田碩秋，王玉

(1.四川省廣元水文水資源勘測(cè)局，四川廣元,628017)(2.廣元市利州區(qū)水利局，四川廣元，628017)

引言

水是一種不可替代的維持區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的自然資源。在物理學(xué)領(lǐng)域中，承載力是指一個(gè)物體在不發(fā)生結(jié)構(gòu)或功能破壞的前提下，能夠承受的最大荷載。雖然我國(guó)水資源總量豐富，但人均水資源量較低，水污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。由于不同地區(qū)發(fā)展水平不一致，水資源問(wèn)題日益突出，甚至?xí)霈F(xiàn)水資源承載能力超載現(xiàn)象。當(dāng)前水資源承載能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系多種多樣，評(píng)價(jià)方法也日益豐富。李娟芳[1]通過(guò)選取水質(zhì)、水量、水生態(tài)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)4項(xiàng)指標(biāo)，對(duì)洛陽(yáng)市水資源承載能力進(jìn)行了評(píng)價(jià)；根據(jù)人水和諧理論，張艷明、孟珍珠[2-3]從健康、發(fā)展、協(xié)調(diào)三個(gè)方面的26個(gè)指標(biāo)對(duì)遼寧省和安徽省阜陽(yáng)市的水資源承載能力進(jìn)行了評(píng)價(jià)；于倩雯等[4]采用模糊物元法和因素分析法對(duì)青海省水資源承載能力進(jìn)行了評(píng)價(jià)。目前的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系都是從環(huán)境系統(tǒng)的角度來(lái)選擇的，還沒(méi)有反映出水資源承載能力與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能之間的物理關(guān)系。為進(jìn)一步分析水資源承載能力的物理內(nèi)涵，構(gòu)建強(qiáng)度控制的多維度水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，以強(qiáng)度控制為基礎(chǔ)，為構(gòu)建分析水資源環(huán)境承載能力提供理論依據(jù)和新思路。

1 研究區(qū)域

以四川省廣元市的嘉陵江流域?yàn)檠芯繀^(qū)域。嘉陵江自清風(fēng)峽進(jìn)入廣元境內(nèi)，由北向南縱貫廣元市境中部，沿著嘉陵江共有16個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)駐地，眾多小流域與嘉陵江干流組成嘉陵江水系。該區(qū)域土壤水平、垂直地帶性分布規(guī)律如表1所示。

表1 嘉陵江流域土壤水平、垂直地帶性分布規(guī)律

隨著廣元市人口總量持續(xù)增長(zhǎng)，污染物產(chǎn)生量繼續(xù)增加，環(huán)境約束日趨強(qiáng)化。在保證環(huán)境不被污染情況下，對(duì)水資源承載力展開分析是很有必要性的。

2 基于強(qiáng)度控制水資源承載過(guò)程

承載力原為結(jié)構(gòu)力學(xué)中的物理量，通過(guò)對(duì)概念內(nèi)涵的擴(kuò)展，得到水、土壤、資源、環(huán)境的生態(tài)承載能力，用以表示各種資源面對(duì)外部環(huán)境變化時(shí)的最大承載能力。承載力是衡量和判斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的相對(duì)穩(wěn)定性和功能平衡性的重要指標(biāo)，這是一種與可持續(xù)發(fā)展密不可分的、主客觀相統(tǒng)一的相互反饋機(jī)制[5]。水量、水質(zhì)和機(jī)械能是決定水流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要因素，地形環(huán)境作為最直接的水流載體和邊界條件，與水流系統(tǒng)有著密切的聯(lián)系，具有獨(dú)特的流域作用和多種水生生境，其中，強(qiáng)度控制的連通性和棲息環(huán)境是保障該機(jī)制發(fā)揮的主要因素。連接包括時(shí)間和空間上的水流聯(lián)系，是水循環(huán)和流域流動(dòng)的物理保證；水生棲息環(huán)境是強(qiáng)度控制對(duì)多維度水資源承載力的支持和反應(yīng)[6]。

總之，強(qiáng)度控制水資源承載力可通過(guò)四個(gè)維度的要素來(lái)表征：水量、水質(zhì)、水生棲息環(huán)境和連通性。在圖1中顯示了強(qiáng)度控制結(jié)構(gòu)、功能與水資源承載能力的關(guān)系。

圖1 強(qiáng)度控制結(jié)構(gòu)、功能與水資源承載力關(guān)系

由圖1可知，強(qiáng)度控制結(jié)構(gòu)、功能與水資源承載力間是通過(guò)水量、水質(zhì)、水生棲息環(huán)境和連通性四個(gè)一級(jí)指標(biāo)聯(lián)系的。

2.1 水量

在經(jīng)濟(jì)和社會(huì)用水過(guò)度的情況下，擠占了河流和湖泊的生態(tài)水量，造成河流干涸、湖泊萎縮、地下水過(guò)度開采等現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生。在影響自然水循環(huán)過(guò)程的同時(shí)，也影響了經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)之間的關(guān)系，導(dǎo)致水資源三大功能不能正常發(fā)揮，區(qū)域水資源承載力下降。水資源可利用總量是基于技術(shù)可行性基礎(chǔ)上考慮的，真實(shí)反映出該地區(qū)非河流經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)可利用的最大水量，表示水資源承載力的水空間支撐力[7]。區(qū)域水資源可利用總量越大，水資源承載能力就越強(qiáng)。維持人類生活、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境所需要的水資源總量給水量維度造成一定壓力，水資源承載力越大，區(qū)域水資源承載狀況就越差。

2.2 水質(zhì)

一旦入河污染物超過(guò)了水體的承載能力，將導(dǎo)致水體功能的喪失，不符合水質(zhì)要求的水資源也難以滿足生態(tài)系統(tǒng)需求。水環(huán)境質(zhì)量維度的支撐作用體現(xiàn)在與水資源納污能力相關(guān)的因素上，納污能力的高低在很大程度上決定了區(qū)域水資源承載力，一個(gè)地區(qū)水資源系統(tǒng)納污能力越強(qiáng)，其承載力就越強(qiáng)。水質(zhì)壓力對(duì)水資源承載力的影響主要表現(xiàn)為該地區(qū)人類生活污染對(duì)水資源系統(tǒng)的破壞程度，區(qū)域水資源承載能力隨著破壞程度的增大而降低。

2.3 水生棲息環(huán)境

伴隨著城市化進(jìn)程的加快和人類對(duì)自然的改造逐漸深入，水空間的不斷利用以及人類對(duì)自然生境的大規(guī)模干擾，強(qiáng)迫開墾、修整河道，增加防滲護(hù)坡，限制河流的自然擺動(dòng)，占用海岸線和水域等，對(duì)水生生物棲息場(chǎng)所造成不同程度的破壞。對(duì)于水生棲息環(huán)境受到的破壞可分為四個(gè)等級(jí)，分別是簡(jiǎn)單可修復(fù)水生棲息環(huán)境、復(fù)雜水生棲息環(huán)境、難以可修復(fù)水生棲息環(huán)境、不可修復(fù)水生棲息環(huán)境。水資源承載力水生棲息環(huán)境維度的支撐作用體現(xiàn)在區(qū)域生態(tài)環(huán)境對(duì)維護(hù)區(qū)域動(dòng)植物生境所必需的相關(guān)功能上，區(qū)域水資源承載能力較強(qiáng)的地區(qū)，生境環(huán)境條件較好。水體環(huán)境壓力是指人類活動(dòng)對(duì)水體環(huán)境的干擾，區(qū)域水資源承載狀況隨著擾動(dòng)程度的增大而惡化。

2.4 連通性

在大尺度水循環(huán)背景下，水流系統(tǒng)的連通性不僅表現(xiàn)為水流更新，而且還包含了河段水流結(jié)構(gòu)特征。其在大時(shí)空尺度上表現(xiàn)為河流、湖泊的水文狀況；在小時(shí)空尺度上表現(xiàn)為與物理?xiàng)h(huán)境的相互影響。在人類活動(dòng)日益頻繁的情況下，筑壩和過(guò)度取水切斷了水與水之間的水力聯(lián)系，阻礙了河流的水平、垂直和縱向連通，破壞了原有的水文節(jié)奏。水源連通性尺度的支撐作用表現(xiàn)為流域內(nèi)水流通道相對(duì)暢通，在水流系統(tǒng)中，充分發(fā)揮物質(zhì)輸送、能量傳遞和信息傳遞的載體作用，是所有生態(tài)過(guò)程的基礎(chǔ)，人工阻斷的水流通道越小，其水資源承載能力越強(qiáng)。連通性維度的壓力主要表現(xiàn)為供水、發(fā)電、航運(yùn)、養(yǎng)殖等社會(huì)服務(wù)功能在時(shí)間和空間上的阻隔與不連續(xù)。

總之，多維度水資源承載力主要取決于水壓力平衡情況，該因素受到承載力影響，在一定經(jīng)濟(jì)技術(shù)支持下，構(gòu)建多維度水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

3 多維度水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建方法

構(gòu)建水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，分析水資源與水資源承載力之間關(guān)系，由此完成指標(biāo)體系研究。

3.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

在構(gòu)建指標(biāo)體系時(shí)，應(yīng)先分析能夠?qū)λY源承載力產(chǎn)生影響的客觀因素，然后對(duì)水量、水質(zhì)、水生棲息環(huán)境、連通性四個(gè)指標(biāo)進(jìn)一步分解，獲取二級(jí)指標(biāo)，由此構(gòu)成相應(yīng)指標(biāo)體系。通過(guò)上述分析，確定基于強(qiáng)度控制的多維度水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。如圖2所示。

圖2 基于強(qiáng)度控制的區(qū)域水資源承載能力評(píng)價(jià)指標(biāo)

(1)水量質(zhì)量

區(qū)域水資源承載能力的水量尺度不僅與降雨、徑流等地區(qū)水資源背景有關(guān)，還與人類活動(dòng)密切相關(guān)。經(jīng)濟(jì)生態(tài)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間存在用水沖突問(wèn)題，在社會(huì)不斷發(fā)展的今天，地方生態(tài)水資源消耗與社會(huì)水資源循環(huán)利用沖突更為明顯。承載支撐力是指降水量、徑流深度、區(qū)域總耗水量、平原區(qū)地下水抽取等；壓力是指不同行業(yè)對(duì)水資源的需求和區(qū)域可用水資源總量。取用水時(shí)，可通過(guò)調(diào)整定額、提高取用水效率措施，提高水資源承載能力。

(2)水質(zhì)指標(biāo)

水體對(duì)污染物有一定的降解能力，能自我更新修復(fù)。污染物超出環(huán)境容量或水體容量是造成水污染的根本原因，因而，水體允許納污能力和水功能區(qū)水質(zhì)符合率可以作為一個(gè)支持性水質(zhì)維度的指標(biāo)；壓力指標(biāo)可以描述污染物的實(shí)際排放量、入河量等；有關(guān)降低污染物排放量、提高水質(zhì)符合率等指標(biāo)可作為調(diào)節(jié)能力指標(biāo)。

(3)水生棲息環(huán)境指標(biāo)

河流地貌又稱水生棲息環(huán)境，是水生態(tài)系統(tǒng)中的重要非生物因子。其作為水流動(dòng)的載體，在更大的時(shí)空尺度上，表現(xiàn)為與氣候、自然地理?xiàng)l件等因素相互作用，并相互影響；在較小的時(shí)空尺度上，表現(xiàn)為與水流動(dòng)條件及周圍生境動(dòng)態(tài)演化相適應(yīng)，從狹義上講，它是一個(gè)包含了許多物理空間元素的棲息系統(tǒng)，如河流湖泊形態(tài)、坡度、河湖底質(zhì)、岸坡等。水生態(tài)環(huán)境的結(jié)構(gòu)完整性、功能穩(wěn)定性、多樣性、異質(zhì)性是水生態(tài)系統(tǒng)健康持續(xù)發(fā)展的重要標(biāo)志。

(4)連通性指標(biāo)

暢通的水流通道既是水流系統(tǒng)物質(zhì)、能量、信息傳遞的載體，又是生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展演化的動(dòng)力基礎(chǔ)。每一條河流在外界環(huán)境影響下，都有其獨(dú)特的水文規(guī)律，使維持水循環(huán)等自然凈化功能和供水、發(fā)電等社會(huì)服務(wù)功能得到充分發(fā)揮。

3.2 評(píng)價(jià)等級(jí)確定

充分考慮區(qū)域水資源承載力和區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的協(xié)調(diào)性，可將其劃分為5個(gè)等級(jí)，分別是好(a1)、較好(a2)、一般(a3)、較差(a4)和差(a5)。“好(a1)、較好(a2)”等級(jí)說(shuō)明該區(qū)水資源承載能力較強(qiáng)，能適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展；“一般(a3)”等級(jí)說(shuō)明該區(qū)域水資源承載力與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平基本保持平衡；“較差(a4)、差(a5)”等級(jí)說(shuō)明該區(qū)域水資源承載能力超過(guò)極限值，持續(xù)開發(fā)將破壞生態(tài)平衡。

3.3 指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化與權(quán)重確定

在多維度水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，不同指標(biāo)單位不同，部分指標(biāo)和水資源承載力呈正相關(guān)關(guān)系，指標(biāo)值越大，說(shuō)明該區(qū)域水資源承載力越強(qiáng)；部分指標(biāo)和水資源承載力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，指標(biāo)值越大，說(shuō)明該區(qū)域水資源承載力越弱?；诖?，需對(duì)不同指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。計(jì)算公式如式(1)所示：

(1)

式(1)中：Qi表示指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值；Qi表示評(píng)價(jià)值；Wi表示標(biāo)準(zhǔn)值。

標(biāo)準(zhǔn)化處理的指標(biāo)值越大，表明該指標(biāo)相對(duì)于總體目標(biāo)處于高水平發(fā)展階段；標(biāo)準(zhǔn)化處理的指標(biāo)值越小，表明該指標(biāo)相對(duì)于總體目標(biāo)處于低水平發(fā)展階段。由于不同指標(biāo)在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中所占比例不同，因此，需先確定各個(gè)指標(biāo)權(quán)重。

依據(jù)多維度水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果及權(quán)重，需獲取綜合評(píng)價(jià)得分，即為水資源承載力得分。計(jì)算公式如式(2)所示：

(2)

式(2)中：P表示水資源承載力得分；ωi表示各項(xiàng)指標(biāo)綜合權(quán)重。

3.4 指標(biāo)體系評(píng)價(jià)

在確定指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化與權(quán)重情況下，采用指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)法。計(jì)算公式如式(3)、式(4)所示：

(3)

(4)

式(3)、式(4)中：i表示指標(biāo)數(shù)量；RRi表示實(shí)際監(jiān)測(cè)值；RRs,i表示承載數(shù)值。

根據(jù)上述公式，計(jì)算多維度水資源承載力。計(jì)算公式如式(5)所示：

(5)

當(dāng)承載力F為1時(shí)，多維度水資源承載情況正好滿足水資源承載力；當(dāng)承載力F小于1時(shí)，多維度水資源承載情況在水資源承載力之內(nèi)；當(dāng)承載力F大于1時(shí)，多維度水資源承載情況超過(guò)水資源承載力范圍。該值越大說(shuō)明多維度水資源承載情況超出水資源承載力越多。

4 評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

分析水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)結(jié)果，根據(jù)評(píng)價(jià)等級(jí)，將承載力分為5個(gè)等級(jí)。如表2所示。

表2 水資源承載力指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)表2確定的指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。根據(jù)相互比較法進(jìn)行矩陣分析，產(chǎn)生結(jié)果會(huì)具有不一致特點(diǎn)，因此，需對(duì)結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。計(jì)算公式如式(6)所示：

(6)

式(6)中：CI表示不同層次一致性指數(shù)；RI表示平均一致性指數(shù)；λmax表示最大特征值；n表示矩陣。當(dāng)CR<0.1時(shí)，表明指標(biāo)一致性通過(guò)，檢驗(yàn)滿足要求。由此分析水資源承載力綜合得分情況，如表3所示。

表3 水資源承載力綜合得分

由表3可知，各項(xiàng)指標(biāo)綜合得分都在70分以上，評(píng)價(jià)分值較高。指標(biāo)層權(quán)重指的是多維度水資源承載力考察指標(biāo)在整體中相對(duì)重要程度所占比例大小量化值；綜合權(quán)重作為評(píng)價(jià)參照標(biāo)準(zhǔn)，屬于多元權(quán)重信息，能夠確定影響綜合評(píng)價(jià)結(jié)果可信度。由指標(biāo)層權(quán)值和綜合權(quán)值得到的權(quán)值信息是水資源承載力對(duì)指標(biāo)相對(duì)重要性認(rèn)知的數(shù)據(jù)集，綜合得分主要用于定量分析評(píng)價(jià)指標(biāo)不同量綱情況，加權(quán)相加，求得總分，在確定權(quán)值時(shí)，同一指標(biāo)的權(quán)值認(rèn)知在一定范圍內(nèi)具有一致性。因此，使用基于強(qiáng)度控制的多維度水資源承載力較好。

5 小結(jié)與展望

通過(guò)對(duì)基于強(qiáng)度控制的多維度水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)研究，可得出以下結(jié)論：

(1)在實(shí)施強(qiáng)度控制行動(dòng)基礎(chǔ)上，構(gòu)建承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并從水量質(zhì)量、水質(zhì)指標(biāo)、水生棲息環(huán)境指標(biāo)、連通性指標(biāo)4個(gè)方面展開分析，并確定各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，確定了水資源承載能力等級(jí)分為好、較好、一般、較差、差，進(jìn)而確定基于強(qiáng)度控制的多維度水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)可行性。

(2)采用強(qiáng)度控制方法構(gòu)建的指標(biāo)體系研究仍存在一些不足，主要集中于確定各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)，受限于研究對(duì)象，存在局限性，且隨著不同區(qū)域?qū)λY源承載能力逐漸重視，某些指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)會(huì)發(fā)生改變。因此，在未來(lái)需要不斷修改評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，保證該體系適用性。