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关键词:绿色概念;室内设计;材料节能;可持续发展
中图分类号:TU23 文献标识码:A
一、绿色设计的概念
绿色设计,是一个内涵相当宽泛的概念,由于其涵义与生态设计、环境设计、生命周期设计或环境意识设计等概念比较接近,都强调生产与消费需要一种对环境影响最小的设计,因而在各种场合经常被互换使用。它是当今世界的"绿色环境"命题,是关于自然、社会与人的关系问题的思考在产品、生产、流通领域的表现。
狭义理解的绿色设计是以绿色技术为前提的工业产品设计。广义的绿色设计,则从产品制造业延伸到与生产制造密切相关的产品包装、产品宣传及产品营销各环节,并进一步扩大到全社会的绿色服务意识、绿色文化意识等。
"绿色"的确是具体的,同时对它的体验是更抽象的。"健康、环保、自然是许多人在很长时间内对'绿色'二字的概念认知,而对细部研究的室内设计师来说'绿色'的理解可以更深、更广、更细。今天'绿色'不仅仅象征生命,它是一个非常广义的问题,是对空间设计'绿色'概念的外延,外延的包容度完全取决于每个设计师对'绿色'本身的理解"。
二、室内绿色景观的概念
室内绿色景观是构成室内环境的重要组成部分,它展示了室内空间并具有装饰作用。室内绿色景观设计反映了人类的一种新的美学观和价值观。人与自然的真正合作与友爱的关系,不仅仅是利用绿色植物布置室内空间,而是要呈现出一种生态的室内空间,进而缩短室内外的差距,在室内让人享受身临其境的大自然。室内绿色景观设计贯穿于室内景观的整体、局部、微观细部设计以及实施管理的全过程,综合生态功能和环境美学以及人的需要,考虑了生态效益、经济效益、社会效益和美学原则,是一种塑造室内生态环境的过程,也是一项长期渐进、不断完善及维护管理的过程。
绿色景观通常具有明显的室内路线标识作用和分割空间的作用。绿化不单纯是为了装饰,而是作为提高环境质量满足人们心理需要不可缺少的因素。室内多层次的绿化一方面补充了室内地面绿色植物的不足,另一方面,将室内绿化与建筑通风设计、自然调节温湿的处理办法相结合,能大大地改善室内空气的质量。通过现代技术把绿色植物引入室内,使之构成室内的景观,是目前改善室内环境质量卓有成效的方法。
从美学角度来讲,绿色景观有着良好的景观视觉美,将绿色景观引入室内,不仅是为了生态意义上的功能,更重要的是改变了因"过分"装饰而与可持续发展背道而驰的现象。在强调遵循生态规律和美的法则前提下,创造的人工生态所具有的持久愉悦性,是提高环境质量,满足人们心理需求所不可缺少的因素。
三、理念的绿色
绿色设计指的是在产品整个生命周期内,着重考虑产品对自然资源、环境影响,将可拆除性、可回收性、可重复利用性等要素融入到产品设计的各个环节中。在满足环境要求的同时,兼顾产品应有的基本功能、使用寿命、经济性和质量等。绿色设计不只是物质上的设计,更重要的是理念的"绿色",要求我们尽可能的延长每一个产品的寿命。
绿色设计倡导适度消费思想,倡导节约性的生活方式,不赞成室内装饰中的豪华和铺张,把"以人、建筑、自然和社会协调发展",作为目标。绿色设计注重生态美学,"生态美学是美学的一个新发展,在传统审美内容中增加了生态因素。生态美学是一种和谐有机的美。在室内环境创造中,它强调自然生态美,欣赏质朴、简洁而不可以雕凿。它同时强调人类在遵循生态规律的法则前提下,运用科学技术手段加工改造自然,创造人工生态美,它欣赏人工创造出的室内绿色景观和与自然的融合,它所带给人们的不是一时的视觉震惊而是持久的精神愉悦。因此,其既是生态美也是一种更高层次的美。"
将自然景观引入建筑空间其实就是人类生存方式的一种回归,人们通过把自然的元素植入室内,代替过于秩序、机械的工业产品,这本身就是一种绿色行动,因为景观的构成要素大部分是自然的、可持续发展的。室内景观设计是连接精神文明与物质文明的桥梁,通过设计改善人类自身的生存环境。绿色设计不只是改变环境,更重要的是观念上的"绿色"。人们在室内景观设计中主要从以下几方面来体现绿色:使用的材料是否环保,设计方案是否造成材料的浪费,设计功能是否合理,设计是否繁琐,观念是否新颖,设计体系是否是开放式的、节能的、可持续发展的。
四、材料的绿色
上个世纪90年代初,欧美国家提出了绿色设计的理念,针对空间环境设计领域,要求人们不仅要设计理念绿色,设计空间也要绿色。随之人们开始关注设计材料对环境污染的问题,开始使用经过简单加工的天然材料,运用新工艺技术手段,清除材料中的有害成份。同时人们开始开发对人身体健康无害的新型材料,逐步实现人们对环境健康的要求,这将是装饰材料加工生产今后发展的方向。
绿色材料是指在原料采取、产品制造使用和再循环利用以及废物处理等环节中与生态环境和谐共存并有利于人类健康的材料,同时它们还要具备净化吸收、促进人类身心健康的功能。绿色材料是在1988 年第一届国际材料会议上首次提出来的,并被定为下世纪人类要实现的目标材料之一。绿色材料包括循环材料、净化材料、绿色材料和绿色建材。
绿色材料指洁净的能源如太阳能、风水能、潮汐能及废热垃圾发电等的开发和利用的新能源材料。绿色建材是指有利于环境保护的建筑材料,其标准是既要满足强度要求,又能最大限度地利用废弃物,并具有节能、净化功能,有利人类身心健康。目前绿色环保材料包括绿色墙材、绿色地材、绿色板材、绿色门窗、绿色家电、绿色照明、绿色家具、绿色整体厨房、绿色整体卫生间。绿色室内环境崇尚自然、尊重自然,以保持生态平衡的方式,与大自然、与其他生物保持和平友好的共生共荣关系。室内环境的艺术性与绿色原则之间并没有直接的冲突,随着技术的进一步发展以及人们处理生态因素经验的不断丰富,艺术性与生态性之间的结合也将越来越紧密。
五、材料的节能和再利用
"绿色室内设计的科技含量重点体现在节能化方面。倡导节约和循环利用室内绿色设计强调在室内环境的建造。使用和更新过程中,对常规能源与不可再生资源的节约和回收利用,对可再生资源也要尽量低消耗使用。在室内生态设计中实行资源的循环利用,这是现代建筑能得以可持续发展的基本手段,也是室内绿色设计的基本特征。"
现代的家居设计要考虑到资源的综合利用和节能问题,要尽可能的选用节能型材料,如节能型门窗、节能玻璃、节水型座便器、节能型灯具等,要尽量利用太阳能和自然光进行室内采光,降低能源的消耗量。
材料节能首先是指所用材料能够达到生活节能的标准。例如水龙头材质的使用如果不达标,就有可能造成滴水、漏水现象,从而浪费资源。其次就是材料的重复再利用方面,在设计时要考虑材料是否可以重复使用,这不仅可以节约资源,还可以延长材质本身的使用寿命,这也是节能的表现之一。
结语
综上所述,室内绿色景观设计包含在绿色设计之中,在设计中引入绿色设计,从理念的绿色到材料的绿色、再到设计的绿色,是室内设计一种新的创作思路,也是一种需求,在室内营造一个绿色、自然的环境是现代室内设计未来的发展方向。
参考文献
[1]刘晓陶.生态设计[M].山东美术出版社,2006.
[2]张绮曼,郑曙光.室内设计资料集[M].中国建筑工业出版社,2004.
[3]朱铭,荆雷.设计史[M].山东美术出版社,1989.
关键词 可持续发展;生态效率;评估方法
一、对“生态效率”的不同理解
生态效率这一概念越来越被人们所认知。这一概念,最初于1990年,由德国学者Schaltegger和Sturm在学术界提出1。他们将价值的增加和环境变化的比值作为生态效率的定义。到1992年,世界可持续发展工商业委员会(WBCSD)首次将生态效率作为一种商业界概念,并加以规范的阐述:生态效率是通过提供能满足人类需要和提高生活质量的竞争性定价商品与服务,同时使整个生命周期的生态影响和资源强度逐渐降低到一个至少与地球的估计承载能力一致的水平来实现的,并同时达到环境与社会发展目标2。经济合作与发展组织对生态效率的理解是:生态资源满足人类需要的效率,它可看做是一种产出除以投入的比值,其中“产出”指一个企业、部门或所有经济单位生产的产品和服务的价值,而“投入”指企业、部门或所有经济单位产生的环境压力的总和。这是首次将生态效率概念扩大到政府、工业企业及其他组织(农业、服务业)。欧洲环境署把生态效率定义为:生态效率是从更少的自然资源中获得更多的福利。由于生态效率设计的领域很广,因此被广泛地发展并应用于宏观政策分析和微观决策分析,适用于全球、国家、地区、产业和企业,具有很强的实践指导性和可操作性。国外企业在应用生态效率评价产品和生产过程的可持续性方面有较多的探究,在行业层次上也发展了对旅游业、工业的生态效率研究3。
本人认为,生态效率是一种灵活、相对的概念,并没有特定的限制来衡量其价值,衡量方法取决于分析目的和所能获取的信息。生态效率实际上提供了一种理念和手段,并能使组织对其在特定时段内生态和经济的综合业绩加以评价。
二、“生态效率”在国内外的实践及发展
国外行业层次的生态效率评价指标的研究充分体现了行业特点,在巴西运输产业生态效益评价过程中,选择总能量消耗能源和可再生能源消费作为评价能源消费水平的解释变量:选择了温室气体排放量和打起污染物质排放量作为评价大气污染的解释变量,且计算生态效率的经济要素采用了折现后的年纪成本。食品行业和运输行业的情况不同,对环境的影响主要体现在水资源消耗、能源消耗、水污染、温室效应气体排放和固体废弃物排放这几个方面,因此在加拿大的食品行业生态效率评价过程中,尤为关注这几个环境要素。
例如,在欧盟环境生命环境项目(LIFE-Environment)资助下,芬兰环境署于2002年启动了芬兰南部Kymenlaakso地区区域生态效率研究项目,执行期为2年,旨在区域水平上开展生态效率应用实践,进行区域生态效率评估,并探索研究经济-环境相互关系的最佳途径。
Morales等采用生态效率函数对墨西哥石化企业不同生产流程通过实施清洁生产产生的经济和生态效益进行分析,该函数以原材料使用量、产量及残余物的量作为变量4。Breedveld等就瓷砖行业在生产过程中产生的大气污染问题为例,通过生态效率结果识别不同生产技术对于环境绩效的优劣影响程度5。
随着可持续发展这一概念的提出,加之两型社会的要求,人们越来越重视环境和经济的关系。学者们也越发重视对生态效率的研究。
何伯述(2001、2003和2004)与王灵梅、张金屯、尚立虎6从多方面对我国燃煤电站的生态效率进行了研究。陆钟武等引入循环经济的生态效率概念,从分析环境负荷与国民经济发展的相关关系出发,计算了特征点发生的年份,以及社会GDP、生态效率和环境负荷等环境性能参数的特征值。杨斌通过DEA数据包络分析法,对2000-2006年中国区域生态效率进行了计算,总结出我国区域发展的不平衡性,并对此现状总结出问题并提出了建议6。李刚(2002)研究分析江苏省经济环境系统的生态效率时,采用GIS、统计分析和经济分析方法,研究生态效率的动态变化和空间分布规律7。邱寿丰等借鉴德国环境经济账户中的生态经济效率指标,并根据中国的实际情况,构建了适合度量中国循环经济发展的生态经济效率指标。然后应用该指标分析了中国1990-2000年生态经济效率的历史趋势8。杨多贵等通过对生态经济概念的分析,阐述了企业生态经济系统的经济功能和生态功能,从经济学角度出发提出了研究生态工业的微观方法。
三、“生态效率”方法研究进展
(一)经济-环境影响比值
虽然生态效率的定义各不相同,但都涉及到经济价值和环境影响两个方面。
1.经济价值的计算
适当的经济指标,可以用来表征所研究企业或者行业乃至区域的产品或者服务的经济价值。WBCSD把产品或服务的生产总量或销售总量和净销售额作为一般性经济指标,增加值9。Eik等在此基础上发展和完善了针对废物回收系统的指标体系。
目前指标体系均选择了可得性较强的企业财务指标,然而在面向整个行业乃至区域的生态效率计算时,要考虑的因素则比单纯的企业内部管理复杂得多,例如环境外部性影响的经济成本计算、折现率的确定等等。
目前产品或服务价值的计算方法主要有两种:成本效益分析(CBA)和生命周期成本分析LCC。LCC计算了产品的整个生命周期内市场相关成本和收益,而CBA则除了市场相关成本和收益外,还包括环境外部性经济成本。但是环境外部性成本的量化方法仍未成熟。而从经济学角度出发,Kuos-manen认为经济价值计算中应该采用机会成本,而不是已支付成本,应当从长远来看,重视净现值的折算。
2.环境影响的计算
研究组织针对生态效率的计算提出了各自的环境指标。例如,WBCSD给出了5个一般性环境指标能量消耗、物质消耗、水消耗、温室气体排放、破坏臭氧层物质的排放和2个备选环境指标酸化气体排放、废物总量。UNCTAD的报告则列举了以排放量为基础的5个环境指标不可再生能源消耗、水资源消耗、温室气体排放、破坏臭氧层物质的排放、固体和液体废弃物。
由于各类型的环境影响无法像经济指标那样直接相加,在集成之前需要对不同类型的环境影响赋予相应权重,但是赋权方法尚未达成共识,常用的赋权方法一般是借鉴环境经济学中确定物品环境价值的调查方法,其主观成分较大。
(二)其他计算方法
1.DEA数据包络分析法。该方法以“相对效率”为基础,通过保持决策单元的输入或输出不变,借助于数学规划将决策单元(DMU)投影到DEA的前沿上,并通过比较DMU偏离DEA前沿面的程度来评价它们的相对有效性。若输出中含有污染物,则需要将其最小化,此事的输出成为非期望输出。非期望输出的问题一般通过函数变换和模型修正来解决。
2.物质流分析法(MFA)。是衡量循环经济发展水平的重要方法,通过对投入到区域内的物质进行全过程追踪考察,准确掌握区域投入、产出的无质量和废物排放量,以便有效调控经济系统与生态环境之间物质的实物流向和流量10。
3.模糊综合评价法。根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价。其特征是,对评价因素进行相互比较,以评价因素最优的为评价基准,评价值为1(若采用百分制,评价值为100分),其余欠优的评价因素依据欠优的程度得到响应的评价值。该方法可以很好地解决多目标评价中的模糊性问题。
4.生态足迹法。是对可持续发展定量分析的一种新兴的重要方法。它是在对土地面积量化的基础上,在需求层面上计算生态足迹的大小,在供给层面上计算生态承载力的大小,然后对二者进行比较,进而评价研究对象的可持续发展状况。该方法直观地反应了人类对环境的影响,所要求的数据相对容易获取,计算方法的可操作性和可重复性强,可以较好地揭示自然资源和经济发展之间的互补关系。
上述几种方法都各自存在着不同的优缺点,根据目的、行业、测度范围的不同,研究者们要找寻更合适的方法或者多种方法相结合的途径来达到较为精确、真实的结果。
四、结论与讨论
生态效率的概念及内涵以及所采用的计算指标和方法与其评价的尺度和评价的目的有密切的关系。各个行业领域、区域对生态效率开展分析,都是为了降低污染、削减成本,从而达到提高产品或者服务的增加值,改善环境的目的。对生态效率的研究还有很长的路要走,对其方法的改进更需要进一步的探索,这样才能在追求经济发展的同时搞好生态环境,才符合可持续发展的战略要求。
参考文献
1 Schaltegger S,Sturm A.Okologische RationalitatAnsatzpunkte Zur Ausgestaltung You Okologieorienttierten Man-agement.InstrumentenJ.Die Unternehmung,19904.
2 Stigson,B.Howean Eco-efficiency contribute to Sus-tainable DevelopmentA speech in National Conference on Sus-tainable DevelopmentM.Oslo.World Business Council for Sus-tainable DevelopmentWBCSD,2000.
3孙源远,武春友.工业生态经济效率及评价研究综述J.科学学与科学技术管理,2008,2.
4Morales M A, Herrero V M. Martinez S.A,et al.Cleaner Production and Methodological Proposal of Eco-effi-ciency Measurement in a Mexican Petrochemical ComplexJ.Water Science&Technology,2006,15311.
5Breedveld L,Timellini G,Casoni G,et al.Eco-efficien-cy of fabric filters in the Italian ceramic tile industryJ.Journal of Cleaner Production,2007,15.
6杨斌.2000-2006年中国区域生态效率研究-基于DEA方法的实证分析J.经济地理,2009,7.
7李刚,1999-2000年江苏省环境-经济系统生态效率研究D.南京南京大学,2002.
8邱寿丰,循环经济规划的生态效率方法及应用—以上海为例D.上海同济大学,2007.
一、问题的提出
“生态旅游”一词于1983年由世界自然保护联盟(IUCN)特别顾问H.Ceballos Lascurain首次在文献中使用,其原意是指在强调某种教育目的基础上到那些相对受到较少干扰和污染的区域进行的自然旅行,提出的目的在于通过生态方式的旅游促进自然环境的保护和改善。此后,越来越多的专家学者开始从不同角度对其进行研究,时至今日,“生态旅游”概念的界定仍没有统一。纵观林林总总的生态旅游概念,不难发现,人们对生态旅游的认识,经历了一个由浅入深、由低级到高级的逐步深化过程。
二、对目前生态旅游概念的新思考
综合专家学者的研究,可以看出从可持续发展角度来认识生态旅游,才能更加科学、完整地把握生态旅游的本质。生态旅游是应旅游业和旅游目的地可持续发展的需要而产生的。因此,生态旅游应着力解决传统旅游无法解决的旅游目的地和旅游业发展中存在的生态环境、社会效益、经济效益等方面的衰退问题,生态旅游的实质就是追求三者之间的平衡协调发展。
传统的旅游发展模式以经济效益为中心,不惜以资源的消耗为代价来满足需要和获取利益,忽视了旅游业的可持续发展。生态旅游强调以环境效益为前提目标,以经济效益为首要目标,以社会效益为最终目标,力求达到三者结合的综合效益最大化,以实现旅游目的地和旅游业的可持续发展。
由此可以界定,从宏观角度看,生态旅游是一种可持续发展的生态管理系统,以可持续发展、生态学、系统论思想为基础实现环境、经济、社会三方面综合效益的最大化。从微观角度看,生态旅游是一种旅游活动形式或旅游产品,通过开发、保护和消费等活动实现政府、开发商、旅游者及社区居民等相关主体行为的协调发展。同时还要特别注意生态旅游概念的动态发展性,从发展的角度看,现阶段生态旅游概念正处于以旅游产品开发为其主要形式,并向生态管理系统过渡的时期,追求生态管理系统的整体发展是未来生态旅游概念的实质性发展方向。
在实践中,应将二者统一起来,运用可持续发展思想指导旅游目的地和旅游业规划,科学设计生态旅游产品,完善监控体系,保护生态旅游的资源环境基础,在取得环境效益的前提下,为旅游者提供真正的生态旅游经历,取得旅游经济效益,提高当地居民的生活水平,最终达到最佳的社会效益。
三、生态旅游概念体系的构建
生态旅游由理论基础体系、相关主体行为体系、目标体系(见下页图1)三个基本体系构成。
(一)理论基础体系
生态旅游是建立在对生态资源利用的基础上开展的一种旅游活动,所以,对生态资源的管理首先要遵循生态原则和科学性;生态旅游的功能是要实现旅游地的持续协调发展,所以要以可持续发展理论为指导;生态旅游是一个生态管理系统,涉及到多个主体要素、多方面关系的协调均衡,这就需要系统论贯穿于开发管理全过程,实现系统整体的稳定持续发展。这三个理论相互融合,共同作用于生态旅游,伴随着生态旅游开发、管理、发展的全过程。
(二)相关主体行为体系
对生态旅游的概念的理解还要把握住其行为主体“人”的要素,它不仅要求有素质高、责任心强的生态旅游者和社区居民,也要求懂环保、懂旅游的开发经营管理者和具有可持续发展理念的政府。在开发管理过程中,要注意处理好相关主体的利益关系,处理好开发和保护的关系,在尽量减少活动对环境影响的条件下,实现各行为主体的综合效益最优化。
(三)目标体系
生态旅游能够有效地促进人们自然生态和人文生态的保护,取得生态效益;生态旅游虽不把追求利润最大化作为目标,但也能带来一定的经济效益;生态旅游还通过对资源的保护和对居民生产、消费观念的转变来实现社会效益。生态旅游的根本目标在于整合生态效益、经济效益、社会效益,实现综合效益最大化。
生态旅游是将可持续发展理论、生态学、系统论等相关理论作为指导原则,通过协调相关主体要素间的利益关系来实现生态、经济、社会三效益的最优化。理论基础体系是在相关主体行为体系和目标体系互动过程中实现综合效益最大化的基础。其中行为主体要素间的利益分配越合理,综合效益越优化;反过来,良好的效益的实现,会激励行为主体的开发管理分配方式朝着合理化方向迈步。在遵循相关理论的前提下,相关主体行为体系和目标体系相互支持、相互促进,循环反复,实现生态旅游的可持续发展。
一、生态旅游概念
自生态旅游一词诞生以来,虽然人们对其理解越来越深化,但仍有大量文章在不断讨论这一概念,因为到目前为止还没有一个普遍认可的统一定义。(见表1)
二、生态旅游概念的共性特征
以上各种概念尽管雷同(表1),但也有理解上的侧重,共性的特征主要涉及到以下11个。
(1)环境友好。生态旅游能照顾到环境安全,能使旅游活动对大自然和野生动植物的影响最小化,从而有助于保护环境和生物多样性。
(2)责任感。生态旅游能让游人尊重当地的文化、社会和生态自然环境,也能让旅游企业关心环境,以环保为出发点来开展经营管理。
(3)教育性。生态旅游能使旅游企业、旅游者和当地居民受到与大自然和文化有关的教育,唤醒人们的环境意识。
(4)低影响。生态旅游不会给大自然带来太多的负面影响,有时甚至是零影响。如:人们常说的轻度踩踏,没有采摘,只带走照片,留下脚印等。
(5)休闲浪漫。生态旅游能让人们走出家门,欣赏风景秀丽的大自然。
(6)给当地带来福利。生态旅游不仅能给当地居民带来经济收益和就业机会,还能创造社会效益。
(7)文化体验。生态旅游能让游人体验到当地的文化和自然历史。
(8)生态体验。生态旅游让游人体验到诸如原生态住宿或生态导游等经历。
(9)可持续性。生态旅游能通过适度利用和有效的保护管理,为下一代留下文化传统和自然资源。
(10)社区参与。生态旅游能鼓励当地社区居民参与各种旅游活动及管理。
(11)游人参与。生态旅游能让游人参与生态环境保护,产生互动。
以上这些特征是人们通过实践中的观察而总结的,它们更强调旅游中的生态环境保护和生物多样性保存,却较少涉及旅游经营者的收益及商业环境,原因主要来自于为生态旅游下定义的群体。例如:生态旅游协会等专业性组织,它们的成员大多是自然保护主义者,因此定义中必然会反映出这些成员的观点。但另一方面,按传统的效益最大化理论,不管企业的唯一目的是获取经济利益,还是兼顾生态环境和经济效益,最终目标都是使利益最大化,这显然与生态旅游当前的定义不相符,也造成了全球范围内的环境负面影响。有的生态旅游看上去与大众旅游没有太大的区别,令人担忧。还有的企业把“生态旅游”当成市场营销的时髦用语,打着生态旅游旗号对原始偏远的自然文化景观进行无节制开发。因此,可以说,现存生态旅游定义中最大的不足是缺少对旅游企业责任的更多说明。
三、生态旅游概念的界定
通过以上介绍和分析,本文认为,生态旅游绝不仅是对大自然和历史文化的体验,而是通过游人、当地居民、旅游企业及政府主管部门的互动,科学开展对社会负有责任的旅游活动。这不仅要求有一个长远的规划,还要求按环境保护与可持续利用的原则来安排各项工作,并尽量使用当地管理者和社会资源,让居民能够充分参与,从中获得经济收益。组织和策划生态旅游的企业更应该提高专业素质,真正关注游人的生态需求,为其提供自然的、历史的、动植物的、考古的旅行,从而避免对大自然造成干扰破坏。企业如果关心环境问题,树立生态意识,用生态方针来指导经营管理,就一定能促进生态旅游向健康和可持续的方向发展。
关键词:绿色交通运输 循环交通运输 低碳交通运输
交通运输业是国民经济和社会发展的基础性、先导性和服务性行业,是国家发展绿色循环低碳经济的重点领域之一。目前,我国交通运输发展与资源、与环境的负外部性矛盾十分突出,成为交通运输业可持续发展面临的瓶颈之一。为加快推动交通运输业转型发展,全面落实党的十提出全面建成小康社会的宏伟目标和“五位一体”的总体布局,建设“两型”(资源节约型和环境友好型)交通运输业,交通运输部2013年5月22日印发了《加快推进绿色循环低碳交通运输发展指导意见》(简称《指导意见》),之后,交通运输部决定开展“十二五”后期及“十三五”期绿色循环低碳示范项目评选活动。江苏、浙江、广东、河南、上海、南京、无锡等省、市各级政府迅速响应,制定和实施加快推进绿色低碳交通运输发展规划和区域性试点实施方案,绿色循环低碳成为当前交通运输业广为接受的发展理念和行动方向。但是,行业内对绿色循环低碳交通概念还缺乏系统、深入解读,乃至存在诸多认识误区。科学界定和理解绿色循环低碳交通运输概念内涵,对于贯彻落实《指导意见》十分重要,也是其重要前提。
一、概念背景考察
交通运输属于一种经济形态,绿色循环低碳交通运输概念内涵实际包含绿色交通运输、循环交通运输、低碳交通运输等的三个概念内涵,它们对应的经济学理论基础分别是环境经济学、生态经济学和能源经济学。对承载经济社会发展的资源环境的反思,引发解决经济发展方式变革问题成为经济社会可持续发展研究的主旋律,在上面的经济学领域产生了绿色经济、循环经济、低碳经济等新概念,从而也派生出绿色交通运输、循环交通运输、低碳交通运输等概念。这六个概念的实质是一致的,都体现出转变发展方式的要求。对发展理念新的思考最早起源于英国,在1935年,英国生态学家阿瑟・乔治・斯坦利提出生态系统概念。1962年,美国生态学家卡尔逊在他的著作《寂静的春天》揭示出生态系统破坏会给人类社会发展带来巨大的风险。1962年,美国经济学家鲍尔丁提出 “宇宙飞船经济理论”,该理论明确以循环式经济代替过去单程式线性经济理,因此,鲍尔丁被认为是循环经济的最早提倡者。1989年英国经济学家皮尔斯出版《绿色经济蓝皮书》首次提出绿色经济概念。世界上最早提出低碳经济的国家英国2003年2月24日颁布能源白皮书《我们能源的未来:创建低碳经济》。20世纪80年代以来,全球气候变化被国际社会广泛共同关注,1992年合国环境与发展大会通过《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC),1997年UNFCCC的补充条款《联合国气候变化框架公约的京都议定书》得到84国签署 ,到2009年月,发展得到183个国家签署(超过全球排放量的61%)。这些理念、思想、理论与方法传入我国后,国内学者出现大量讨论这些议题的研究文献,绿色、循环、低碳经济的理论探讨和实践探索在宏观、中观、微观等层面展开。属于中观层面的交通运输亦出台一系列政策,如交通运输部相继出台了《公路、水路交通实施〈中华人民共和国节约能源法〉办法》、《公路水路交通节能中长期规划纲要》、《建设节约型交通指导意见》、《公路水路交通节能中长期规划纲要》、《公路水路交通运输节能减排“十二五”规划》等指导性意见或规划。
二、概念的基本内涵
从整个人类与地球的共同利益出发,用科学的、伦理的、注重生态的方式对精神财富和物质财富做出可持续的创造,并进行进一步公平合理的分配。这是国际维基大百科全书对绿色经济的定义。借鉴此意,绿色交通运输就是指出于保护环境和减小能耗的目的,通过各种节能减排等环保手段产生的经济效益、生态效益、社会效益的交通运输运行经济形态,是有利于人类生存环境改善、资源得以有效保护的严重交通运输发展状态。其基本特征可概括为“三低三高”,即低排放、低消耗、低污染、高循环、高碳汇和高效率。
我国《循环经济促进法》中对“循环经济”一词作出如下定义:在生产、流通和消费过程中进行减量化、再利用、资源化活动的总称。由此可推断,循环交通运输是指在资源投入、企业生产、产品和服务消费、废弃物处理的过程中,按照减量化、再利用、资源化原则,获得经济效益、社会效益和环境效益的交通运输运行经济形态。循环交通运输的基本特征是一低两再一高,即低消耗、再循环、再利用和高效益,其根本内涵是交通运输资源的循环再利用,重要的是以最小的资源消耗和环境成本获得最大的交通运输经济和社会效益。
与传统经济体系相比,在生产和消费方面中一个新的经济、技术和社会体系,更能够满足节能减排的需求,并且还能维持保持经济和社会发展的上升趋势。这一关于低碳经济的界定来源于2009年出版的《中国发展低碳经济途径》。由此可见,低碳交通运输是交通运输领域的碳生产力和人文水平综合可持续发展并都达到一种高层次经济状态,其本质在于通过降低二氧化碳等温室排放量又实现高规模高质量的交通运输发展。低碳交通运输概念突出的是要降低碳排放以为应对全球气候变化作贡献,其本质是提高交通运输能源的利用效率、创新建立交通运输清洁能源结构,关键是观念转变、技术、制度的创新。
当前,转变经济发展方式已成为我国经济发展所面临的重大任务和历史责任,大力发展绿色经济、循环经济和低碳经济,变革传统经济发展模式,是转变经济发展方式的重要内容。在此考量下,深入分析绿色经济、循环经济和低碳经济概念的内涵与外延,辨析其异同,对我们坚持以科学发展观为指导,有效地加快经济发展方式转变,具有一定的现实意义。
绿色经济的“绿色”,并非人们感观意义上的颜色,而是一种象征性用语。绿色经济则是指以市场为导向,以传统产业经济为基础,以经济与环境的和谐发展为目的而发展起来的一种新的经济形式,是产业经济为适应人类环境保护与健康需要而产生并表现出来的一种发展状态。在其发展过程中,摒弃了传统经济破坏生态环境过度消耗能源与资源的弊端,代之以维护人类生存环境,合理保护资源与能源和人类健康的平衡发展。这一概念的提出缘于人类对人与自然关系的反思。绿色发展思想产生的标志性事件是1972年罗马俱乐部的研究报告《增长的极限》向人们发出警示:人口和工业的无序增长终会遭遇地球资源耗竭与生态环境破坏的限制。1989年英国环境经济学家戴维·皮尔斯等在其著作《绿色经济的蓝图》中,首次使用了绿色经济一词,并指出绿色经济是以生态、经济协调发展为核心的可持续发展经济,是以维护人类生存环境,合理保护资源、能源以及有益于人体健康为特征的经济发展方式,是一种平衡式经济。之后所产生的诸如绿色生产、绿色消费、绿色分配、绿色技术等概念,也均属于绿色经济的范畴。绿色经济一方面通过科技力量的作用使人们在社会生产、流通、分配、消费等环节中不损害环境和人类的健康,使高科技绿色的产品极大地占有市场,成为经济生活中的主导部分。另一方面,又要在自然资源的承载能力范围内,按照属于人类的生活或生存方式实现人与自然之间的和谐。
循环经济的思想萌芽于上世纪60年代初。这段时期,随着蕾切尔·卡逊的《寂静的春天》的公开出版,在世界较大范围内环保运动开始兴起,引发了一场意义深远的绿色革命。“循环经济”概念最初由美国经济学家k·波尔丁提出,其含义主要是指在经济发展中,遵循生态学规律,将清洁生产、资源综合利用、生态设计和可持续消费融为一体。以资源的低消耗、高利用和循环利用为核心,以“减量化”(在产品生产和服务过程中尽可能减少资源的消耗和废弃物、污染物的生产)。“再利用”(产品多次使用或修复后继续使用,以延长产品的使用周期,防止产品过早的成为垃圾,从而节约各种资源的投入)。“再循环”(使废弃物最大限度地变成资源,化害为利,实现资源的闭合式良性循环)为原则,以尽可能少的资源消耗和尽可能小的环境代价实现最大的经济效益。循环经济思想的产生及其实践的发展摒弃了传统经济
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“资源—产品—废弃物”的单向直线过程,体现了以人为本,可持续发展的本质要求,从根本上缓解了日益尖锐的资源与环境的约束和压力,是促进人与自然和谐发展的必然选择。
低碳经济是一个与气候变化相联系的范畴,由2003年英国的能源白皮书《我们能源的未来:创建低碳经济》首次提出。其概念一般界定为:在可持续发展理念指导下,通过技术创新、制度创新、产业转型和新能源开发等多种手段,尽可能地减少人们生产生活中煤碳、石油等高碳能源消耗,减少温室气体排放,达到经济社会发展与自然生态环境和谐发展的一种经济发展形式。其产生背景是由于在人类活动过程中,大量燃烧煤碳、石油、天然气等石化然料,使大气中co2含是量迅速增加,打破了生物圈中碳循环的平衡,从而产生温室效应,导致全球温度上升,自然灾害频发,威胁人类生存。因此,维持生物圈的碳平衡,抑制全球气候变暖,需要降低生态系统碳循环中的“人为碳通量”,通过减排co2,减少碳源,增加碳汇、改善生态系统的自我调节能力,成为推行低碳经济的必然要求。
通过上述分析,我们可以看出,绿色经济、循环经济、低碳经济都是缘于人类在经历了传统工业发展和生活方式之后的反思,是可持续发展对人类与自然关系的重新认识和总结的结果。可持续发展而提出的新的经济发展模式。它们具有相同的系统观、发展观、生产观、消费观和促进人与自然和谐,实现可持续发展的共同目标。因此,在发展绿色经济、循环经济、低碳经济,在本质上应该具有一致性。但具体到每一个方面,三者又有一些区别,各有侧重点。
绿色经济主要是侧重于对环境损害最小的经济发展,坚持以市场为导向,高效有序地利用资源,使生态环境得到改善。核心目标是实现经济和自然环境的协调和谐发展。
循环经济侧重于整个社会的物质循环,在生产、流通、消费过程中充分做到资源的节约和充分利用,减少资源系统进入物质流。其核心目标是加强物质的循环利用,实现经济社会发展与资源消耗的减量化。
低碳经济主要是针对温室气体的排放,提高单位碳排放的经济产出,保护我们的自然生态条件和气候条件,解决能源安全问题。核心是“能源技术”和减排技术的创新,产业结构和制度创新以及人类生存发展观念的根本性转变。
关键词:低碳城市城市规划城市新区规划思考
Abstract: Rapid urbanization has increased the consumption of resources and the destruction of the urban surroundings, the need to minimize these impacts of urban planning and construction, urban planning theory and practice is increasingly focused on the low-carbon ecological considerationsthe preparation of low-carbon urban planning in urban construction, or the introduction of low-carbon concept has become the trend. In this paper, the urban New District Planning and Construction actual briefly first low carbon city, the concept of low-carbon urban planning, review and summarize the theoretical study and practice of planning and construction of low-carbon cities at home and abroad, and pointed out that the construction of low-carbon cities New Area significant proposed low-carbon cities New Area planning should be concerned about urban form, land use, industrial development, energy use, transportation, urban construction, and the positioning of the new district plan for low-carbon city, theoretical studies based on low-carbon cities New Area the evaluation index system, and the implementation of low carbon planning of new urban areas were discussed, in order to explore the sustainable development of low-carbon cities New construction mode.Keywords: low-carbon city urban planning of new urban areas planning thinking
中图分类号:TU984文献标识码A 文章编号:
气候变化是目前人类面临最具挑战的环境问题,也是当今影响最为深远的全球性问题。为有效应对全球气候变化减少二氧化碳等温室气体的排放,低碳经济、低碳城市的研究和实践逐渐成为当今世界的热门话题。城市是碳减排的关键,而城市规划作为建设城市和管理城市的基本依据,是城市实现低碳发展最重要的第一步,必然担负着建设低碳城市的重要角色。城市新区将是未来城市建设中变化最快、最活跃的地区,在城市和区域发展过程中将发挥巨大的作用。在新区规划中落实低碳城市建设理念,确定低碳规划定位、内涵,并予以实施对新区的发展建设具有重要意义。
一、低碳城市、低碳城市规划概念
(一)低碳城市概念
“低碳”一词首先出现在英国2003年《我们未来的能源——创建低碳经济》白皮书中的“低碳经济”概念中。低碳经济的核心思想是以更少的能源消耗获得更多的经济产出。城市作为碳减排的关键,低碳城市的概念也应运而生,但对于低碳城市目前国际上尚无统一界定的内涵,一般认为:低碳城市是以城市空间为载体发展低碳经济,实施绿色交通和建筑,转变居民消费观念,创新低碳技术,从而达到最大限度地减少温室气体的排放。
(二)低碳城市规划概念
低碳城市规划是从不同城市形态、城市发展模式、不同建筑群体构成出发,以低碳城市为发展目标,合理布局城市用地和综合安排城市各项工程建设。低碳城市规划是建设低碳城市的关键技术之一。通过建立低碳城市规划理论体系和方法,以多元的标准衡量城市规划与建设,通过低碳城市规划寻求城市发展的低碳化方向,探索可持续的低碳城市发展模式。
低碳城市规划主要内容可归纳为三类。一是宏观层面的低碳规划,其重点是解决城市及区域经济、社会、空间等方面低碳发展模式;二是中观层面的低碳规划,重点研究“承上启下”低碳城市建设方面的内容;三是微观层面的低碳规划,重点研究解决城市发展中具体的低碳规划问题。
(三)低碳城市与生态城市
低碳城市和生态城市是当前各界关注的热点,二者的建设理念和核心内涵密切相关,但需要理清低碳城市与生态城市之间的关系。首先,低碳城市与生态城市在核心思想上是一致的,都是关注生态环境方面的问题。但同时两者之间存在着不同,生态城市关注自然环境、人居环境等多个方面,而低碳则主要关注全球气候变化。因此,相对来说生态城市内容更宽泛、更综合,而低碳城市则侧重强调减少碳排放,提高碳汇。从某种程度上来说低碳城市是生态城市的一个子集。因此,有专家学者提出低碳生态城市的概念,将低碳作为生态城市的重要概念之一来进行阐述。
(四)低碳城市的研究与实践
关键词:城市水环境水资源承载能力研究框架
本文将从水资源承载能力的概念谈到内涵,揭示“水资源承载能力”的真正含义,讨论水资源承载能力和水环境承载能力的概念;从影响水资源承载能力大小的主要因素分析来探讨水资源承载能力量化研究的框架;并针对水资源承载能力计算提出几个关键问题。
1城市水环境与水资源承载能力概念
1.1水资源承载能力的概念及内涵
水资源承载能力(carryingcapacityofwaterresources–ccwr,又可翻译成supportingcapacityofwaterresources–scwr)的概念,最早源自于《生态学》中的“承载能力”(carryingcapacity)一词,是自然资源承载能力的一部分。其研究的主体是资源与环境系统,客体是人类或更广泛的生物群体。而“承载能力”的概念最早可以追溯到马尔萨斯(malthus)“人口理论”中关于“有限粮食对人口增长的支撑能力”的论述(seidlandtisdell,1999)。20世纪90年代早期,有的学者提出了水资源承载能力的概念并被应用于干旱半干旱地区和城市区(施雅凤等,1992;李令跃,2000;guo等,2001;左其亭、陈曦,2003)。近年来,我国不少学者对水资源承载能力的概念及计算方法进行了深入探讨。关于水资源承载能力的定义,人们从不同研究角度给出了不同的定义,这里列举几个代表性的定义:
(1)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(施雅凤等,1992);
(2)在某一历史发展阶段的技术、经济和社会发展水平条件下,水资源对该地区社会经济发展的最大支撑能力(刘燕华,2000);
(3)某一历史发展阶段,以可预见的技术、经济和社会发展水平为依据,以可持续发展为原则,以维护生态良性循环发展为条件,在水资源得到合理开发利用下,该地区人口增长与经济发展的最大容量(李令跃,2000);
(4)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(何希吾,2000);
(5)一定的区域内,在一定的生活水平和生态环境质量下,天然水资源的可供水量能够支持人口、环境与经济协调发展的能力或限度(冯尚友,2000);
(6)水资源承载能力,指的是在一定流域或区域内,其自身的水资源能够持续支撑经济社会发展规模,并维系良好的生态系统的能力(汪恕诚,2001);
(7)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(惠泱河等,2001);
(8)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有限发展目标的最大的社会-经济规模(夏军,2002)。
关于水资源承载能力的定义还可以列举很多。尽管在表述上各有不同,但其表现的基本观点和思路并无本质差异,都强调了“水资源支撑能力”的含义。从水资源承载能力的含义来分析,至少具有如下几点内涵(左其亭、陈曦,2003):
(1)在“水资源承载能力”概念中,主体是水资源,客体是人类及其生存的社会经济系统和环境系统,或更广泛的生物群体及其生存需求。“水资源承载能力”就是要满足客体对主体的需求或压力,也就是水资源对社会经济发展的支撑规模;
(2)“水资源承载能力”具有空间属性。它是针对某一区域来说的,因为不同区域的水资源量、水资源可利用量、需水量以及社会发展水平、经济结构与条件、生态与环境问题等方面可能不同,水资源承载能力也可能不同。因此,在水资源承载能力定义或计算时,首先要圈定研究区范围。
(3)“水资源承载能力”具有时间属性。在众多定义中均强调了“在某一阶段”,这是因为在不同时段内,社会发展水平、科技水平、水资源利用率、污水处理率、用水定额以及人均对水资源的需求量等均有可能不同。因此,在水资源承载能力定义或计算时,也要指明研究时段,并注意不同阶段的水资源承载能力可能有所变化。
(4)“水资源承载能力”对社会经济发展的支撑标准应该是以“可承载”为准则。在“水资源承载能力”的概念和计算中,必须要回答:水资源对社会经济发展支撑到什么标准时才算是最大限度的支撑。也只有在定义了这个标准后,才能进一步计算水资源承载能力。一般,可以把“维系生态系统良性循环”作为水资源承载能力的基本准则。
(5)必须承认水资源系统与社会经济系统、生态系统之间是相互依赖、相互影响的复杂关系。不能孤立地计算水资源系统对某一方面的支撑作用,而是要把水资源系统与社会经济系统、生态系统联合起来进行研究,在社会经济—水资源—生态复合大系统中,寻求满足水资源可承载条件的最大发展规模,才是水资源承载能力。
(6)“满足水资源承载能力”仅仅是可持续发展量化研究“可承载”准则的一部分(“可承载”准则包括资源可承载、环境可承载。资源可承载又包括水资源可承载、土地资源可承载等),它还必须配合其它准则(有效益、可持续),才能保证区域可持续发展。因此,在研究水资源可持续利用合理配置时,应以“水资源承载能力”为基础,以可持续发展为准则(包括可承载、有效益、可持续),建立水资源优化配置模型。
根据以上分析,本书作者曾把“水资源承载能力”简单定义为:“一定区域、一定时段,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”(左其亭、陈曦,2003),可以概括为图1.1的概念图。
图1.1可以形象地表达出水资源承载能力的概念,简单解释如下:
水资源系统与生态系统相互支撑、共同作用,来共同支撑社会经济系统。
社会经济系统对水资源系统可以进行开发利用和保护,对生态系统一方面可以进行保护,一方面又有可能进行破坏。因此,社会经济系统与水资源系统和生态系统之间又是相互制约的关系。如果支撑的社会经济规模太大,水资源系统和生态系统就难以支撑,难以确保水资源的可持续利用和生态系统的良性循环。
在一定条件下,如果生态系统达到良性循环的极限,这时其对应的社会经济最大规模就称为是“承载能力”。因此,水资源承载能力是在“社会经济—水资源—生态复合大系统”有机运转下,达到“生态系统良性循环”目标时的“最大社会经济发展规模”。
在特定的城市区,所确定的水资源承载能力就是城市水资源承载能力。因此,可以仿照水资源承载能力的定义,把“城市水资源承载能力”简单定义为:“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”。与一般流域或区域相比,城市区人类活动强烈,人口、工业、商业集中,本地水资源一般满足不了城市用水需要,污水排放集中且量大,水资源承载能力计算一般比较复杂。另外,一般城市区不是一个完整的流域,在计算城市水资源承载能力时,要满足流域(或更大区域)尺度上的水资源承载能力要求(或水资源可持续利用要求)。也就是说,城市水资源承载能力计算一般是基于一定水资源边界条件下进行的。
1.2水资源承载能力的影响因素
从以上关于水资源承载能力的内涵分析可以引申出影响水资源承载能力大小的主要因素,大致可以分为三大类:
第一类:水资源系统本身特性
水资源系统是水资源承载能力的主体,水资源系统的可利用水资源量大小是其承载能力的内因。也就是说,水资源承载能力大小首先是由水资源系统所能提供的水资源量决定的。在城市区,一般本地水资源满足不了用水的需求,需要考虑流域(或更大区域)一定的水资源条件。
第二类:人类活动能力及意识形态
人类是水资源承载能力的客体,在很大程度上影响着水资源承载能力。(1)水资源利用率。这是决定单位水资源量能够养活多少人口或带来多大经济效益的重要指标,是水资源承载能力计算的关键指标。(2)科技进步通过提高水资源利用率、重复利用率、污水处理率等提高水资源承载能力。科学技术能促进经济增长,提高资源利用效率,降低污染处理成本,改善人类生存环境。随着科技的进步,原来不能治理的污染现在可以治理了,原来需要花费很大代价才能治理的污染现在需要花费较小的代价。这些变化都有可能促进水资源承载能力的提高。(3)本区域发展战略。它反映一个国家或地区的发展规划或发展模式,对水资源的分配和利用有重要影响,从而影响到水资源承载能力。(4)管理体制和法制。它反映了人们用水、治水、保护水资源的基本思路。有些管理体制或法制对水资源的利用和保护有积极作用,有些甚至有消极作用。这在很大程度上影响着水资源承载能力。
第三类:定义“是否可承载”的目标差异
这是关系到水资源承载能力计算的一个关键问题,也就是,要人为确定“达到什么样的标准时的最大承受能力才是水资源的承载能力”。前文在定义“水资源承载能力”概念时,是以“维系生态系统良性循环”为判断目标。另外,也可以制定一些判断目标,计算得到人为干预下的水资源承载能力。肯定会因为确定的目标差异而导致计算结果的不一致。
1.3水环境承载能力的概念及内涵
前文对水资源承载能力的概念进行过简单介绍和探讨。从对水资源承载能力的定义和解释中可以看出,水资源承载能力特别强调“生态系统良性循环”这个目标。针对水环境来说,水体到底能容纳多大的污水及污染物,这是水环境承载能力计算问题。在城市区,生态与环境状况在很大程度上取决于城市区所具有的水资源数量和水资源质量。因此,可以说,水环境承载能力是城市水资源承载能力表现的重要方面和前提条件。
关于水环境承载能力的概念及与水资源承载能力的关系,汪恕诚(2001)曾论述为“水资源承载能力讲的是用水即取水这一面。你用了水之后,产生了污水,污水又排放到一定的水域里去,这个水域能够承载多少污水和污染物的排放呢?因此,水环境承载能力指的是在一定的水域,其水体能够被继续使用并仍保持良好生态系统时,所能够容纳污水及污染物的最大能力。”
如果不去过多地“抠字眼”的话,水环境承载能力也就是我们通常所说的“水环境容量”或者说是“水环境(水体)纳污能力”、“水环境容许污染负荷量”等等,都是一个概念,一个意思(崔树彬,2002)。实际上,两者也有细微差别,水环境承载能力强调以“保持生态系统良性循环”为目标。但是,为了在实际应用中便于操作和显示污水处理厂的作用,针对城市水环境问题,本书作者建议采用“水体容许城市污水最大排放量”作为水环境承载能力指标。这种定义就与“水环境容量”、“水环境(水体)纳污能力”、“水环境容许污染负荷量”等概念有很大区别。它不仅取决于水体纳污能力,还与该城市污水处理能力有关。也就是说,本书定义的水环境承载能力不仅是与水体本身的纳污能力有关的问题,还是一个与人类活动有关的问题;是在人与自然共同作用下,水体所能容纳的最大城市污水排放量。这种定义的优点是,可以很清楚地区分出一定条件下城市最大可以排放的污水量。这种定义的缺点是,还不能表达水体纳污能力,并且计算的承载能力与污水处理能力有关,这在不同年代可能是一个变值。为了克服这种缺点,在应用时同时采用“水环境纳污能力”和“水环境承载能力”,来分别表示“水体所能容纳的最大污水量”和“水体所能容纳的最大城市污水排放量”。
根据本书定义的水环境承载能力概念,可以把城市水环境承载能力计算思路形象地表达为图1.2的形式。
简单解释如下:
城市生活、生产、生态需要从水体中引水,同时又排放出大量的污水。在排放的污水中,一部分被污水处理厂处理后再排入水体,一部分直接排入水体。如果排入水体的污水量过大,就难以确保水体水质能被控制在某一可接受的范围内,也就难以确保生态系统良性循环。
在一定条件下,如果生态系统达到良性循环的极限,这时其对应的水体最大可以接纳的城市污水排放总量,就称为“水环境承载能力”。简言之,水环境承载能力是指“水体维持生态系统良性循环所能承受的城市污水最大排放量”。
水环境承载能力控制目标强调的是生态系统的良性循环。现在的问题是,什么样的状态才算是生态系统良性循环?用哪些指标来表征?
考虑城市水资源系统和范围更大的区域水资源系统生态良性循环,一般应该在以下几方面加以控制:一是,城市污水或污染物排放总量不得超出一定限度(即,总量控制);二是,一定区域水体的水质不得超出水体本身水功能区的水质标准(即,浓度控制);三是,城市相关河流的径流量不得小于河流最小基流量(即,满足生态用水)。如果把这三方面的控制范围作为生态系统良性循环的判别目标,在这种目标下得到的最大允许城市污水排放量就是水环境承载能力。其基本思路是,以控制目标为约束,以水量水质模型为基础,反推水环境承载能力,称此方法为“基于模拟和优化的控制目标反推模型”方法(asimulation-andoptimization-basedcontrolobjectinversionmodel),简称coim模型。关于水环境承载能力的计算模型及方法详见《城市水资源承载能力——理论.方法.应用》(化学工业出版社,2005)。
2城市水资源承载能力量化研究框架及关键问题
2.1量化研究框架
基本思路:紧扣水资源承载能力概念,以“水资源系统、社会经济系统、生态系统相互制约(模拟)模型”为基础模型,以“维系生态系统良性循环”为控制约束,以“支撑最大社会经济规模”为优化目标,建立最优化模型。通过最优化模型求解(或控制目标反推)得到的“最大社会经济规模”就是水资源承载能力。我们称此方法为“基于模拟和优化的控制目标反推模型”方法(asimulation-andoptimization-basedcontrolobjectinversionmodel),简称coim模型方法。
水资源承载能力计算框架简单表述如图2.1,表达了水资源承载能力量化研究“coim模型方法”的基本思路。
coim模型方法是把城市最大社会经济规模(即,这里代表水资源承载能力)作为目标函数,把水资源循环转化关系方程、污染物循环转化关系方程、社会经济系统内部相互制约方程、水资源承载程度指标约束方程以及生态与环境控制目标约束方程联合作为约束条件,建立起一个优化模型。通过该优化模型的求解,得到的目标函数值就是水资源承载能力。
在coim模型中,水资源系统、社会经济系统、生态系统本身的复杂性和相互制约关系得到了体现,并且水资源承载能力概念所要求的“生态系统良性循环”也被作为一个约束条件包括在模型中。水资源承载能力的计算结果既可以采用优化模型求解来得到,也可以采用控制目标反推得到。
2.2关键问题
针对上文介绍的coim模型方法,主要有以下几方面的关键问题:
(1)目标函数选择问题
图2.1是水资源承载能力计算的一个框架图。如果水资源被开发利用后,能确保水环境及生态系统可承载,那么,这时的水资源系统处于可承载范围之内。根据这一最大范围就可以确定水资源系统能够支撑社会经济发展的最大规模,这就是水资源承载能力。
在此模型中,用最大的社会经济规模来表达水资源承载能力。所以,一般“水资源承载能力”不只是一个数值,而是由表征社会经济规模的一组数值组成的集合,如人口数、工业产值、农业产值、城市面积等。可以把“水资源承载能力”的集合表达为:
f={f1,f2,∧,fn}(2.1)
上式中,f为水资源承载能力;f1,f2,…,fn分别为社会经济规模的表征指标。为了叙述方便起见,下面只选择人口数、工业产值、农业产值三个指标来进行讨论。
从水资源承载能力的概念可以引申出:假如工业、农业及其它行业发展规模和用水量一定,可以通过人均用水定额来计算城市水资源最大供养的人口数,即得到“水资源人口承载能力”;再假如生活用水一定,可以通过万元产值耗水量来计算最大的经济发展规模,即得到“水资源经济承载能力”。实际上,在一定条件下计算水资源人口承载能力和水资源经济承载能力都是比较理想化的。因为它们都是假设在其它条件不变的情况下得到的结果。实际上,人口、社会、经济是一个十分复杂、相互联系、相互制约的大系统,应该把它们纳入一个大系统中来研究。
因此,针对coim模型来说,首先遇到一个问题就是“目标函数选择问题”。到底是选择一个指标还是多个指标?一方面,它决定着模型的性质和求解方法的选择。如果是单指标,所建的模型是单目标优化模型,如果是多指标,所建的模型就是多目标优化模型;另一方面,它还影响到模型约束方程的选择。假如选择的是单目标(如人口),还要考虑其它表征社会经济规模的指标(如工业产值、农业产值)与已选择的目标(如人口)之间的量化关系,需要把这个量化关系方程作为模型的一个约束条件放到模型中;再一方面,目标函数的选择也反映了水资源承载能力关注社会经济系统侧重面的选择。一般,人们在分析计算水资源承载能力时经常用到“人口总数”指标,所以,在coim模型中,常常选择“人口总数”最大作为目标函数。在这种情况下,需要建立“人口总数”与“工业产值”、“农业产值(或耕地面积)”等指标之间的量化制约方程。可以简单理解为,在一定条件下,如果人口数要增加,其所需的经济收入和粮食产量也应该随之增加,它们之间的比例关系可以用一个区间数来表达。并把这个量化制约方程作为模型的一个约束条件。通过这个方程,模型不仅考虑了“人口总数”单个目标值,也同时考虑了其它表征社会经济规模指标的变化。这样一来,在计算结果中,表达社会经济规模的指标也同样可以写出多个。
(2)基础模型问题
在上文介绍的coim模型中,需要建立表征社会经济系统、水资源系统、生态系统变化及相互制约关系的量化模型,作为模型的约束方程,用于表达“社会经济—水资源—生态”耦合系统互动关系。由于耦合系统的复杂性,量化建立这样的基础模型十分不易。因此,建立coim模型,必定会遇到基础模型问题。关于这一部分详细内容可参见有关文献。
为了表征水资源量之间的变化,需要建立水资源循环转化关系方程。包括大气降水量、蒸发量、地表水资源量、地下水资源量、各业引用水量、排放水量、跨区域调水量、流入本区水量、流出本区水量等等,建立各变量之间的量化关系和量化方程。用这些方程把水资源循环过程定量化地联系起来,从理论上满足水量平衡要求。
为了表征水中污染物运移转化关系,定量计算水体污染物浓度和排放污染物总量,需要建立污染物循环转化关系方程。包括各业污水排放量、污水处理量、污染物自净消耗量、来水污染物总量、出流污染物总量、地表水体污染物总量、地下水体污染物总量等等,建立各变量之间的量化关系和量化方程。用这些方程把水中污染物循环过程定量化联系起来,同时能定量计算某特定水体的污染物浓度和城市排放污染物总量,为“生态系统良性循环”判别约束方程提供计算基础。
社会经济系统是水资源系统承载的对象,其众多指标也是相互制约的,它们组成一个完整的巨系统。这个系统本身也是相互制约的,因此需要建立社会经济系统内部相互制约方程,以表达社会经济系统发展的整体趋势和相互制约关系。特别是当目标函数为单目标时,建立这种关系方程更为重要。另外,研究规划水平年的水资源承载能力,不仅要弄清楚水资源系统的变化,而且要结合社会经济系统的发展变化,需要站在变化了的自然和社会来分析未来的发展趋势。因此,水资源承载能力量化研究的另一个基础模型是对社会经济系统的模拟。
为了约束水资源利用量不能超出水资源可利用量,选用水资源承载程度指标约束方程,即用“水资源承载程度指标”来表达水资源对社会经济发展已经承受压力的程度,并要求≤1,以确保水资源的开发利用不会超出水资源可利用程度。
水资源承载能力控制目标强调的是生态系统的良性循环,但什么样的状态才算是生态系统良性循环?这就需要在模型方程中具体列出生态与环境控制目标约束方程,以表达生态系统的极限条件。
另外,考虑到水资源承载能力是建立在社会经济—水资源—生态复杂大系统之上,所以需要建立“社会经济—水资源—生态耦合系统互动关系量化模型”,以有机地表达这个耦合系统的运转关系。首先,把水量变化、水质变化与生态系统变化有机地结合起来,建立水量—水质—生态耦合系统模型。实际上,该模型是一个以反映水量循环为主的水量模型、以反映水质变化为主的水质模型、以反映生态系统状态和演变的生态系统模型以及三模型的耦合模型(左其亭等,2002)。其次,再把“水量—水质—生态耦合系统模型”与“社会经济系统模型”耦合起来,作为系统的结构关系模型,嵌入到优化模型中,参与优化模型的计算,也可以通过二模型的中间关系变量直接建立耦合系统的动力学模型(左其亭等,2001)。
(3)“是否可承载”的标准选择问题
这也是关系到水资源承载能力计算的一个关键问题。本书在定义“水资源承载能力”概念时,是以“维系生态系统良性循环”为判断目标。在实际操作时,用生态与环境控制目标约束方程来判断。但是,在该约束方程中,如何确定“是否可承载”的标准是问题的关键。上文已经介绍了应该控制的三个方面:一是,城市污水或污染物排放总量不得超出一定限度(即,总量控制);二是,一定区域水体的水质不得超出水体本身水功能区的水质标准(即,浓度控制);三是,城市相关河流的径流量不得小于河流最小基流量(即,满足生态用水)。如何定量确定控制目标方程是问题的难点。
(4)指标选择问题
关键词:水安全 水资源承载力
1.前言
安全是危害或灾害的反义词,它与危害(或灾害)的风险紧密联系。危害(或灾害)的风险愈小,安全度就愈高,反之亦然。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。例如,水多了(发生洪水灾害,导致人的财产损失,人口死亡问题)、水少了(发生干旱、水资源短缺以及引起的生态环境退化、人类生存环境损失)和水脏了(水污染导致的病害健康问题、人口死亡问题)。
中国是降水时空分配非常不均匀、“水“的问题十分突出的发展中国家。水多了(洪涝灾害)、水少了(干旱、水资源短缺)和水脏了(水污染问题)业已成为制约中国可持续发展最为重要的限制因子,其紧急程度已经危及人类基本环境和生存问题和国家发展利益的安全问题。
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[1]。水资源安全通常指水的供需矛盾产生对社会经济发展、人类生存环境的危害问题。20世纪末,不满足可持续水资源利用的模式和环境问题导致严重的水资源安全问题,业已引起国际各国政府的高度重视。2000年3月,在荷兰海牙(Hague)召开了“第二届世界水论坛及部长级会议”。会议主题是:水的安全:从洞察到行动,全世界140多个国家首脑或部长,3000名科学家出席会议。21世纪水安全面临7个主要挑战[23]:
(1)满足基本需求(meeting basic needs)
(2)保护生态(protecting ecosystems)
(3)食品安全(securing the food supply)
(4)水资源共享(sharing water resources)
(5)处理灾害(dealing with hazards)
(6)水的价值(valuing water)
(7)科学管水(governing water wisely)
因此,水资源安全已经成为水资源研究的国家前沿热点,受到世界范围的注目。
水资源安全问题研究主要有: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。从学术研究,水资源安全的度量最为关键。核心问题是:回答如何量度水资源安全程度和如何保证水资源安全?我们的观点是:水资源承载力是水资源安全的基本度量。因此,研究水资源承载力对于认识和建设水资源安全保障体系尤为重要。
“承载力” 一词,亦称 “承载能力”(Carrying Capacity),起源于生态学,用以衡量特定区域在某一环境条件下可维持某一物种个体的最大数量[1]。随着人类社会经济发展,全球资源环境问题日趋严重,人们逐渐认识到自然资源是支持地球上生命系统和人类生存发展的物质基础,其量和质是有限的,它们满足人类现在与未来发展需要的能力也是有限的。关于生态承载力的一个较早的概念,是由世界自然保护同盟(IUCN)联合国环境规划署(UNEP)及世界野生生物基金会WWF在其出版的《保护地球》一书中提出的。他们把承载能力定义为一个生态系统所能支持的健康有机体即在维持它的生产力、适应能力和再生能力的容量。后了“承载力”概念得到延伸发展,比较多地用于说明生态系统、环境系统、资源系统承受发展和特定活动能力的限度。因此,生态承载力、环境承载力、资源承载力等诸多概念也相继出现。
1974年,Bishop在《环境管理中的承载力》一书中指出“环境承载力表明在维持一个可以接受的生活水平的前提下,一个区域所能永久地承载的人类活动的强烈程度”[2];高吉喜(2000)在其关于生态承载力的研究别指出:环境承载力是指在一定生活水平和环境质量要求下,在不超出生态系统弹性限度条件下环境子系统所能承纳的污染物数量以及可支撑的经济规模与相应人口数量[3]。此外,一些学者还从经济、社会、环境、发展等方面对全球承载力进行了探讨(Cohen,J.E.,1995;Sagoff,M,1995;Daly,H.E.,1995,1996)[4][5][6]。然而无论是生态承载力、环境承载力抑或全球(区域)承载力都是一个比较泛化的概念,如何描述和量化,实施和操作性不强,目前的研究还不深入。事实上,在对作为生态环境组成要素的各项自然资源的承载力问题还没有完全解决的时候,是无法对生态环境承载力做更深入的研究的。
相比之下,当前对资源承载力的研究则获得了更多学者的关注。对自然资源承载力的研究主要集中于土地、水和关键矿产资源方面。1949年美国的Allan将土地资源承载力定义为:“在维持一定水平并不引起土地退化的前提下,一个区域能永久地供养人口数量及人类活动水平”。50-70 年代,国外许多学者探讨了土地承载力的计算依据为:在确保不会对土地资源造成不可逆的负面影响的前提下,土地的生产潜力能容纳的最大人口数量。同时,对承载力的研究从静态转向动态,Millington等应用多目标决策分析方法,以各种资源(土地、水、气候、能源等)对人口数量的限制,计算了澳大利亚的土地资源承载力。1986年我国也开始了题为“中国土地资源生产力及人口承载量”的研究,研究者认为土地资源承载力通常是指:一个区域在一定的农业技术条件下,土地用于食物生产所能供养的人口数量;或在一定生产条件下,土地资源生产力所能承载一定生活水平下的人口限度。由此,关于土地和水资源承载力的研究在中国全面展开[7]。
承载力概念的演化与发展是对发展中出现问题的反应与变化结果。在不同的发展阶段,产生了不同的承载力概念和相应的承载力理论。如针对环境问题,人们提出了环境承载力的概念与理论,针对土地资源短缺问题,人们提出了土地资源承载力的概念与理论。而“水资源承载力”一词,则是随着水问题的日益突出由我国学者在80年代末提出来的。水资源承载力是一个国家或地区持续发展过程中各种自然资源承载力的重要组成部分,且往往是水资源紧短和贫水地区支持人口与发展的“瓶颈”,它对一个国家或地区综合发展和发展规模有至关重要的影响。进入90年代以来,在地区和国家社会经济发展中坚持走可持续发展道路已是普遍的共识,而水资源短缺与“水资源安全”问题也已成为影响可持续发展的重要制约因素,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并成为当前水资源科学中的一个重点和热点研究问题。
转贴于 2. 水资源承载力的定义
水资源承载力最早是源自生态学中的“承载能力”(Carrying Capacity)一词,是自然资源承载力的一部分。近年来,我国不少学者在资源承载力、环境承载力等概念的基础上对水资源承载力的定义进行了更深入的探讨,兹选取几个有代表性的例子列举如下:
(1)在某一历史发展阶段的技术、经济和社会发展水平条件下,水资源对该地区社会经济发展的最大支撑能力[8]。(刘燕华,1999)
(2)某一历史发展阶段,以可预见的技术、经济和社会发展水平为依据,以可持续发展为原则,以维护生态良性循环发展为条件,在水资源得到合理开发利用下,该地区人口增长与经济发展的最大容量[9]。(李令跃,2000)
(3)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[10](何希吾,2000)。
(4)一定的区域内,在一定的生活水平和生态环境质量下,天然水资源的可供水量能够支持人口、环境与经济协调发展的能力或限度[2]。(冯尚友,2000)
(5)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。(惠泱河,2001)
总之,尽管已有的水资源承载力定义在表述上各有不同,但其思路并无本质上的差异,都强调了支撑能力的概念。但是,对水资源 “承载力” 本身的内涵,表达比较宏观。
结合中国科学院知识创新工程有关项目初步研究,作者的观点是: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(如GDP)等指标体系表达。
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的多少可利用水资源量的“支撑能力”方面加以量度。一种概化的水循环与水资源供需关系如图1所示意。
图1 量化水资源承载力的系统关系示意
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/区域的可再生利用的水资源量究竟能够支撑多大规模的社会经济系统发展?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?
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,要遵循下列的事实:
·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。因为一个流域和区域的水资源承载能力大小,直接与该流域和区域的可利用水资源量与质有本质的联系。而区域可利用水资源量又决定于在不但变化的自然环境(包括全球气候变化)和人类活动影响下水文循环规律及其控制的水资源形成规律。
·需要把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。生态系统需水是水资源承载力必须要考虑的重要、方面。
·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,还取决与社会经济持续发展的有限目标。社会经济发展的要求目标不同,相应的承载能力也不一样。
因此,水资源承载能力的大小是随水资源开发阶段、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。
3.水资源承载力的度量与计算方法
由图1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:
(1)水资源总量(W): 它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(WL)。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(WT)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
W= WL + WT
(2)生态需水量(We):生态系统是流域水循环和流域环境系统的基本部分,满足一定环境要求的最小生态需水量(We)首先应该加以估算。它们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)构成。
(3)可利用水资源量(WS):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,维系生态环境最小的需水量需要扣除,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:
WS = aWL + WT – We
式中:a为反映工程技术措施的开发利用系数。
(4)水资源需求总量(WD): 流域社会经济发展规模水平可以表达为人口数量(P),国民生产总值(GDP)或净福利(H)等指标。因此,它们对水资源需求包括:人口需水(Wp),工业需水 (WI),农业需水(WA) ,环境和其它需水(WM)等。因此,社会经济发展对水资源需求总量(WD)可表达为:
WD = Wp + WI + WA + WM
(5)流域水资源承载力的平衡指数(IWSD):为了描述水资源的承载力,首先需要定义流域水资源承载力的供需平衡指数(IWSD)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,即,有,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。流域水资源对应的人口及经济规模是不可承载。但是,通过调水增加WS和通过节水减少 WD可提高IWSD。 反过来,当流域可供水量大于等于流域社会经济系统的需水量,即,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,供需为良好状态。
(6)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GDP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 IWSD > 0 可行域退化到IWSD=0,即系统供需平衡达临界状态的水资源WS=WD所对应的流域人口数(P)和社会经济规模(GDP)等等指标参数。记水资源供需平衡达到临界状态的可供水资源量为, 进一步,可以定义水资源承载力的各个分量,即:
意义是:λ1表明维系现状/目标水平的人口规模所需要最少水资源量WS;λ2维系现状/目标水平的经济规模所需要的最少水资源量WS。
流域的综合水资源承载力(F) 是其分量的集成, 例如,
λ = 人均GDP / WS = (GDP/p )/Ws
(7)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W0为亿m3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i个水资源承载力分量。例如,F1的单位量纲是每亿m3的人口数目,说明该流域每亿m3可利用水资源量能够承载的最大人口数。同理,F2的单位量纲是每亿m3的GDP,它说明该流域每亿m3可供水资源量能够承载的经济发展最大规模的GDP。
同理, 流域的综合水资源承载力(F)是其分量的集成。例如:
F= 人均GDP /亿m3 = (GDP/p )/W0
4.西北干旱区水资源承载力综合研究的关键问题
广义上的西北地区包括新疆、青海、甘肃、宁夏、陕西和内蒙古的西北部,总土地面积为374万km2,占全国的39%,总人口约1亿,占全国的8%。涉及西北内陆河流域(包括新疆的部分外流河流域)、黄河流域、长江流域和澜沧江流域。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。下面重点讨论水循环模拟,生态需水和指标体系问题。
(1)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,人类活动经济开发和影响剧烈地区的水循环与水资源安全研究,是21世纪资源环境学科领域一个十分重要的方向性问题。
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(IGBP)代表国际地球学科发展前沿,水文循环的生物圈方面 (Biosphere Aspects of Hydrological Cycle,简称BAHC)是IGBP的核心之一。它注重陆面生态-水文过程与空间格局的变化规律和受人类活动影响的关键问题。进入90年代末,变化环境(即全球变化与人类活动影响)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当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)1959年以来的实测流量资料进行了分析比较。根据1959-1998年实测资料统计,黑河莺落峡多年平均流量49.83m3/s,相当于年径流量15.71×108m3,正义峡多年平均流量31.05 m3/s,相当于径流量9.80×108m3,莺落峡流量高于正义峡流量18.78 m3/s,相当于区间多年平均每年损耗水量5.92×108m3。
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2),两站水量年均差值越来越大(图3)。
图2 黑河莺落峡及正义峡历年径流量变化图
图3 莺落峡-正义峡年均流量差值图
造成下游水资源量减少的原因: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载力模型的重要基础。
(2)生态需水研究
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。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。这也是中国工程院咨询项目“西北地区水资源合理配置、生态环境建设和可持续发展问题”中第2课题中的关键问题之一。
20世纪90年代后,随着国际地圈生物圈计划(IGBP)等大的科学计划推动,如水文循环的生物圈方面(BAHC)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”等,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。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9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。目前,与生态需水有关的概念和定义有多个方面,如“生态需水”、“生态用水”、“生态环境耗水”等。不同人从不同角度看问题有不同的理解与解释。总之,生态环境与水文水资源以及人类生存环境的交叉研究,面临许多挑战,也存在不同的学术观点与看法。
由于目前对“生态需(用)水量”一词,还没有确切的或者得到公认的定义,因此在对它的理解与计算上还存在这样那样的问题。总的来看,多数认为: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: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。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。
·河道外的流域上的生态需水的计算
根据补给来源,生态需水首先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进一步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腾发量ET。其水分来源有两部分:直接利用的有效降水,以及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,如图1所示意。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、过度区、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。二级计算单元内在以土地利用单元作为三级计算分区, 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。国家“85”科技攻关项目中的一种基于水循环概念的流域生态需水计算框图如图6所示意(细节略)。
·河道内的生态需水的计算
河道内的生态需水的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)下确定上述多个的最小流量组合的阈值(具体方法讨论略)。
(3)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?目前,借鉴土地资源承载力的概念,采用在水资源可供给量所能维持生产的粮食产量的基础上计算水资源承载力的方法显然将问题过于简化了[10]。
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[14]。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[15]。
本文建议,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体系,如水资源承载力的平衡指数(IWSD)等。运用本文提出的量化方法,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。
4.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:
(1)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”多学科基础问题和可持续发展问题。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。
(2)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。GIS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[17]。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GIS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。
(3)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,如何加强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是21世纪地理科学新的挑战。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-水资源承载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。