彭文啟

（中國水利水電科學(xué)研究院水環(huán)境所，北京 100038）

1 前言

承載力以人口資源環(huán)境相均衡、經(jīng)濟(jì)社會(huì)生態(tài)效益相統(tǒng)一為基本原則，是系統(tǒng)表征人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)與生態(tài)資源環(huán)境協(xié)調(diào)關(guān)系與程度的重要指標(biāo)。承載力的概念最早可追溯到18世紀(jì)末提出的資源環(huán)境對(duì)人口增長的限制理論[1]，指的是一定資源空間下承載人口的最大值。20世紀(jì)20年代，Park和Burgess在生態(tài)學(xué)領(lǐng)域首次使用了承載力的概念[2]，并將其定義為在某一特定條件下某種個(gè)體存在數(shù)量的最大極限。隨著資源約束趨緊、環(huán)境污染嚴(yán)重、生態(tài)系統(tǒng)退化等問題的出現(xiàn)，承載力概念也不斷延伸與拓展，在不同的發(fā)展階段，產(chǎn)生了不同的承載力概念和相應(yīng)的承載力理論[3，4]。針對(duì)不同階段的水資源及水環(huán)境問題特征及管理需求，先后提出了水資源承載力[5，6]、水環(huán)境承載力[7]和生態(tài)承載力[8，9]等概念與理論。

當(dāng)前，全球流域生態(tài)系統(tǒng)承受了人類高強(qiáng)度的大規(guī)模改造活動(dòng)，導(dǎo)致水資源短缺、水環(huán)境惡化、生態(tài)退化、水生生物數(shù)量和多樣性大幅度減少，嚴(yán)重威脅流域水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的可持續(xù)利用。20世紀(jì)80年代以來，歐美國家和地區(qū)率先開始了流域生態(tài)管理思想的轉(zhuǎn)變以應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，提出了維持或恢復(fù)流域生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)完整性的管理目標(biāo)。例如，美國《清潔水法》明確提出維持或恢復(fù)水體的物理、化學(xué)及生物完整性；《歐盟水框架指令》提出到2015年達(dá)到河湖生態(tài)良好狀況[10]。我國在大規(guī)模經(jīng)濟(jì)開發(fā)和全球氣候變化雙重因素的交織作用下，流域水生態(tài)問題尤其突出，更加需要從流域環(huán)境及資源的單一要素管理向流域水生態(tài)系統(tǒng)綜合管理轉(zhuǎn)變。

現(xiàn)有的流域水資源承載力、水環(huán)境承載力主要局限于流域水資源系統(tǒng)及水環(huán)境系統(tǒng)的單一要素，已不能完全適應(yīng)以保護(hù)流域水生態(tài)健康為目標(biāo)的流域生態(tài)管理的需求。水資源承載力理論強(qiáng)調(diào)的是水資源系統(tǒng)的可支撐能力[11]，水環(huán)境承載力的關(guān)鍵元素是水環(huán)境容量或者水體的納污能力。流域生態(tài)承載力盡管是流域水、土等各種生態(tài)環(huán)境要素的綜合，但從其指標(biāo)體系[12，13]分析，對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)主要關(guān)注的是陸地生態(tài)系統(tǒng)。因此，需要構(gòu)建既能夠體現(xiàn)當(dāng)前流域水生態(tài)問題，又能將經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與水生態(tài)系統(tǒng)相聯(lián)系，綜合水量、水質(zhì)、棲境及生物多樣性的承載力理論，作為流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與流域水生態(tài)完整性保護(hù)協(xié)調(diào)管理的重要依據(jù)。

國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)“流域水生態(tài)承載力與總量控制技術(shù)研究課題”對(duì)流域水生態(tài)承載力內(nèi)涵及評(píng)估方法進(jìn)行了多方面的研究[14～21]，在上述成果基礎(chǔ)上，本文針對(duì)流域水生態(tài)完整性保護(hù)管理需求，建立了流域水生態(tài)承載力概念模型，提出了流域水生態(tài)承載力概念，揭示其“分區(qū)、分期”屬性和“量、質(zhì)、序”遞進(jìn)綜合約束作用等基本內(nèi)涵，分析了其優(yōu)化調(diào)控特性及優(yōu)化調(diào)控關(guān)鍵變量，建立了流域水生態(tài)承載力分區(qū)耦合概念模型，形成了基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法的流域水生態(tài)承載力分區(qū)分期耦合模型方法，并以遼河太子河流域?yàn)槔?，進(jìn)行了實(shí)例應(yīng)用。

2 流域水生態(tài)承載力的內(nèi)涵與概念

2.1 流域水生態(tài)承載力概念模型

流域水生態(tài)系統(tǒng)演變過程是流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)和氣候變化驅(qū)動(dòng)下基于水循環(huán)、化學(xué)過程和生物過程綜合作用的結(jié)果。流域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)可以分為3個(gè)層面，即底層的水生態(tài)系統(tǒng)和頂層的經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)，以及將水生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)緊密聯(lián)系在一起的水資源系統(tǒng)和水環(huán)境系統(tǒng)（見圖1）。水生態(tài)系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)二者之間存在競(jìng)爭(zhēng)性用水（水質(zhì)及水量需求）和空間占用關(guān)系。由于人類與水生生物需求之間的差異性，導(dǎo)致在對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的利用中更多地強(qiáng)調(diào)了人的需求，而壓制了水生生物的需求。在“天然-人工”二元水循環(huán)[22]驅(qū)動(dòng)下，“經(jīng)濟(jì)社會(huì)-水資源-水環(huán)境-水生態(tài)”的相互耦合關(guān)系的整體性特征不斷加強(qiáng)，流域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)更多呈現(xiàn)人類主導(dǎo)特征，導(dǎo)致水生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)之間的關(guān)系更趨緊張。

水生態(tài)系統(tǒng)具有一定程度的結(jié)構(gòu)與功能的穩(wěn)定性，既可緩解經(jīng)濟(jì)社會(huì)作用的各種壓力與擾動(dòng)破壞，又可最大限度地保障水生態(tài)承載力的正常調(diào)節(jié)作用及功能發(fā)揮。維持物理、化學(xué)、生物完整性的水生態(tài)系統(tǒng)，即良好的水生態(tài)狀況，是維持健康的水資源系統(tǒng)及水環(huán)境系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是流域經(jīng)濟(jì)活動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的前提。因此，所謂的流域水生態(tài)承載力就是維持流域良好水生態(tài)狀況條件下水資源系統(tǒng)及水環(huán)境系統(tǒng)所能支撐的經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)（以一定生活水平的人口的最大數(shù)量和一定技術(shù)水平下的最大的經(jīng)濟(jì)規(guī)模表示）；所謂的流域水生態(tài)承載力優(yōu)化調(diào)控就是根據(jù)維持及恢復(fù)流域水生態(tài)系統(tǒng)完整性的要求，調(diào)整水資源系統(tǒng)及水環(huán)境系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而優(yōu)化經(jīng)濟(jì)社會(huì)結(jié)構(gòu)、規(guī)模與布局。

圖1 流域水生態(tài)承載力概念圖Fig.1 Concept map of water ecological carrying capacity

2.2 流域水生態(tài)承載力內(nèi)涵

2.2.1 “量、質(zhì)、序”的綜合遞進(jìn)限制決定了流域水生態(tài)承載力的復(fù)合特征

流域水生態(tài)承載力評(píng)價(jià)對(duì)象是人類主導(dǎo)下的“經(jīng)濟(jì)社會(huì)-水資源-水環(huán)境-水生態(tài)”流域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)。流域水生態(tài)承載力是一類復(fù)合承載力，包括水資源承載力、水環(huán)境承載力、棲息地環(huán)境承載力等，但并非這些承載力的簡(jiǎn)單加和，而是反映出限制條件不斷遞進(jìn)、時(shí)空異質(zhì)性不斷加強(qiáng)的關(guān)系。其中，水資源承載力主要反映水量的支撐作用，表現(xiàn)為“量”的限制；水環(huán)境承載力主要反映水質(zhì)的限定作用，主要強(qiáng)調(diào)的是最差時(shí)段的限制作用，表現(xiàn)為“質(zhì)”的限制；而水生態(tài)承載力按照水生生態(tài)系統(tǒng)完整性保護(hù)要求，以水生生物保護(hù)為基點(diǎn)，在“量”和“質(zhì)”的基礎(chǔ)上，借助水生生物棲息地質(zhì)量需求的限制作用，密切與自然水文情勢(shì)的關(guān)系，具有與時(shí)序密切相關(guān)的特征，可以表現(xiàn)小尺度的空間分異性和全時(shí)段的時(shí)間分異性，總體上表現(xiàn)為“量、質(zhì)、序”的遞進(jìn)限制。

2.2.2 “分區(qū)、分期”屬性是水生態(tài)承載力的固有屬性

由于流域水生態(tài)系統(tǒng)具有顯著的時(shí)空異質(zhì)性特征，因此決定了與流域水生態(tài)承載力有關(guān)的限制條件也具有高度的時(shí)空異質(zhì)性；同時(shí)，不同發(fā)展階段，人類對(duì)流域水生態(tài)系統(tǒng)的要求不同，如水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)的高低隨著時(shí)間的變化而呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)性。因此，“分區(qū)、分期”屬性是水生態(tài)承載力的固有屬性。經(jīng)濟(jì)社會(huì)的人類活動(dòng)應(yīng)依據(jù)流域水生態(tài)承載力時(shí)空差異合理布局，以最大限度地實(shí)現(xiàn)水生態(tài)系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的協(xié)調(diào)。

2.2.3 系統(tǒng)協(xié)同進(jìn)化特點(diǎn)確立了流域水生態(tài)承載力的彈性特征及可調(diào)控性特點(diǎn)

流域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)通過子系統(tǒng)之間物質(zhì)、能量和信息的交流不斷地協(xié)同進(jìn)化。主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，當(dāng)流域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)變化后，會(huì)通過耦合機(jī)制的作用將壓力傳到水生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)，水生態(tài)系統(tǒng)由于自身的“自我維持、自我調(diào)節(jié)”作用，會(huì)使得水生態(tài)系統(tǒng)與周圍環(huán)境形成一個(gè)新的動(dòng)態(tài)平衡，水生態(tài)承載力也相應(yīng)發(fā)生改變；另一方面，對(duì)于最具能動(dòng)作用的人類而言，其具有自我調(diào)節(jié)行為和知識(shí)技能不斷積累的功能，從而能夠主動(dòng)地調(diào)整經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，進(jìn)而影響到水生態(tài)承載力。

在人類主導(dǎo)下的流域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中，經(jīng)濟(jì)社會(huì)與水生態(tài)之間的耦合關(guān)系和協(xié)同進(jìn)化關(guān)系一般呈現(xiàn)3種典型狀態(tài)（見圖2）：低發(fā)展水平的經(jīng)濟(jì)社會(huì)與良好的水生態(tài)系統(tǒng)（典型狀態(tài)1），粗放發(fā)展水平的經(jīng)濟(jì)社會(huì)和非良好狀態(tài)的水生態(tài)系統(tǒng)（典型狀態(tài)2），可持續(xù)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)社會(huì)和良好的水生態(tài)系統(tǒng)（典型狀態(tài)3）。因此，水生態(tài)承載力的內(nèi)涵強(qiáng)調(diào)了一定社會(huì)發(fā)展階段的限定作用。

圖2 流域水生態(tài)承載力典型狀態(tài)概念圖Fig.2 Concept map of water ecological carrying capacity typical states

經(jīng)濟(jì)社會(huì)與水生態(tài)之間的耦合關(guān)系和協(xié)同進(jìn)化過程中有兩類重要閾值（見圖2）：a.水生態(tài)系統(tǒng)退化過程發(fā)展到某一點(diǎn)，水生態(tài)系統(tǒng)所承受的壓力仍然沒有超出其“自我維持”與“自我調(diào)節(jié)”能力，仍然可以無需借助生態(tài)修復(fù)措施，通過自身調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)自然恢復(fù)，稱之為自然恢復(fù)限制閾值；b.水生態(tài)系統(tǒng)退化過程發(fā)展到某一點(diǎn)，水生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)劣的狀態(tài)，經(jīng)濟(jì)社會(huì)及水生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)整體嚴(yán)重失衡，有滑入系統(tǒng)崩潰通道的風(fēng)險(xiǎn)，稱之為系統(tǒng)失衡限制閾值。

維持物理、化學(xué)、生物完整性的水生態(tài)系統(tǒng)，即良好的水生態(tài)狀況，是流域經(jīng)濟(jì)活動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。維持水生態(tài)系統(tǒng)良好狀態(tài)，支持最大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)福利，實(shí)現(xiàn)流域水生態(tài)保護(hù)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展雙贏，達(dá)到“人水和諧”，是流域水生態(tài)承載力調(diào)控的理想目標(biāo)（典型狀態(tài)3）。阻止水生態(tài)系統(tǒng)退化至劣狀態(tài)，并扭轉(zhuǎn)整個(gè)系統(tǒng)發(fā)展態(tài)勢(shì)，免于崩潰所導(dǎo)致的不可逆，是流域水生態(tài)承載力不可突破的底線。

2.2.4 環(huán)境流量與環(huán)境容量控制是流域水生態(tài)承載力調(diào)控的兩個(gè)關(guān)鍵變量

水體水質(zhì)狀況、水量或水文節(jié)律、河湖物理形態(tài)是水生態(tài)系統(tǒng)的3類重要的非生物要素指標(biāo)，是流域水生態(tài)系統(tǒng)水生生物狀況良好與否及人類社會(huì)關(guān)于河湖水資源功能預(yù)設(shè)目標(biāo)滿足與否的主要限制因素。環(huán)境流量及環(huán)境容量是這些限制因素的綜合表征。因此，環(huán)境流量及環(huán)境容量調(diào)控是水資源系統(tǒng)及水環(huán)境系統(tǒng)結(jié)構(gòu)調(diào)整的關(guān)鍵變量。

環(huán)境流量及環(huán)境容量的調(diào)控既包括經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展方式的調(diào)控，控制河道外用水總量和污染物排放強(qiáng)度，也包括流域水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)，提高水生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)能力。在人類主導(dǎo)的流域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中，前者是前提，后者是重要的輔助手段。因此，社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)強(qiáng)度和具有一定生活水平的人口數(shù)量的優(yōu)化控制應(yīng)該是流域水生態(tài)承載力調(diào)控的重要內(nèi)容。

2.3 流域水生態(tài)承載力定義

前文分析提出的流域水生態(tài)承載力定義，即維持流域良好水生態(tài)狀況條件下流域水資源系統(tǒng)及水環(huán)境系統(tǒng)所能支撐的一定生活水平的人口的最大數(shù)量和一定技術(shù)水平下的最大的經(jīng)濟(jì)規(guī)模，這一定義實(shí)際上是自然恢復(fù)限制閾值的定義。

我國流域水生態(tài)系統(tǒng)狀況整體特點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展階段特點(diǎn)均表明我國流域復(fù)合系統(tǒng)主要處于流域水生態(tài)承載力演變過程的典型狀態(tài)2階段。為了保證流域水生態(tài)承載力調(diào)控的可操作性，以更好地指導(dǎo)該階段的流域水生態(tài)保護(hù)并保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，結(jié)合流域水生態(tài)承載力調(diào)控關(guān)鍵變量進(jìn)行分析，可以進(jìn)一步提出系統(tǒng)失衡限制閾值的定義：在保證一定的環(huán)境流量、水體水質(zhì)目標(biāo)及棲息地質(zhì)量以支持流域水生態(tài)系統(tǒng)完整性不斷修復(fù)的前提下，流域水資源及水環(huán)境系統(tǒng)所能支撐的最大人口數(shù)量和經(jīng)濟(jì)規(guī)模。

3 流域水生態(tài)承載力分區(qū)耦合優(yōu)化調(diào)控系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

3.1 流域水生態(tài)承載力量化分析方法

現(xiàn)有的承載力評(píng)價(jià)量化分析方法包括向量模法[23～25]、多目標(biāo)決策分析方法[26]、模糊綜合評(píng)價(jià)法[27]和系統(tǒng)動(dòng)力仿真模型法[28～34]等。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)（SD）法在研究復(fù)雜系統(tǒng)的行為，處理高度非線性、高階次、多變量、多重反饋問題方面具有優(yōu)勢(shì)[35]，因此SD法是目前使用較多的一種研究承載力的方法。但是，現(xiàn)有的流域水資源或水環(huán)境承載力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型[28～34]以流域整體為單元，屬于集總模型，不能描述和模擬流域空間要素及其狀態(tài)，無法根據(jù)流域水生態(tài)分區(qū)特點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)社會(huì)格局差異提出分區(qū)優(yōu)化調(diào)控方案。由于難以反映流域水生態(tài)系統(tǒng)固有的“分區(qū)、分期”特質(zhì)，因此其調(diào)控方案的效用往往相對(duì)較低。

針對(duì)需要模擬系統(tǒng)分區(qū)差異性的要求，國外學(xué)者提出了利用柵格式SD方法描述局地動(dòng)態(tài)的方法。該類方法通過物質(zhì)和信息的水平流動(dòng)連接各柵格單元，從而構(gòu)成系統(tǒng)總體的演變動(dòng)態(tài)[35]。Ahmad等[36]提出了GIS與SD耦合的空間SD方法，用來模擬環(huán)境管理、水資源管理、自然資源管理、氣候變化、災(zāi)害管理中空間-時(shí)間的相互作用過程，并以加拿大紅河流域的洪水管理作為案例加以應(yīng)用。裴相斌等[37]將SD方法和GIS方法結(jié)合起來，提出了GIS-SD結(jié)合的概念框架，建立了大連灣水污染控制系統(tǒng)模型，并進(jìn)行了時(shí)空模擬和調(diào)控策略研究。

3.2 流域水生態(tài)承載力分區(qū)分期調(diào)控概念模型

根據(jù)流域水生態(tài)承載力固有的“分區(qū)、分期”特質(zhì)，本文提出流域水生態(tài)承載力分區(qū)分期耦合SD概念模型（見圖3）。該分區(qū)分期耦合概念模型具有以下主要特點(diǎn)。

1）分布式模型?；诹饔蛩鷳B(tài)功能分區(qū)建立控制單元分區(qū)，以流域控制單元分區(qū)為基本單元，建立各控制單元的流域水生態(tài)承載力SD模型。

圖3 流域水生態(tài)承載力分區(qū)耦合概念圖Fig.3 Concept map of water ecological carrying capacity distributed model

2）空間耦合?？刂茊卧謪^(qū)系統(tǒng)耦合包括控制單元內(nèi)部的水陸耦合（內(nèi)部耦合）和基于水力聯(lián)系及物質(zhì)與信息交換的控制單元之間的耦合（外部耦合）。水陸耦合（內(nèi)部耦合）是指通過水生態(tài)功能區(qū)及其控制單元的劃分，引入水域與陸域經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系，以取水排水為主要途徑，溝通控制單元以及用水排水體系與流域水生態(tài)系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。單元之間的耦合（外部耦合）是指依托不同水生態(tài)功能區(qū)的水力聯(lián)系，建立各水生態(tài)功能分區(qū)的水量及水質(zhì)聯(lián)系，基于水生態(tài)功能區(qū)分區(qū)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)社會(huì)的物質(zhì)及信息交流，建立各水生態(tài)功能分區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)聯(lián)系。

3）分期。按照流域水生態(tài)功能區(qū)目標(biāo)生物的保護(hù)時(shí)序限制條件，以生物棲息地質(zhì)量時(shí)變過程為基礎(chǔ)，引入水量、水質(zhì)動(dòng)態(tài)變化過程（月或旬過程），實(shí)現(xiàn)時(shí)間尺度的縮小，強(qiáng)化對(duì)流域水生態(tài)系統(tǒng)年內(nèi)變化特征的響應(yīng)，以提高流域水生態(tài)承載力調(diào)控方案的生態(tài)學(xué)意義。

4 遼河太子河流域水生態(tài)承載力“分區(qū)、分期”調(diào)控方案研究

4.1 遼河太子河流域概況

太子河是遼河下游左側(cè)支流，主要流經(jīng)遼寧省本溪、遼陽、鞍山3個(gè)城市，其主要特點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度快，水資源短缺，水污染嚴(yán)重和生態(tài)環(huán)境問題突出。依據(jù)水生態(tài)分區(qū)特點(diǎn)，結(jié)合流域生態(tài)功能區(qū)劃、水功能區(qū)劃、水資源區(qū)劃、行政區(qū)劃等，將太子河觀音閣水庫以下流域劃分為8個(gè)水生態(tài)功能分區(qū)，各生態(tài)功能分區(qū)的基本特點(diǎn)及問題如表1所示。

表1 太子河流域各水生態(tài)功能分區(qū)特點(diǎn)Table 1 Characteristics of the water ecological function regions in Taizi River basin

4.2 遼河太子河流域水生態(tài)承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)

基于流域水生態(tài)承載力概念圖及內(nèi)涵分析，并根據(jù)太子河流域生態(tài)環(huán)境特征，提出太子河流域水生態(tài)承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（見表2）。其中的棲息地面積指標(biāo)，在太子河流域采用麥穗魚作為水生態(tài)功能區(qū)的指示水生生物，采用自然生境模擬法（PHABSIM）[38～40]對(duì)其在不同生長條件下所需要的生境條件進(jìn)行量化，研究提出其對(duì)流速、水深、水溫、溶解氧等主要生境因子的適宜性標(biāo)準(zhǔn)曲線，并根據(jù)流域水環(huán)境模型計(jì)算不同水質(zhì)及水量條件的棲息地面積。

表2 太子河流域水生態(tài)承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 2 Indicators of water ecological carrying capcity for Taizi River basin

4.3 遼河太子河流域水生態(tài)承載力調(diào)控方案

根據(jù)流域水生態(tài)承載力分區(qū)分期強(qiáng)化耦合概念模型，建構(gòu)基于遼河太子河水生態(tài)功能分區(qū)的流域系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。該模型由通過水力聯(lián)系的各水生態(tài)功能分區(qū)的分系統(tǒng)組合而成，不僅考慮了各分系統(tǒng)內(nèi)各要素的相互作用關(guān)系，還考慮了各分區(qū)間的水量水質(zhì)的累積影響關(guān)系。利用Vensim軟件繪制出該模型的系統(tǒng)流圖，如圖4所示；各水生態(tài)功能分區(qū)之間的相互作用關(guān)系如圖5所示。

圖5 太子河流域水生態(tài)功能分區(qū)系統(tǒng)關(guān)系圖Fig.5 System diagram of water ecological function regions in Taizi River basin

選取總?cè)丝凇DP、有效灌溉面積等變量，將其模擬值與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，各參數(shù)的模擬值與實(shí)際值擬合較好，表明該模型結(jié)構(gòu)合理，能反映太子河流域水生態(tài)承載力的特征，可以用來預(yù)測(cè)太子河流域水生態(tài)承載力動(dòng)態(tài)發(fā)展過程。

結(jié)合遼寧省的水資源及水污染防治規(guī)劃，從經(jīng)濟(jì)調(diào)控、節(jié)水、污染物控制等角度設(shè)計(jì)方案（見表3）模擬2007—2015年的指標(biāo)變化情況。

分別考慮水文頻率P=50%、75%、95%的不同水文年，預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)相應(yīng)組合方案下系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)的變化情況，評(píng)價(jià)其相應(yīng)的水生態(tài)承載度。太子河流域50%水文頻率下不同方案各生態(tài)功能分區(qū)的水生態(tài)承載度變化曲線如圖6～圖9所示。

表3 太子河流域水生態(tài)承載力調(diào)控方案設(shè)計(jì)Table 3 Regulatory scenarios of water ecological carrying of Taizi River basin

圖6 各方案下觀音閣下游區(qū)（a）、本溪城區(qū)（b）的水生態(tài)承載度年度變化曲線Fig.6 Annual change curves of water ecological carrying for Guanyinge eco-region（a）and Benxi eco-region（b）in various regulatory scenarios

圖6a中調(diào)控方案1及調(diào)控方案4與原規(guī)劃方案承載度曲線重合，說明這兩類調(diào)控方案對(duì)觀音閣下游區(qū)基本沒有作用，調(diào)控方案3對(duì)本區(qū)水生態(tài)承載力改善相對(duì)最好，表明控制本區(qū)的工業(yè)用水和降低工業(yè)用水定額是較優(yōu)的調(diào)控策略。圖6b中調(diào)控方案4及調(diào)控方案6與原規(guī)劃方案承載度曲線重合，說明這兩類調(diào)控方案對(duì)本溪城區(qū)水生態(tài)承載力沒有進(jìn)一步改善，調(diào)控方案1與調(diào)控方案5的承載度曲線重合，比較而言，調(diào)控方案3對(duì)承載力改善相對(duì)較大，表明本區(qū)的較優(yōu)的調(diào)控策略也是控制工業(yè)用水和降低工業(yè)用水定額。

圖7a中調(diào)控方案1及調(diào)控方案6與原規(guī)劃方案承載度曲線重合，比較而言，調(diào)控方案3對(duì)承載力改善相對(duì)較大，說明葠窩水庫區(qū)需要進(jìn)一步控制其工業(yè)用水，降低工業(yè)用水定額。從圖7b可以看出，對(duì)于湯河區(qū)，調(diào)整高用水工業(yè)比例和降低用水定額均對(duì)其水生態(tài)承載度改善較好。

圖8 各方案下遼陽城區(qū)（a）、北沙河區(qū)（b）的水生態(tài)承載度年度變化曲線Fig.8 Annual change curves of water ecological carrying for Liaoyang eco-region（a）and Beishahe eco-region（b）in various regulatory scenarios

圖8a中調(diào)控方案4及調(diào)控方案6與原規(guī)劃方案承載度曲線重合，調(diào)控方案5與調(diào)控方案2的水生態(tài)承載度曲線基本相似，相對(duì)而言，仍然是調(diào)控方案3相對(duì)較優(yōu)，表明對(duì)于遼陽城區(qū)，降低用水定額和調(diào)整高用水工業(yè)比例對(duì)其水生態(tài)承載度改善較好。圖8b中調(diào)控方案1與原規(guī)劃方案的承載度曲線重合，比較各調(diào)控方案的水生態(tài)承載度曲線，可以發(fā)現(xiàn)在北沙河區(qū)，除了降低用水定額和調(diào)整高用水工業(yè)比例，降低農(nóng)田灌溉定額也對(duì)其水生態(tài)承載度改善較好。

圖9 各方案下柳壕河區(qū)（a）、鞍山城區(qū)（b）的水生態(tài)承載度年度變化曲線Fig.9 Annual change curves of water ecological carrying for Liuhaohe eco-region（a）and Anshan eco-region（b）in various regulatory scenarios

圖9a中調(diào)控方案5與調(diào)控方案6承載度曲線重合，對(duì)于柳壕河區(qū)，降低用水定額、調(diào)整高用水工業(yè)比例和降低農(nóng)田灌溉定額均對(duì)其水生態(tài)承載度改善較好。圖9b中調(diào)控方案1與調(diào)控方案5、調(diào)控方案2與調(diào)控方案4的水生態(tài)承載度曲線重合，可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于鞍山城區(qū)，僅降低用水定額對(duì)其水生態(tài)承載度改善較好。

選擇2007年計(jì)算太子河流域各生態(tài)功能分區(qū)水生態(tài)承載度逐月變化情況（見表4）。模擬成果表明，北沙河區(qū)、柳壕河區(qū)、湯河區(qū)和鞍山城區(qū)的水生態(tài)承載度最小值出現(xiàn)在6月，這是由于這4個(gè)水生態(tài)功能區(qū)在4—10月的需水量較大，面源污染也相對(duì)較嚴(yán)重，而6月的水資源量又相對(duì)最小，這些都是影響水生態(tài)系統(tǒng)承載力的不利因素。因此，對(duì)這些水生態(tài)功能區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)的治理保護(hù)應(yīng)該把重點(diǎn)放在加大節(jié)水力度和農(nóng)業(yè)面源污染控制上。觀音閣水庫下游區(qū)、本溪城區(qū)、遼陽城區(qū)和葠窩水庫區(qū)的水生態(tài)承載度最小值均出現(xiàn)在1月和2月，這是由于這些水生態(tài)功能區(qū)用水水平年內(nèi)變化不大，而冬季處于冰封期，其水資源量相對(duì)較小，水體自凈能力較差，因此對(duì)于這4個(gè)水生態(tài)功能區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)的治理保護(hù)應(yīng)該把重點(diǎn)放在點(diǎn)源污染物控制上。

表4 2007年太子河流域各生態(tài)功能分區(qū)各月的水生態(tài)承載度Table 4 Month water ecological carrying of water ecological function regions in Taizi River basin in 2007

5 結(jié)語

本文按照流域水生態(tài)完整性保護(hù)需求，提出了流域水生態(tài)承載力的概念：流域水生態(tài)承載力指維持良好狀態(tài)的流域水資源及水環(huán)境系統(tǒng)所能承載的一定生活水平的人口的最大數(shù)量和一定技術(shù)水平下的最大的經(jīng)濟(jì)規(guī)模。并根據(jù)流域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中經(jīng)濟(jì)社會(huì)與水生態(tài)系統(tǒng)演變的階段特點(diǎn)，進(jìn)一步提出了其狹義定義：在保證一定的環(huán)境流量、水體水質(zhì)目標(biāo)及棲息地質(zhì)量以支持流域水生態(tài)系統(tǒng)完整性不斷修復(fù)的前提下，流域水資源及水環(huán)境系統(tǒng)所能支撐的最大人口數(shù)量和經(jīng)濟(jì)規(guī)模。本文所提出的流域水生態(tài)承載力定義突出了水生態(tài)系統(tǒng)在流域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中的生態(tài)學(xué)意義，具有“分區(qū)、分期”的時(shí)空分異基本屬性和“量、質(zhì)、序”遞進(jìn)綜合約束作用等基本內(nèi)涵，具有區(qū)域性、有限性、動(dòng)態(tài)性和可調(diào)控性等基本特征。

針對(duì)流域水生態(tài)承載力需要基于不同時(shí)空尺度模擬分析流域水生態(tài)承載力時(shí)空差異性變化特征的要求，本文以流域水生態(tài)功能分區(qū)為單元，通過單元內(nèi)部耦合、單元外部耦合及時(shí)間耦合，建立了流域水生態(tài)承載力分區(qū)耦合優(yōu)化調(diào)控系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。

本文以遼河太子河流域?yàn)槔C明“分區(qū)、分期”的流域水生態(tài)承載力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬評(píng)價(jià)模型是可以實(shí)現(xiàn)的，并且能夠揭示流域內(nèi)各生態(tài)功能分區(qū)的承載特征，具有對(duì)流域水生態(tài)承載度過載區(qū)域進(jìn)行識(shí)別和形成較為精確的分區(qū)調(diào)控對(duì)策的潛力，是制定既滿足流域綜合要求，又能體現(xiàn)區(qū)域特點(diǎn)的流域水生態(tài)分區(qū)分期保護(hù)與治理方案的有力工具。

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