起源
水資源承載能力，是天然水資源的可供水量能夠支持人口、環境與經濟協調發展的能力或限度，是一個國家或地區持續發展的一種基礎性保障或支撐能力。水資源承載能力（CarryingCapacityofWaterResources–CCWR，又可翻譯成SupportingCapacityofWaterResources–SCWR）的概念，最早源自於《生態學》中的“承載能力”（CarryingCapacity）一詞，是自然資源承載能力的一部分。其研究的主體是資源與環境系統，客體是人類或更廣泛的生物群體。而“承載能力”的概念最早可以追溯到馬爾薩斯人口理論中關於“有限糧食對人口增長的支撐能力”的論述（SeidlandTisdell,1999）。20世紀90年代早期，有的學者提出了水資源承載能力的概念並被套用於乾旱半乾旱地區和城市區。中國不少學者對水資源承載能力的概念及計算方法進行了深入探討。
釋義
關於水資源承載能力的定義，人們從不同研究角度給出了不同的定義，這裡列舉幾個代表性的定義：
（1）水資源承載能力是指某一地區的水資源，在一定社會歷史和科學技術發展階段，在不破壞社會和生態系統時，最大可承載（容納）的農業、工業、城市規模和人口的能力，是一個隨著社會、經濟、科學技術發展而變化的綜合目標（施雅鳳等，1992）；
（2）在某一歷史發展階段的技術、經濟和社會發展水平條件下，水資源對該地區社會經濟發展的最大支撐能力（劉燕華，2000）；
（3）某一歷史發展階段，以可預見的技術、經濟和社會發展水平為依據，以可持續發展為原則，以維護生態良性循環發展為條件，在水資源得到合理開發利用下，該地區人口增長與經濟發展的最大容量（李令躍，2000）；
（4）一個流域、一個地區、一個國家，在不同階段的社會經濟和技術條件下，在水資源合理開發利用的前提下，當地水資源能夠維繫和支撐的人口、經濟和環境規模總量（何希吾，2000）；
（5）一定的區域內，在一定的生活水平和生態環境質量下，天然水資源的可供水量能夠支持人口、環境與經濟協調發展的能力或限度（馮尚友，2000）；
（6）水資源承載能力，指的是在一定流域或區域內，其自身的水資源能夠持續支撐經濟社會發展規模，並維繫良好的生態系統的能力（汪恕誠，2001）；
（7）可理解為某一區域的水資源條件在“自然-人工”二元模式影響下，以可預見的技術、經濟、社會發展水平及水資源的動態變化為依據，以可持續發展為原則，以維護生態良性循環發展為條件，經過合理最佳化配置，對該地區社會經濟發展所能提供的最大支撐能力（惠泱河等，2001）；
（8）在一定的水資源開發利用階段，滿足生態需水的可利用水量能夠維繫有限發展目標的最大的社會-經濟規模（夏軍，2002）。
關於水資源承載能力的定義還可以列舉很多。儘管在表述上各有不同，但其表現的基本觀點和思路並無本質差異，都強調了“水資源支撐能力”的含義。2003年左其亭、陳曦曾把“水資源承載能力”簡單定義為：“一定區域、一定時段，維繫生態系統良性循環，水資源系統支撐社會經濟發展的最大規模”，可以概括為圖1.1的概念圖。
圖1.1可以形象地表達出水資源承載能力的概念，簡單解釋如下：
水資源系統與生態系統相互支撐、共同作用，來共同支撐社會經濟系統。
社會經濟系統對水資源系統可以進行開發利用和保護，對生態系統一方面可以進行保護，一方面又有可能進行破壞。因此，社會經濟系統與水資源系統和生態系統之間又是相互制約的關係。如果支撐的社會經濟規模太大，水資源系統和生態系統就難以支撐，難以確保水資源的可持續利用和生態系統的良性循環。
在一定條件下，如果生態系統達到良性循環的極限，這時其對應的社會經濟最大規模就稱為是“承載能力”。因此，水資源承載能力是在“社會經濟—水資源—生態複合大系統”有機運轉下，達到“生態系統良性循環”目標時的“最大社會經濟發展規模”。
在特定的城市區，所確定的水資源承載能力就是城市水資源承載能力。因此，可以仿照水資源承載能力的定義，把“城市水資源承載能力”簡單定義為：“在特定的城市區，一定時段內，維繫生態系統良性循環，水資源系統支撐社會經濟發展的最大規模”。與一般流域或區域相比，城市區人類活動強烈，人口、工業、商業集中，本地水資源一般滿足不了城市用水需要，污水排放集中且量大，水資源承載能力計算一般比較複雜。另外，一般城市區不是一個完整的流域，在計算城市水資源承載能力時，要滿足流域（或更大區域）尺度上的水資源承載能力要求（或水資源可持續利用要求）。也就是說，城市水資源承載能力計算一般是基於一定水資源邊界條件下進行的。
內涵
從水資源承載能力的含義來分析，至少具有如下幾點內涵：
（1）在“水資源承載能力”概念中，主體是水資源，客體是人類及其生存的社會經濟系統和環境系統，或更廣泛的生物群體及其生存需求。“水資源承載能力”就是要滿足客體對主體的需求或壓力，也就是水資源對社會經濟發展的支撐規模；
（2）“水資源承載能力”具有空間屬性。它是針對某一區域來說的，因為不同區域的水資源量、水資源可利用量、需水量以及社會發展水平、經濟結構與條件、生態與環境問題等方面可能不同，水資源承載能力也可能不同。因此，在水資源承載能力定義或計算時，首先要圈定研究區範圍。
（3）“水資源承載能力”具有時間屬性。在眾多定義中均強調了“在某一階段”，這是因為在不同時段內，社會發展水平、科技水平、水資源利用率、污水處理率、用水定額以及人均對水資源的需求量等均有可能不同。因此，在水資源承載能力定義或計算時，也要指明研究時段，並注意不同階段的水資源承載能力可能有所變化。
（4）“水資源承載能力”對社會經濟發展的支撐標準應該是以“可承載”為準則。在“水資源承載能力”的概念和計算中，必須要回答：水資源對社會經濟發展支撐到什麼標準時才算是最大限度的支撐。也只有在定義了這個標準後，才能進一步計算水資源承載能力。一般，可以把“維繫生態系統良性循環”作為水資源承載能力的基本準則。
（5）必須承認水資源系統與社會經濟系統、生態系統之間是相互依賴、相互影響的複雜關係。不能孤立地計算水資源系統對某一方面的支撐作用，而是要把水資源系統與社會經濟系統、生態系統聯合起來進行研究，在社會經濟—水資源—生態複合大系統中，尋求滿足水資源可承載條件的最大發展規模，才是水資源承載能力。
（6）“滿足水資源承載能力”僅僅是可持續發展量化研究“可承載”準則的一部分（“可承載”準則包括資源可承載、環境可承載。資源可承載又包括水資源可承載、土地資源可承載等），它還必須配合其它準則（有效益、可持續），才能保證區域可持續發展。因此，在研究水資源可持續利用合理配置時，應以“水資源承載能力”為基礎，以可持續發展為準則（包括可承載、有效益、可持續），建立水資源最佳化配置模型。
影響因素
從水資源承載能力的內涵進行分析，可以引申出影響水資源承載能力大小的主要因素，大致可以分為三大類：
水資源系統本身特性
水資源系統是水資源承載能力的主體，水資源系統的可利用水資源量大小是其承載能力的內因。也就是說，水資源承載能力大小首先是由水資源系統所能提供的水資源量決定的。在城市區，一般本地水資源滿足不了用水的需求，需要考慮流域（或更大區域）一定的水資源條件。
人類活動能力及意識形態
人類是水資源承載能力的客體，在很大程度上影響著水資源承載能力。（1）水資源利用率。這是決定單位水資源量能夠養活多少人口或帶來多大經濟效益的重要指標，是水資源承載能力計算的關鍵指標。（2）科技進步通過提高水資源利用率、重複利用率、污水處理率等提高水資源承載能力。科學技術能促進經濟成長，提高資源利用效率，降低污染處理成本，改善人類生存環境。隨著科技的進步，原來不能治理的污染現在可以治理了，原來需要花費很大代價才能治理的污染現在需要花費較小的代價。這些變化都有可能促進水資源承載能力的提高。（3）本區域發展戰略。它反映一個國家或地區的發展規劃或發展模式，對水資源的分配和利用有重要影響，從而影響到水資源承載能力。（4）管理體制和法制。它反映了人們用水、治水、保護水資源的基本思路。有些管理體制或法制對水資源的利用和保護有積極作用，有些甚至有消極作用。這在很大程度上影響著水資源承載能力。
定義“是否可承載”的目標差異
這是關係到水資源承載能力計算的一個關鍵問題，也就是，要人為確定“達到什麼樣的標準時的最大承受能力才是水資源的承載能力”。前文在定義“水資源承載能力”概念時，是以“維繫生態系統良性循環”為判斷目標。另外，也可以制定一些判斷目標，計算得到人為干預下的水資源承載能力。肯定會因為確定的目標差異而導致計算結果的不一致。
計算方法
量化研究架構
針對城市水資源承載能力的量化研究架構基本思路是：緊扣水資源承載能力概念，以“水資源系統、社會經濟系統、生態系統相互制約（模擬）模型”為基礎模型，以“維繫生態系統良性循環”為控制約束，以“支撐最大社會經濟規模”為最佳化目標，建立最最佳化模型。通過最最佳化模型求解（或控制目標反推）得到的“最大社會經濟規模”就是水資源承載能力。我們稱此方法為“基於模擬和最佳化的控制目標反推模型”方法（ASimulation-andOptimization-BasedControlObjectInversionModel），簡稱COIM模型方法。
水資源承載能力計算框架簡單表述如圖2.1，表達了水資源承載能力量化研究“COIM模型方法”的基本思路。
COIM模型方法是把城市最大社會經濟規模（即，這裡代表水資源承載能力）作為目標函式，把水資源循環轉化關係方程、污染物循環轉化關係方程、社會經濟系統內部相互制約方程、水資源承載程度指標約束方程以及生態與環境控制目標約束方程聯合作為約束條件，建立起一個最佳化模型。通過該最佳化模型的求解，得到的目標函式值就是水資源承載能力。
在COIM模型中，水資源系統、社會經濟系統、生態系統本身的複雜性和相互制約關係得到了體現，並且水資源承載能力概念所要求的“生態系統良性循環”也被作為一個約束條件包括在模型中。水資源承載能力的計算結果既可以採用最佳化模型求解來得到，也可以採用控制目標反推得到。
關鍵問題
針對上文介紹的COIM模型方法，主要有以下幾方面的關鍵問題：
（1）目標函式選擇問題
圖2.1是水資源承載能力計算的一個框架圖。如果水資源被開發利用後，能確保水環境及生態系統可承載，那么，這時的水資源系統處於可承載範圍之內。根據這一最大範圍就可以確定水資源系統能夠支撐社會經濟發展的最大規模，這就是水資源承載能力。
在此模型中，用最大的社會經濟規模來表達水資源承載能力。所以，一般“水資源承載能力”不只是一個數值，而是由表征社會經濟規模的一組數值組成的集合，如人口數、工業產值、農業產值、城市面積等。可以把“水資源承載能力”的集合表達為：
F={f1,f2,∧，fn}（2.1）
上式中，F為水資源承載能力；f1，f2，…，fn分別為社會經濟規模的表征指標。為了敘述方便起見，下面只選擇人口數、工業產值、農業產值三個指標來進行討論。
從水資源承載能力的概念可以引申出：假如工業、農業及其它行業發展規模和用水量一定，可以通過人均用水定額來計算城市水資源最大供養的人口數，即得到“水資源人口承載能力”；再假如生活用水一定，可以通過萬元產值耗水量來計算最大的經濟發展規模，即得到“水資源經濟承載能力”。實際上，在一定條件下計算水資源人口承載能力和水資源經濟承載能力都是比較理想化的。因為它們都是假設在其它條件不變的情況下得到的結果。實際上，人口、社會、經濟是一個十分複雜、相互聯繫、相互制約的大系統，應該把它們納入一個大系統中來研究。
因此，針對COIM模型來說，首先遇到一個問題就是“目標函式選擇問題”。到底是選擇一個指標還是多個指標？一方面，它決定著模型的性質和求解方法的選擇。如果是單指標，所建的模型是單目標最佳化模型，如果是多指標，所建的模型就是多目標最佳化模型；另一方面，它還影響到模型約束方程的選擇。假如選擇的是單目標（如人口），還要考慮其它表征社會經濟規模的指標（如工業產值、農業產值）與已選擇的目標（如人口）之間的量化關係，需要把這個量化關係方程作為模型的一個約束條件放到模型中；再一方面，目標函式的選擇也反映了水資源承載能力關注社會經濟系統側重面的選擇。一般，人們在分析計算水資源承載能力時經常用到“人口總數”指標，所以，在COIM模型中，常常選擇“人口總數”最大作為目標函式。在這種情況下，需要建立“人口總數”與“工業產值”、“農業產值（或耕地面積）”等指標之間的量化制約方程。可以簡單理解為，在一定條件下，如果人口數要增加，其所需的經濟收入和糧食產量也應該隨之增加，它們之間的比例關係可以用一個區間數來表達。並把這個量化制約方程作為模型的一個約束條件。通過這個方程，模型不僅考慮了“人口總數”單個目標值，也同時考慮了其它表征社會經濟規模指標的變化。這樣一來，在計算結果中，表達社會經濟規模的指標也同樣可以寫出多個。
（2）基礎模型問題
在上文介紹的COIM模型中，需要建立表征社會經濟系統、水資源系統、生態系統變化及相互制約關係的量化模型，作為模型的約束方程，用於表達“社會經濟—水資源—生態”耦合系統互動關係。由於耦合系統的複雜性，量化建立這樣的基礎模型十分不易。因此，建立COIM模型，必定會遇到基礎模型問題。關於這一部分詳細內容可參見有關文獻。
為了表征水資源量之間的變化，需要建立水資源循環轉化關係方程。包括大氣降水量、蒸發量、地表水資源量、地下水資源量、各業引用水量、排放水量、跨區域調水量、流入本區水量、流出本區水量等等，建立各變數之間的量化關係和量化方程。用這些方程把水資源循環過程定量化地聯繫起來，從理論上滿足水量平衡要求。
為了表征水中污染物運移轉化關係，定量計算水體污染物濃度和排放污染物總量，需要建立污染物循環轉化關係方程。包括各業污水排放量、污水處理量、污染物自淨消耗量、來水污染物總量、出流污染物總量、地表水體污染物總量、地下水體污染物總量等等，建立各變數之間的量化關係和量化方程。用這些方程把水中污染物循環過程定量化聯繫起來，同時能定量計算某特定水體的污染物濃度和城市排放污染物總量，為“生態系統良性循環”判別約束方程提供計算基礎。
社會經濟系統是水資源系統承載的對象，其眾多指標也是相互制約的，它們組成一個完整的巨系統。這個系統本身也是相互制約的，因此需要建立社會經濟系統內部相互制約方程，以表達社會經濟系統發展的整體趨勢和相互制約關係。特別是當目標函式為單目標時，建立這種關係方程更為重要。另外，研究規划水平年的水資源承載能力，不僅要弄清楚水資源系統的變化，而且要結合社會經濟系統的發展變化，需要站在變化了的自然和社會來分析未來的發展趨勢。因此，水資源承載能力量化研究的另一個基礎模型是對社會經濟系統的模擬。
為了約束水資源利用量不能超出水資源可利用量，選用水資源承載程度指標約束方程，即用“水資源承載程度指標”來表達水資源對社會經濟發展已經承受壓力的程度，並要求≤1，以確保水資源的開發利用不會超出水資源可利用程度。
水資源承載能力控制目標強調的是生態系統的良性循環，但什麼樣的狀態才算是生態系統良性循環？這就需要在模型方程中具體列出生態與環境控制目標約束方程，以表達生態系統的極限條件。
另外，考慮到水資源承載能力是建立在社會經濟—水資源—生態複雜大系統之上，所以需要建立“社會經濟—水資源—生態耦合系統互動關係量化模型”，以有機地表達這個耦合系統的運轉關係。首先，把水量變化、水質變化與生態系統變化有機地結合起來，建立水量—水質—生態耦合系統模型。實際上，該模型是一個以反映水量循環為主的水量模型、以反映水質變化為主的水質模型、以反映生態系統狀態和演變的生態系統模型以及三模型的耦合模型（左其亭等，2002）。其次，再把“水量—水質—生態耦合系統模型”與“社會經濟系統模型”耦合起來，作為系統的結構關係模型，嵌入到最佳化模型中，參與最佳化模型的計算，也可以通過二模型的中間關係變數直接建立耦合系統的動力學模型（左其亭等，2001）。
（3）“是否可承載”的標準選擇問題
這也是關係到水資源承載能力計算的一個關鍵問題。本書在定義“水資源承載能力”概念時，是以“維繫生態系統良性循環”為判斷目標。在實際操作時，用生態與環境控制目標約束方程來判斷。但是，在該約束方程中，如何確定“是否可承載”的標準是問題的關鍵。上文已經介紹了應該控制的三個方面：一是，城市污水或污染物排放總量不得超出一定限度（即，總量控制）；二是，一定區域水體的水質不得超出水體本身水功能區的水質標準（即，濃度控制）；三是，城市相關河流的徑流量不得小於河流最小基流量（即，滿足生態用水）。如何定量確定控制目標方程是問題的難點。
（4）指標選擇問題
在水資源承載能力計算中，會遇到很多指標的選擇問題。這也是影響水資源承載能力計算結果的關鍵因素。這些指標包括：水資源利用率、重複利用率、污水處理率、人均日用水量、工業萬元產值平均用水量、農業萬元產值用水量等等。
