漢江流域(陜西段)水生態承載力評估

孫佳樂， 王 穎， 辛晉峰

(1.西安理工大學 西北旱區生態水利工程國家重點實驗室， 陜西 西安 710048; 2.博元生態修復(北京)有限公司， 北京 100082)

1 研究背景

流域水生態承載力[1-3]( WECC) 是在水環境承載力[4-5]和水資源承載力[6-8]研究基礎上發展起來旨在為流域水生態系統綜合管理提供科學依據，是一個具有自然和社會雙重屬性的自然科學與社會科學的綜合概念，然而目前對于該概念仍未形成一個統一的認識,研究方法也在探索之中[9-12]。大多研究采用系統動力學法、指標體系評價法、生態足跡法、多目標優化法及資源供需平衡法，其中系統動力學法應用最為廣泛。系統動力學模型的實質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象，對于社會發展、經濟建設、資源保護、生態建設等等有重要意義，被譽為復雜系統的“戰略與策略實驗室”[13]。利用建立好的系統動力學模型模擬分析各個發展方案，在此基礎上預測決策變量，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的發展方案和生態承載能力。如Randhir等[14]利用系統動力學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系統的響應關系進行了模擬分析。Hassanzadeh等[15]建立伊朗烏爾米耶湖的系統動力學仿真模型，模擬分析了湖泊水位變化對湖泊環境造成的影響。王西琴等[16]利用vensim軟件建立了SD模型對常州市水生態承載力進行了模擬和預測，并利用投影尋蹤法對5種情景方案進行了優化選擇。李靖等[13]、李珊[17]利用系統動力學模型對太子河流域水生態承載力進行了動態模擬分析。本文以漢江流域上游(陜西段)為例，結合層次分析法、系統動力學和隸屬度法建立漢江流域上游(陜西段)水生態承載力量化模型，對水生態承載力進行評估，旨在使生態環境受到最小影響的前提下,最大規模的發展社會經濟。

2 漢江上游流域概況

2.1 自然經濟概況

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長709 km，東西貫穿，流域面積近60 000 km2，沿岸流經共13個城市和縣區，包括漢中、石泉、安康、旬陽以及南鄭等。流域水資源較豐富，但有年內和地域分布不均現象，其平均產流模數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%，統計梯級河段沿岸主要支流30條。

漢江在陜西段流域內出現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COD和NH3—N排放量最大，分別為4 976和600 t。

2.2 水功能區劃分

本文以陜西省人民政府辦公廳頒發的[2004]100號《陜西省人民政府辦公廳文件陜西省水功能區劃》[18]為基礎，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，如表1所示。

表1 漢江上游(陜西段)流域水功能分區

3 水生態承載力指標體系建立

3.1 指標的選取

根據國內外學者在水資源、水環境、水生態承載力指標體系的相關研究成果，在水生態承載力概念、內涵和影響因素的基礎上，結合漢江上游陜西段社會經濟、自然生態環境特征，依據水生態系統的DPSIR概念框架，協助建立漢江上游陜西段的水生態承載力評價指標體系，從驅動力、壓力、狀態、影響、響應五個部分進行描述。采用目標分層法，建立水生態承載力指標體系的多級遞階結構，如圖1。

指標層包括了水資源系統指標、水環境系統指標、水生態系統指標和社會經濟系統指標，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，在準則層的基礎上對目標層加以分析，系統性的將人口、經濟、社會與資源和生態環境等描述出來，展示其優點與特色，以期能更好的反映復合系統的水生態承載力。

3.2 指標權重的確定

根據上述所建立的漢江上游陜西段的水生態承載力評價指標體系，采用yaahp軟件確定各個要素的權重，構造判斷矩陣，計算一致性比率(CR)。

圖1 漢江上游(陜西段)水生態承載力評價指標體系圖

設水生態承載力為A，驅動力指標為B1、壓力指標為B2、狀態指標為B3、影響指標為B4、響應指標為B5，水生態承載力權重判斷矩陣如表2，其中CR=0.0816<0.1，滿足一致性要求。

表2 水生態承載力權重判斷矩陣

在驅動力子系統指標體系中，設人口自然增長率為C1，人均GDP為C2，驅動力子系統指標權重判斷矩陣如表3，其中CR=0<0.1，滿足一致性要求。

表3 驅動力子系統指標權重判斷矩陣

在壓力子系統指標體系中，設生態環境需水率為C3，萬元GDP工業廢水排放量為C4，漁業用水量為C5，壓力子系統指標權重判斷矩陣如表4，其中CR=0.0516<0.1，滿足一致性要求。

表4 壓力子系統指標權重判斷矩陣

在狀態子系統指標體系中，設森林覆蓋率為C6，COD排放量為C7，氨氮排放量為C8，狀態子系統指標權重判斷矩陣如表5，其中CR=0.0176<0.1，滿足一致性要求。

表5 狀態子系統指標權重判斷矩陣

在影響子系統指標體系中，設缺水程度為C9，人均水資源量為C10，影響子系統指標權重判斷矩陣如表6，其中CR=0<0.1，滿足一致性要求。

表6 影響子系統指標權重判斷矩陣

在響應子系統指標體系中，設環保投資指數為C11，廢水回用率為C12，響應子系統指標權重判斷矩陣如表7，其中CR=0<0.1，滿足一致性要求。

表7 響應子系統指標權重判斷矩陣

4 水生態承載力模型體系的建立

4.1 系統動力學模型構建

根據水生態承載力的概念，構建漢江上游陜西段流域水生態承載力系統動力學模型，借助VENSIM軟件描繪出水生態承載力系統動力學流圖，并通過咨詢專家，參考已有的研究，確定狀態變量、速率變量和輔助變量，確定系統的基本方程，從而得到系統內部聯系。通過上述分析與研究，得到的系統動力學流圖見圖2。

4.2 模型有效性檢驗

對建立的系統動力學模型進行有效性檢驗，對漢江流域(陜西段)2010-2013年的仿真結果模擬值與實測值進行比較，結果如表8所示。

圖2 漢江流域(陜西段)水生態承載力系統動力學流圖

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

檢驗結果表明，漢江流域(陜西段)水生態承載力系統動力學模型模擬的生產總值、灌溉面積、工業產值、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)水生態承載力的預測。

5 水生態承載力評估及調控

5.1 水生態承載力評估

借助建立的水生態承載力系統動力學模型，對水生態承載力進行模擬，得到各指標的數據，將其進行指標化分析得到其數值，隨后采用隸屬度法將轉化為可量化的數據，得到最終的生態承載力。針對漢江流域(陜西段)采用以下的量化模型來計算水生態承載力分值。

(1)

式中：Ej為j方案的水生態承載力分值；Wi為i指標在系統中的層次總權重值；Sij為j方案i指標的分數值。

根據求得的水生態承載力分值可以對整個系統的“可承載狀況”進行分級，見表9，每個級別對應不同的分值區間，以此來描述水生態承載。

表9 水生態承載力承載程度分級

依據已建立的流域水生態承載力系統動力學模型，結合流域水生態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重值，利用公式(1)可計算得出漢江上游(陜西段)流域水生態承載力量化值如下圖3所示。

由圖3中可以看出自2012年之后各生態分區承載力逐年減小，其原因主要是近年來，漢江流域區域工農業經濟的發展和人口劇增，越來越多工業污水、農田排水進入水體，導致水體水質變差，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，生態環境遭到破壞。根據圖3的結果，結合可承載度的類型分類表9，分析可得漢江上游(陜西段)流域水生態承載力整體處于弱可承載的狀態。

5.2 水生態承載力調控

為了使漢江上游(陜西段)流域水生態承載狀況得到改善。根據漢江上游(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)流域水生態承載力狀況，使漢江上游(陜西段)流域水生態承載力系統持續良好的發展的同時讓其生態環境資源的利用達到最大化。各方案匯總如表10。

根據以上7種調整方案利用已建立的漢江上游(陜西段)流域水生態承載力系統動力學模型對各水功能分區進行模擬，部分結果如圖4～9所示。

綜合比較各調控方案可以看出：各方案均使水生態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對流域水生態承載力進行調控后，流域水生態承載力的下降趨勢明顯降低，流域水生態承載力有了明顯地提高。根據上述7個方案模擬的結果可以得出，采取的調控措施越多，流域水生態承載力的提高就越顯著，改善漢江上游(陜西段)流域各水功能分區的水生態承載力狀況的效果就越明顯。所以，應進行工業、人口、植被面積、污水處理、水資源開發程度等多個方面的全面綜合調控，才能較好提高漢江上游(陜西段)流域水生態承載力。

表10 水生態保護方案設計 %

注：表中各數據的正負表示逐年增加或減小； “-”表示在原基礎上保持不變。

圖3 漢江流域(陜西段)水生態承載力變化

圖4各方案下寧強源頭水保護區水生態承載力模擬圖5各方案下漢中開發利用去水生態承載力模擬

圖6各方案下城固開發利用區水生態承載力模擬圖7各方案下洋縣開發利用區水生態承載力模擬

圖8各方案下安康開發利用區水生態承載力模擬圖9各方案下漢江上游(陜西段)水生態承載力模擬

6 結 論

(1) 構建了基于D-P-S-I-R框架模型的漢江流域(陜西段)水生態指標體系，并在此基礎上確定了漢江流域(陜西段)水生態指標的權重。對漢江流域(陜西段)進行了系統結構分析和因果關系分析，構建了漢江流域水生態承載力的系統動力學模型，經過有效性檢驗表明該模型可用于漢江流域(陜西段)水生態承載力的研究。

(2) 基于系統動力學、層次分析法和隸屬度方法建立的水生態承載力量化模型來量化評估漢江流域(陜西段)水生態承載力，得到在現狀發展的情況下漢江流域(陜西段)處于弱可承載狀態。

(3) 根據社會發展和技術水平研究了7種調控方案對水生態承載力進行分析對比，各方案均使水生態承載力得到提升并且在綜合方案下水生態承載力提高最為顯著，使漢江流域(陜西段)達到了基本可承載狀態。