水環境承載能力

人類社會進入二十世紀后，生產力飛速發展，環境污染日趨嚴重，在某些地區資源的掠奪性開發及環境污染已威脅著人類自身的生存，人們開始思考一個問題：這種生活模式能夠維持多久？什麼是健康的經濟發展模式，因而出現了可持續發展的觀點。1987年，世界環境與發展委員會及挪威首相希倫特蘭（Brundtland）提出了《我們共同的未來》這份著名的綱領性報告，可持續發展的概念被定義為"即滿足當代人的需要，又不對後人滿足其自身需要的能力構成危害的發展"。為了實現可持續發展人們很自然地提出了環境承載能力的問題，即人們尋求的資源開發程度和污染水平，不應超過環境承載能力。各國在自己的發展戰略中都作了有法律約束的規定。如我國科委發布的《環境保護技術政策》中指出："區域的開發建設，要進行經濟、社會發展、資源、環境承載能力的綜合平衡，並按"三同步"的原則加以實施。在編製區域規劃和城市總體規劃時，必須編製環境規劃。"雖然環境承載能力被提了出來，但在初期其定義、內容、研究方法並非十分明確。從事環保工作的研究者，把它理解成環境自凈能力。他們認為，污染物排入環境之後，在物理、化學和生物作用下，會使其遷移、稀釋、同化分解及轉化，逐步消除污染，達到自然凈化，因而，稱環境的這種能力為對廢物的承載能力，並認為它決定了在一定條件下環境所能容納的污染物的最大負荷量。因而水環境容納的計算自然而然地與水質模型相聯繫。

最近，汪恕誠部長在"水環境承載能力分析與調控"的報告中指出，首先，它指的是一個水域，表明其與地域相聯繫，其次它界定了區域的環境質量，即保持良好的生態系統，這就應與國家的法定標準相聯繫，再就是提出了是水域納污的最大能力，即是一個界限值，或稱為臨界值，這表明該值有一定的基準。

在聯合國開發署資助的《華北水資源項目》中，研究的內容就是華北地區的經濟發展、資源配置和環境承載能力之間的平衡和協調問題。當時確定兩個最主要的目標函數就是GDP和BOD，前者衡量經濟發展及效益，後者衡量水環境清潔水平，後來又將"水環境清潔程度"的量度擴展為"環境清潔程度"。當時由於條件限制，只給出了不同BOD水平的經濟發展速度，而沒有明確提出其可接受的最大限度，即承載力。而後我們在水利部規劃司的《水利與國民經濟協調發展》研究中，承擔了制定"水資源質量標準和評價方法"的課題，就是研究在區域和全國經濟發展中，水環境可允許的（即不嚴重破壞生態系統）水質污染程度及其量度方法。其目的就是分區域確定水質管理目標值和水質污染允許的最大值（使用的是狀態量度參數而非容量量度參數），在這項研究中已經把承載能力與區域相聯繫，也與法定界限值相聯繫了。在確定水質界限值（標準）時，也考慮了其基準值。所用的定量化方法是水質綜合指數。

上述度量環境狀況的方法是在特定的研究項目中提出的，它雖是能度量區域環境或水質受污染的程度，但用於專門度量水環境承載能力尚需進一步完善。在上述兩種度量方法中，BOD的人均量是國際上公認的量度區域環境污染狀況的指標，使用簡單，但確定界限值有一定難度，因為沒有特定的基準值和毒性限，只是環境相對清潔度的指標，且對於環境和水質這個具有多指標的體系來說，其代表性相對簡單些。水質綜合指標比BOD的代表性更寬廣，且大多數有基準值或各國有法律約束的管理值可依，用於度量區域水質污染程度和可用度是不成問題的，但對衡量區域水環境狀況來說沒有考慮一個水量的因素。水量在區域水環境狀態描述中是十分重要的。即使就所謂的"水環境容量"的觀念來說，除了自凈容量，還有所謂稀釋容量。因為對生物的耐受力來說，主要度量仍是濃度而非總量，這就是為什麼長江的納污量是黃河的數倍，但水環境狀況仍優於黃河的主要原因。所以度量區域水環境質量的指數中應包括兩個部分，即：反映水質優劣的水質指數和反映區域水資源質量的水量因子。基於上述考慮，提出了下述專門用於度量水環境質量狀況和水環境承載能力的水環境狀態指數。

在上述研究的基礎上，這裡提出了一個水環境承載能力的定量描述方法。應用這一方法可界定所研究的區域的水環境現狀是否過載。若尚未過載則表明尚有開發餘地，並可指明在哪一方面有多大空間。若過載，可提出問題之所在，生態恢復時需主攻什麼方向，是水量問題還是水質問題等等。該定量化方法是：

IQE= ··········（1）

式中：

IQE為區域（或全國）水環境狀態指數，是水環境承載能力的度量。

QT為水資源總量，是指區域實際擁有的水量，非經水文還原計算得的水量。該水資源總量若以出入區域的水文站流量計的話，指入境的水文站實測流量（不包括水文還原的流量）。

QW是區域總水資源量和可資利用的水資源量之差，即：

QW =Q總-Q可=QT-QC

應稱為區域生態需水量，（是除人類生活和生產活動所需水量之外的保持環境生態之水量，包括河道、入海、沖積、不斷流、植被、生態多樣性保護等）。可將QW除臨界值外，再分級，I級為對環境生態基本無影響人類取水，Ⅱ級為對生態有影響，但仍保持較好質量之水量，Ⅲ級為保持生態循環的最低水量，稱允許的或臨界水量，以及Ⅳ、Ⅴ等稱為生態不同破壞程度下的水量等。

Qc （Q可）為可資利用的水資源量。

IWQ是區域水質綜合指數。它是水質對環境的影響程度和可用度的量度（為無量綱值），也可稱為水質評價綜合指數（其計算方法可用水質中心為《水利與國民經濟協調發展》課題開發的成果）。

上述IQE，區域（全國）環境狀態指數，表示區域（全國）水環境狀況。並認為其有可持續發展的臨界狀態IQEC，IQEC為可接受（acceptable或criteria）的水環境狀況，也表徵可持續發展的水資源開發利用總體狀態。

IQEC和Ic（實際）的差為現狀水環境和臨界水環境狀態的差值，正值為有開發餘地；負值為生態不能承載，必須進行區域生態恢復。

該水資源狀況評價方法的優點是：

1．由於Qw的量和IWQ的值都是客觀的存在的，可以通過區域生態破化程度界定的，其中IWQ可以與現性的水質標準掛鉤（也可以獨立於人為的水質標準而存在），其好處是水資源質量評價不受人為定的水質標準的左右，在必要時又能與環境水質標準相對應，給出地區水質級別以及不同水質標準的不同評價結果之間的轉換。保持歷次水質評價和水資源評價的可比性。

2．Q可是地區水資源可用度的表徵和約束，人們只能在不超過Q可的情況下發展經濟（但可用節水、污水回用及回歸河道等措施增加Q總或改變原IWQ下求得發展）即在環境承載的約束下發展經濟。

3．IQE能分地區或生態區和在全國範圍內給出水環境和水資源的總體狀態（可表徵過渡開發和水污染引起的生態質量的降低）是水資源狀況的總體表徵，作為水資源規劃的戰略目標的數字化定量描述方法。

另外，對環境現狀IQE和臨界IQE的比較也能給出不同區域水資源開發利用和水質狀況的綜合對比，其正值區為有開發餘地之可開發區，負值區為水資源過渡開發或水資源造成生態嚴重破壞需進行水環境生態恢復的地區。進而可向國家報告水質水量相結合的水資源總體評價的結果和區域分佈及比例。這就為全國水資源狀況在不同區域的對比和開列國家水環境治理優先序奠定了基礎。

使用上述區域水質綜合指數也可以計算出某區的具有某種水質類別（級別）的水資源量並進行全國的匯總。它即可給出年內使用的水量中各級別水質的比例，也可以給出年內存在於區內自然環境中的不同級別的水資源量的空間分佈。其方法為：

IiQ= ··········（2）

式中：QHT為根據水文學還原後計算的全國水資源量；

Qi為第i分區（生態區）的表觀水資源量；

IiQ為第i分區（生態區）的水文學計算的全國水資源量在該區的分量；

m為全國的水資源計算分區數量；

Qj= ··········（3）

Qj為符合j級別的區域（或全國）水資源量；

IiQ 為落入j級別標準內的i分區的水資源量；

n為相應的水質類（級）別數量；

IWQI,,，IWQI+1,，····為I級，I+1···I+n 級的水質指數。

Ij= ···········（4）

Ij為全國符合j級別水質的水資源所佔的比例。

因為水是流動的，水經某一個上游區使用之後，又流至下游某區再次使用，這樣會帶來全國統計上的水資源量重複計算，上述方法在數學上可稱為歸一化方法，在物理學上可稱為像衛星照相一樣的在歐拉坐標系中的瞬間凝固法。這樣就解決了水資源量的重複計算問題。

解決了計算方法后，確定上述水環境承載能力的難點就變成了對每個研究區（生態區）需確定其水資源人為可資利用量的臨界值和允許最大水質污染的臨界值的問題。

對於第一個問題，可根據區域生態條件，國外相應控制水平制定，例如，用美國的Tennant法（對乾旱區）或濕周法（對水網區）等技術方法確定。而第二個問題可參考EPA的水質基準值，根據水質污染的環境影響曲線進行推斷之。話雖這樣說，但研究起來仍需根據不同的經濟技術水平，人們對生態價值的認識程度以及與經濟社會條件無關聯的自然科學的基準數據（如水的污染物毒性限、不能造成斷流等）的約束來制定。

這些問題解決之後，我們將獲得區域乃至全國的生態管理目標，水資源使用限定目標及水質管理目標（水資源質量標準）等一系列有操作的基礎數據，為真正實行可持續發展的各項決策服務。