孫佳樂， 王 穎， 辛?xí)x峰

(1.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室， 陜西 西安 710048; 2.博元生態(tài)修復(fù)(北京)有限公司， 北京 100082)

1 研究背景

流域水生態(tài)承載力[1-3]( WECC) 是在水環(huán)境承載力[4-5]和水資源承載力[6-8]研究基礎(chǔ)上發(fā)展起來旨在為流域水生態(tài)系統(tǒng)綜合管理提供科學(xué)依據(jù)，是一個具有自然和社會雙重屬性的自然科學(xué)與社會科學(xué)的綜合概念，然而目前對于該概念仍未形成一個統(tǒng)一的認識,研究方法也在探索之中[9-12]。大多研究采用系統(tǒng)動力學(xué)法、指標(biāo)體系評價法、生態(tài)足跡法、多目標(biāo)優(yōu)化法及資源供需平衡法，其中系統(tǒng)動力學(xué)法應(yīng)用最為廣泛。系統(tǒng)動力學(xué)模型的實質(zhì)是帶時滯的一階微分方程組，可以便利地處理非線性和時變現(xiàn)象，對于社會發(fā)展、經(jīng)濟建設(shè)、資源保護、生態(tài)建設(shè)等等有重要意義，被譽為復(fù)雜系統(tǒng)的“戰(zhàn)略與策略實驗室”[13]。利用建立好的系統(tǒng)動力學(xué)模型模擬分析各個發(fā)展方案，在此基礎(chǔ)上預(yù)測決策變量，并將其看作評價指標(biāo)，即可利用指標(biāo)評價方法，最終通過比較獲得最優(yōu)的發(fā)展方案和生態(tài)承載能力。如Randhir等[14]利用系統(tǒng)動力學(xué)模型和情景分析對哈特菲爾德河流流域的土地利用和水生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)關(guān)系進行了模擬分析。Hassanzadeh等[15]建立伊朗烏爾米耶湖的系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型，模擬分析了湖泊水位變化對湖泊環(huán)境造成的影響。王西琴等[16]利用vensim軟件建立了SD模型對常州市水生態(tài)承載力進行了模擬和預(yù)測，并利用投影尋蹤法對5種情景方案進行了優(yōu)化選擇。李靖等[13]、李珊[17]利用系統(tǒng)動力學(xué)模型對太子河流域水生態(tài)承載力進行了動態(tài)模擬分析。本文以漢江流域上游(陜西段)為例，結(jié)合層次分析法、系統(tǒng)動力學(xué)和隸屬度法建立漢江流域上游(陜西段)水生態(tài)承載力量化模型，對水生態(tài)承載力進行評估，旨在使生態(tài)環(huán)境受到最小影響的前提下,最大規(guī)模的發(fā)展社會經(jīng)濟。

2 漢江上游流域概況

2.1 自然經(jīng)濟概況

漢江上游北依秦嶺，南障巴山、米倉山，西與嘉陵江為鄰，其源頭位于陜西省寧強縣米倉山西端的嶓冢山。漢江上游干流在陜西境內(nèi)長709 km，東西貫穿，流域面積近60 000 km2，沿岸流經(jīng)共13個城市和縣區(qū)，包括漢中、石泉、安康、旬陽以及南鄭等。流域水資源較豐富，但有年內(nèi)和地域分布不均現(xiàn)象，其平均產(chǎn)流模數(shù)42.645×104m3/(a·km2)，多年平均降水量和多年平均降水總量分別為914.1 mm和569.17×108m3，地表水徑流量和淺層地下水資源量分別為265.52×108和71.84×108m3。漢江上游流域支流密布，水系呈現(xiàn)羽狀排列，左岸和右岸和流域面積占全流域面積的分別為60%和40%，統(tǒng)計梯級河段沿岸主要支流30條。

漢江在陜西段流域內(nèi)出現(xiàn)污染物的城市為寶雞、漢中、安康與商洛。重點污染城市為安康與漢中，排污口或排污支流排放的大部分有機污染物是COD和NH3—N，2000年安康市COD年排放量40 696.1 t，NH3—N年排放量2 427.7 t。漢中市COD年排放量16 718 t，NH3—N年排放量1 856 t，其中漢臺區(qū)COD和NH3—N的排放量最大，分別為3 012 和373 t；安康市COD年排放量11 307 t，NH3—N年排放量1 170 t，其中漢濱區(qū)COD和NH3—N排放量最大，分別為4 976和600 t。

2.2 水功能區(qū)劃分

本文以陜西省人民政府辦公廳頒發(fā)的[2004]100號《陜西省人民政府辦公廳文件陜西省水功能區(qū)劃》[18]為基礎(chǔ)，綜合考慮流域的實際情況，將漢江上游(陜西段)流域劃分為15個水功能區(qū)，如表1所示。

表1 漢江上游(陜西段)流域水功能分區(qū)

3 水生態(tài)承載力指標(biāo)體系建立

3.1 指標(biāo)的選取

根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者在水資源、水環(huán)境、水生態(tài)承載力指標(biāo)體系的相關(guān)研究成果，在水生態(tài)承載力概念、內(nèi)涵和影響因素的基礎(chǔ)上，結(jié)合漢江上游陜西段社會經(jīng)濟、自然生態(tài)環(huán)境特征，依據(jù)水生態(tài)系統(tǒng)的DPSIR概念框架，協(xié)助建立漢江上游陜西段的水生態(tài)承載力評價指標(biāo)體系，從驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、影響、響應(yīng)五個部分進行描述。采用目標(biāo)分層法，建立水生態(tài)承載力指標(biāo)體系的多級遞階結(jié)構(gòu)，如圖1。

指標(biāo)層包括了水資源系統(tǒng)指標(biāo)、水環(huán)境系統(tǒng)指標(biāo)、水生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)和社會經(jīng)濟系統(tǒng)指標(biāo)，綜合考慮承載體與受載體間彼此依賴與制約的特征，并明確了指標(biāo)體系的層次，在準(zhǔn)則層的基礎(chǔ)上對目標(biāo)層加以分析，系統(tǒng)性的將人口、經(jīng)濟、社會與資源和生態(tài)環(huán)境等描述出來，展示其優(yōu)點與特色，以期能更好的反映復(fù)合系統(tǒng)的水生態(tài)承載力。

3.2 指標(biāo)權(quán)重的確定

根據(jù)上述所建立的漢江上游陜西段的水生態(tài)承載力評價指標(biāo)體系，采用yaahp軟件確定各個要素的權(quán)重，構(gòu)造判斷矩陣，計算一致性比率(CR)。

圖1 漢江上游(陜西段)水生態(tài)承載力評價指標(biāo)體系圖

設(shè)水生態(tài)承載力為A，驅(qū)動力指標(biāo)為B1、壓力指標(biāo)為B2、狀態(tài)指標(biāo)為B3、影響指標(biāo)為B4、響應(yīng)指標(biāo)為B5，水生態(tài)承載力權(quán)重判斷矩陣如表2，其中CR=0.0816<0.1，滿足一致性要求。

表2 水生態(tài)承載力權(quán)重判斷矩陣

在驅(qū)動力子系統(tǒng)指標(biāo)體系中，設(shè)人口自然增長率為C1，人均GDP為C2，驅(qū)動力子系統(tǒng)指標(biāo)權(quán)重判斷矩陣如表3，其中CR=0<0.1，滿足一致性要求。

表3 驅(qū)動力子系統(tǒng)指標(biāo)權(quán)重判斷矩陣

在壓力子系統(tǒng)指標(biāo)體系中，設(shè)生態(tài)環(huán)境需水率為C3，萬元GDP工業(yè)廢水排放量為C4，漁業(yè)用水量為C5，壓力子系統(tǒng)指標(biāo)權(quán)重判斷矩陣如表4，其中CR=0.0516<0.1，滿足一致性要求。

表4 壓力子系統(tǒng)指標(biāo)權(quán)重判斷矩陣

在狀態(tài)子系統(tǒng)指標(biāo)體系中，設(shè)森林覆蓋率為C6，COD排放量為C7，氨氮排放量為C8，狀態(tài)子系統(tǒng)指標(biāo)權(quán)重判斷矩陣如表5，其中CR=0.0176<0.1，滿足一致性要求。

表5 狀態(tài)子系統(tǒng)指標(biāo)權(quán)重判斷矩陣

在影響子系統(tǒng)指標(biāo)體系中，設(shè)缺水程度為C9，人均水資源量為C10，影響子系統(tǒng)指標(biāo)權(quán)重判斷矩陣如表6，其中CR=0<0.1，滿足一致性要求。

表6 影響子系統(tǒng)指標(biāo)權(quán)重判斷矩陣

在響應(yīng)子系統(tǒng)指標(biāo)體系中，設(shè)環(huán)保投資指數(shù)為C11，廢水回用率為C12，響應(yīng)子系統(tǒng)指標(biāo)權(quán)重判斷矩陣如表7，其中CR=0<0.1，滿足一致性要求。

表7 響應(yīng)子系統(tǒng)指標(biāo)權(quán)重判斷矩陣

4 水生態(tài)承載力模型體系的建立

4.1 系統(tǒng)動力學(xué)模型構(gòu)建

根據(jù)水生態(tài)承載力的概念，構(gòu)建漢江上游陜西段流域水生態(tài)承載力系統(tǒng)動力學(xué)模型，借助VENSIM軟件描繪出水生態(tài)承載力系統(tǒng)動力學(xué)流圖，并通過咨詢專家，參考已有的研究，確定狀態(tài)變量、速率變量和輔助變量，確定系統(tǒng)的基本方程，從而得到系統(tǒng)內(nèi)部聯(lián)系。通過上述分析與研究，得到的系統(tǒng)動力學(xué)流圖見圖2。

4.2 模型有效性檢驗

對建立的系統(tǒng)動力學(xué)模型進行有效性檢驗，對漢江流域(陜西段)2010-2013年的仿真結(jié)果模擬值與實測值進行比較，結(jié)果如表8所示。

圖2 漢江流域(陜西段)水生態(tài)承載力系統(tǒng)動力學(xué)流圖

年份人均GDP/元實測值模擬值相對誤差/%灌溉用水量/108 m3實測值模擬值相對誤差/%漁業(yè)用水量/104 m3實測值模擬值相對誤差/%森林覆蓋率/%實測值模擬值相對誤差/%20101.2461.2782.58418.1717.205.34129017124826.93.2480.3780.378020111.4591.5043.08518.7717.228.26129275125076.63.2480.3780.378020121.6761.7383.69018.1417.254.91132041127753.23.2470.3790.379020131.9402.0284.56418.1017.264.64137413132965.53.2370.3790.3790

檢驗結(jié)果表明，漢江流域(陜西段)水生態(tài)承載力系統(tǒng)動力學(xué)模型模擬的生產(chǎn)總值、灌溉面積、工業(yè)產(chǎn)值、灌溉用水量的真實值與模擬值的相對誤差均小于10%[19]，吻合度較好，說明該模型可以用于漢江流域(陜西段)水生態(tài)承載力的預(yù)測。

5 水生態(tài)承載力評估及調(diào)控

5.1 水生態(tài)承載力評估

借助建立的水生態(tài)承載力系統(tǒng)動力學(xué)模型，對水生態(tài)承載力進行模擬，得到各指標(biāo)的數(shù)據(jù)，將其進行指標(biāo)化分析得到其數(shù)值，隨后采用隸屬度法將轉(zhuǎn)化為可量化的數(shù)據(jù)，得到最終的生態(tài)承載力。針對漢江流域(陜西段)采用以下的量化模型來計算水生態(tài)承載力分值。

(1)

式中：Ej為j方案的水生態(tài)承載力分值；Wi為i指標(biāo)在系統(tǒng)中的層次總權(quán)重值；Sij為j方案i指標(biāo)的分數(shù)值。

根據(jù)求得的水生態(tài)承載力分值可以對整個系統(tǒng)的“可承載狀況”進行分級，見表9，每個級別對應(yīng)不同的分值區(qū)間，以此來描述水生態(tài)承載。

表9 水生態(tài)承載力承載程度分級

依據(jù)已建立的流域水生態(tài)承載力系統(tǒng)動力學(xué)模型，結(jié)合流域水生態(tài)承載力指標(biāo)體系中各個指標(biāo)的模擬和由層次分析法求出的各個指標(biāo)的總權(quán)重值，利用公式(1)可計算得出漢江上游(陜西段)流域水生態(tài)承載力量化值如下圖3所示。

由圖3中可以看出自2012年之后各生態(tài)分區(qū)承載力逐年減小，其原因主要是近年來，漢江流域區(qū)域工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展和人口劇增，越來越多工業(yè)污水、農(nóng)田排水進入水體，導(dǎo)致水體水質(zhì)變差，與此同時，漢江上游的過度開墾，亂砍濫伐，水土流失不斷加重，生態(tài)環(huán)境遭到破壞。根據(jù)圖3的結(jié)果，結(jié)合可承載度的類型分類表9，分析可得漢江上游(陜西段)流域水生態(tài)承載力整體處于弱可承載的狀態(tài)。

5.2 水生態(tài)承載力調(diào)控

為了使?jié)h江上游(陜西段)流域水生態(tài)承載狀況得到改善。根據(jù)漢江上游(陜西段)流域的實際情況采用以下7個策略來模擬漢江上游(陜西段)流域水生態(tài)承載力狀況，使?jié)h江上游(陜西段)流域水生態(tài)承載力系統(tǒng)持續(xù)良好的發(fā)展的同時讓其生態(tài)環(huán)境資源的利用達到最大化。各方案匯總?cè)绫?0。

根據(jù)以上7種調(diào)整方案利用已建立的漢江上游(陜西段)流域水生態(tài)承載力系統(tǒng)動力學(xué)模型對各水功能分區(qū)進行模擬，部分結(jié)果如圖4～9所示。

綜合比較各調(diào)控方案可以看出：各方案均使水生態(tài)承載力得到明顯的提升，但總體依然呈下降趨勢。相較于原始方案，采用方案7對流域水生態(tài)承載力進行調(diào)控后，流域水生態(tài)承載力的下降趨勢明顯降低，流域水生態(tài)承載力有了明顯地提高。根據(jù)上述7個方案模擬的結(jié)果可以得出，采取的調(diào)控措施越多，流域水生態(tài)承載力的提高就越顯著，改善漢江上游(陜西段)流域各水功能分區(qū)的水生態(tài)承載力狀況的效果就越明顯。所以，應(yīng)進行工業(yè)、人口、植被面積、污水處理、水資源開發(fā)程度等多個方面的全面綜合調(diào)控，才能較好提高漢江上游(陜西段)流域水生態(tài)承載力。

表10 水生態(tài)保護方案設(shè)計 %

注：表中各數(shù)據(jù)的正負表示逐年增加或減小； “-”表示在原基礎(chǔ)上保持不變。

圖3 漢江流域(陜西段)水生態(tài)承載力變化

圖4各方案下寧強源頭水保護區(qū)水生態(tài)承載力模擬圖5各方案下漢中開發(fā)利用去水生態(tài)承載力模擬

圖6各方案下城固開發(fā)利用區(qū)水生態(tài)承載力模擬圖7各方案下洋縣開發(fā)利用區(qū)水生態(tài)承載力模擬

圖8各方案下安康開發(fā)利用區(qū)水生態(tài)承載力模擬圖9各方案下漢江上游(陜西段)水生態(tài)承載力模擬

6 結(jié) 論

(1) 構(gòu)建了基于D-P-S-I-R框架模型的漢江流域(陜西段)水生態(tài)指標(biāo)體系，并在此基礎(chǔ)上確定了漢江流域(陜西段)水生態(tài)指標(biāo)的權(quán)重。對漢江流域(陜西段)進行了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析和因果關(guān)系分析，構(gòu)建了漢江流域水生態(tài)承載力的系統(tǒng)動力學(xué)模型，經(jīng)過有效性檢驗表明該模型可用于漢江流域(陜西段)水生態(tài)承載力的研究。

(2) 基于系統(tǒng)動力學(xué)、層次分析法和隸屬度方法建立的水生態(tài)承載力量化模型來量化評估漢江流域(陜西段)水生態(tài)承載力，得到在現(xiàn)狀發(fā)展的情況下漢江流域(陜西段)處于弱可承載狀態(tài)。

(3) 根據(jù)社會發(fā)展和技術(shù)水平研究了7種調(diào)控方案對水生態(tài)承載力進行分析對比，各方案均使水生態(tài)承載力得到提升并且在綜合方案下水生態(tài)承載力提高最為顯著，使?jié)h江流域(陜西段)達到了基本可承載狀態(tài)。