王建華,姜大川,肖偉華,陳 琰,胡 鵬
(流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,北京 100038)
隨著我國(guó)水事活動(dòng)范圍和程度的增加,水資源數(shù)量、水環(huán)境容量及水生態(tài)空間約束日益顯現(xiàn)。2015年,我國(guó)用水總量超過6 000億m3[1],大規(guī)模的取用水導(dǎo)致河道干涸、地下水超采;我國(guó)廢水排放量超過700億t[2],大量的廢污水排放導(dǎo)致部分水體功能喪失;快速城市化建設(shè)導(dǎo)致水域空間不斷縮小,由于圍湖造田等原因造成的湖泊萎縮面積占萎縮總面積的2/3[3];我國(guó)有超過98 000座水庫(kù)[4],水能資源的開發(fā)阻隔了河流連通性,生物多樣性面臨嚴(yán)重的威脅。究其根源是由于人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)對(duì)水資源系統(tǒng)的過度干擾和影響,造成了“水資源-經(jīng)濟(jì)社會(huì)-生態(tài)環(huán)境”三大系統(tǒng)之間發(fā)展演化的失衡。
“水資源-經(jīng)濟(jì)社會(huì)-生態(tài)環(huán)境”系統(tǒng)之間是相互影響的:水資源系統(tǒng)為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供所必須的水量,涉水經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)又改變水循環(huán)過程;生態(tài)系統(tǒng)為經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)提供生存與發(fā)展空間,并容納經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)的代謝廢物;生態(tài)系統(tǒng)是水資源演變的主要載體,同時(shí),水資源又是生態(tài)環(huán)境的控制性要素。在水資源開發(fā)利用過程中,生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)在分配水資源上往往存在著此消彼長(zhǎng)的矛盾對(duì)立關(guān)系,為了協(xié)調(diào)兩者用水沖突,實(shí)現(xiàn)人水和諧,必須考慮水資源系統(tǒng)的承載能力。
目前,受傳統(tǒng)水資源概念的約束,對(duì)水資源承載力研究多集中于水量、水質(zhì)兩個(gè)維度,但現(xiàn)階段人類活動(dòng)對(duì)水資源要素利用和水資源系統(tǒng)擾動(dòng)的方式遠(yuǎn)不止如此。因此,亟需賦予水資源承載力新的內(nèi)涵,對(duì)建立水資源承載力基礎(chǔ)理論體系具有重要的意義。
2.1 水資源承載力概念承載力是一個(gè)物理概念,指物體在不產(chǎn)生任何破壞時(shí)所能承受的最大負(fù)荷[5]。1921年,Park等[6]首先將承載力概念引入到人類生態(tài)學(xué)領(lǐng)域,認(rèn)為可以根據(jù)食物資源確定一個(gè)區(qū)域承載的人口。20世紀(jì)70年代,環(huán)境惡化、人口膨脹等問題的出現(xiàn),產(chǎn)生了土地承載力等概念[7],其中,以Meadows等[8]所著的《增長(zhǎng)的極限》最為代表。1985年,聯(lián)合國(guó)教科文組織(UNESCO)提出了資源承載力的定義[9]。隨后,可持續(xù)發(fā)展概念提出,承載力成為探討可持續(xù)發(fā)展問題的主體內(nèi)容之一。1995年,Arrow等[10]發(fā)表的《經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、承載力和環(huán)境》,引起了巨大反響。水資源承載力(water resources carrying capacity)是承載力概念在水資源領(lǐng)域的具體應(yīng)用,國(guó)外往往以“水資源供需比(ratio of water supply to water demand)”[11]、“可利用水量(water availability)”[12]等概念出現(xiàn)。如1998年,F(xiàn)alkenmark等[12]從政策定位和人類的適應(yīng)性角度來研究如何應(yīng)對(duì)水安全問題時(shí),采用了“可利用水量(water availability)”這一概念來表達(dá)水資源承載力涵義;2004年,Ngana等[13]在坦桑尼亞東北部水資源綜合管理戰(zhàn)略研究中,認(rèn)為當(dāng)?shù)氐乃Y源已不能滿足用水需求,并分析了其沒有得到可持續(xù)利用的原因;2011年,Liu等[14]通過計(jì)算寧波市水資源可利用量、適宜建設(shè)土地資源量、大氣環(huán)境容量(SO2、NO2、PM10)、水環(huán)境容量(COD、氨氮)、綜合葉面積指數(shù)與森林面積、人均GDP與環(huán)境保護(hù)投資占GDP比例等11項(xiàng)指標(biāo),確定了寧波市環(huán)境承載力,為水資源承載力綜合評(píng)價(jià)提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒;2013年,Milano等[11]采用“水資源供需比”,評(píng)估了埃布羅河流域水資源滿足現(xiàn)狀與未來需求的能力;2016年,Ait-Aoudia等[15]基于需水因素和供水因素的考慮,確定了阿爾及爾水資源可以支撐的最大人口數(shù)。
在國(guó)內(nèi),施雅風(fēng)院士于20世紀(jì)90年代初明確提出水資源承載力概念[16],迄今,我國(guó)已取得了一定的研究成果[17-29],其歷程大致可分為5個(gè)階段(圖1)。
圖1 國(guó)內(nèi)水資源承載力研究歷程
目前,對(duì)水資源承載力概念可歸納為3種觀點(diǎn):第一種觀點(diǎn)是水資源開發(fā)規(guī)模論,認(rèn)為水資源承載力是在一定的生產(chǎn)力和科技水平下,通過水資源配置使經(jīng)濟(jì)社會(huì)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的水資源開發(fā)利用的最大規(guī)模[19];第二種觀點(diǎn)是水資源支持持續(xù)發(fā)展能力論,認(rèn)為水資源承載力是在維系生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)的前提下,以一定的科技水平為依據(jù),水資源支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的最大能力[22]。第三種觀點(diǎn)是水資源承載最大人口論,認(rèn)為水資源承載力是在某一具體的發(fā)展階段下,以維護(hù)生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展為前提,在水資源合理配置和高效利用條件下,區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的最大人口容量[23]。
2.2 水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)一般可分為壓力指標(biāo)、狀態(tài)指標(biāo)和響應(yīng)指標(biāo)3類[30],其中,壓力指標(biāo)反映的是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)水資源要素的利用和對(duì)水資源系統(tǒng)的擾動(dòng)情況;狀態(tài)指標(biāo)反映的是一定時(shí)間階段內(nèi)水資源系統(tǒng)在壓力作用下所處的狀態(tài)及變化情況;響應(yīng)指標(biāo)反映的是人類通過調(diào)控措施來減輕和預(yù)防人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的負(fù)面影響。詳細(xì)評(píng)價(jià)指標(biāo)如圖2所示。
2.3 水資源承載力研究方法水資源承載力研究方法日趨多樣化,大致可歸納為三大類:經(jīng)驗(yàn)公式法、指標(biāo)體系評(píng)價(jià)法和系統(tǒng)分析法。(1)經(jīng)驗(yàn)公式法。經(jīng)驗(yàn)估算法是研究人員依據(jù)專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)對(duì)區(qū)域的水資源承載力進(jìn)行估算,主要包括類比分析法、趨勢(shì)分析法和定額分析法等。該類方法對(duì)水資源承載力影響因素考慮不足,更多考慮的是單項(xiàng)影響因子的發(fā)展趨勢(shì),無法體現(xiàn)“水資源-經(jīng)濟(jì)社會(huì)-生態(tài)環(huán)境”系統(tǒng)間的相互作用與聯(lián)系。評(píng)價(jià)指標(biāo)多以可承載人口、適宜綠洲面積[31]等出現(xiàn),方法簡(jiǎn)單、便于推廣,但具有一定的主觀性,對(duì)環(huán)境發(fā)生變化的動(dòng)態(tài)承載很難計(jì)算或把握,對(duì)水資源承載力調(diào)控方案的技術(shù)支撐不足,調(diào)控方案很難定量化;(2)指標(biāo)體系評(píng)價(jià)法。指標(biāo)體系評(píng)價(jià)法通過建立指標(biāo)體系,對(duì)水資源承載力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),主要有模糊綜合評(píng)價(jià)法、投影尋蹤法和主成分分析法等。該類方法對(duì)數(shù)學(xué)理論應(yīng)用比較深入,充分考慮了水資源承載力影響因素,如水資源可利用量、水環(huán)境狀況、生產(chǎn)力水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、科學(xué)技術(shù)水平等,并且考慮了水資源承載力主體與客體間的耦合作用,如水資源系統(tǒng)的供水保證程度、用水分配比例。但指標(biāo)選擇難以統(tǒng)一,對(duì)水資源承載力只能作出定性地評(píng)價(jià)。在調(diào)控方面,依據(jù)建立的指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)結(jié)果,可以從優(yōu)化區(qū)域水資源配置、多種水源統(tǒng)籌調(diào)配等方面提出提升區(qū)域水資源承載力措施,從提高用水效率、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、控制人口增長(zhǎng)、加強(qiáng)用水管理等方面來確定水資源承載負(fù)荷的調(diào)控方案;(3)系統(tǒng)分析法。系統(tǒng)分析法通過建立一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),采用不同方法或模型進(jìn)行水資源承載力分析,主要有多目標(biāo)決策分析法、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法和“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(PSR)”模型等。該類方法從水資源系統(tǒng)整體性、動(dòng)態(tài)性和多目標(biāo)性出發(fā),能夠定量分析“水資源-經(jīng)濟(jì)社會(huì)-生態(tài)環(huán)境”三大系統(tǒng)的內(nèi)在聯(lián)系,不是簡(jiǎn)單地給出流域/區(qū)域水資源所能承載人口或經(jīng)濟(jì)規(guī)模的上限,而是反映出經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與資源環(huán)境之間的聯(lián)系。在評(píng)價(jià)分析上融入了決策者的思想,可以考慮經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的不同目標(biāo)。在調(diào)控方面,一般采取“卸荷”和“強(qiáng)載”雙向調(diào)控措施,通過系統(tǒng)內(nèi)各組成部分的相互關(guān)系來檢驗(yàn)決策者提出的各種調(diào)控方案是否具有可持續(xù)性。
圖2 水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)
自然變化和人類活動(dòng)不斷影響著“水資源-經(jīng)濟(jì)社會(huì)-生態(tài)環(huán)境”三大系統(tǒng)的互饋關(guān)系,從而影響水資源承載力(圖3)。就現(xiàn)階段來看,人類活動(dòng)對(duì)水資源要素的利用主要體現(xiàn)在水資源數(shù)量、水環(huán)境容量、水域空間和水能資源等方面,因此,對(duì)水資源系統(tǒng)的擾動(dòng)也相應(yīng)地體現(xiàn)在數(shù)量的消耗、質(zhì)量的污染、空間的擠占和流場(chǎng)的改變等方面。未來,隨著人類活動(dòng)對(duì)水資源要素利用方式的進(jìn)一步拓展,對(duì)水資源系統(tǒng)的擾動(dòng)方式可能也會(huì)相應(yīng)地增加。從水資源承載力主體來說,水資源承載力直接與水資源可利用量有本質(zhì)的聯(lián)系,而水資源可利用量又受到水量、水質(zhì)和水域空間的限制。從水資源承載力客體來說,水資源承載力是建立在生態(tài)系統(tǒng)完整的基礎(chǔ)上,而生態(tài)系統(tǒng)又受到生態(tài)需水、水質(zhì)、水域空間和水流狀態(tài)的影響,基于經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的水資源配置也對(duì)水資源承載力有著重要的影響。不少學(xué)者已經(jīng)對(duì)水資源承載力經(jīng)濟(jì)社會(huì)內(nèi)涵和生態(tài)內(nèi)涵進(jìn)行了解析[21,32],限于篇幅,不作詳細(xì)描述,主要以現(xiàn)階段人類活動(dòng)對(duì)水資源要素利用和水資源系統(tǒng)擾動(dòng)的主要方式為出發(fā)點(diǎn),從水量、水質(zhì)、水域空間和水流狀態(tài)4個(gè)維度來解析水資源承載力內(nèi)涵。
3.1 維度一:水量水資源承載力在水量上具有極限的涵義,即當(dāng)一個(gè)流域/區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)模達(dá)到水資源承載力時(shí),意味著其經(jīng)濟(jì)社會(huì)需水量達(dá)到了極限。在水量維度,應(yīng)側(cè)重水資源的開發(fā)利用,確定地表水可利用量和地下水可開采量閾值。包含兩層涵義:
圖3 水資源承載力各系統(tǒng)關(guān)系示意
其一,水資源開發(fā)利用接近水資源的可更新能力。水資源是循環(huán)的、可更新的和不可替代的,如果人類取耗水(包括跨流域調(diào)水)超出了可更新的水資源量,流域/區(qū)域就會(huì)由承載狀態(tài)轉(zhuǎn)為超載狀態(tài),繼而引發(fā)河流斷流、地下水漏斗等一系列問題。應(yīng)根據(jù)河流枯水期基流、產(chǎn)卵期脈沖流量、汛期洪水過程占多年平均徑流量的比例,加權(quán)得到河流總體生態(tài)需水比例,確定地表水可利用量。根據(jù)典型植被的生長(zhǎng)耗水需求和物候情況,分析維持植被生長(zhǎng)的地下水水位閾值,建立降水量、地下水埋深閾值和最大可開采量之間的定量關(guān)系,確定地下水可開采量閾值。當(dāng)然,取耗水越大,并不意味著水資源承載力就越大,用水效率、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及水資源配置的變化,也會(huì)導(dǎo)致水資源承載力發(fā)生變化。因此,只有在一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平和水資源合理配置下來談水資源承載力,才更有實(shí)際價(jià)值。
其二,水資源開發(fā)利用應(yīng)以維護(hù)生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展為條件,最大程度地支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的同時(shí)需兼顧生態(tài)用水需求。對(duì)同一流域/區(qū)域而言,在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、用水效率等不變的情況下,可用于經(jīng)濟(jì)社會(huì)的水越多,其水資源承載力就越大。但是,如果經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水?dāng)D占生態(tài)用水,雖然可增大經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展規(guī)模,但會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成不可恢復(fù)的破壞,這種發(fā)展模式是不可持續(xù)的,因此認(rèn)為這種情形下的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)模超出了水資源承載力。由于不同流域/區(qū)域生態(tài)需水會(huì)有所不同,因此需要分析不同地區(qū)河流、湖泊水位與面積、水量之間的相關(guān)關(guān)系和魚類、候鳥等關(guān)鍵生態(tài)要素的生物過程對(duì)河湖水文過程變化的響應(yīng)關(guān)系,明確不同時(shí)期不同生態(tài)目標(biāo)下河湖的生態(tài)水位需求。
3.2 維度二:水質(zhì)水量維度針對(duì)的是水資源開發(fā)利用,但人類用水之后產(chǎn)生的污水經(jīng)處理后又會(huì)排放到水體中,污染物入河量一旦超出水體所能承受的范圍,就可能導(dǎo)致水體功能部分喪失、水生態(tài)系統(tǒng)破壞。因此,在水質(zhì)維度,需要開展水功能區(qū)納污能力的核算,確定不同類型區(qū)域保障魚類等水生生物正常生長(zhǎng)的濃度閾值。包含兩層涵義:
其一,水環(huán)境質(zhì)量應(yīng)滿足設(shè)定的水功能區(qū)劃水質(zhì)目標(biāo)的要求。如果一個(gè)地區(qū)的污染物濃度值劣于規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值,水體功能就會(huì)遭到破壞,盡管其水資源總量豐富,但往往是水質(zhì)型缺水,可供人類生活、生產(chǎn)活動(dòng)的水少,真實(shí)的水資源承載力并不大。需要說明的是,有的水功能區(qū)不滿足自身水質(zhì)目標(biāo),但被用于其它用途,比如,飲用水源區(qū)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是不劣于Ⅲ類,如果其實(shí)際水質(zhì)是Ⅳ類水,雖然可以用來服務(wù)工業(yè)用水和農(nóng)業(yè)用水,但是失去了水功能區(qū)劃的意義,不具備可持續(xù)發(fā)展的原則,因此認(rèn)為超出了其水資源承載力。
其二,水質(zhì)狀況應(yīng)滿足水生態(tài)系統(tǒng)安全性和生物多樣性的需求。首先,魚類等水生生物的正常生長(zhǎng)依賴于持續(xù)提供生存資源的健康水生態(tài)系統(tǒng),而良好的水質(zhì)是水生態(tài)系統(tǒng)安全的保障。水質(zhì)濃度始終存在著一個(gè)界限,超過這一濃度界限時(shí)水生態(tài)系統(tǒng)就會(huì)退化并可能面臨突然崩潰的風(fēng)險(xiǎn),這個(gè)界限反映了水資源維持生態(tài)系統(tǒng)平衡而不被破壞的最大水平,是保障魚類等水生生物正常生長(zhǎng)的濃度閾值。其次,隨著人類社會(huì)的發(fā)展,水污染對(duì)生物多樣性也產(chǎn)生了影響。水污染改變了生物原有的生存方式,可能導(dǎo)致生物多樣性向著污染這個(gè)主導(dǎo)因子進(jìn)化發(fā)展,部分種群消失,物種豐富度減少,從而降低水資源承載力。
3.3 維度三:水域空間水資源開發(fā)利用以及城鎮(zhèn)化、工農(nóng)業(yè)發(fā)展等經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)不可避免地對(duì)河湖濕地等水域空間形成侵占,同時(shí)也形成水庫(kù)、溝渠、景觀湖等新增水域。水資源承載力在水域空間維度的內(nèi)涵就體現(xiàn)在給河湖濕地保留適當(dāng)?shù)目臻g,將對(duì)水域空間的侵占和其影響限制在合理范圍內(nèi)。包含兩層涵義:
其一,從防洪排澇安全的角度,適宜的水域空間是河流、湖泊等正常發(fā)揮洪水通道和調(diào)蓄作用的保障。天然條件下,河流及其漫灘地為汛期洪水提供了通道,湖泊濕地起到調(diào)蓄洪水、降低洪峰流量的作用。但隨著人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,基于取水、排水、航運(yùn)便捷性以及水景觀需求等多方面的誘導(dǎo),逐漸形成沿河而居、沿湖而居的生產(chǎn)生活方式,在衍生出燦爛的大河文明、大湖文明的同時(shí),侵占河道、圍墾湖泊等現(xiàn)象也愈發(fā)劇烈,“人水爭(zhēng)地”的矛盾不斷突出。而由此帶來的直接后果就是暴發(fā)流域性洪水后,洪水得不到有效疏解和緩沖,給經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)帶來巨大損失和災(zāi)害。雖然通過堤防、水庫(kù)等工程手段能一定程度上予以防護(hù),但河灘湖沼系統(tǒng)自然的水文節(jié)律被破壞,帶來大量次生問題。同時(shí),河湖水域也是城市內(nèi)部最高效的“海綿體”,其空間的侵占也將直接影響城市防澇安全。
其二,從生態(tài)環(huán)境安全的角度,適宜的水域空間是河湖濕地凈化水質(zhì),并為水生生物、候鳥等提供足夠棲息地的必然要求。河湖漫灘濕地是水生和濱水植物的重要生存空間,也是攔截入河污染物的天然屏障,對(duì)于改善水質(zhì)、增強(qiáng)污染降解能力具有重要作用。與此同時(shí),廣泛的水域空間及其深淺變化為不同水生及伴水生活的生物,如魚類、鳥類、兩棲類等提供了必要的生境條件,對(duì)于水域空間的擠占將導(dǎo)致這些生物生存空間萎縮,直接影響生物多樣性的保護(hù)。以我國(guó)扎龍濕地的丹頂鶴為例,其適宜的水深條件是0.1~0.6 m,同時(shí)每對(duì)丹頂鶴產(chǎn)卵育幼期的領(lǐng)地需求大約2 km2,以目前每年大約400只野生丹頂鶴棲息繁殖計(jì)算,需要扎龍濕地至少保持400 km2的丹頂鶴適宜棲息地。如果在濕地棲息繁殖的丹頂鶴數(shù)量進(jìn)一步增加,并考慮其他候鳥和生物的棲息需求,相應(yīng)的水域空間要求也需要進(jìn)一步增加,并對(duì)濕地周圍的農(nóng)業(yè)種植、生活居住等人類活動(dòng)提出限制條件。
總體來說,適宜的水域空間對(duì)城市防洪排澇和維持生物多樣性至關(guān)重要,具有巨大的生態(tài)環(huán)境效益,但同時(shí)也應(yīng)注意到,增大水域空間面積,將造成水資源蒸散發(fā)消耗大幅增加,這對(duì)于水資源短缺地區(qū)尤其重要。因此,需要統(tǒng)籌考慮防洪、生態(tài)、景觀等對(duì)水域空間的需求,綜合確定不同降水條件下的適宜水域面積。
3.4 維度四:水流狀態(tài)水資源承載力在水流狀態(tài)維度的內(nèi)涵更側(cè)重于水生態(tài)系統(tǒng)方面,主要是水流阻隔及流速、流態(tài)變化對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力,需要確定不同水系連通指標(biāo)的閾值。包含兩層涵義:
其一,河流阻隔建筑物通過阻隔河流縱向連通性對(duì)生物的生境構(gòu)成威脅,水力發(fā)電對(duì)河道內(nèi)生態(tài)用水造成壓力。一方面,河流的連通性對(duì)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和能量交換至關(guān)重要,但水庫(kù)的建設(shè),阻隔了河流縱向連通性,使得閘壩上下游之間的各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)傳輸通道不復(fù)存在,導(dǎo)致那些需要獨(dú)特生存環(huán)境的生物不得不遷徙甚至消亡??梢圆捎盟淡h(huán)度反映每個(gè)節(jié)點(diǎn)(河流的起源和交匯點(diǎn))物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和能量交換的能力,其值與河段個(gè)數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)有關(guān)[33]。另一方面,水能資源的開發(fā),有利于減少煤炭等不可再生資源的消耗,符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求,因此認(rèn)為水能資源也是水資源承載力的一部分。目前,水電需求量急劇增加,水庫(kù)蓄放水時(shí)間更多地服從電網(wǎng)需求[34],從而影響上游灌溉供水和城市供水,下游的生態(tài)流量也會(huì)得不到滿足,對(duì)河道內(nèi)生態(tài)用水造成壓力,降低水資源承載力??梢圆捎冒l(fā)電用水率(發(fā)電用水量/河道內(nèi)生態(tài)用水量)來反映水能資源的承載力。
其二,水資源承載力應(yīng)考慮流速及流態(tài)變化帶來的水生態(tài)系統(tǒng)壓力。一方面,流速是傳送營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的重要方式,但也會(huì)使生物在河流的生存能力受到限制。水庫(kù)建設(shè)等活動(dòng)改變了水流流速,一些生物會(huì)對(duì)流速的變化做出響應(yīng),可能會(huì)打破它們之間原有的相互聯(lián)系,甚至?xí)?dǎo)致物種死亡率的增加。此外,流速減緩也會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)下降??刹捎蒙鷳B(tài)徑流指標(biāo)(生態(tài)剩余和生態(tài)赤字)[35]來評(píng)價(jià)河道流量需求總的缺失和盈余,以25%和75%分位數(shù)的年流量歷時(shí)曲線作為河流生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)范圍[36]。另一方面,有的生物喜歡急流,有的生物喜歡緩流,流態(tài)變化會(huì)導(dǎo)致生物棲息地的改變,從而對(duì)物種分布和豐度產(chǎn)生影響,甚至?xí)?dǎo)致生物多樣性的喪失,同時(shí)也為外來物種的入侵提供了條件。大壩建設(shè)及極端洪澇、干旱事件改變了水流流態(tài),時(shí)時(shí)刻刻影響著水生態(tài)系統(tǒng)??衫肐HA(Indicators of Hydrological Alteration)32個(gè)指標(biāo)[37]量化河流流態(tài)變化特征,計(jì)算Dn(Degree of hydrologic alternation)指標(biāo)[38],來評(píng)價(jià)流態(tài)變化對(duì)河道生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力。
3.5 水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建
3.5.1 指標(biāo)體系架構(gòu) 在水資源承載力新內(nèi)涵認(rèn)知的基礎(chǔ)上,基于“量-質(zhì)-域-流”4個(gè)維度構(gòu)建水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。此外,人均日生活用水量、農(nóng)田灌溉畝均用水量等經(jīng)濟(jì)社會(huì)指標(biāo)易受“量-質(zhì)-域-流”維度變化的影響,故也將其納入到評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中(圖4)。
圖4 基于“量-質(zhì)-域-流”維度的水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系
其中:C1為地表水資源開發(fā)利用率,地表水供水量/地表水資源量,反映地表水資源開發(fā)現(xiàn)狀和潛力;C2為地下水開采系數(shù),地下水實(shí)際開采量/地下水允許開采量,反映地下水資源開采現(xiàn)狀和潛力;C3為生態(tài)環(huán)境用水率,反映生態(tài)環(huán)境的保護(hù)程度;C4為水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率,反映水環(huán)境質(zhì)量狀況;C5為溶解氧濃度(DO),反映水體自凈的能力;C6為化學(xué)需氧量(COD),反映水中受還原性物質(zhì)污染的程度;C7為水域面積率,水域面積/總面積,反映維持水生生物多樣性、滿足防洪排澇需求的能力;C8為重要濕地保留率,規(guī)劃區(qū)域內(nèi)重要濕地在不同水平年的總面積與20世紀(jì)80年代前代表年份水體總面積的比值[39],反映城市建設(shè)過程中重要濕地的保留情況;C9為人均水面面積,反映水域空間面積與人口數(shù)量之間的關(guān)系;C10為水系環(huán)度,通過相關(guān)公式計(jì)算得到[33],反映河流中物質(zhì)能量的交換能力;C11為發(fā)電用水率,發(fā)電用水量/河道內(nèi)生態(tài)用水量,反映水能資源的承載能力;C12為生態(tài)徑流指標(biāo),包括生態(tài)剩余和生態(tài)赤字,通過相關(guān)公式計(jì)算得到[35],反映河道流量需求總的缺失和盈余;C13為Dn指標(biāo),通過相關(guān)公式計(jì)算得到[38],反映水庫(kù)對(duì)河流流態(tài)總體改變程度以及造成的河道生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)性大?。籆14為生物多樣性指數(shù)(Shannon Index),通過相關(guān)公式計(jì)算得到[40],反映水庫(kù)建立后對(duì)河道生物多樣性的影響程度;C15為第一產(chǎn)業(yè)所占比例,反映第一產(chǎn)業(yè)對(duì)水資源的需求配置;C16為人均日生活用水量,生活用水量/(用水人數(shù)·天數(shù)),反映居民生活的用水水平;C17為萬元工業(yè)增加值用水量,反映工業(yè)對(duì)水資源的索取程度;C18為農(nóng)田灌溉畝均用水量,反映農(nóng)業(yè)發(fā)展水平和水資源利用效率。
3.5.2 指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)確定 參照《城市水系規(guī)劃導(dǎo)則》(SL 431-2008)、《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)等國(guó)家或行業(yè)頒布的水利、生態(tài)等領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及相關(guān)文獻(xiàn)[19,33,40-42],確定各指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),將各指標(biāo)對(duì)水資源承載力的影響程度分為3個(gè)等級(jí)(表1)。其中,V1表示人類活動(dòng)對(duì)水資源系統(tǒng)的擾動(dòng)程度不大,水資源狀況比較樂觀;V2表示水資源開發(fā)利用已有相當(dāng)規(guī)模,但仍有開發(fā)利用的潛力;V3表示人類活動(dòng)對(duì)水資源系統(tǒng)過度干擾,需要采取適當(dāng)措施來緩解水資源的承載壓力。
表1 基于“量-質(zhì)-域-流”4個(gè)維度的水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)
水資源承載力研究從萌芽到初步形成、再到發(fā)展經(jīng)歷了約30年的時(shí)間,但對(duì)于水資源承載力的基本定義、評(píng)價(jià)指標(biāo)還未完全統(tǒng)一,亟需建立和完善水資源承載力基礎(chǔ)理論體系。面向水資源承載力調(diào)控和管理的實(shí)踐需求,水資源承載力研究面臨四大關(guān)鍵科學(xué)問題,即:(1)水資源承載力“量-質(zhì)-域-流”四維演變機(jī)制;(2)“水資源-經(jīng)濟(jì)社會(huì)-生態(tài)環(huán)境”系統(tǒng)的承載彈性閾值;(3)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的“平衡點(diǎn)”;(4)水資源承載力調(diào)控機(jī)制。
4.1 水資源承載力“量-質(zhì)-域-流”四維演變機(jī)制水資源承載力是水量、水質(zhì)、水域、水流4個(gè)維度在“水資源-經(jīng)濟(jì)社會(huì)-生態(tài)環(huán)境”三大系統(tǒng)中的集成體現(xiàn),每一個(gè)維度都具有其特有的演變機(jī)制,這些機(jī)制如何演變,將影響水資源承載力的變化。以往研究多集中于水量、水質(zhì)兩個(gè)維度,將經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)作為一個(gè)整體“灰箱”進(jìn)行描述,缺乏對(duì)水量水質(zhì)演變過程細(xì)致深入的認(rèn)知。此外,人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)對(duì)水資源系統(tǒng)的干擾遠(yuǎn)不止于此,在空間的擠占、流場(chǎng)的改變等方面同樣有所體現(xiàn),生態(tài)系統(tǒng)同樣需要水資源在空間和流場(chǎng)方面的支撐。分析各個(gè)維度的關(guān)鍵影響因子,明晰水量、水質(zhì)、水域、水流4個(gè)維度的演變過程,是揭示水資源承載力演變機(jī)理的重要基礎(chǔ),有利于明晰水資源承載力調(diào)控與管理的基本過程和重點(diǎn)環(huán)節(jié)。
在水量維度,可通過收集整理流域/區(qū)域主要?dú)庀笳尽⑺恼竞偷叵滤O(jiān)測(cè)井信息,分析降水、徑流、蒸發(fā)和地下水位等自然水循環(huán)要素的演變規(guī)律;在水質(zhì)維度,可通過收集整理流域/區(qū)域人口、GDP等經(jīng)濟(jì)社會(huì)信息,以及分部門、分行業(yè)的供用水量信息,統(tǒng)計(jì)分析排污量,解析水資源綜合利用效率和水質(zhì)演變特征,并采用水量平衡和遙感解譯等方法復(fù)核不同來源的水文水資源信息;在水域空間維度,可利用遙感和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析不同時(shí)期下流域/區(qū)域水域空間面積的變化趨勢(shì),采用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法尋求水域面積與水土資源條件的關(guān)系;在水流狀態(tài)維度,可結(jié)合歷史資料,分析水能開發(fā)利用程度的變化趨勢(shì),并結(jié)合“斑塊-廊道-基質(zhì)”理論,研究不同類型水生態(tài)空間的連通性表征方法。
4.2 “水資源-經(jīng)濟(jì)社會(huì)-生態(tài)環(huán)境”系統(tǒng)的承載彈性閾值“水資源-經(jīng)濟(jì)社會(huì)-生態(tài)環(huán)境”系統(tǒng)之間圍繞著水這一重要介質(zhì)發(fā)生著十分復(fù)雜的交互作用,就現(xiàn)階段來看,人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)對(duì)水資源系統(tǒng)的擾動(dòng)主要體現(xiàn)在數(shù)量的消耗、質(zhì)量的污染、空間的擠占和流場(chǎng)的改變,而生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)同樣需要水資源在數(shù)量、質(zhì)量、空間、流場(chǎng)等方面的支撐。由于生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的自我修復(fù)與調(diào)節(jié)能力,當(dāng)這種干擾和影響在一定的彈性區(qū)間內(nèi)時(shí),生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)能夠與經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)維持相互“脅迫”的再平衡狀態(tài)。在“自然-社會(huì)”二元水循環(huán)的驅(qū)動(dòng)下,“水資源-經(jīng)濟(jì)社會(huì)-生態(tài)環(huán)境”系統(tǒng)的耦合作用不斷加強(qiáng)。探析“水資源-經(jīng)濟(jì)社會(huì)-生態(tài)環(huán)境”系統(tǒng)間的互饋機(jī)制,尋求并解析生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)所能承受的最大壓力閾值,是開展水資源承載力研究的基礎(chǔ)性科學(xué)問題,可為水資源承載力調(diào)控奠定客觀基礎(chǔ)。
在水量維度,可通過構(gòu)建多參數(shù)、多尺度生態(tài)需水過程模擬模型,從河湖生態(tài)需水過程推求地表水量的閾值。通過開展不同地下水埋深條件下植被生長(zhǎng)情況的觀測(cè),從支撐植被生長(zhǎng)的地下水埋深推求地下水量的閾值;在水質(zhì)維度,可利用分布式水文模型、各用水行業(yè)投入產(chǎn)出模型和CGE模型,建立“取用水量-納污能力-污染負(fù)荷”之間的互動(dòng)關(guān)系,結(jié)合二次平衡推求污染物排放閾值,從保障魚類生長(zhǎng)的溶解氧濃度等關(guān)鍵指標(biāo)推求水質(zhì)閾值;在水域空間維度,可利用遙感和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)開展水域空間面積率(河湖、水庫(kù)、濕地、塘洼等水體護(hù)堤之內(nèi)或者最高水位線以下的面積占區(qū)域總面積的比例)的解析和計(jì)算,從適宜水域面積推求空間擠占和平衡閾值;在水流狀態(tài)維度,可根據(jù)河流水動(dòng)力特征和魚類洄游習(xí)性,剖析不同類型的河流阻隔建筑物對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的影響機(jī)理,結(jié)合現(xiàn)狀水能開發(fā)利用程度,提出不同河流縱向連通性參考閾值。
圖5 經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的“平衡點(diǎn)”
4.3 經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的“平衡點(diǎn)”在一定的技術(shù)水平和社會(huì)生產(chǎn)條件下,水資源承載力是有限的,它的發(fā)展是一個(gè)包含量變累積和質(zhì)變躍遷的過程,此過程存在一個(gè)“平衡點(diǎn)(圖5)。在發(fā)展初期,水資源開發(fā)利用程度不大,經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)模較小,流域/區(qū)域處于一種良好承載的狀態(tài)。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)模的擴(kuò)大,水事活動(dòng)范圍和程度也相應(yīng)地增加,水資源系統(tǒng)壓力會(huì)越來越大,在水資源開發(fā)利用過程中會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成一定的破壞,但是由于自然生態(tài)系統(tǒng)的自我修復(fù)與調(diào)節(jié)能力,以及水資源范圍的拓寬和用水方式的改變(如非常規(guī)水源利用、灌溉技術(shù)更新等),人為的或自然因素的這種干擾和影響是在一定的彈性區(qū)間內(nèi),也就是說,在自然生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)及人類適當(dāng)措施下,水資源生態(tài)系統(tǒng)依然能夠得到修復(fù)。在這個(gè)范圍內(nèi),流域/區(qū)域依然處于一種合理承載的狀態(tài),所能承載的最大值就是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的“平衡點(diǎn)”。而當(dāng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)模超出了這個(gè)“平衡點(diǎn)”,流域/區(qū)域就處于一種超載的狀態(tài),當(dāng)超載達(dá)到一定程度時(shí),水資源生態(tài)系統(tǒng)很難恢復(fù)到原來的狀態(tài),該過程成為一個(gè)不可逆的過程。因此,尋求經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的“平衡點(diǎn)”,是開展水資源承載力研究最為重要的科學(xué)問題。可通過建立多目標(biāo)函數(shù)及構(gòu)建“量-質(zhì)-域-流”4個(gè)維度的約束方程,求得最優(yōu)解來確定經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的“平衡點(diǎn)”,為水資源承載力調(diào)控提供依據(jù)。
4.4 水資源承載力調(diào)控機(jī)制由于經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水和生態(tài)環(huán)境用水之間往往存在此消彼長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)依存關(guān)系,經(jīng)濟(jì)社會(huì)用耗水量和排污量的增加必然會(huì)影響到天然生態(tài)與環(huán)境功能的實(shí)現(xiàn),從而導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)退化和環(huán)境質(zhì)量下降,降低水資源承載力。水資源承載力調(diào)控就是要將人類水資源過度開發(fā)利用造成的對(duì)水資源系統(tǒng)的干擾和影響在經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)內(nèi)消化,以維系經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的平衡,即:維持生態(tài)環(huán)境用水與經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水的平衡、水環(huán)境容量與經(jīng)濟(jì)社會(huì)排污量的平衡、水域面積與陸地面積占有率的平衡、流場(chǎng)屬性(如流速、流態(tài)等)與物種分布和豐度之間的平衡。對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)而言,水資源承載力調(diào)控的基本目標(biāo)就是提升其安全性,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)正向演進(jìn),最終實(shí)現(xiàn)水資源荷載平衡。揭示水資源承載力調(diào)控機(jī)制,可以為水資源承載力調(diào)控和管理途徑的選取提供科學(xué)依據(jù)。
可通過分析水資源承載力各要素特征,進(jìn)行水資源承載力驅(qū)動(dòng)因子的甄別,篩選出獨(dú)立性強(qiáng)、關(guān)聯(lián)度低、驅(qū)動(dòng)效用明顯的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子,建立水資源承載力診斷指標(biāo),確定水資源承載力診斷準(zhǔn)則,采用綜合診斷評(píng)價(jià)方法,構(gòu)建水資源承載力診斷體系。在此基礎(chǔ)上,充分結(jié)合流域/區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、人口增長(zhǎng)和水中長(zhǎng)期供求相關(guān)預(yù)測(cè)成果,采用非線性時(shí)間序列分析方法、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)等智能建模方法,構(gòu)建在不同發(fā)展時(shí)期、不同發(fā)展情景下考慮經(jīng)濟(jì)社會(huì)、水量、水質(zhì)、水域和水流等各要素的水資源承載力診斷指標(biāo)預(yù)測(cè)模型。在水資源承載動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)與調(diào)控方案研究基礎(chǔ)上,從優(yōu)化區(qū)域水資源配置、多種水源統(tǒng)籌調(diào)配等方面提出提升區(qū)域水資源承載力措施建議,從提高用水效率、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和發(fā)展規(guī)模、控制人口增長(zhǎng)、加強(qiáng)用水管理等方面提出水資源承載負(fù)荷調(diào)控方案。
以現(xiàn)階段人類活動(dòng)對(duì)水資源要素利用和水資源系統(tǒng)擾動(dòng)的主要方式為出發(fā)點(diǎn),從水量、水質(zhì)、水域空間和水流狀態(tài)4個(gè)維度賦予了水資源承載力新的內(nèi)涵,基于新內(nèi)涵構(gòu)建了水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并明確了水資源承載力面臨的四大關(guān)鍵科學(xué)問題,主要結(jié)論如下:(1)在水量上,水資源開發(fā)利用應(yīng)接近水資源的可更新能力,在最大支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的同時(shí)需兼顧生態(tài)用水需求;(2)在水質(zhì)上,水環(huán)境質(zhì)量應(yīng)滿足水功能區(qū)劃水質(zhì)目標(biāo)的要求,以及水生態(tài)系統(tǒng)安全性和生物多樣性的需求;(3)在水域空間上,應(yīng)保障河流、湖泊等正常發(fā)揮洪水通道和調(diào)蓄作用,為河湖濕地凈化水質(zhì),并為水生生物、候鳥等提供足夠棲息地;(4)在水流狀態(tài)上,更側(cè)重水流阻隔及流速、流態(tài)變化對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力,明確不同水系連通指標(biāo)的閾值;(5)水資源承載力“量-質(zhì)-域-流”四維演變機(jī)制、“水資源-經(jīng)濟(jì)社會(huì)-生態(tài)環(huán)境”系統(tǒng)的承載彈性閾值、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的“平衡點(diǎn)”以及水資源承載力調(diào)控機(jī)制是水資源承載力研究的四大關(guān)鍵科學(xué)問題。
但是必須指出,水資源承載力涉及多個(gè)學(xué)科,學(xué)科交叉特點(diǎn)明顯,存在很多不確定性。本文的出發(fā)點(diǎn)是基于人類活動(dòng)對(duì)水資源要素的利用和水資源系統(tǒng)的擾動(dòng),今后的研究應(yīng)深入分析社會(huì)水循環(huán)各個(gè)環(huán)節(jié)、水權(quán)交易、水處理技術(shù)水平等對(duì)水資源承載力的影響。
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