基于承載力調度模型的生態(tài)系統水質修復研究

周 蕾

(新疆吐魯番市水利水電勘測設計研究院，新疆 吐魯番 838000)

人類社會與水生態(tài)系統存在著相互依存、相互制約的復雜聯系，人類經濟社會能夠從水生態(tài)系統中獲取利益，但是水生態(tài)系統的變化也會影響和制約人類經濟社會發(fā)展。當前，我國水資源開發(fā)利用程度不斷提高，污染排放量持續(xù)增加，經濟社會用水占生態(tài)用水的現象比較普遍，水生態(tài)系統面臨了嚴峻的挑戰(zhàn)[1]。同時，隨著公眾環(huán)保意識的提高，對水質保護的需要越來越迫切，及時對生態(tài)系統水質保護與修復引起了社會各界的普遍關注。目前對于水生態(tài)系統水質污染修復方法主要有兩種，一種是基于模糊識別模型的水生態(tài)系統污染修復方法，另一種是基于協同理論的水生態(tài)系統污染修復方法。基于模糊識別模型的水生態(tài)系統污染修復方法主要是確定水資源承載力評價指標，對影響水生態(tài)系統的各個因素進行評價，然后依據主要的影響因素進行修復；基于協同理論的水生態(tài)系統污染修復方法主要研究水生態(tài)系統中各個因子之間、因子與系統之間、系統與環(huán)境之間的協調合作、互補的關系，確定需要修復的內容，完成對水生態(tài)系統污染修復[2-3]。但是傳統的兩種方法在修復上存在修復效果差的問題，為此做了基于承載力調度模型的生態(tài)系統水質污染修復研究。

1 水質-生態(tài)系統水資源承載力調度模型

的構建

1.1 水生態(tài)承載力

水質生態(tài)學是指對生物環(huán)境水因素的影響以及有機體對各種水條件的適應[4]。承載力是廣泛用于描述開發(fā)約束的概念。從內部的本質可以分為主題和目的。主題是水生態(tài)系統，目的是對水生態(tài)系統的水質修復。主題和目的相互作用，相互限制。

水質的生態(tài)學修復能力在某些條件下，水質的生態(tài)系統的自我調節(jié)功能和彈性極限處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。在水生態(tài)系統的結構基本上沒有變化的前提下，很難改變自我調節(jié)能力。因此，水質的生態(tài)學修復能力也是物質和功能的復合式。在某個地區(qū)，自然資源的總量是確實的，但是由于物質的循環(huán)、能源的流動、信息的傳遞，資源的利用率和支持力會受到不同的影響。水質的生態(tài)學修復能力在一定程度上具有多樣性，并在一定范圍內受到限制。通過掌握水生態(tài)系統的變化規(guī)律和經濟和環(huán)境的分辯關系，人類根據生產和生活的需要自然地管理和控制，有效地保護和修復水質。

1.2 水質-生態(tài)系統水資源承載力調度模型

根據水質的生態(tài)學修復能力的特性，建立了水質-生態(tài)系統水資源承載力調度模型。水質生態(tài)學的修復能力的研究對象是人類支配的水生態(tài)系統。了解河流流域水生態(tài)系統水質修復的內部因果與結合效應是水生態(tài)學水質修復能力研究的重要關系。水生態(tài)系統是由自然生態(tài)系統和人類社會組成的復雜生態(tài)系統，包括資源、環(huán)境、經濟、社會等許多系統。其數學表達是水生態(tài)學修復能力=f(水資源系統，水環(huán)境系統，社會系統，經濟系統)，每個子系統相互交叉影響，共同決定水質生態(tài)學修復能力。水生態(tài)學修復系統的分類方法一般有兩種。一是將水的生態(tài)學修復能力系統分解為人口子系統、經濟子系統、水資源子系統、水環(huán)境子系統和水生態(tài)子系統。水質-生態(tài)系統水資源承載力調度模型如圖1所示。

圖1 水質-生態(tài)系統水資源承載力調度模型

2 基于承載力調度模型的水質生態(tài)系統修復

2.1 水生態(tài)分區(qū)

中國在廣大領域、多條河流、復雜的水項目、復雜的氣候和水文不同的流域，流域的生態(tài)學和水文特征完全不同[5]。通過結合修復能力分配模型，主要功能可以分為生態(tài)功能分割和水資源分割。以水循環(huán)生態(tài)系統為對象，考慮到地域水文、水資源特性、河川生態(tài)系統功能、水工學的影響，通過GIS技術來區(qū)分水生態(tài)系統，定義了生態(tài)系統功能的定位。因此，計劃單位的分割是水生態(tài)保護和恢復計劃的重要基本工作。

水質生態(tài)學的地域化，根據尋找各自的生態(tài)學的要素的不連續(xù)性和一致性，記述了類似點和差異[6-7]。區(qū)域化的指導性意識形態(tài)是最小化地區(qū)內差異，最大化地區(qū)間差異，遵循以下原則。要綜合考慮流域上下流域的水資源條件和水生態(tài)系統的特點兩者的空間差異及其相關性應考慮以確保區(qū)域化的操作性。水生態(tài)地帶的劃分應與現有國家水資源部門、生態(tài)系統功能劃分、水功能劃分及其他相關分區(qū)的結果相連接[8]。根據生態(tài)功能的決定。在具有多個水生態(tài)學功能的地區(qū)，人們喜歡水生態(tài)調節(jié)功能，在具有多個水生態(tài)學調節(jié)功能的區(qū)域中，優(yōu)選具有主導性的調節(jié)功能。

表1 水質指標對水生生物的安全范圍值

國家水生態(tài)系統采用2級分割系統[9]。第一級水生態(tài)學部門滿足水資源開發(fā)利用和水生態(tài)學保護的宏觀管理和總體布局的需要。根據保護和恢復目標的確定和對策布局生態(tài)功能和保護要求的類型，第三級水生態(tài)學部門可以根據二次水生態(tài)學的劃分進一步劃分。根據中國從西到東形成的三種梯田地形，結合地理位置、氣候帶、降雨分布、地域水生態(tài)學特性，國家分為七個一流水的生態(tài)學劃分[10]。根據東部溫帶亞濕地，西部溫帶亞干旱帶，西北溫帶干燥帶，東南中國亞熱帶濕潤地帶，西南中國亞熱帶濕潤地帶及西南高原氣候帶地形，地形，氣候，降雨，生態(tài)系統功能的種類和經濟，社會發(fā)展的狀態(tài)，作為整個國家可做34個次級水生態(tài)地區(qū)域劃分。水生態(tài)區(qū)是在習慣地理地形之后命名的[11-12]。不同生態(tài)系統的特征和不同生態(tài)系統的不同。水生態(tài)系統的水生態(tài)功能主要包括水保護、河川、湖沼的棲息地恢復、物種多樣性的保護、地表水的利用、沙和土的保持、水景觀保全、地下水保護這7種類型[12]。

2.2 生態(tài)系統水質修復評價指標標準

根據水生態(tài)系統及其功能型，分析了計劃河流部分的水質生態(tài)保護需求。通過水質指數對水生生物安全性的影響，確立了水質生態(tài)系統保護和復原的標準系統。水生生物水質指標的安全范圍值如下表所示。

依據上述水質指標對水生生物的安全范圍值加以明確，對水質生態(tài)系統污染修復提供依據。要對水質生態(tài)系統污染修復，需要正確處理好以下四方面的關系，如表2所示。

表2 生態(tài)系統水質保護修復的標準體系

2.3 基于承載力調度模型的水生態(tài)系統修復流程設計

在生態(tài)系統水質修復評價指標的基礎上，采用水質-生態(tài)系統水資源承載力調度模型進行修復，建立的基于承載力調度模型的生態(tài)系統水質污染修復過程如圖2所示。

圖2 基于承載力調度模型的生態(tài)系統水質污染修復流程

在污染修復方法上，主要包含微生物修復[13]、水生植被修復[14]、河流濱岸帶生態(tài)修復[15]、河道物理結構建設[16]和濕地修復，在修復過程中，依據重點修復順序進行修復。

微生物修復[17]，投加微生物促進有機污染物降解；水生植被修復，降低水位，目的是使更多光照可以到達河底，改善水質與底質條件；河流濱岸帶的生態(tài)修復，主要是建立過渡帶結構、恢復濱岸帶的生態(tài)環(huán)境和保持盡可能多的生物多樣性；河道物理結構建設，采用植石法和浮石帶法，削減污染輸入量；濕地修復上，主要利用將物理、化學與生物結合，對污水凈化。以此，通過上述過程，完成生態(tài)系統水質污染修復。

根據水質生態(tài)學狀態(tài)的評價，根據生態(tài)學的保護對象和目的的生態(tài)學特性、對應的水質生態(tài)學的功能類型和保護需求分析，確立水質生態(tài)學的恢復和保護措施系統。具體來說，包括生態(tài)系統的水質需求保證、水質環(huán)境保護、河川、湖的棲息地維持、水生生物保護、生態(tài)學的監(jiān)視、管理等5個類別，對于各自的分類，還被分為14個類別。

(1)生態(tài)水質的需求保證是河流和湖泊生態(tài)保護和恢復的中心內容。在河川和湖沼的范圍內，包含水質、水量和過程的要求，在特定的生態(tài)系統保護和恢復目標下，意味著保證被表面流出和地下水位支撐的生態(tài)系統的水要求。首先，生態(tài)系統的基本流程必須由工程調度和監(jiān)測管理來保證。

(2)水質環(huán)境保護主要基于水功能區(qū)域的保護要求和逐步合理控制污水排放量，實現污水排放濃度和對河流污染物總量的控制。對于湖泊和水庫，應該采取非點源、內因性、富營養(yǎng)化等對策。

(3)河川湖棲息地的維持主要是維持河川和湖的連接性、棲息地形態(tài)和棲息地條件的規(guī)定。河川和湖沼的連接性，與河川和湖沼的曲折形狀一起，考慮著河川和湖沼的縱貫性，橫斷性，垂直連接性。棲息地形態(tài)的維持主要包括自然棲息地保護、棲息地重建、3個場地保護和河岸地帶保護和恢復。生活條件的調節(jié)主要是低溫水流的控制，過飽和氣體的控制和水和沉積物的限制。

(4)水生生物的保護包括遺傳因子、個體群以及水的生態(tài)系統平衡和進化保護。水生生物的保護及再生，以水生生物的多樣性及水生生物的保全性為目的，對水生生物資源及水生生物進行全體保護。

(5)生態(tài)監(jiān)測和管理主要包括相關監(jiān)控、生態(tài)補償和各種綜合管理措施。事前實施水生態(tài)保護，實施計劃和實施，試驗各種措施的效果是重要的手段。我們要注意非技術手段在水的生態(tài)保護和恢復中的作用，加強法律、管理系統、技術標準、方針措施、資本投資、科學技術創(chuàng)新、布賴城和教育和市民參與的建設和管理。然后，請確立長期的機制。

3 結語

本文做了基于承載力調度模型的生態(tài)系統水質修復研究。根據水生態(tài)承載力的特點，構建承載力調度模型，結合水生態(tài)分區(qū)，建立水生態(tài)系統狀況評價指標標準體系，實現基于承載力調度模型生態(tài)系統水質修復的設計。水質生態(tài)保護和修復是與水文過程、物理化學過程和生物學過程密切相關的復雜系統工程。理論研究和實際工作還處于初始階段和快速發(fā)展階段，水生態(tài)保護和修復計劃技術和方法還需在未來的水生態(tài)保護和恢復訓練等相關研究中進一步作出測試和改進。