漢江流域(陜西段)水生態(tài)承載力評估

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、指標體系評價法、生態(tài)足跡法、多目標優(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，即可利用指標評價方法，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)承載力指標體系建立

3.1 指標的選取

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。采用目標分層法，建立水生態(tài)承載力指標體系的多級遞階結(jié)構(gòu)，如圖1。

指標層包括了水資源系統(tǒng)指標、水環(huán)境系統(tǒng)指標、水生態(tài)系統(tǒng)指標和社會經(jīng)濟系統(tǒng)指標，綜合考慮承載體與受載體間彼此依賴與制約的特征，并明確了指標體系的層次，在準則層的基礎(chǔ)上對目標層加以分析，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)承載力評價指標體系圖

設(shè)水生態(tài)承載力為A，驅(qū)動力指標為B1、壓力指標為B2、狀態(tài)指標為B3、影響指標為B4、響應(yīng)指標為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)指標權(quán)重判斷矩陣

在壓力子系統(tǒng)指標體系中，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)指標權(quán)重判斷矩陣

在狀態(tài)子系統(tǒng)指標體系中，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)指標權(quán)重判斷矩陣

在影響子系統(tǒng)指標體系中，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)指標權(quán)重判斷矩陣

在響應(yīng)子系統(tǒng)指標體系中，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，得到各指標的數(shù)據(jù)，將其進行指標化分析得到其數(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指標在系統(tǒng)中的層次總權(quán)重值；Sij為j方案i指標的分數(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)承載力指標體系中各個指標的模擬和由層次分析法求出的各個指標的總權(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??； “-”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)。