太子河流域不同生態(tài)分區(qū)的水生態(tài)承載力年內(nèi)變化研究

李 靖，周孝德，程 文

（西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048）

太子河是遼河下游左側(cè)一大支流，主要流經(jīng)遼寧省本溪、遼陽(yáng)、鞍山3個(gè)城市，其主要特點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度快、水資源短缺、水污染嚴(yán)重和生態(tài)環(huán)境問題突出。由于不合理的經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)和水土資源的過度開發(fā)，加劇流域生態(tài)狀況的惡化，從而形成主要污染物負(fù)荷遠(yuǎn)超過流域生態(tài)承載力的不利局面，成為制約太子河流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大瓶頸。

流域水生態(tài)承載力是在流域水環(huán)境承載力、流域水資源承載力基礎(chǔ)上發(fā)展而來的流域綜合管理概念。近年來由于生態(tài)破壞問題的出現(xiàn)，許多學(xué)者從系統(tǒng)的整合性出發(fā)，提出了生態(tài)承載力的概念，可以說是對(duì)資源與環(huán)境承載力概念的擴(kuò)展與完善［1-2］。但其科學(xué)定義、研究的理論與方法，目前學(xué)術(shù)界尚未達(dá)成共識(shí)。國(guó)家重大水專項(xiàng)水生態(tài)承載力研究課題組為滿足流域水環(huán)境管理的分類、分級(jí)、分區(qū)管理需求，定義了流域水生態(tài)承載力的概念：在保證流域水生態(tài)分區(qū)生態(tài)系統(tǒng)水質(zhì)水量目標(biāo)條件下，基于嚴(yán)格的流域水資源管理和水污染控制措施，流域水資源量和水環(huán)境容量所能承載的人口數(shù)量和經(jīng)濟(jì)規(guī)模。

以往的承載力研究大都針對(duì)于流域或區(qū)域整體研究其年際變化情況［3-9］，很少見到關(guān)于生態(tài)環(huán)境承載力的分區(qū)、分期研究成果。為實(shí)現(xiàn)太子河流域水生態(tài)系統(tǒng)的分區(qū)、分期保護(hù)，并達(dá)到太子河流域的水生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的目標(biāo)，本文利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的理論將水-生態(tài)環(huán)境-流域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展作為一個(gè)有機(jī)體來分析，通過對(duì)流域內(nèi)各水生態(tài)區(qū)水生態(tài)承載力年內(nèi)變化情況的研究，提出適應(yīng)各水生態(tài)分區(qū)特點(diǎn)的水生態(tài)承載力提高措施，為太子河流域水生態(tài)承載力與社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)。

1 太子河流域水生態(tài)分區(qū)

流域水生態(tài)是一個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng)，但是在時(shí)間、空間分布上具有明顯的時(shí)空異質(zhì)性，與其密切相關(guān)的人類活動(dòng)也存在明顯的時(shí)間和地域差異，因此，不同的水生態(tài)系統(tǒng)在不同時(shí)期有不同的特點(diǎn)，也存在不同的生態(tài)環(huán)境問題，同時(shí)也面對(duì)不同的承載壓力，這就要求必須針對(duì)不同的水生態(tài)系統(tǒng)問題，找出不同時(shí)期的承載壓力，提出不同的對(duì)策與解決方案，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)流域水污染防治的“分區(qū)、分級(jí)、分類、分期”管理。因此，流域水生態(tài)承載力的分區(qū)分期研究顯得尤為重要。

中國(guó)水利水電科學(xué)研究院李國(guó)強(qiáng)博士等依據(jù)生態(tài)功能區(qū)劃、水功能區(qū)劃、水資源區(qū)劃、行政區(qū)劃等將太子河流域劃分了11個(gè)污染控制單元（即水生態(tài)分區(qū)），見圖1。由于A、B、C區(qū)為天然生態(tài)區(qū)，人類活動(dòng)對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的影響較少，水生態(tài)系統(tǒng)承載能力較好，故選取C-J區(qū)為研究對(duì)象。其中C區(qū)為天然生態(tài)區(qū)，基本沒有污染分布；D、G和J區(qū)為城市生態(tài)區(qū)，城鎮(zhèn)化率高，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度快，工業(yè)用水定額高，水質(zhì)一般較差，主要污染源為工業(yè)污水和生活污水；E為水庫(kù)生態(tài)區(qū)，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度快，工業(yè)用水定額高，水質(zhì)較差，主要污染源為工業(yè)污水；F為混合生態(tài)區(qū)，水質(zhì)較差，兼有城市生態(tài)區(qū)、水庫(kù)生態(tài)區(qū)和農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)的特點(diǎn)，主要污染源為農(nóng)業(yè)面源；H和I為農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)，水質(zhì)差，主要污染源為農(nóng)業(yè)面源，輔有工業(yè)點(diǎn)源。

2 流域水生態(tài)承載力研究方法

2.1 水生態(tài)承載力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型 由于流域水生態(tài)承載力研究面對(duì)的是一個(gè)由社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、水資源和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成的紛繁復(fù)雜的巨系統(tǒng)，研究?jī)?nèi)容涉及到社會(huì)因素、經(jīng)濟(jì)因素、水資源和生態(tài)環(huán)境因素［10］，而系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法在研究復(fù)雜系統(tǒng)的行為，處理高度非線性、高階次、多變量、多重反饋問題方面具有優(yōu)勢(shì)［11］，因此系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法是目前使用較多的一種研究承載力的方法。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)在對(duì)問題進(jìn)行定性分析時(shí)，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)和反饋，并使三者有機(jī)結(jié)合起來，同時(shí)強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定系統(tǒng)的功能。這種方法的重要特點(diǎn)是通過一階微分方程組來反映系統(tǒng)各個(gè)模塊的變量之間的因果反饋關(guān)系。

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型是在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上建立起來的，主要包括流圖和結(jié)構(gòu)方程式兩個(gè)部分，流圖是根據(jù)各影響因素之間的關(guān)系利用專用符號(hào)設(shè)計(jì)的，結(jié)構(gòu)方程式是各因素間數(shù)量關(guān)系的體現(xiàn)，包括水準(zhǔn)方程式，速率方程式，輔助變量方程式等［12］。經(jīng)過對(duì)太子河流域水生態(tài)系統(tǒng)各子系統(tǒng)間關(guān)系的分析（如圖2所示），根據(jù)各變量的性質(zhì)，用狀態(tài)變量、速率變量、輔助變量等來描繪出系統(tǒng)的內(nèi)部關(guān)系，以Vensim軟件為技術(shù)支持繪出太子河流域某一水生態(tài)分區(qū)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)流圖，并考慮各分區(qū)間水流水質(zhì)的交替影響關(guān)系（如圖3所示），建立起基于水生態(tài)分區(qū)的太子河流域系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。

在對(duì)模型的適用性和一致性進(jìn)行檢驗(yàn)后，選取總?cè)丝?、GDP、有效灌溉面積等變量，將其模擬值與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從表1可以看出，各參數(shù)的模擬值與實(shí)際值擬合較好，表明模型結(jié)構(gòu)合理，能反映太子河流域水生態(tài)承載力的特征，可以用來預(yù)測(cè)太子河流水生態(tài)承載力動(dòng)態(tài)發(fā)展過程。

表1 模型主要運(yùn)行結(jié)果檢驗(yàn)

2.2 水生態(tài)承載力量化方法 本文采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)規(guī)劃情況下太子河流域各分區(qū)的水生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展情況進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，得到各水生態(tài)分區(qū)水生態(tài)承載力指標(biāo)體系的模擬預(yù)測(cè)值后（指標(biāo)體系見圖4），采用模糊數(shù)學(xué)中隸屬度的概念來描述水生態(tài)承載程度，同時(shí)考慮到各個(gè)指標(biāo)對(duì)水生態(tài)承載力的影響力大小不同，引入總權(quán)重wi（i=1，2，n）表示各分指標(biāo)對(duì)總體的影響程度。則j方案水生態(tài)承載度可以用公式（1）計(jì)算：

式中：sij為j方案i指標(biāo)的分?jǐn)?shù)值；wi為i指標(biāo)在系統(tǒng)中層次總權(quán)重。

根據(jù)可承載隸屬度值大小，可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的“可承載”狀況進(jìn)行分類，見表2。

表2 可承載類型的分類

3 太子河流域各水生態(tài)分區(qū)指標(biāo)年內(nèi)變化情況

通過前面建立的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)各水生態(tài)分區(qū)2007年各月份的水生態(tài)承載力指標(biāo)進(jìn)行模擬，其中主要變化的指標(biāo)模擬結(jié)果見圖5-9。

通過圖5-9可以看出：各水生態(tài)區(qū)的萬(wàn)元GDP需水量和廢水排放量最大值基本出現(xiàn)在6—8月份，其中I、C、F區(qū)的萬(wàn)元GDP需水量相對(duì)比較大，最大值在0.179m3/元以上，E區(qū)的萬(wàn)元GDP需水量相對(duì)最小，最大值才0.0054m3/元；萬(wàn)元GDP廢水排放量最大值均出現(xiàn)在6月份，其中I和H區(qū)的萬(wàn)元GDP廢水排放量相對(duì)比較大，最大值在0.024m3/元以上，D、E和G區(qū)的萬(wàn)元GDP廢水排放量相對(duì)比較小，最大值在0.0029m3/元以下；人均水資源量在7月份達(dá)到最高點(diǎn)，其中C、E、F和I區(qū)的人均水資源占有量相對(duì)比較大，最大值在1521m3/人以上，D、G、H和J區(qū)的人均水資源占有量相對(duì)比較?。恢脖桓采w率在4—10月份比較大，其中G、D、H區(qū)的植被覆蓋率相對(duì)大一些，最大值在0.18以上，C、E和I區(qū)的植被覆蓋率相對(duì)小一些，最小值在0.029以下；生態(tài)需水率在1、2、6月份出現(xiàn)最小值，其中E和H區(qū)的生態(tài)需水占總需水比率相對(duì)比較小（為0），C、F和I區(qū)的生態(tài)需水占總需水比率相對(duì)比較大，最小值在0.53以上；棲息地面積比較大的值出現(xiàn)在5、7、8、9月份，并在7月份達(dá)到最大值。其中C、I和J區(qū)的棲息地面積相對(duì)比較大，D、G和H區(qū)的棲息地面積相對(duì)比較??；COD和NH4-N容量承載率在6月份達(dá)到最低點(diǎn)，其中C區(qū)和E區(qū)的COD和NH4-N容量承載率都比較高，F(xiàn)區(qū)的最低，G、I和J區(qū)的COD容量承載率小于1，D、G區(qū)和J區(qū)NH4-N容量承載率小于1，H和I區(qū)4—10月份的NH4-N容量承載率小于1，即已經(jīng)超過水環(huán)境容量所能承載的范圍。

4 太子河流域水生態(tài)承載力年內(nèi)變化情況

根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型模擬的各水生態(tài)分區(qū)水生態(tài)承載力指標(biāo)值，采用量化模型計(jì)算2007年各水生態(tài)分區(qū)水生態(tài)承載度的年內(nèi)變化情況，見表2和圖6。

表3 各生態(tài)區(qū)水生態(tài)承載力年內(nèi)情況

從表3和圖10中可以看出，天然生態(tài)區(qū)（C區(qū)）和混合生態(tài)區(qū)（F區(qū)）的水生態(tài)承載度相對(duì)比較大，下游農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)（H、I區(qū)）和城市生態(tài)區(qū)（J區(qū)）的水生態(tài)承載度相對(duì)比較小。天然生態(tài)區(qū)（C區(qū)）、農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)（H和I區(qū)）的水生態(tài)承載度最小值出現(xiàn)在6月份，這是由于天然生態(tài)區(qū)和農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)在4—10月份的需水量比較大，面源污染也相對(duì)比較嚴(yán)重，而6月份的水資源量又最小，這些都是影響水生態(tài)系統(tǒng)承載力的不利因素，因此對(duì)天然生態(tài)區(qū)和農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)的治理保護(hù)應(yīng)該重點(diǎn)加大節(jié)水力度和農(nóng)業(yè)面源污染控制上。城市生態(tài)區(qū)（D、G區(qū)）和水庫(kù)生態(tài)區(qū)（E區(qū)）的水生態(tài)承載度最小值均出現(xiàn)在1、2月份，這是由于在用水水平變化不大的城市生態(tài)區(qū)和水庫(kù)生態(tài)區(qū)，冬季處于冰封期的水生態(tài)系統(tǒng)的水資源量較小、水體自凈能力較差，水生態(tài)指標(biāo)也較小，因此對(duì)于城市生態(tài)區(qū)和水庫(kù)生態(tài)區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)的治理保護(hù)應(yīng)該把重點(diǎn)放在點(diǎn)源污染物控制上。混合生態(tài)區(qū)（F區(qū)）和城市生態(tài)區(qū)（J區(qū)）的水生態(tài)承載度最小值分別出現(xiàn)在1、2、6月份，這兩個(gè)區(qū)域包含了以上兩種情況的特點(diǎn)，因此既應(yīng)該加大節(jié)水力度和控制農(nóng)業(yè)面源污染，也應(yīng)該控制點(diǎn)源污染。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)太子河流域水生態(tài)系統(tǒng)具有的復(fù)雜特征，利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的原理和方法，建立了基于水生態(tài)分區(qū)的太子河流域水生態(tài)承載力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。通過計(jì)算機(jī)仿真模擬，計(jì)算了2007年太子河流域各水生態(tài)區(qū)水生態(tài)承載度的年內(nèi)變化情況，得出天然生態(tài)區(qū)（C區(qū)）和混合生態(tài)區(qū)（F區(qū)）的水生態(tài)承載度相對(duì)比較大，下游農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)（H、I區(qū)）和城市生態(tài)區(qū)（J區(qū)）的水生態(tài)承載度相對(duì)比較小，并且確定了各水生態(tài)區(qū)水生態(tài)承載力最小值出現(xiàn)的月份。最后，根據(jù)各水生態(tài)分區(qū)的特點(diǎn)提出相對(duì)應(yīng)的水生態(tài)承載力提高措施。以上都將為太子河流域可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施和污染物總量控制提供科學(xué)依據(jù)。

［1］Smaal A C，Prins T C，Bankers N，et al.Minimum requirements for modeling bivalve carrying capacity［J］.Aquatic Ecology，1998，31：423-428.

［2］Hudak A T.Rangeland mismanagement in South Africa：Failure to apply ecological knowledge［J］.Human Ecolo?gy，1999，27（1）：55-78.

［3］王俊英，杜金輝，呂培茹，等.山東省水水生態(tài)環(huán)境承載力探討［J］.山東大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2008，38（5）：94-98.

［4］陳艷霞.渭河流域關(guān)中地區(qū)水環(huán)境承載力研究［D］.楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2007.

［5］趙青松.漢江上游流域水環(huán)境承載力研究［D］.西安：西安理工大學(xué)，2006.

［6］劉啟明，張晨嵐，林錦美，等.廈門城市水環(huán)境承載力綜合指標(biāo)體系評(píng)價(jià)［J］.華僑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，29（1）：94-96.

［7］李吉玫，徐海量，宋郁東，等.伊犁河流域水資源承載力的綜合評(píng)價(jià)［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2007，21（3）：39-43.

［8］姚治君，劉寶勤，高迎春.基于區(qū)域發(fā)展目標(biāo)下的水資源承載能力的研究［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2005，16（1）：109-113.

［9］王浩，秦大庸，王建華，等.西北內(nèi)陸干旱區(qū)內(nèi)水資源承載能力研究［J］.自然資源學(xué)報(bào)，2004，19（2）：152-158.

［10］Giupponi C，Mysiak J，F(xiàn)assio A，Cogan V.MULINO-DSS：a computer tool for sustainable use of water resourc?es at the catchment scale［J］.Math.Comput.Simul，2004，64：13-24.

［11］Motohashi Y，Nishi S.Prediction of end-stage renal disease patient population in Japan by system dynamics mod?el［J］.Int.J.Epidemiol.1991，20：1032-1036.

［12］王其藩.高級(jí)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1995.