馮順新，廖文根，王俊娜

（1.中國水利水電科學研究院 水環(huán)境研究所，北京 100038；2.水利部水利水電規(guī)劃設計總院，北京 100120）

河湖水系連通生態(tài)環(huán)境影響評價概念模型研究

馮順新1，廖文根2，王俊娜1

（1.中國水利水電科學研究院 水環(huán)境研究所，北京 100038；2.水利部水利水電規(guī)劃設計總院，北京 100120）

河湖水系連通是當前重要的水利發(fā)展戰(zhàn)略，是改善水資源配置、抵御水旱災害、進行生態(tài)環(huán)境治理的重要手段，對其影響的評價能為決策提供重要的依據。本文首先討論了河湖水系連通生態(tài)環(huán)境影響評價不同于其他水工程影響評價的若干方面，指出在進行河湖水系連通生態(tài)環(huán)境影響評價時，連通區(qū)獨特的空間結構導致反映同一內涵的指標在受水區(qū)、調水區(qū)及整個連通區(qū)均可能存在閾值，從而可能需要在多個區(qū)域上評價連通的影響；其次，本文提出了在連通區(qū)上評價連通對生態(tài)環(huán)境指標影響的概念模型及基于這種概念模型進行評價的方法；最后，本文討論了本概念模型的局限性以及河湖水系連通影響評價研究需進一步開展的工作。

河湖水系連通；影響；評價；概念模型

1 研究背景

水是支撐人類經濟社會發(fā)展不可或缺的資源。改革開放以來，我國經濟社會發(fā)展取得了舉世矚目的成就，我國的河湖水系為經濟社會發(fā)展提供的支撐功不可沒。但我國水利建設仍存在一系列與經濟社會快速發(fā)展不適應的問題，如防洪減災體系非工程措施薄弱、中小河流治理嚴重滯后、供水不足及生態(tài)環(huán)境用水擠占嚴重等［1］。當前，“水多”、“水少”、“水臟”［2］以及“水渾”的問題并存，水資源、水環(huán)境及水生態(tài)問題日益突出。為確保我國防洪、供水、糧食及生態(tài)安全，必須重新梳理河湖水系關系［1］。另外，生態(tài)文明已被我國納入需著力建設的“五個文明”的范疇，國家和社會對生態(tài)環(huán)境保護的要求也越來越高。為此，水利部提出了河湖水系連通戰(zhàn)略，旨在通過實施河湖水系連通，提高水資源配置能力和承載能力，改善和修復水生態(tài)環(huán)境，降低水旱災害，保障水安全［3-5］。

河湖水系連通并不是新鮮事物，我國歷史上有眾多的河湖水系連通實踐，先秦時修建靈渠、隋唐后興建大運河等都是通過水系連通滿足人類社會航運需求的例子。國內外興建的調水工程如加利福尼亞北水南調、澳大利亞雪山調水工程、歐洲的三角洲治水工程、我國的南水北調、引漢濟渭、滇中調水等工程，都是通過連通（調水可視為連通的一種）改善水資源配置的例子?？偟膩砜矗酝暮雍颠B通往往是零星的、孤立的，功能比較單一。將河湖水系連通作為我國的治水方略則屬于首次，該戰(zhàn)略是水利行業(yè)在我國經濟社會及水利發(fā)展的現(xiàn)行格局下，植根于對我國水資源配置、防汛減災、尤其是河湖及流域生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀及其成因的新認識，在全國范圍內保障水安全及生態(tài)環(huán)境安全的戰(zhàn)略思想和治水方略。在全國范圍內指導水利發(fā)展、具有多重用途、注重因勢利導發(fā)揮河湖水系生態(tài)系統(tǒng)的自然功能、注重環(huán)境生態(tài)綜合治理，是新時期“河湖水系連通戰(zhàn)略”的顯著特點。當河湖水系連通被作為一種戰(zhàn)略提出后，鑒于其對全國水利建設所具有的指導性，對該戰(zhàn)略中所蘊含的科學與技術問題開展深入研究就十分必要。

河湖水系連通戰(zhàn)略的實施還都有不少問題尚待解決。從理論上說，河湖水系連通的類別、特征、功能、作用、影響等都有待研究；從實踐上看，當前不少地方正在實施或規(guī)劃河湖水系連通，如武漢大東湖、桂林兩江四湖、杭州西湖等河湖連通，天津、廣州、鄭州、濟南、濟寧、開封等地的城市河湖水系整治和修復、山西大水網連通等［1］，但水行政管理部門在指導和規(guī)范這些水事行為時，缺乏相應的技術支撐。當前，在河湖水系連通的不少領域如河湖水系連通的定義［5］、特征［5-9］、功能［10-11］、影響［9，12］、格局及歷史演化［13］、連通準則［14］等方面已取得了部分進展，但關于河湖水系“要不要連、能不能連、連了以后怎么樣”等水事決策所非常關心的問題仍未能很好地回答。這3個問題既有區(qū)別又有聯(lián)系，而河湖水系“連了以后怎么樣”，即連通的影響及其評價是最核心的問題。

對水工程的影響評價多采用通過層次分析法建立評價指標體系的方法［15-18］，但當前對河湖水系連通的影響與其他水工程的影響有何不同、對影響該如何評價等問題尚無深入研究。事實上，河湖水系連通的影響評價和一般水工程的影響評價有較大的差別，主要體現(xiàn)在：連通的影響在有緊密水力聯(lián)系的2個子區(qū)域上同時發(fā)生，連通對2個子區(qū)域中需要水資源作支撐的指標（不妨稱為“涉水指標”，如生態(tài)環(huán)境指標）的影響在很多情況下相反。在評價連通的生態(tài)環(huán)境影響時，是應在單個子區(qū)域（以下簡稱“單區(qū)域”）內，還是應在整個連通區(qū)內進行評價，若在單區(qū)域內進行評價，則應在哪個單區(qū)域，采用何種評價方法，若在整個連通區(qū)內進行評價，應則如何表征和評價連通對多個子區(qū)域的綜合影響，這些問題屬于河湖水系連通影響評價乃至河湖水系連通研究不可回避的問題。

本文首先討論河湖水系連通區(qū)的空間結構及其對評價的影響，闡明河湖水系連通生態(tài)環(huán)境影響評價和其他水工程生態(tài)環(huán)境影響評價的不同；然后，建立河湖水系連通在單個區(qū)域上對指標產生影響的概念模型，并由此推導出河湖水系連通在整個連通區(qū)上對單個指標產生影響的概念模型，提出閾值的確定方法；最后，討論所提出的概念模型的局限性，指出后續(xù)研究的方向。鑒于連通所導致的可用水資源量變化對流域生態(tài)系統(tǒng)的脅迫（干擾）及其影響是一個很復雜的問題，當前關于這一問題的研究很少，本文對河湖水系連通影響評價的研究也還只是初步的，旨在給在流域（區(qū)域）尺度上評價河湖水系連通的影響提供一個分析的框架。

2 河湖水系連通生態(tài)環(huán)境影響評價的特點

2.1連通區(qū)的空間結構純粹出于改善生態(tài)環(huán)境這一目的的連通很少，河湖水系連通多有在連通區(qū)內重新配置水資源的目的和作用。連通后，水量在被連通區(qū)域之間的交換可能是單向的（如兩個區(qū)域通過調水通道連通的情形），也可能是交互雙向的（如長江和太湖流域之間的連通），但一般均存在一個主導輸水方向，亦即在平均意義上一般存在經連通通道從某區(qū)域往另一區(qū)域的“凈輸水量”。由于水資源是流域生態(tài)系統(tǒng)及人類社會生存和發(fā)展最重要的支撐條件之一，連通對這兩個區(qū)域的影響在很多時候剛好相反。為此，在一定程度上可將“水量凈調出區(qū)”概化為僅向外輸出水量的“調水區(qū)”，而將“水量凈調入區(qū)”概化為僅接受外來輸水的“受水區(qū)”，由此河湖水系連通后所形成的整個連通區(qū)可認為由調水區(qū)、受水區(qū)和輸水沿線區(qū)域所組成。考慮到過境水流對輸水沿線區(qū)域的影響與對受水區(qū)的影響有相似之處，整個連通區(qū)可更進一步概化為僅由調水區(qū)和受水區(qū)組成。對河湖水系連通生態(tài)環(huán)境影響的評價需在上述3個區(qū)域（調水區(qū)、受水區(qū)及整個連通區(qū)）上進行。

2.2河湖水系連通對生態(tài)環(huán)境的影響機制與其他水工程的不同河湖水系連通對生態(tài)環(huán)境的影響與其他水工程有較大的不同，表現(xiàn)在：（1）河湖水系連通對生態(tài)系統(tǒng)的影響首先表現(xiàn)為“連通”而非阻隔，擴大了連通所涉及生態(tài)系統(tǒng)的特征尺度；筑壩等水工程的影響首先表現(xiàn)為“阻隔”而非連通，一般會縮小河流生態(tài)系統(tǒng)的特征尺度，使生態(tài)系統(tǒng)被分割，生境破碎化。（2）河川徑流就其對生態(tài)環(huán)境的意義而言，其特征一般可分為“量、質及情勢”等3個方面。河湖水系連通的調水效果導致調水區(qū)及受水區(qū)可用水資源量的改變，亦即連通不僅改變河川徑流中的“質”和“情勢”，而且改變“量”；而筑壩等水工程主要改變河川徑流的“情勢”，亦即水文、水溫、含沙量、營養(yǎng)鹽等的過程，其次改變的是“質”如水質（水溫可視為水質的一個內容），在“量”的方面，主要改變泥沙、營養(yǎng)鹽等的量，但不改變水量（可用水資源量）。這意味著其他水工程對生態(tài)環(huán)境的影響主要表現(xiàn)為阻隔、徑流“情勢”及“質”的變化所導致的脅迫；而河湖水系連通對生態(tài)環(huán)境的影響主要變現(xiàn)為連通、徑流“量”的變化所導致的脅迫，而徑流“量”的變化間接導致徑流“情勢”及“質”的變化。

這意味著，在不考慮連通效應對生態(tài)系統(tǒng)之間的“溝通”效應的情形下（如調水型連通）分析河湖水系連通的影響時，首先和主要應從流域（區(qū)域）可用水資源量變化對生態(tài)環(huán)境的脅迫（簡稱“水資源脅迫”）入手進行分析。

2.3河湖水系連通影響及影響評價的空間尺度河湖水系連通的影響范圍（空間尺度）可從2個方面進行說明。河湖處于流域的低地，干支流通過河道的水力聯(lián)系形成樹枝狀的水系。河湖水系連通的影響一方面表現(xiàn)為沿河流廊道及湖泊所產生的影響，另一方面表現(xiàn)為對水系所在流域面上的影響。對前者，連通的影響主要發(fā)生在河流廊道和湖泊內及周邊，且往往發(fā)生在流域（水系）中較低的部位；對后者，人類社會取水導致水資源的輸運不僅僅沿河流廊道發(fā)生，而表現(xiàn)對整個流域面的影響。舉例來說，由于太湖處于流域的低地，太湖流域的高地如西部山區(qū)河流可認為基本不受“引江濟太”調水的影響；但“引江濟太”減緩了太湖流域的水資源緊缺狀況，人類社會從太湖取水并將其用于全流域，調水又在全流域產生了影響?？梢哉J為，河湖水系連通影響范圍的確定不完全是一個技術問題，范圍的確定還受政治經濟社會等因素的影響。

2.4影響評價指標的多重閾值對可定量評價的指標，往往可通過閾值進行評價。在一般水工程影響評價中，定量評價指標時往往僅需考慮一重閾值，如指標的最大值、最小值、臨界值等，很少有需要在多個區(qū)域上考察指標閾值并進行評價的情況。而在河湖水系連通影響評價中，連通對指標的影響在不同區(qū)域上并不相同，可能需在多個區(qū)域上對指標進行評價，從而需在不同區(qū)域上考查指標的閾值是否存在及閾值大小。如何認識和確定指標在不同區(qū)域上的閾值，如何正確看待表征同一內涵的指標在不同區(qū)域上的評價結果，是河湖水系連通影響評價中需要闡明的問題。事實上，在河湖水系連通生態(tài)環(huán)境影響評價中，對可定量評價的指標有可能存在如下兩類閾值：（1）指標在單區(qū)域（調水區(qū)或受水區(qū)）上的閾值，基于該閾值可評價連通在調水區(qū)或受水區(qū)上對指標的（絕對或相對）損害或改善程度；（2）反映指標所表征的屬性在連通區(qū)內（即調水區(qū)和受水區(qū)之間）轉移或重新配置的可接受程度的閾值，基于該閾值可評價連通在整個連通區(qū)內的綜合效益。這種閾值為河湖水系連通影響評價所特有。

在由相互之間存在水力關聯(lián)、連通對指標的影響往往相反的兩個單區(qū)域所組成的整個連通區(qū)內評價水工程（河湖水系連通一般由水工程來實現(xiàn)）的影響，是河湖水系連通生態(tài)環(huán)境影響分析及評價所獨有或表現(xiàn)得尤為突出的問題，對如何開展這種評價迄今尚無深入研究。為此，本文基于恢復生態(tài)學領域對生態(tài)系統(tǒng)退化/修復過程及機理的認識，從流域生態(tài)安全和外界脅迫之間的關系入手，建立連通在單區(qū)域內對（生態(tài)環(huán)境）指標產生影響的概念模型，并將其發(fā)展為連通在整個連通區(qū)內對指標產生影響的概念模型，以刻畫調水量和指標變化之間的關系，實現(xiàn)對指標的評價。

3 單區(qū)域單指標概念模型

3.1生態(tài)系統(tǒng)退化或恢復的概念模型河湖水系連通區(qū)是個很大的范圍，無論是調水區(qū)還是受水區(qū)一般都包含多種不同類型的生態(tài)系統(tǒng)。水資源是生態(tài)系統(tǒng)生存發(fā)展所需的基礎條件之一。連通的調水效果使調水區(qū)及受水區(qū)可用水量發(fā)生變化，從而調水區(qū)及受水區(qū)生態(tài)系統(tǒng)必然受到干擾或脅迫。了解在干擾條件下流域生態(tài)系統(tǒng)的演化特征對認識河湖水系連通的生態(tài)環(huán)境影響具有重要意義。

當前，生態(tài)系統(tǒng)的“多穩(wěn)態(tài)”（multiple stable states或alternative stable states）概念已為恢復生態(tài)學所廣泛接受［19-24］。所謂多穩(wěn)態(tài)，是指生態(tài)系統(tǒng)在動態(tài)過程中可能存在多個穩(wěn)定狀態(tài)，生態(tài)系統(tǒng)在不同狀態(tài)間的變化很多時候是非線性的。在認識到生態(tài)系統(tǒng)的多穩(wěn)態(tài)后，研究者提出了關于生態(tài)系統(tǒng)退化或恢復的多種概念模型。Hobbs等［25］提出了退化生態(tài)系統(tǒng)恢復的臨界閾值理論（圖1）。當前關于生態(tài)系統(tǒng)退化或恢復的“狀態(tài)和過渡模型”（State-and-Transition Model）［26］（圖2）得到了廣泛的認可，該模型反映了生態(tài)系統(tǒng)在多個穩(wěn)態(tài)之間的非線性變化，認為在不同穩(wěn)態(tài)之間存在閾值，當生態(tài)系統(tǒng)結構和功能的變化受外界的影響越過一定閾值時，該生態(tài)系統(tǒng)就會實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的轉換。當然，任一生態(tài)系統(tǒng)可能同時具有穩(wěn)態(tài)內的線性漸變過程和穩(wěn)態(tài)之間的非線性變化過程，狀態(tài)和過渡模型能同時包容這兩種過程［23-28］。Whisenant［26］認為，生態(tài)系統(tǒng)退化與恢復過程中應認識到兩類閾值，一類由生物相互作用所控制，另一類由非生物相互作用所控制，生態(tài)恢復只需要通過人為干預改變系統(tǒng)生物結構來跨越前者，但必須通過人為干預以改變物理環(huán)境結構來跨越后者。

圖1 退化生態(tài)系統(tǒng)恢復的臨界閾值理論（任海，等［27］根據文獻［25］改繪）

圖2 狀態(tài)與過渡模型（根據文獻［26］重繪）

多穩(wěn)態(tài)的識別、穩(wěn)態(tài)之間轉換指標、指標閾值及其檢測、判定等問題是恢復生態(tài)學的研究熱點［22，24，29-30］，當前對海洋、濕地、湖泊［24］、草地［21，26］等生態(tài)系統(tǒng)都已發(fā)現(xiàn)了多穩(wěn)態(tài)的存在。Bestely?meyer［31］在評論多穩(wěn)態(tài)理論在草原生態(tài)研究中的應用時認為，可將閾值劃分為3種：格局閾值（pattern threshold）、過程閾值（process threshold）及退化閾值（degradation threshold），這3者可作為生態(tài)恢復時識別狀態(tài)的閾值，而僅格局閾值可作為預防生態(tài)系統(tǒng)退化時的閾值。對陸地景觀，當前已有一些方法來識別不同穩(wěn)態(tài)之間轉換的閾值［32-33］，但對河流生態(tài)系統(tǒng)而言，當前的成果還較少。從總體上看，即使對類型相對單一的生態(tài)系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)之間轉換閾值的表征及確定方法還處在探索中，穩(wěn)態(tài)識別和閾值確定都還屬于較難的問題。

3.2流域生態(tài)系統(tǒng)在水資源脅迫下退化或恢復過程概化在評價河湖水系連通的生態(tài)環(huán)境影響時，需要了解在水資源脅迫下連通區(qū)內生態(tài)系統(tǒng)如何恢復或退化。上文中的狀態(tài)與過渡模型一般是針對單一類型（如草地、林地）生態(tài)系統(tǒng)，而連通影響區(qū)一般為多個數量、多種類型生態(tài)系統(tǒng)的鑲嵌體，狀態(tài)與過渡模型描述的生態(tài)系統(tǒng)與河湖水系連通影響研究所針對的生態(tài)系統(tǒng)在尺度上不匹配。后者實際上是“流域生態(tài)系統(tǒng)”，為此，在河湖水系連通生態(tài)影響研究中，有必要引入或發(fā)展流域生態(tài)學［34-35］相關概念和方法。

Hobbs等［25］以及Hobbs等［36］在對生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)和過渡模型進行討論后，也強調了在流域和區(qū)域尺度發(fā)展有效的生態(tài)恢復方法的重要性。Hobbs等［36］認為，鑒于對很多生態(tài)系統(tǒng)都存在狀態(tài)和過渡模型中所包含的閾值類型，可假定在流域（或區(qū)域）尺度上也存在類似的閾值，亦即狀態(tài)和過渡模型亦可用于流域（或區(qū)域）生態(tài)系統(tǒng)（圖3），其中一類閾值與生境破碎化或生境改變所導致的生物連接度損失有關，另一類閾值和景觀物理過程的大尺度改變（如水文變化）有關。

圖3 流域（或區(qū)域）尺度生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)和過渡模型（根據文獻［36］重繪）

需要說明的是，圖2和圖3表征的是生態(tài)系統(tǒng)功能/健康水平和生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)之間的關系（圖2對應較簡單的生態(tài)系統(tǒng)如草地生態(tài)系統(tǒng)，或者對應尺度較大的流域/區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)），而不是前者與生態(tài)系統(tǒng)所受的脅迫之間的關系。生態(tài)系統(tǒng)的退化狀態(tài)（或程度）與外界脅迫的強度有密切的關系，一般而言，脅迫越強，生態(tài)系統(tǒng)越容易發(fā)生退化，從而圖2和圖3中的橫坐標也可以用生態(tài)系統(tǒng)脅迫強度來替代。由于河湖水系連通（在不考慮“連通”效應而僅考慮水資源配置效果時）對連通區(qū)生態(tài)環(huán)境影響的脅迫主要表現(xiàn)為水資源脅迫，為研究其影響需建立生態(tài)系統(tǒng)功能/健康水平和水資源脅迫（這里可用“調水量”來表征）之間的關系。

如上文所述，當前對水資源脅迫和流域生態(tài)系統(tǒng)響應之間關系的研究還很不成熟，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)轉換及閾值識別從總體上看還比較難，在河湖水系連通影響評價研究中對上述模型尚難以直接應用，但這些模型所反映的在外界脅迫下生態(tài)系統(tǒng)退化的基本趨勢值得借鑒。為此，可對圖3中的生態(tài)系統(tǒng)功能/健康水平退化過程（實質上為生態(tài)系統(tǒng)多穩(wěn)態(tài)恢復/退化過程）進行近似或擬合，獲得圖3中的光滑曲線ABCDE，以反映外界脅迫下流域生態(tài)系統(tǒng)退化或恢復的總體特征。曲線中AB段表征生態(tài)系統(tǒng)基本未受擾動的初始穩(wěn)態(tài)；BC段是沿用單穩(wěn)態(tài)概念對受生物間相互作用控制的生態(tài)系統(tǒng)多穩(wěn)態(tài)退化過程的概化（或者說平均）；CD段表征外界脅迫強度超過臨界值后生態(tài)系統(tǒng)的急劇退化過程，非生物因子在這種退化過程中起主導作用；DE段表示生態(tài)系統(tǒng)急劇退化后的破壞狀態(tài)，此時生態(tài)系統(tǒng)功能/健康水平極低，生態(tài)恢復需較大努力且需對物理環(huán)境進行改造。在一定強度的外界脅迫下，生態(tài)系統(tǒng)功能/健康水平能基本不變（圖3的AB段）或處于較平緩的退化狀態(tài)（圖3的BC段），是河湖水系連通在對調水區(qū)和受水區(qū)的生態(tài)環(huán)境影響方面能達到“雙贏”的生態(tài)學基礎。相關研究提出的生態(tài)系統(tǒng)安全度與人類脅迫強度之間的關系［18］與曲線ABCDE較為類似。

3.3調水區(qū)單指標概念模型水是支持生態(tài)系統(tǒng)及人類社會生存發(fā)展最基礎的要素之一，連通的調水效應（以及對水質、水文節(jié)律的改變）對調水區(qū)是一種脅迫，從而圖3所示的概化模型用于描述調水區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能/健康水平在水資源脅迫下的退化也是成立的。為此，可建立服務于連通生態(tài)環(huán)境影響評價的“調水區(qū)單指標概念模型”。在建立這種模型之前，有幾個問題需要說明。

（1）水資源屬性。水資源就其屬性來說，具有水量、水質和水文情勢（過程）等3個方面。就對流域生態(tài)系統(tǒng)的影響（或支持作用）而言，水量是最基礎和最重要的。沒有一定的水量，也就無法保障流域生態(tài)系統(tǒng)所需的水文過程及水分條件。因此，調水對生態(tài)系統(tǒng)的脅迫首先和主要表現(xiàn)為“調水量”增減對生態(tài)系統(tǒng)的脅迫。

（2）生態(tài)系統(tǒng)功能/健康水平的表征。生態(tài)系統(tǒng)（如河流）的功能/健康水平表現(xiàn)在多個方面，可通過諸多指標來表征［18，37］，常用的有水質類別、水功能區(qū)達標率、富營養(yǎng)化指數、生態(tài)基流保證率等。由于諸多因素的影響，這些指標隨連通度（調水量）的變化很可能不與生態(tài)系統(tǒng)功能/健康水平的變化同步。

為此，這里引入一種簡化，將調水量視為河湖水系連通過程中調水區(qū)生態(tài)系統(tǒng)所受的主要脅迫而暫不考慮水質和水文過程，并設想有某種能刻畫調水區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能/健康水平并與之同步（同相位）變化的指標，參考圖3所示的曲線，建立反映調水區(qū)內單指標和調水量之間關系的概念模型（簡稱“調水區(qū)單指標概念模型”，圖4（a））。該模型表明，當所選指標和生態(tài)系統(tǒng)功能/健康水平的變化同步時，和圖3對應，B點所對應的脅迫強度即為使生態(tài)系統(tǒng)開始進入退化狀態(tài)的調水量，C點對應于使生態(tài)系統(tǒng)開始進入急劇破壞狀態(tài)的調水量，D點為使生態(tài)系統(tǒng)功能/健康水平急劇受損、系統(tǒng)功能及健康水平處于較低狀態(tài)的調水量，E點為使生態(tài)系統(tǒng)崩潰、系統(tǒng)功能趨于完全喪失的調水量，而確定這幾個點所對應的調水量xm、x0和x1就成為使用該概念模型進行評價所需解決的關鍵問題。從理論上說，這些值應基于長期的連通（調水）實驗，依據對生態(tài)系統(tǒng)演化過程的系統(tǒng)觀測來確定；但鑒于生態(tài)系統(tǒng)自身演化及影響因素的復雜性，這一方法并不現(xiàn)實。從現(xiàn)有的認識水平出發(fā)，可借助和水資源論證相關的若干概念并輔以部分假定確定這幾個值。

圖4 調水區(qū)單指標概念模型

在水資源論證中，有地表水資源量、地下水資源量、水資源總量［18］、供水量、用水量、生活用水、工業(yè)用水、農業(yè)用水、水資源開發(fā)利用率、水資源可利用量、生態(tài)環(huán)境用水量等概念，其中水資源可利用量是在保障流域生態(tài)安全和水資源可持續(xù)利用的前提下，一個流域或區(qū)域的當地水資源中，可供河道外經濟社會系統(tǒng)開發(fā)利用消耗的最大水量（按不重復水量計算，即流域或區(qū)域的凈耗水量加調出流域或區(qū)域的調水量），即水資源承載能力；將水資源總量中扣除水資源可利用總量，剩余的水資源則為河流及地下水系統(tǒng)的“總生態(tài)環(huán)境用水量”［38］。基于這些概念，可考慮按如下方式確定xm、x0和x1。

xm=水資源總量-河流及地下水生態(tài)系統(tǒng)的“總生態(tài)環(huán)境用水量”-用水量=水資源可利用總量-用水量，可稱為“可調水量”。當調水量小于xm時，從水資源的角度看，“總生態(tài)環(huán)境用水量”始終得到保障，從而指標-調水量關系曲線處于圖4（a）的AB段。

x1=水資源總量-用水量=可調水量+河流及地下水生態(tài)系統(tǒng)的“總生態(tài)環(huán)境用水量”，為在保障人類社會用水后的“極限調水量”。當調水量為x1時，僅人類社會用水量得到保障，支持生態(tài)系統(tǒng)的水量為零，從而生態(tài)系統(tǒng)功能/健康水平為零。

x0為使生態(tài)系統(tǒng)開始進入急劇破壞狀態(tài)的臨界調水量。

顯然，x1-xm=河流及地下水生態(tài)系統(tǒng)的“總生態(tài)環(huán)境用水量”。圖4（a）中調水量由xm增加到x1的過程也是生態(tài)系統(tǒng)逐步被破壞的過程，具體來說圖4（a）中指標隨調水量變化的關系曲線可分為如下幾段：（1）調水量小于xm的階段（曲線段AB）。此時由于調水沒有影響“總生態(tài)環(huán)境用水量”（從水資源論證的角度看），調水對調水區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能/健康水平的影響很小，生態(tài)系統(tǒng)處于初始穩(wěn)態(tài)；（2）調水量介于xm和x0之間的階段（曲線段BC）。此時，由于調水量已超過“可調水量”（即不影響生態(tài)環(huán)境條件下的最大調水量），“總生態(tài)環(huán)境用水量”受到了影響，調水區(qū)生態(tài)系統(tǒng)受到調水的脅迫。隨著調水量的增加，調水區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能/健康水平持續(xù)退化；（3）調水量大于x0的階段（曲線段CDE）。生態(tài)系統(tǒng)功能/健康水平隨調水量的增加而急劇受損（CD段），當生態(tài)系統(tǒng)功能/健康水平處于較低水平后，調水量增加對生態(tài)系統(tǒng)破壞的邊際作用遞減（DE段）；當“可調水量”及“總生態(tài)環(huán)境用水量”全部被調走（此時調水量為x1）后，生態(tài)系統(tǒng)支持水量為零，生態(tài)系統(tǒng)功能完全喪失；圖4（a）考察的是指標值和調水量之間的關系。指標值“變化”（即所考察的指標在有、無調水時的差值）與調水量之間的關系見圖4（b）。從圖中可知，由于調水使支持調水區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的水量減少，其對調水區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能/健康水平（從而所考察指標）的影響是負面的。

圖4中x0的值有待通過研究確定。當前對曲線ABCDE的性質尚無深入的認識，作為初步研究，可將曲線ABCDE視為至少一階導數連續(xù)的光滑曲線，而將C點視為該曲線的拐點。參考該曲線的特性，可引入合適的數學函數對該曲線分段進行描述：曲線段AB可用冪函數y=-k1xm(m ＞0)近似；BC段可用指數函數y=k2ek3x+k4近似；CDE段可用雙曲正切函數y=th(k5x)+k6近似。由于假定曲線ABCDE光滑，相鄰曲線段的連接點需滿足函數及一階導數連續(xù)這兩個條件。

圖4中的指標在調水區(qū)具有隨調水量增加而逐步減小的特征，水功能區(qū)達標率、生態(tài)基流保證率等均屬于此類指標。調水區(qū)的其他部分指標如河湖富營養(yǎng)化指數、水質等級等一般隨調水量的增加而增加。對這些指標可在適當的變換后再用圖4所示的模型進行討論，從而該模型不失一般性。

3.4受水區(qū)單指標概念模型在受水區(qū)，所評價指標隨連通度（調水量）變化的特征與調水區(qū)的情形有較大的不同。由于我國多數地區(qū)水資源較為緊缺，當調水量在一定限度內時，連通的調水效應體現(xiàn)為受水區(qū)水資源脅迫的緩解，從而受水區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能/健康狀態(tài)與調水量的關系曲線類似于圖3中的AB段（但變化趨勢相反），生態(tài)系統(tǒng)仍處于較為健康的初始穩(wěn)態(tài)。當調水量超過一定限度時，受水區(qū)生態(tài)系統(tǒng)由“旱”轉“澇”，轉而受調水量過量的脅迫。受水區(qū)地下水位過高、土壤鹽堿化等都是調水過量對受水區(qū)生態(tài)系統(tǒng)產生脅迫的例子。鑒于調水量過大的情況在我國較少發(fā)生，本文暫認為調水量的增加會提高受水區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)功能/健康水平，亦即認為調水對受水區(qū)的影響遵循圖5（a）所示的受水區(qū)單指標概念模型。該圖表明，在調水量從零開始增加的階段，調水對受水區(qū)所評價指標的影響為正面，影響也比較顯著，指標-調水量關系曲線具有較大的斜率；隨著調水量的進一步增加，調水對指標的邊際影響遞減，當調水量足夠大后調水的邊際影響趨于零，指標趨近于一個定值。指標值“變化”與調水量之間的關系見圖5（b），該曲線可近似地用雙曲正切函數y=k7th(x)描述。

需要說明的是，圖4和圖5中的調水量事實上是“年調水量”的概念，二圖表征的是“（年）調水量”和評價指標的對應關系，調水量的增加意味著“一年總調水量”的增加，而不是一年之內調水量隨調水歷時的增加。

圖5 受水區(qū)單指標概念模型

3.5連通區(qū)單指標概念模型河湖水系連通在諸多方面對調水區(qū)和受水區(qū)產生相反的影響，從而僅在單區(qū)域上對連通的影響進行評價時，所得的評價結論是片面的。在評價河湖水系連通的影響時，不僅應考慮連通在單區(qū)域（調水區(qū)或受水區(qū)）上的影響，還應更進一步，考慮連通在整個連通區(qū)上的綜合影響?；趫D4和圖5所示的概念模型，可建立在整個連通區(qū)上評價連通對某個指標影響的概念模型。

圖6為反映整個連通區(qū)內單指標和連通度（調水量）關系的概念模型（簡稱“連通區(qū)單指標概念模型”），圖中位于第一、四象限的實線分別為受水區(qū)、調水區(qū)內“指標變化”和調水量間的關系曲線，而虛線ABCDE表征在（整個）連通區(qū)內對指標進行評價時，“指標變化”和調水量間的關系。

圖6 連通區(qū)單指標概念模型

顯然，虛線ABCDE所對應的y值應為“受水區(qū)內指標變化”和“調水區(qū)內指標變化”某種形式的加權。之所以要加權，是因為調水區(qū)和受水區(qū)在區(qū)域面積、水體數量、水功能區(qū)數量等諸多方面往往有較大不同。本文討論的是概念模型，將調水區(qū)和受水區(qū)的權重取為相同并不影響對概念模型的理解，因此在圖6（a）中虛線ABCDE所對應的函數值為調水區(qū)、受水區(qū)相應曲線所對應函數值的代數和。為與之前的表述有所區(qū)別，在下文中將圖6（a）中虛線所示的指標稱為“加權單指標變化”。

圖6（a）對應的是調水對調水區(qū)、受水區(qū)影響的量級基本相當的情況。當調水區(qū)水量極其充沛、從而調水對調水區(qū)影響較小（如“引江濟太”調水）時，圖6（a）中的曲線ABCDE相對于其他曲線會整體向右延伸，從而“加權單指標變化”隨調水量變化的曲線更接近圖6（b）所示的形式。與圖6（a）比較后可知，圖6（b）中的虛線可視為與圖6（a）的曲線段AB相對應。因此，圖6（a）所示的概念模型也適用于調水區(qū)水量極其充沛的情形，從而具有一般性。

4 閾值的確定

評價連通對單個生態(tài)環(huán)境指標的影響是評價河湖水系連通綜合影響的基礎。在影響評價中，可能要確定指標在3個區(qū)域上的閾值：在單區(qū)域（調水區(qū)、受水區(qū)）內的閾值以及在整個連通區(qū)內的閾值。

4.1指標在單區(qū)域內的閾值指標在單區(qū)域內的閾值包括在調水區(qū)和在受水區(qū)的閾值。這些閾值有可能要分下面兩類。

（1）表征單區(qū)域內指標絕對值的可接受程度的閾值。連通的調水效果減少了調水區(qū)的可用水量，從而連通對調水區(qū)的影響更易表現(xiàn)為決定連通是否可行的控制性因素。這是由于調水區(qū)和受水區(qū)均是人類社會及生態(tài)系統(tǒng)的載體，調水區(qū)社會對連通導致的資源環(huán)境損失的承受能力有限度。舉例來說，連通的調水效果可能導致調水區(qū)水體納污能力減小、水質變差。假設一種極端情況，即連通使調水區(qū)平均水質或部分區(qū)域的水質由Ⅲ類變?yōu)閂類或劣V類，則很難想象調水區(qū)社會能長期接受這種連通。此時，指標在調水區(qū)內的閾值就表現(xiàn)為指標的某個絕對值，如黃烈敏等［39］在對南水北調西線調水區(qū)生態(tài)調控閾值進行研究時，從保護目標的生態(tài)需水出發(fā)所確定的各控制斷面在各水期的生態(tài)基流就屬于這種類型的閾值。

在受水區(qū)也可能存在絕對值形式的閾值。例如，連通有可能引起受水區(qū)（淺層）地下水位的抬升，使土壤發(fā)生鹽堿化或對農作物生長產生不利影響。此時，避免土壤鹽堿化、不影響農作物生長的地下水埋深臨界值這一“絕對值”就可能成為相應指標的閾值，如有研究認為，在我國西北地區(qū)為防止植被退化和生態(tài)環(huán)境惡化，在喬木、灌木分布區(qū)，潛水埋深不能大于6～7 m，而在草甸分布區(qū)潛水埋深不能大于2～3 m［18］。

（2）表征連通前后單區(qū)域內“指標變化”的可接受程度的閾值。調水區(qū)對指標所表征屬性惡化的容忍程度也可能與受水區(qū)該指標的改善程度有關，即調水區(qū)社會有可能依據調水區(qū)、受水區(qū)之間該指標的相對變化來決定自己對指標變化的容忍程度（閾值）。如果這種閾值存在的話，它是一種從“公平”的角度出發(fā)表現(xiàn)出來的閾值。這種閾值存在性、如何確定等都有待進一步研究。

單區(qū)域內指標的閾值確定后，即可基于閾值對指標進行定量評價［18］。

4.2指標在連通區(qū)內的閾值該如何評價連通在整個連通區(qū)內對特定生態(tài)環(huán)境指標的綜合影響？什么是可接受的連通？什么是最優(yōu)的連通？什么是影響大，什么是影響小？什么是指標的閾值？當前對這些問題尚無現(xiàn)成的答案。我們認為可按下文的思路回答上述問題。

在僅考慮單指標時，設對特定生態(tài)環(huán)境指標的評價結果位于區(qū)間［-1，1］：

（1）認為河湖水系連通的目的是（通過合理的調水規(guī)模）使連通對指標的綜合影響最優(yōu)（最正面），即認為當調水使“加權單指標變化”對應于曲線A′B′C′D′E′上的B′點（即x=xm）時，連通對指標的影響最優(yōu)，效益最大，連通對指標影響的評價得分為IP（xm）=1。

（2）當調水量x=0時，連通在連通區(qū)內對指標的綜合影響為零（圖6（a）中的A點），連通對指標影響的評價得分為IP（0）=0。

（3）當調水量足夠大、從而使“加權單指標變化”再次為零時（和圖6（a）中虛線和x軸的交點相對應，此時x=x2），x2相對于x0有兩種情況：（a）當x2位于x0左側或二者重合時，IP（x2）=0；（b）若x2位于x0右側時，認為IP（x0）=0。這是基于如下價值標準：當調水使調水區(qū)生態(tài)系統(tǒng)急劇破壞時，即使基于圖6（a）“加權單指標變化”為正，調水也被認為是不可接受的。

閾值確定后，即可通過插值的方法對指標進行評價。

上文討論的是如何評價河湖水系連通對單指標的影響。為綜合評價河湖水系連通的影響，一般需考慮連通影響的多個方面（如經濟、社會、環(huán)境、生態(tài)、景觀、文化等）建立評價指標體系。這是另外的研究所應關注的內容，在此不予討論。

5 討論和結論

本文對河湖水系連通生態(tài)環(huán)境影響評價中的若干基礎性問題進行了探討。分析了河湖水系連通區(qū)的空間結構，認為這種空間結構導致河湖水系連通生態(tài)環(huán)境影響評價和其他水工程影響評價有重要的不同，即可定量評價的指標可能存在兩類閾值：在調水區(qū)、受水區(qū)上的閾值，以及表征指標所描述的屬性或特征在整個連通區(qū)內轉移或重新配置之可接受程度的閾值。后者可能為河湖水系連通影響評價所特有。為實現(xiàn)在整個連通區(qū)內對指標的評價，本文從恢復生態(tài)學相關理論出發(fā)，將調水量視為連通對生態(tài)系統(tǒng)產生的最主要的脅迫，提出了表征調水量與生態(tài)系統(tǒng)功能/健康相關指標之間關系的概念模型，考察了概念模型的特征，提出了對指標的評價方法。

需要說明的是，由于河湖水系連通生態(tài)環(huán)境影響的復雜性，本文在提煉相關概念模型時應用了一系列假定：（1）將可能雙向的連通概化為具有主導輸水方向的調水型連通，將整個連通區(qū)概化為主要由調水區(qū)、受水區(qū)組成；（2）將生態(tài)系統(tǒng)實際上的“多穩(wěn)態(tài)”退化或恢復過程簡化為單穩(wěn)態(tài)的、光滑退化或恢復過程；（3）將流域生態(tài)系統(tǒng)假定為僅受年調水量的脅迫而不考慮水質水量過程；（4）將所討論的指標視為所在區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能/健康水平的表征之一，認為隨調水量的變化，指標變化與生態(tài)系統(tǒng)功能/健康水平的變化同步；（5）對調水對受水區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的脅迫進行了簡化處理，而實際上，該過程可能更為復雜；（6）（當僅考慮單指標時）將河湖水系連通的目的視為使“加權單指標變化”在連通區(qū)最大，認為使“加權單指標變化”最大的調水量（或者說連通）最優(yōu)。

本文建立的概念模型是針對調水型連通的。調水型連通是一種連通關系最簡單的連通。從這個意義上說，本文所建立的概念模型提供了一個分析河湖水系連通之生態(tài)環(huán)境影響的框架（路線圖），可作為進一步研究其他類型連通影響的基礎。為進一步推進河湖水系連通影響評價研究，有若干問題值得進一步討論：

（1）如何更合理地反映連通的脅迫。當前的概念模型使用“年調水量”作為脅迫因子，年調水量實際上是以年為時間尺度的水文過程，這個時間尺度難以反映生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)在敏感期對水分的需求以及調水在敏感期的影響。同等年調水量條件下，水文過程中可能包括反映各種環(huán)境/生態(tài)水文需求（如河岸植被種子傳播、魚類繁殖、改善水環(huán)境的水文需求）的水文組分，也可能沒有。為此，可基于連通區(qū)具有代表性的生態(tài)環(huán)境保護需求，針對環(huán)境/生態(tài)敏感過程，設定敏感期并考察敏感生態(tài)需水過程，在較小的時間尺度上借鑒本文所建立的概念模型開展評價。此外，在同等調水量情況下，連通可能是單向的連通（純粹的調水），也可能是通過平原河網維持的雙向連通。如何通過合適的概念模型描述后一種情況的影響，是有待進一步研究的問題。

（2）如何更好地反映受水區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的退化或恢復過程。受水區(qū)水量過多也是一種脅迫。在這種情況下生態(tài)系統(tǒng)功能/健康水平如何隨調水量變化尚待研究。

（3）如何獲得概念模型中的光滑曲線ABCDE。在應用本文所建立的概念模型評價連通對指標的影響時，需要知道概念模型中相應曲線的解析表達式。鑒于河湖水系連通問題的復雜性，很難依靠現(xiàn)場觀測獲得曲線的解析表達式，很可能需要建立調水或受水區(qū)水文、水質及生態(tài)數學模型開展系統(tǒng)的數值模擬，獲得離散點后通過的擬合來確定曲線的形式。

（4）如何合理地界定河湖水系連通的影響范圍。調水區(qū)和受水區(qū)范圍的界定直接影響指標加權時的權重。當前，對影響范圍的界定具有很大的任意性，如何縮小這種任意性是需要研究的問題之一。

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Investigation into the conceptual model for evaluating the environmental and ecological impacts of River and Lake System Interconnection

FENG Shunxin1，LIAO Wengen2，WANG Junna1
（1.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China；2.General Institute of Water Resources and Hydropower Planning and Design，Ministry of Water Resources，Beijing 100120，China）

River and Lake System Interconnection（RLSI）is an important strategy employed presently for water resources management.It is also a key measure for improving the capacity of water resources alloca?tion，enhancing flood and drought control and improving eco-environment.The evaluation of the environmen?tal and ecological impacts of RLSI can provide a good basis for the decision-making concerning RLSI.In this paper，several aspects of the impact evaluation of RLSI different from those of other types of water projects were discussed.It was pointed out that the specific space structure of the connected region may re?sult in multiple threshold values of an environmental or ecological impact evaluation index.A conceptual model was proposed for the evaluatlon of the environmental and ecological impacts of RLSI in the whole connected region，as well as the evaluation method based on this model.The limitations of the conceptual model and the perspectives in the impact evaluation of RLSI were discussed finally.

River and Lake System Interconnection（RLSI）；impact；evaluation；conceptual model

TV213.4

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2017.01.003

1672-3031（2017）01-0018-12

（責任編輯：韓 昆）

2016-08-13

水利部公益性行業(yè)科研專項（201501030）；水利部中央水利前期工作項目（2010518）

馮順新（1973-），男，湖北仙桃人，博士，高級工程師，主要從事環(huán)境與生態(tài)水力學及水工程的生態(tài)環(huán)境影響研究。E-mail：fengsx@iwhr.com