战;>!一个基本度量。研究水资源承载力对于认识和建设水资源安全保障体系具有重要意义。

水资源承载力是区域自然资源承载力的重要组成部分，是水资源紧短地区能否支撑人口、经济与环境协调发展的一个“瓶颈”指标。作为可持续发展研究和水资源安全战略研究中的一个基础课题，水资源承载力研究已引起学术界的高度关注，成为当前水资源科学中的一个重点和热点研究问题89:。

;水资源承载力的定义

目前，国内学术界对水资源承载力的定义已有多种表述。例如，惠泱河认为：水资源承载力可理解为某一区域的水资源条件在“自然—人工”二元模式影响下，以可预见的技术、经济、社会发展水平及水资源的动态变化为依据，以可持续发展为原则，以维护生态良性循环发展为条件，经过合理优化配置，对该地区社会经济发展所能提供的最大支撑能力89:。何希吾将水资源承载力定义为一个流域、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，当地水资源能够维系和支撑的人口、经济和环境规模总量8

结合中国科学院知识创新工程有关项目初步研究，作者认为水资源承载力可定义为“在一定的水资源开发利用阶段，满足生态需水的可利用水量能够维系该地区人口、资源与环境有限发展目标的最大的社会—经济规模”。因此，水资源承载力是一个度量区域社会经济发展受水资源制约的阈值，它通常用满足生态需水的可利用水量与社会经济可持续发展有限目标需求水量的供需平衡退化到临界状态所对应的单位水资源量的人口规模和经济发展规模等指标表达。

考虑到水资源承载力研究的现实与长远意义，对它的理解和界定主要基于以下基本现实：

水资源承载力研究的核心问题是在（"）

一定的水资源开发利用阶段和生态环境保

护目标下，一个流域=区域的可利用的水资

源量究竟能够支撑多大的社会经济系统发

展规模？如何合理管理有限的水资源（开

源与节流），维持和改善陆地系统水资源承

载能力？显然，水资源承载力受水的供、

需矛盾双方影响，它需要从受自然变化和

人类活动影响的水循环系统出发，通过

“自然生态—社会经济”系统对水的需求和

流域能够提供多少可利用水资源量的“支图

"量化水资源承载力的系统关系示意撑能力”方面加以量度。一种概化的水循#$%&"’()*+$,-./$0,12*+(33(.,435(.5*336$-%5*0*5$+6.6.+(7环与水资源供需关系如图"所示。

（变化环境下（即自然变化和人类活动影响）的水循环是水资源演变和水资源承载力;）

研究的基础8

要把它置于水资源的可持续利用概念的框架，建立在生态系统完整、水资源持续供（!）

给和水环境长期有容纳量的基础上。特别在水资源短缺的干旱地区，生态系统需水是水资

"?:。源承载力必须要考虑的重要方面8>、

12#自然资源学报!"卷

（需要从“水循环—自然生态—社会经济”系统耦合机理上综合考虑水资源对地区人#）

口、资源、环境和经济协调发展的支撑能力。

水资源承载能力度量除了水循环和水资源变化的自然属性影响外，还取决于社会经（$）

济持续发展的有限目标。社会经济发展要求的目标不同，相应的承载能力也不一样。

因此，水资源承载能力的大小随水资源开发阶段、目标和条件不同而变化，是一个动态、变化的概念。它不仅是水文循环、水资源研究的重要方面，而且与社会经济发展、环境系统的耦合研究密切相联，是可持续发展重大的国家需求研究的问题。

%水资源承载力的度量与计算方法

由图!的系统关系和水资源承载力的定义，可以导出水资源承载力的度量与计算方法。主要过程概述如下：

!"#水资源总量（!）的计算

水资源总量（。!）指流域水循环过程中可更新恢复的地表水与地下水资源总量（!"）流域水循环受自然变化&包括气候变化’和人类活动的影响，可更新恢复的地表水与地下水资源量也在不断变化。另外，除了本地产生的水资源量外，人工跨流域调水（!#）可以增加本流域（或地区）的水资源总量。由于流域水循环降水和径流形成的不确定性，对应不同保证率的水资源量，有流域水资源总量关系

!(!")!#

!"$生态需水量（!$）的计算

生态需水量（!$）是指水资源短缺地区为了维系生态系统生物群落基本生存和河流、湖泊等一定生态环境质量（或生态建设要求）的最小水资源需求量。其内涵是：以维持现状或恢复某个生态建设标准的天然生态保护与人工生态建设的需水，其外延包括地带性植被所用降水和非地带性植被所用的径流。它通常由河道外的生态需水的估算（如天然生态需水、人工生态需水等）和河道内的生态需水估算（如防止河道断流所需的最小径流量等）扣除其重复的水量构成。基础是自然变化和人类活动影响下的流域水循环规律的认识与模拟。

!"!可利用水资源量（!"）的计算

流域可利用水资源量是指在经济合理、技术可行和生态环境容许的前提下，通过技术措施可以利用的不重复的一次性水资源量。在概念上，需要扣除维系生态环境最小的需水量，以保证生态环境容许的前提条件。因此，原则上讲，可利用水资源量可以通过流域可更新恢复的地表水与地下水资源总量加上境外调水扣除生态需水量加以估算，即

!%(&!")!#*!$

式中，&为反映工程技术措施的开发利用系数。

!"%水资源需求总量（!#）的计算

流域社会经济发展规模水平可以表达为人口数量&’’+国民生产总值&,-.’或净福利&(’等指标。因此，它们对水资源的需求包括：人口需水&!)’、工业需水&!*’、农业需

环境和其它需水&!,’等。因此，社会经济发展对水资源需求总量（可表达为水&!+’、!-）

!"&!-(!))!*)!+)!,

流域水资源承载力的平衡指数（$!"#）的计算

为描述水资源的承载力，首先需定义流域水资源承载力的供需平衡指数（，即*!%-）

*!%-(!%*!-(!*!-%%

很显然，当流域可利用水量小于流域社会经济系统的需水量时，即!%.!-+有*!%-/0，这说明流域可供的水资源量不具备对这样规模的社会经济系统的支撑能力。流域水资

!期夏军等：水资源安全的度量：水资源承载力的研究与挑战*12源对应的人口及经济规模是不可承载的。但是，通过调水增加!"和通过节水减少!#可提

当流域可供水量大于等于流域社会经济系统的需水量时，即!"!!#，高$!"#。反过来，

$!"#!%，这说明流域可供的水资源量具备对这样规模的社会经济系统的支撑能力，流域水资源对应的人口及经济规模是可承载的，供需为良好状态。

!"#水资源承载力的分量测度

如何量度流域水资源的承载力呢？由定义和上述水资源承载力的供需指数可知，首先需要建立研究对象的“水—社会经济—环境”系统关系。它们的作用是将水资源量支撑的环境、社会经济系统规模（如人口数或人口密度、人均"#$、工业产值、农业产值、水环境污染级别等）联系起来。然后，通过一定的水资源开发利用阶段与有限发展目标，分析识别出由供大于需%即$!"#&’可行域退化到$!"#(’，即系统供需平衡达临界状态的水资源!"(!#所对应的流域人口数（和社会经济规模（等等指标参数，即水资源供需&）"#$）

’"，进一步可以定义水资源承载力的各个分量，即平衡达到临界状态的可供水资源量为!

!)(&，!*((#&，…，!)(*

’"’"’"!!!

式中，!)表明维系现状+目标水平的人口规模所需要的最少水资源量!"；!*表示维系现状+目标水平的经济规模所需要的最少水资源量!"。流域的综合水资源承载力（+）是其分量的集成，例如：

!(人均"#$+!"(,"#$+,-+!"

!"$单位水资源量承载力的度量

为了达到水资源承载力分量和总量可比性的目的，可以进一步转化水资源承载力分量为某单位水资源量的承载指标参数。例如，当统一转化!’为)’./!的可比单位水资源量，有对应的水资源承载力的各个分量，即

’’’+)(!"!)，+*-!"!*，…，+)-!"!)%’’

上述公式中的+.就是流域系统第.个水资源承载力分量。例如，+)的单位量纲是每)’./!的人口数目，说明该流域每)’./!可利用水资源量能够承载的最大人口数。同理，+*的单位量纲是每)’./!的"#$，它说明该流域每)’./!可供水资源量能够承载的经济发展最大规模的"#$。

同理，流域的综合水资源承载力（+）是其分量的集成。例如：

+(人均"#$+)’./!(,"#$+,-+!’

0西北干旱区水资源承载力综合研究的关键问题

中国西北地区气候干旱%水资源短缺，水已经成为中国西北地区环境与发展最大的限制因子。本文讨论的范围界定在西北内陆河干旱地区。西北干旱区水资源承载力综合研究的关键问题有：变化环境的流域水循环模拟研究、生态需水研究、社会经济可持续发展的水资源需求研究、流域水资源承载力的计量、西北干旱区水资源承载力综合。本文重点讨论水循环模拟、生态需水和指标体系问题。

%"&变化环境的流域水循环模拟研究

水文循环是联系地球系统地圈—生物圈—大气圈的纽带，是全球变化三大主题碳循环、水资源和食物纤维中的核心问题之一，它受自然变化和人类活动的影响，决定水资源形成与演变的规律。因此，人类活动和经济开发影响剧烈地区的水循环与水资源安全研究，是*)世纪资源环境学科领域一个十分重要的方向性问题。

FQQ自然资源学报!"卷

目前，水科学发展的前沿问题突出反映在：水文循环的生物圈方面，自然变化和人类活动影响下的水资源演变规律，水与土地利用#土地覆被等社会经济相互作用影响等。因此，水文循环需要考虑地球生物圈、全球变化以及人类活动等方面的影响。国际地圈生物圈计划（$%&’）代表国际地球学科发展前沿，水文循环的生物圈方面(&)*+,-./.0+,.12+*3456/*7*8)197:517.，简称&04:;是$%&’的核心之一。它注重陆面生态—水文过程与空

即全球变间格局的变化规律和受人类活动影响的关键问题。进入

化与人类活动影响）下的水文循环研究成为热点。

人类活动对水文过程的影响集中表现在对下垫面的改变上，改变流域下垫面的地形、地貌、土壤、植被等条件，可概括为土地利用和土地覆被的变化。下垫面条件发生变化了，水文过程的各环节也相应发生变化，如蒸发、入渗、产流的量会加大或减小，水循环的路径和速率也会发生变化，也就是说，利用原来的降水—径流关系不能反映土地利用#土地覆被变化后的流域降水径流形成规律和水文循环过程，分析人类活动（土地利用#土地覆被变化）对流域径流形成规律的影响成为水资源承载力研究的基础问题。

以河西走廊的黑河流域为例，由于中游引水等人类活动的剧烈影响，已经完全改变了流域中下游水循环关系，造成下游流量减少和断流，产生严重的生态环境问题。为了说明黑河干流的水资源变化，我们将黑河干流上游出流控制水文站（莺落峡站）及下游输水控制水文站（正义峡站）!B"!E!=@DC，正义峡多年平均流量C!B=>DC#+，相当于径流量

DC#+，相当于区间多年

平均每年损耗水量>B

!=@DC。

从两站流量多年变

化趋势看，莺落峡站水

量历年变化平稳，年际

变化不大，甚至还稍有

上升。正义峡站水量不

仅远远小于莺落峡站，

且水量在逐年减少（图

，两站水量年均差值F）图

F黑河莺落峡及正义峡历年径流量变化图越来越大（图C）。G)8BF

0HHI97J9/)92)*H*3/IH*33*3K)H87I*9H6L-.H85)8*/8.+*3造成下游水资源量4.)-.M)J./)H2-.,9+25.9/+减少的原因是中游张掖

地区人口持续增长，工

农业生产迅速发展，用

水量急剧增加，导致黑

河干流水资源大量损耗，

水资源的变化与人类活

动的关系密不可分。因

此，深入研究自然变化

和人类活动影响下的黑

河流域水循环规律，是

建立黑河流域水资源承图C莺落峡N正义峡年均流量差值图

G)8BCOIP2/912*39HHI97/IH*33*3K)H87I*8*/8.9H6L-.H85)8*/8.载力模型的重要基础。

!期夏军等：水资源安全的度量：水资源承载力的研究与挑战"12!"#生态需水研究

实际观测与实验研究表明，水对生态环境质量有明显的限制作用，生态系统对水的需求也存在胁迫响应的机制。生态环境需水量是维系生态系统平衡最基本的需用水量，是生态系统安全的一种基本阈值。因此，生态环境需水估算问题成为生态环境建设依据的重要基础。确定不同生态类型的生态需水量，是生态环境建设区域配置的重要内容，是建设生态环境系统的关键。

"#世纪$#年代后，随着国际地圈生物圈计划（%&’(）等大的科学计划推动，如水文循环的生物圈方面（’)*+）的实施，国际国内对生态环境需水问题十分重视，并且已有了一些研究。国家“九五”科技攻关项目有关课题，如“西北地区生态环境保护对策研究”、利用土地利用,覆被变化的遥感信息对区域生态需水进行初步的估算等。中国工程院一期咨询项目“中国可持续发展水资源战略研究”取得了一批重要的研究成果，所完成$个专题报告中对生态环境用水也做出初步的测算，取得一些进展。但是，目前有关生态需水的研究仍处在初级发展阶段，人们对“生态需水”问题理解还不尽相同。因此，在对它的理解与计算上还存在这样那样的问题。一般认为生态需水量是指在水资源短缺地区为了维系生态系统生物群落基本生存和一定生态环境质量（或生态建设要求）的最小水资源需求量。它包括天然生态保护与人工生态建设所消耗的水量。其内涵是以可持续发展为前提的天然生态保护与人工生态建设的需水，其外延包括地带性植被所用降水和非地带性植被所用的径流。因此，生态需水量可以理解为维系一定生态系统功能所不能被占用的最小水资源需求量，包括天然生态和人工生态，其计算有河道内和河道外之分，其基础仍然是对自然变化和人类活动影响下的流域水循环规律的认识与模拟。

-."./河道外的流域生态需水计算

根据补给来源，生态需水可以分为降水性生态需水和径流性生态需水。降雨形成径流以及在径流运动过程中，地带性植被所在的天然生态系统完全消耗降水量，非地带性植被所在的天然生态系统以消耗径流量为主、降水为补充，处于地带性与非地带性的交错过渡带以消耗降水为主、径流为补充。

从生态系统形成的原动力又可分为天然生态需水和人工生态需水两大类。从植物生理角度分析生态需水，可以得到天然植被或农作物正常生长时的总蒸腾蒸发量!"。其水分来源有两部分：直接利用的有效降水和通过水利工程直接或间接利用的供水。

区域生态需水计算应该以流域为单元，建立变化环境下的流域水循环模型。然后，充分利用高分辨率的土地利用遥感信息，结合陆面水文生态实验站的校核分析识别确定。对于每个流域，结合其生态特点和水循环特点，确定一级分区为山区、平原绿洲、过渡区、荒漠无流区。为了突出人类活动影响，在山区和平原绿洲中进一步区分天然生态系统和人工生态系统，作为二级计算分区。二级计算单元内再以土地利用单元作为三级计算分区0由遥感信息土地利用图上读取各类生态面积单元。对三级分区的每一项，单独计算其生态需水或经济需水。在计算中考虑了天然植被或人工植被对径流性水资源和降水性水资源的同时利用。

-."."河道内的生态需水计算

河道内的生态需水计算主要考虑的问题是维系河流湖泊水系的生态平衡的最小水量。主要考虑的方面有：维持河湖水生生物生存的最小需水量；维系城市人工生态环境景观的最小需水量；防止河流泥沙淤积所需最小径流量；防止河流水污染的最小水量；防止海水入侵所需维持的河道最小流量；防止河道断流、湖泊萎缩所需维持的最小径流量。通常需要通过流域水循环模拟、枯水分析后，在给出一定生态环境标准（或要求）下确定上述多个最小流量组合的阈值（具体方法讨论略）。

,-.自然资源学报!"卷!"#水资源承载力评价指标及计算方法

水资源承载力评价指标的建立是水资源承载力研究中的另一个关键问题。核心是用什么指标体系反映“社会—经济—环境”系统的发展规模与质量。从目前的认识，水资源承载力评价指标的选取有不同的做法。例如，有人从定义出发，直接选取可支持人口数量、工农业发展规模等人口和社会经济发展指标，作为衡量水资源承载力大小的依据#!$%。也有人从水资源可供水量、需水量，可承载人口、社会、经济技术发展水平和规模，水环境容量等方面综合考虑建立水资源承载力评价指标体系，采用层次分析方法进行评价#!!%。

笔者建议从水资源承载力的基本概念出发，通过水循环系统模拟、水资源评价、生态需水估算和社会经济对水的需求分析选取计算参数，主要有：对应不同保证率的水资源量、最小生态需水量、可利用水资源量、水资源需求量（包括人口需水、工业需水、农业需水、环境和其它需水等）；通过流域“社会—经济—环境”系统的实际分析，确定水资源承载力评价指标，如水资源承载力的平衡指数（!"#$）等。运用本文提出的量化方法，可望获得比较具体和实在的水资源承载力的度量结果，如维系现状&目标水平的人口规模所需要最少水资源量，维系现状&目标水平的经济规模所需要的最少水资源量等。

总之，希望概念清楚、基础扎实、评价方法简单、可比性好。这方面研究工作需要在实际中发展和完善。

’结语

水资源承载力的研究在我国虽然已有诸多研究课题和论述，但总的来说，已有的研究重点主要集中在对水资源承载力的评价与计算等方面，还没有形成水资源承载力研究的成熟的理论和方法。笔者“抛砖引玉”，希望在其概念、新的理论与方法研究方面开展研讨。几点建议如下：

$"%加强学科交叉融合的研究

水资源承载力研究涵盖了从理论到实证，从“水—生态—社会经济”多学科基础问题到可持续发展问题，从变化环境下的水文循环水资源演变规律到流域水文生态、植被耗水机理等微观领域，从水文水资源科学到社会经济科学、规划科学等不同层次、不同学科的研究范围，并以多目标决策分析方法、系统动力学方法、遥感与地理信息系统方法等作为

’%。技术手段，因此，迫切需要加强学科交叉融合的研究#(、

$"&技术方法的创新

目前制约水资源承载力研究的一个重要因素就是数据的获取与分析处理。)*+在支持与水文和水环境有关的地理空间数据的获取、管理、分析、模拟和显示，以解决复杂的水资源、水环境规划和管理问题方面显示了其强大的功能#!,%。水资源承载力研究必须突破陈旧的数据获取与分析手段，充分利用现代先进技术，将地面水文观测与空中遥感信息相结合，利用地理信息系统进行数值计算和模拟，并将现有水资源承载力数学模型方法与)*+集成，这是水资源承载力研究取得突破性进展的一个关键所在。

$"#研究领域的拓展

地域分异和空间格局历来是地理学最重要的优势研究领域，水土资源与社会经济活动的空间配置状况对水资源承载力有着极为重要的影响。因此，应该加强与水资源承载力密切相关的区域合理配置研究，尤其是区域可持续发展新的挑战。它包括水土资源配置，上、中、下游的城市与产业合理布局，水源保护区区域范围内的人口、产业布局等。将其

—水资源承载纳入水资源承载力研究的范畴，不但是水资源承载力研究的一个重要方面——

力区域差异研究的需要，也必将使水资源承载力研究成果对社会实践具有更明确的指导作用，这是当前水资源承载力研究中极具潜力的一个研究领域。

总之，水资源安全问题的水资源承载力研究是,!世纪水资源科学发展一个十分重要

!期夏军等：水资源安全的度量：水资源承载力的研究与挑战’LD的发展方向。发挥交叉优势，理论与实际结合，建立中国特色的水资源承载力的量化理论与方法，对于探讨国家社会经济可持续发展中受水制约的重大需求问题十分有意义。目前迫切需要发挥科研机构、高校与水利、环境部门联合优势，为国家水资源安全、水资源可持续利用做出贡献。

参考文献：

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