面向水流系統(tǒng)功能的多維度水資源承載力評價(jià)指標(biāo)體系

唱 彤，酈建強(qiáng)，金菊良，陳 磊，董 濤，陳夢璐，張浩宇

(1.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院,北京 100120; 2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009;3.合肥工業(yè)大學(xué)水資源與環(huán)境系統(tǒng)工程研究所,安徽 合肥 230009;4.安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學(xué)研究院，安徽 合肥 230088)

水資源是維持區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會、生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展不可替代的自然資源。在經(jīng)典物理學(xué)中承載力是指物體在不產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞或不產(chǎn)生功能性破壞時(shí)所能承受的最大荷載，水資源承載力(water resources carrying capacity)是承載力概念在由水資源、經(jīng)濟(jì)社會和生態(tài)環(huán)境3個(gè)子系統(tǒng)組成的復(fù)合系統(tǒng)中的具體體現(xiàn)[1-3]。水資源承載力研究始于20世紀(jì)70年代，國際有關(guān)組織針對資源匱乏國家的土地、水等資源的承載力進(jìn)行了研究，提出了水資源承載力的相關(guān)概念[4-5]。伴隨我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水資源短缺、水環(huán)境污染、水生態(tài)惡化等問題日益突出，水資源承載力亟待深入研究。在我國，水資源承載力的概念由施雅風(fēng)于1989年首次明確提出[3]，隨后有關(guān)水資源承載力的研究成果較為豐富[4-10]。

水資源承載力評價(jià)研究主要包括水資源承載力的內(nèi)涵及基礎(chǔ)理論、評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建、評價(jià)方法建立、實(shí)證研究等內(nèi)容。目前，水資源承載力評價(jià)指標(biāo)體系多種多樣，評價(jià)方法也日趨豐富。李娟芳等[11]選取了水質(zhì)、水量、水生態(tài)、社會、經(jīng)濟(jì)5個(gè)方面的28個(gè)指標(biāo)，評價(jià)了洛陽市的水資源承載力。程軍蕊等[12]從承載對象角度構(gòu)建了反映水資源承載、壓力和承載度的評價(jià)指標(biāo)體系，包括水資源支撐指標(biāo)、供用水指標(biāo)和承載力評判指標(biāo)。張艷明[13]和孟珍珠等[14]均基于人水和諧理論，從健康、發(fā)展、協(xié)調(diào)三方面選取了26個(gè)指標(biāo)，分別對遼寧省和安徽阜陽市的水資源承載力進(jìn)行了評價(jià)。王麗等[15]建立了以水資源自然支持力、社會生活水平和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平3個(gè)子系統(tǒng)為主成分的承載驅(qū)動回歸模型,以評價(jià)臨海市水資源承載綜合能力。于倩雯等[16]和吳瓊[17]分別以模糊物元法和因子分析法對青海省水資源承載力進(jìn)行了評價(jià)。王建華等[1]從水資源、經(jīng)濟(jì)社會、水生態(tài)、水環(huán)境角度，基于“量、質(zhì)、域、流”四方面構(gòu)建了水資源承載力“四層三級”評價(jià)指標(biāo)體系。王晗等[18]和崔東文等[19]選取水資源、經(jīng)濟(jì)社會和生態(tài)環(huán)境相關(guān)指標(biāo)分別以TOPSIS模型和風(fēng)力驅(qū)動投影尋蹤模型對鄭州市和文山州近10年的水資源承載力狀況進(jìn)行了評價(jià)。袁艷梅等[20]將灰關(guān)聯(lián)系數(shù)應(yīng)用于模糊評價(jià)模型中，結(jié)合定性定量分析對江陰市水資源承載力進(jìn)行了綜合評價(jià)。Yang等[21]將層次分析法與系統(tǒng)動力學(xué)模型相結(jié)合，構(gòu)建了水資源承載力的多準(zhǔn)則評價(jià)體系和西安市社會經(jīng)濟(jì)-水資源系統(tǒng)動力學(xué)模型，對西安市2015—2020年社會、經(jīng)濟(jì)、供需水和廢水排放的發(fā)展趨勢進(jìn)行了綜合評估。Jia等[22]將水資源承載力系統(tǒng)分為社會、經(jīng)濟(jì)、水資源、生態(tài)和經(jīng)濟(jì)評價(jià)子系統(tǒng)，通過對不同方案進(jìn)行情景分析，認(rèn)為節(jié)水水平和作物灌溉定額是影響水資源承載力的主要因素。Cheng等[23]以水資源系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展為重點(diǎn)，選取16個(gè)指標(biāo)構(gòu)建水資源承載力評價(jià)指標(biāo)體系，用云模型評價(jià)了研究區(qū)水資源承載力水平，并分析了水資源承載力的時(shí)空演化情況。Cui等[24]從承載子系統(tǒng)的角度構(gòu)建了指標(biāo)體系和相應(yīng)的評價(jià)等級標(biāo)準(zhǔn)，定量評價(jià)和診斷了不確定條件下區(qū)域水資源承載力。已有的評價(jià)指標(biāo)體系大多從壓力-狀態(tài)-響應(yīng)或水資源-經(jīng)濟(jì)社會-生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)角度選擇指標(biāo)，尚未反映出具有物理含義的系統(tǒng)承載力與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-功能相互關(guān)系。為進(jìn)一步解析水資源承載的物理內(nèi)涵、構(gòu)建表征明晰的承載力評價(jià)指標(biāo)體系，本文從水流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能出發(fā)推演出水資源系統(tǒng)的“水量-水質(zhì)-水生棲息環(huán)境-連通性”四維表征，以水資源承載支撐力、壓力和調(diào)控力3個(gè)子系統(tǒng)描述承載過程，進(jìn)而以各維度承載支撐力、壓力和調(diào)控力的主要指標(biāo)構(gòu)建水資源承載力評價(jià)指標(biāo)體系，以期為水資源環(huán)境承載力解析和評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建提供理論依據(jù)和新思路。

1 基于水流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的水流系統(tǒng)功能

水圈是海洋、江河、湖泊、沼澤、地下水和冰川等地球表層液態(tài)和固態(tài)水體通過水循環(huán)連接的整體，水圈中的水體在太陽輻射和重力的作用下處于不間斷的循環(huán)運(yùn)動之中，這種永不停息的大規(guī)模水循環(huán)，與大氣圈、巖石圈、生物圈相互作用塑造了地球表面的滄桑巨變和萬物的盎然生機(jī)。水不僅是生命的載體，也是能量流動、物質(zhì)循環(huán)和信息傳遞的介質(zhì)。水流系統(tǒng)是指賦存于地表與地下的參與水循環(huán)過程的淡水水體，也可狹義地認(rèn)為是江河湖庫。我國憲法中規(guī)定礦藏、水流、森林、山嶺、草原、荒地、灘涂等自然資源，屬于國家所有。中共中央、國務(wù)院2015年印發(fā)的《生態(tài)文明體制改革總體方案》要求“對水流、森林、山嶺、草原、荒地、灘涂等所有自然生態(tài)空間統(tǒng)一進(jìn)行確權(quán)登記”，隨后水利部與當(dāng)時(shí)的國土資源部聯(lián)合開展了水流產(chǎn)權(quán)確權(quán)試點(diǎn)工作，將“水流”的概念應(yīng)用于水利行業(yè)管理實(shí)踐中。水流系統(tǒng)是一個(gè)相對開放的非線性復(fù)雜系統(tǒng)，大氣環(huán)境和地形地貌條件(或大氣圈和巖石圈)構(gòu)成了水流系統(tǒng)相對開放的邊界條件，三者相互影響、互為因果。其中的復(fù)雜過程和相互關(guān)系不僅涉及物理、化學(xué)、生物系統(tǒng)以及交叉系統(tǒng)，還包括與人類活動息息相關(guān)的經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)。作為研究復(fù)雜系統(tǒng)的綜合性的科學(xué)方法，系統(tǒng)論為深入認(rèn)識水流系統(tǒng)提供了理論指導(dǎo)。

系統(tǒng)論以系統(tǒng)為對象，分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，研究系統(tǒng)與環(huán)境的相互關(guān)系和動態(tài)規(guī)律，并優(yōu)化系統(tǒng)以達(dá)到最優(yōu)的目標(biāo)。所有水流系統(tǒng)都具有開放性、關(guān)聯(lián)性、不確定性、動態(tài)平衡性等基本特征。系統(tǒng)論認(rèn)為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)要素之間相對穩(wěn)定的聯(lián)系方式、組織秩序及其時(shí)空關(guān)系的內(nèi)在表現(xiàn)形式的綜合，功能是系統(tǒng)與外部環(huán)境相互聯(lián)系和相互作用中表現(xiàn)出來的性質(zhì)、功效和能力，主要是把系統(tǒng)輸入轉(zhuǎn)換為輸出的能力，結(jié)構(gòu)是功能的基礎(chǔ)，系統(tǒng)功能依賴于并反作用于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[25-26]。由于水流系統(tǒng)的開放性、突變和漲落等不確定性，水流系統(tǒng)總是處于動態(tài)演變、趨于平衡和相對穩(wěn)定的過程中，其結(jié)構(gòu)具有明顯的時(shí)空特征和層次效應(yīng)，既包括大尺度的水流循環(huán)，體現(xiàn)為地球表層物質(zhì)循環(huán)流動的重要鏈條和陸海域泥沙和元素循環(huán)的載體，系統(tǒng)通過不斷的侵蝕、搬運(yùn)與堆積，形成流域內(nèi)的千溝萬壑與沖積平原，塑造了流域內(nèi)獨(dú)特的地形地貌和水文情勢；也包括小尺度的以流速、水深、水流阻力等水動力學(xué)要素為表征的局部物理?xiàng)h(huán)境，例如階梯-深潭系統(tǒng)、河灣等。

水流系統(tǒng)的功能首先是持續(xù)自然演化功能，包括參與全球水循環(huán)、深切河谷、搬運(yùn)泥沙、塑造大尺度流域過程等；其次是在自然演化背景下水流系統(tǒng)維持生態(tài)系統(tǒng)平衡的生態(tài)服務(wù)功能，涉及孕育生命、塑造棲息場所、源匯功能和水質(zhì)凈化功能等；作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成以及影響和改造自然最劇烈的力量組成，人類的經(jīng)濟(jì)社會活動也是水流系統(tǒng)重要的服務(wù)對象，即社會服務(wù)功能。社會服務(wù)功能將人作為服務(wù)對象，根據(jù)需求的不同，社會服務(wù)功能可分為防洪、發(fā)電、水源供給、水產(chǎn)品生產(chǎn)、內(nèi)陸運(yùn)輸、景觀文化教育等功能[20，27]。水流系統(tǒng)功能對結(jié)構(gòu)也有反作用，例如當(dāng)人類活動過度取用水時(shí)，即過度發(fā)揮社會服務(wù)功能，將導(dǎo)致河流斷流、湖泊萎縮等，會改變水流結(jié)構(gòu)和影響其他水流系統(tǒng)功能的發(fā)揮。3類水流系統(tǒng)功能相輔相成，反映了水資源、生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會3個(gè)子系統(tǒng)的相互作用：自然演化功能是水流的基本功能，它支撐和決定了生態(tài)服務(wù)功能和社會服務(wù)功能；生態(tài)服務(wù)功能是自然演化功能所形成的生態(tài)效應(yīng)；而社會服務(wù)功能則是水流滿足人類的各種需求[27]。

承載力原是結(jié)構(gòu)力學(xué)中的物理量，后經(jīng)對概念內(nèi)涵的延伸，衍生出水、土、資源、環(huán)境、生態(tài)等不同的承載力，用于表達(dá)各類資源在面臨外部環(huán)境變化情況下的最大承受能力和發(fā)展極限。承載力可以作為衡量和判別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定和功能均衡發(fā)揮的工具，與可持續(xù)發(fā)展緊密相關(guān)，是承載主體與客體之間達(dá)到協(xié)同、均衡發(fā)展的互饋機(jī)制的體現(xiàn)?，F(xiàn)有針對承載力的研究大致分為兩類：一是以所承載客體的數(shù)量(即承載容量，如生物量)為度量,例如生態(tài)承載力是以在特定環(huán)境下供養(yǎng)一定數(shù)量的生物而不致引起其所依賴的環(huán)境退化和不穩(wěn)定來表征的，是目前成果較為豐富的研究視角。該研究視角的特點(diǎn)和難點(diǎn)都在于承載過程的非線性和承載客體的不確定性，以人口承載為例，所承載的人口數(shù)量與特定時(shí)空下區(qū)域的科技水平、資源利用效率、生活水平等諸多因素緊密相關(guān)。二是以各類資源環(huán)境(承載主體)的承載支撐為度量,著重描述支撐客體時(shí)自身結(jié)構(gòu)完整和功能健全的程度,相關(guān)研究成果較少。上述兩類承載力研究或偏重于承載客體或偏重于承載主體，而全面的承載力研究應(yīng)關(guān)注承載主客體之間的相互關(guān)系和相互作用。

從水流系統(tǒng)功能出發(fā)，水流系統(tǒng)承載力或稱水資源承載力是指在保障水流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整和自然演化功能的前提下，水流系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)和社會服務(wù)功能協(xié)同兼顧的最大發(fā)展極限。可見，水資源承載力是研究水資源、生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會3個(gè)子系統(tǒng)相互作用的一項(xiàng)綜合指標(biāo)，是衡量3類水流系統(tǒng)功能協(xié)同發(fā)揮的一種綜合度量[28]。根據(jù)系統(tǒng)論結(jié)構(gòu)功能相關(guān)律[25]，良好功能的發(fā)揮需要合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來支撐。水的數(shù)量、質(zhì)量和機(jī)械能是組成水流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要要素，此外，作為水流最直接的載體和邊界條件，地貌環(huán)境與水流系統(tǒng)緊密聯(lián)系，承載了獨(dú)特的流域過程和多樣的水生棲息環(huán)境，在這一過程中水流系統(tǒng)的連通性和棲息環(huán)境是保障水流系統(tǒng)功能發(fā)揮的兩個(gè)不能忽略的要素。其中的連通性包含了水流在時(shí)間和空間上的連通，是水循環(huán)和流域過程的物理保障；水生棲息環(huán)境則是水流系統(tǒng)對生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)的支撐與響應(yīng)。綜上所述，水流系統(tǒng)(水資源)承載力可通過水量、水質(zhì)、水生棲息環(huán)境和連通性四維要素進(jìn)行表征。水流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能與水資源承載力間的相互關(guān)系如圖1所示。

圖1 水流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能及其與水資源承載力之間的關(guān)系

2 基于水流系統(tǒng)功能的水資源承載過程

根據(jù)水流系統(tǒng)三大功能，承載客體包括大尺度自然演化過程(例如水循環(huán)和流域過程)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)等。生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)指與水相關(guān)的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)狀態(tài)與發(fā)展演變過程，而經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)側(cè)重于水資源系統(tǒng)相關(guān)的社會經(jīng)濟(jì)行為。水流系統(tǒng)最樸素的功能即為自然演化功能，尺度大、范圍廣，與其相伴相生的是為眾多生物(包括人類活動)提供重要的棲息環(huán)境和場所，為生態(tài)系統(tǒng)和社會經(jīng)濟(jì)活動提供背景值和邊界條件。承載客體之間也存在競爭關(guān)系，例如生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)之間存在取用水、納污和水生態(tài)空間侵占等方面的矛盾。為充分協(xié)調(diào)承載客體間的矛盾并使水資源系統(tǒng)整體功能達(dá)到最優(yōu)，水資源承載力作為關(guān)鍵表征，應(yīng)充分發(fā)揮其調(diào)節(jié)反饋?zhàn)饔?。最早由Tony Friend和David Rapport提出的用于分析環(huán)境壓力、狀態(tài)和響應(yīng)之間關(guān)系的PSR模型，構(gòu)建了一個(gè)具有生態(tài)意義的區(qū)域生態(tài)持續(xù)性評價(jià)概念框架，從而解釋了人類活動與自然環(huán)境之間“發(fā)生了什么，為什么發(fā)生，將如何應(yīng)對”的問題，在一定程度上體現(xiàn)了調(diào)節(jié)機(jī)制，目前被廣泛應(yīng)用于描述人類與自然環(huán)境之間的關(guān)系以及生態(tài)系統(tǒng)的健康評價(jià)[29-31]。除PSR模型外，為突出水資源承載過程的調(diào)控機(jī)制，并充分考慮水資源承載力過程中所含有的確定和不確定性問題，也可用承載支撐力-壓力-調(diào)控力三元子系統(tǒng)描述承載主客體及其相互關(guān)系，構(gòu)建水資源承載模式框架[9-10]。其中：將水資源系統(tǒng)滿足經(jīng)濟(jì)社會、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)需求的作用稱為水資源承載支撐力，經(jīng)濟(jì)社會、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)對水資源系統(tǒng)需求的作用稱為水資源承載壓力，將調(diào)節(jié)水資源承載支撐力或壓力的各要素稱為水資源承載調(diào)控力[9-10,32-33]；承載支撐力子系統(tǒng)是保證水流系統(tǒng)三大功能的發(fā)揮，特別是生態(tài)服務(wù)功能和社會服務(wù)功能發(fā)揮的物質(zhì)基礎(chǔ)和保障，承載壓力子系統(tǒng)來自承載客體的發(fā)展需求以及客體間存在的矛盾，承載調(diào)控力子系統(tǒng)則側(cè)重科技水平、管理水平以及生活水平差異影響下的主客體間的耦合關(guān)系。

承載過程，也即在水流系統(tǒng)功能發(fā)揮過程中實(shí)現(xiàn)承載主客體間的均衡協(xié)調(diào)，達(dá)到系統(tǒng)功能最優(yōu)的過程。承載過程的關(guān)鍵是尋求水資源承載主客體內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、主客體間相互耦合協(xié)同發(fā)展的空間區(qū)域，可稱為“平衡空間”。“平衡空間”的劃定是水資源承載力評價(jià)的關(guān)鍵步驟：在“平衡空間”內(nèi),水流系統(tǒng)三大功能協(xié)同發(fā)揮,主客體間實(shí)現(xiàn)協(xié)同發(fā)展,稱該狀態(tài)為“水資源可載”；在“平衡空間”邊緣，水流系統(tǒng)功能不能持續(xù)穩(wěn)定發(fā)揮，某些主體系統(tǒng)內(nèi)部臨近失穩(wěn)狀態(tài)，主客體間矛盾初步顯露，稱為“水資源臨界超載”；在“平衡空間”以外，某些功能未能發(fā)揮,客體間矛盾突出，某些主客體系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)不穩(wěn)并產(chǎn)生難以逆轉(zhuǎn)的不良后果，稱為“水資源超載或嚴(yán)重超載”。

在水資源承載壓力-支撐力-調(diào)控力框架體系基礎(chǔ)上，可從水量、水質(zhì)、水生棲息環(huán)境、連通性4個(gè)維度的承載過程出發(fā)分析、表征各維度的水資源承載支撐力、壓力和調(diào)控力。

a. 水量。當(dāng)經(jīng)濟(jì)社會過度取用水?dāng)D占河湖生態(tài)水量，導(dǎo)致河道斷流、湖泊萎縮、地下水超采等，進(jìn)而影響自然水循環(huán)過程時(shí)，經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)間的矛盾顯現(xiàn)，水資源系統(tǒng)的三大功能無法正常發(fā)揮，區(qū)域水資源承載力下降。水資源可利用總量是在技術(shù)可行和考慮生態(tài)用水的基礎(chǔ)上，反映一個(gè)區(qū)域水資源量中最大可供河道外經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)利用的最大水量，可用來表示水資源承載力水量維度的支撐力，區(qū)域水資源可利用總量越大則區(qū)域水資源的承載狀況相對越好。水量維度的壓力來自維持人類生活、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境所需要的水資源量，所需要的水資源量(承載壓力)越大則表明區(qū)域水資源的承載狀況相對越差。

b. 水質(zhì)。當(dāng)污染物入河量超過水體的納污能力時(shí)，將造成水體功能的喪失，而不滿足水質(zhì)要求的水資源也很難滿足經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)的需求。水資源承載力水質(zhì)維度的支撐力體現(xiàn)在與水資源系統(tǒng)的納污能力相關(guān)的要素，納污能力的大小在很大程度上決定了區(qū)域水資源的承載狀態(tài)，區(qū)域水資源系統(tǒng)的納污能力越強(qiáng)，則區(qū)域水資源的承載狀況相對越好。水資源承載力水質(zhì)維度的壓力體現(xiàn)在區(qū)域內(nèi)人類生活產(chǎn)生的污染物對水資源系統(tǒng)造成的破壞，破壞程度越大，則區(qū)域水資源承載狀況越差。

c. 水生棲息環(huán)境。隨著城市化進(jìn)程的加快以及人類對自然改造程度的逐步加深，對水域空間的不斷索取以及對物理?xiàng)h(huán)境的大規(guī)模人工干擾，使得原有的水生生物棲息場所遭到不同程度的破壞，例如對河道強(qiáng)行裁彎取直、加筑不透水護(hù)坡、限制河流自然擺動、侵占岸線和水域空間等。按照破壞程度，可將棲息環(huán)境受損程度大致分成輕微破壞(可以修復(fù))、中度破壞(較難修復(fù))、重度破壞(很難修復(fù))和毀壞(無法修復(fù))4個(gè)等級。水資源承載力水生棲息環(huán)境維度的支撐力體現(xiàn)為區(qū)域生態(tài)環(huán)境維持區(qū)域動植物棲息所需要的相關(guān)功能，功能越完整則棲息環(huán)境越好，表明區(qū)域水資源承載狀況相對較好。水生棲息環(huán)境維度的壓力體現(xiàn)為人類活動對棲息環(huán)境的擾動，擾動破壞程度越大則區(qū)域水資源的承載狀況越差。

d. 連通性。水流系統(tǒng)的連通性不僅體現(xiàn)在大尺度水循環(huán)背景下的水流更新，也包括河段尺度內(nèi)階梯-深潭系統(tǒng)的水流結(jié)構(gòu)特征。在較大的時(shí)空尺度上體現(xiàn)為河湖的水文情勢，在較小的時(shí)空尺度上則通過與物理?xiàng)h(huán)境相互作用進(jìn)一步體現(xiàn)。隨著人類活動的加劇，修建堤壩和過度取水等行為切斷了水體間的水力聯(lián)系，阻斷河流的橫向、縱向、垂向連通，破壞原有的水文節(jié)律。水資源承載力連通性維度的支撐力體現(xiàn)在流域具有相對通暢的水流通道，充分發(fā)揮作為水流系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)輸移、能量傳輸和信息傳遞載體作用，同時(shí)也是一切生態(tài)過程的基礎(chǔ)。水流通道被人為阻隔的程度越低則表明其水資源的承載狀況越好。連通性維度的壓力體現(xiàn)在為滿足供水、發(fā)電、航運(yùn)、養(yǎng)殖等社會服務(wù)功能而導(dǎo)致的水流在空間和時(shí)間上受到阻隔和不連續(xù)。

基于對承載過程的定義和對水資源承載支撐力和壓力的解析，水資源承載支撐力越大、壓力越小則表明區(qū)域水資源承載狀況相對越好；反之則表明區(qū)域水資源承載狀況相對越差。而水資源承載調(diào)控力則體現(xiàn)為由于經(jīng)濟(jì)條件改善、科技水平提高和環(huán)保意識的增強(qiáng)等對水資源承載狀況正向的貢獻(xiàn)。例如，在水量方面，相同灌溉要求下由于設(shè)備革新所帶來的需水量減少；在水質(zhì)方面，污水處理技術(shù)的提升導(dǎo)致的排污量減少，進(jìn)而提高水環(huán)境質(zhì)量；在水生棲息環(huán)境方面，城市發(fā)展為河湖系統(tǒng)留足生態(tài)空間，將對河湖生態(tài)系統(tǒng)的擾動和破壞降至最低；在連通性方面，通過技術(shù)升級提高發(fā)電量，減少水電站建設(shè)數(shù)量、減少對河流的侵占和阻隔，或者采取其他措施增加水流連通性。綜上，區(qū)域水資源承載狀況主要取決于水資源承載支撐力與承載壓力之間的平衡情況，而兩者也會受到承載調(diào)控力的影響，這表明在一定的經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平下討論水資源承載力才更有實(shí)際價(jià)值。

3 基于承載過程的四維水資源承載力評價(jià)指標(biāo)體系

基于水資源承載力“水量-水質(zhì)-水生棲息環(huán)境-連通性”四維表征，基于承載過程構(gòu)建水資源承載力評價(jià)指標(biāo)體系如表1所示。

3.1 水量指標(biāo)

流域或區(qū)域水資源承載力水量維度，既與當(dāng)?shù)厮Y源本底條件有關(guān)，例如降雨、徑流等，也與人類活動緊密相關(guān)。當(dāng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展取用水量擠占當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)用水進(jìn)而破壞自然與社會水循環(huán)平衡時(shí)，區(qū)域間、行業(yè)間、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的用水矛盾將凸顯。承載支撐力涉及降水量、徑流深、區(qū)域用水總量、平原區(qū)地下水開采量等；壓力則包括不同行業(yè)的用水需求和區(qū)域水資源可利用總量等。在取用水過程中，定額的調(diào)整和用水效率的提升可以作為調(diào)控力提高承載力。具體指標(biāo)如表1所示。

表1 基于承載過程的水資源承載力評價(jià)指標(biāo)體系

Table1Waterresourcescarryingcapacityevaluationindexsystembasedoncarryingprocesses

3.2 水質(zhì)指標(biāo)

水體具有一定的污染物降解和自我更新修復(fù)能力。水污染形成的根本原因是污染物超過了水體的環(huán)境容量或納污能力。因此，水體納污能力、典型污染物的允許入河量、水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率等可作為承載力水質(zhì)維度的支撐力指標(biāo)；壓力指標(biāo)可由污染物實(shí)際排放量、入河量等進(jìn)行表征；降低污染排放和提高水質(zhì)達(dá)標(biāo)率的相關(guān)指標(biāo)可作為調(diào)控力指標(biāo)。具體指標(biāo)如表1所示。

3.3 水生棲息環(huán)境指標(biāo)

河流地貌形態(tài)又稱物理?xiàng)h(huán)境,是水生態(tài)系統(tǒng)中十分重要的非生物因素。它是水流的載體，在較大時(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、互為因果；在較小時(shí)空尺度上體現(xiàn)為與水流條件和生物過程相適應(yīng)的動態(tài)演變的棲息環(huán)境，可狹義地認(rèn)為是水生生物棲息地，是包括河湖形態(tài)、坡度、河湖底質(zhì)和岸邊帶等眾多物理空間要素在內(nèi)的物理?xiàng)⑾到y(tǒng)。水生棲息環(huán)境結(jié)構(gòu)完整性、功能穩(wěn)定性、多樣性和異質(zhì)性，是水生態(tài)系統(tǒng)健康和可持續(xù)發(fā)展的表征，包括自然彎曲的河道、穩(wěn)定的岸坡、天然透水的河床底質(zhì)、足夠?qū)挾鹊陌哆厧Ъ昂侠淼闹脖环植嫉?。在眾多描述水生棲息環(huán)境指標(biāo)中，有些指標(biāo)因受氣候、地質(zhì)條件等大尺度因素影響而相對穩(wěn)定，有些指標(biāo)受人類活動影響變化較為劇烈；有些指標(biāo)可以量化，如水域面積率，有些指標(biāo)尚難以量化，如階梯-深潭系統(tǒng)。由于物理?xiàng)h(huán)境與生物因素之間的非線性復(fù)雜關(guān)系，可量化指標(biāo)的閾值也存在難以劃定或非單一性等特點(diǎn)。具體指標(biāo)如表1所示。

3.4 連通性指標(biāo)

通暢的水流通道，不僅是水流系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)輸移、能量傳輸、信息傳遞的載體，更是生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展演變的動力學(xué)基礎(chǔ)。在氣候條件、自然地理?xiàng)l件和人類活動影響下，每條河流都有自己獨(dú)特的水文節(jié)律。在充分發(fā)揮維持水循環(huán)等自然演化功能和供水、發(fā)電等社會服務(wù)功能的同時(shí)，生態(tài)服務(wù)功能是水流所具有的不可忽視的重要功能，包括塑造生境、維持生物多樣性等。修建堤壩、過度取水等削弱了水體間的水力聯(lián)系，阻斷水流縱向、橫向和垂向連通，使得原有的水文節(jié)律遭到破壞，增加水生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性，降低系統(tǒng)自我修復(fù)能力。連通性與地貌過程緊密相關(guān)，在不同的時(shí)空尺度下所表征的內(nèi)容也不盡相同，在進(jìn)行指標(biāo)選取時(shí)應(yīng)以問題為導(dǎo)向并充分考慮地域特征。具體指標(biāo)如表1所示。

4 結(jié) 語

本文對水流系統(tǒng)進(jìn)行了較系統(tǒng)的分析，剖析了水流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。從水流系統(tǒng)功能角度闡明了水流系統(tǒng)(水資源)承載力的內(nèi)涵，提出了水流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能與承載力間的相關(guān)關(guān)系。通過分析承載主客體相互作用的承載過程，形成了基于承載過程的水資源承載支撐力-壓力-調(diào)控力三元作用模式，為“水量-水質(zhì)-水生棲息環(huán)境-連通性”四維水資源承載力評價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建奠定了理論基礎(chǔ)。從水資源承載支撐力-壓力-調(diào)控力作用模式角度出發(fā)，分析水量、水質(zhì)、棲息環(huán)境、連通性4個(gè)維度上水資源承載力的作用機(jī)理、影響因素和承載過程，進(jìn)而構(gòu)建了面向水流系統(tǒng)功能的四維水資源承載力評價(jià)指標(biāo)體系，為一般資源環(huán)境承載力評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建提供了理論依據(jù)和新思路。

水資源承載力是個(gè)相對開放的非線性復(fù)雜系統(tǒng)，涉及學(xué)科、領(lǐng)域較多，存在許多不確定性因素，本文旨在從水流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能分析出發(fā)，經(jīng)水資源承載過程及其內(nèi)在機(jī)理分析，推演具有物理解析的水資源承載力評價(jià)指標(biāo)體系，為區(qū)域水資源承載力監(jiān)測預(yù)警提供理論基礎(chǔ)。