面向水流系統功能的多維度水資源承載力評價指標體系

唱 彤，酈建強，金菊良，陳 磊，董 濤，陳夢璐，張浩宇

(1.水利部水利水電規劃設計總院,北京 100120; 2.合肥工業大學土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009;3.合肥工業大學水資源與環境系統工程研究所,安徽 合肥 230009;4.安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學研究院，安徽 合肥 230088)

水資源是維持區域經濟社會、生態環境可持續發展不可替代的自然資源。在經典物理學中承載力是指物體在不產生結構性破壞或不產生功能性破壞時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、經濟社會和生態環境3個子系統組成的復合系統中的具體體現[1-3]。水資源承載力研究始于20世紀70年代，國際有關組織針對資源匱乏國家的土地、水等資源的承載力進行了研究，提出了水資源承載力的相關概念[4-5]。伴隨我國經濟的快速發展，水資源短缺、水環境污染、水生態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于1989年首次明確提出[3]，隨后有關水資源承載力的研究成果較為豐富[4-10]。

水資源承載力評價研究主要包括水資源承載力的內涵及基礎理論、評價指標體系構建、評價方法建立、實證研究等內容。目前，水資源承載力評價指標體系多種多樣，評價方法也日趨豐富。李娟芳等[11]選取了水質、水量、水生態、社會、經濟5個方面的28個指標，評價了洛陽市的水資源承載力。程軍蕊等[12]從承載對象角度構建了反映水資源承載、壓力和承載度的評價指標體系，包括水資源支撐指標、供用水指標和承載力評判指標。張艷明[13]和孟珍珠等[14]均基于人水和諧理論，從健康、發展、協調三方面選取了26個指標，分別對遼寧省和安徽阜陽市的水資源承載力進行了評價。王麗等[15]建立了以水資源自然支持力、社會生活水平和經濟發展水平3個子系統為主成分的承載驅動回歸模型,以評價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行了評價。王建華等[1]從水資源、經濟社會、水生態、水環境角度，基于“量、質、域、流”四方面構建了水資源承載力“四層三級”評價指標體系。王晗等[18]和崔東文等[19]選取水資源、經濟社會和生態環境相關指標分別以TOPSIS模型和風力驅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行了評價。袁艷梅等[20]將灰關聯系數應用于模糊評價模型中，結合定性定量分析對江陰市水資源承載力進行了綜合評價。Yang等[21]將層次分析法與系統動力學模型相結合，構建了水資源承載力的多準則評價體系和西安市社會經濟-水資源系統動力學模型，對西安市2015—2020年社會、經濟、供需水和廢水排放的發展趨勢進行了綜合評估。Jia等[22]將水資源承載力系統分為社會、經濟、水資源、生態和經濟評價子系統，通過對不同方案進行情景分析，認為節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]以水資源系統協調發展為重點，選取16個指標構建水資源承載力評價指標體系，用云模型評價了研究區水資源承載力水平，并分析了水資源承載力的時空演化情況。Cui等[24]從承載子系統的角度構建了指標體系和相應的評價等級標準，定量評價和診斷了不確定條件下區域水資源承載力。已有的評價指標體系大多從壓力-狀態-響應或水資源-經濟社會-生態環境系統角度選擇指標，尚未反映出具有物理含義的系統承載力與系統結構-功能相互關系。為進一步解析水資源承載的物理內涵、構建表征明晰的承載力評價指標體系，本文從水流系統的結構和功能出發推演出水資源系統的“水量-水質-水生棲息環境-連通性”四維表征，以水資源承載支撐力、壓力和調控力3個子系統描述承載過程，進而以各維度承載支撐力、壓力和調控力的主要指標構建水資源承載力評價指標體系，以期為水資源環境承載力解析和評價指標體系構建提供理論依據和新思路。

1 基于水流系統結構的水流系統功能

水圈是海洋、江河、湖泊、沼澤、地下水和冰川等地球表層液態和固態水體通過水循環連接的整體，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運動之中，這種永不停息的大規模水循環，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。水不僅是生命的載體，也是能量流動、物質循環和信息傳遞的介質。水流系統是指賦存于地表與地下的參與水循環過程的淡水水體，也可狹義地認為是江河湖庫。我國憲法中規定礦藏、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、國務院2015年印發的《生態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空間統一進行確權登記”，隨后水利部與當時的國土資源部聯合開展了水流產權確權試點工作，將“水流”的概念應用于水利行業管理實踐中。水流系統是一個相對開放的非線性復雜系統，大氣環境和地形地貌條件(或大氣圈和巖石圈)構成了水流系統相對開放的邊界條件，三者相互影響、互為因果。其中的復雜過程和相互關系不僅涉及物理、化學、生物系統以及交叉系統，還包括與人類活動息息相關的經濟社會系統。作為研究復雜系統的綜合性的科學方法，系統論為深入認識水流系統提供了理論指導。

系統論以系統為對象，分析系統的結構和功能，研究系統與環境的相互關系和動態規律，并優化系統以達到最優的目標。所有水流系統都具有開放性、關聯性、不確定性、動態平衡性等基本特征。系統論認為系統結構是系統要素之間相對穩定的聯系方式、組織秩序及其時空關系的內在表現形式的綜合，功能是系統與外部環境相互聯系和相互作用中表現出來的性質、功效和能力，主要是把系統輸入轉換為輸出的能力，結構是功能的基礎，系統功能依賴于并反作用于系統結構[25-26]。由于水流系統的開放性、突變和漲落等不確定性，水流系統總是處于動態演變、趨于平衡和相對穩定的過程中，其結構具有明顯的時空特征和層次效應，既包括大尺度的水流循環，體現為地球表層物質循環流動的重要鏈條和陸海域泥沙和元素循環的載體，系統通過不斷的侵蝕、搬運與堆積，形成流域內的千溝萬壑與沖積平原，塑造了流域內獨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要素為表征的局部物理棲息環境，例如階梯-深潭系統、河灣等。

水流系統的功能首先是持續自然演化功能，包括參與全球水循環、深切河谷、搬運泥沙、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維持生態系統平衡的生態服務功能，涉及孕育生命、塑造棲息場所、源匯功能和水質凈化功能等；作為生態系統的重要組成以及影響和改造自然最劇烈的力量組成，人類的經濟社會活動也是水流系統重要的服務對象，即社會服務功能。社會服務功能將人作為服務對象，根據需求的不同，社會服務功能可分為防洪、發電、水源供給、水產品生產、內陸運輸、景觀文化教育等功能[20，27]。水流系統功能對結構也有反作用，例如當人類活動過度取用水時，即過度發揮社會服務功能，將導致河流斷流、湖泊萎縮等，會改變水流結構和影響其他水流系統功能的發揮。3類水流系統功能相輔相成，反映了水資源、生態環境、經濟社會3個子系統的相互作用：自然演化功能是水流的基本功能，它支撐和決定了生態服務功能和社會服務功能；生態服務功能是自然演化功能所形成的生態效應；而社會服務功能則是水流滿足人類的各種需求[27]。

承載力原是結構力學中的物理量，后經對概念內涵的延伸，衍生出水、土、資源、環境、生態等不同的承載力，用于表達各類資源在面臨外部環境變化情況下的最大承受能力和發展極限。承載力可以作為衡量和判別系統結構相對穩定和功能均衡發揮的工具，與可持續發展緊密相關，是承載主體與客體之間達到協同、均衡發展的互饋機制的體現。現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量(即承載容量，如生物量)為度量,例如生態承載力是以在特定環境下供養一定數量的生物而不致引起其所依賴的環境退化和不穩定來表征的，是目前成果較為豐富的研究視角。該研究視角的特點和難點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，所承載的人口數量與特定時空下區域的科技水平、資源利用效率、生活水平等諸多因素緊密相關。二是以各類資源環境(承載主體)的承載支撐為度量,著重描述支撐客體時自身結構完整和功能健全的程度,相關研究成果較少。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關注承載主客體之間的相互關系和相互作用。

從水流系統功能出發，水流系統承載力或稱水資源承載力是指在保障水流系統結構完整和自然演化功能的前提下，水流系統生態服務和社會服務功能協同兼顧的最大發展極限。可見，水資源承載力是研究水資源、生態環境、經濟社會3個子系統相互作用的一項綜合指標，是衡量3類水流系統功能協同發揮的一種綜合度量[28]。根據系統論結構功能相關律[25]，良好功能的發揮需要合理的系統結構來支撐。水的數量、質量和機械能是組成水流系統結構的主要要素，此外，作為水流最直接的載體和邊界條件，地貌環境與水流系統緊密聯系，承載了獨特的流域過程和多樣的水生棲息環境，在這一過程中水流系統的連通性和棲息環境是保障水流系統功能發揮的兩個不能忽略的要素。其中的連通性包含了水流在時間和空間上的連通，是水循環和流域過程的物理保障；水生棲息環境則是水流系統對生態系統和經濟社會系統的支撐與響應。綜上所述，水流系統(水資源)承載力可通過水量、水質、水生棲息環境和連通性四維要素進行表征。水流系統的結構、功能與水資源承載力間的相互關系如圖1所示。

圖1 水流系統結構、功能及其與水資源承載力之間的關系

2 基于水流系統功能的水資源承載過程

根據水流系統三大功能，承載客體包括大尺度自然演化過程(例如水循環和流域過程)、生態環境系統和經濟社會系統等。生態環境系統指與水相關的生態環境系統狀態與發展演變過程，而經濟社會系統側重于水資源系統相關的社會經濟行為。水流系統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)提供重要的棲息環境和場所，為生態系統和社會經濟活動提供背景值和邊界條件。承載客體之間也存在競爭關系，例如生態環境系統與經濟社會系統之間存在取用水、納污和水生態空間侵占等方面的矛盾。為充分協調承載客體間的矛盾并使水資源系統整體功能達到最優，水資源承載力作為關鍵表征，應充分發揮其調節反饋作用。最早由Tony Friend和David Rapport提出的用于分析環境壓力、狀態和響應之間關系的PSR模型，構建了一個具有生態意義的區域生態持續性評價概念框架，從而解釋了人類活動與自然環境之間“發生了什么，為什么發生，將如何應對”的問題，在一定程度上體現了調節機制，目前被廣泛應用于描述人類與自然環境之間的關系以及生態系統的健康評價[29-31]。除PSR模型外，為突出水資源承載過程的調控機制，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-調控力三元子系統描述承載主客體及其相互關系，構建水資源承載模式框架[9-10]。其中：將水資源系統滿足經濟社會、生態環境系統需求的作用稱為水資源承載支撐力，經濟社會、生態環境系統對水資源系統需求的作用稱為水資源承載壓力，將調節水資源承載支撐力或壓力的各要素稱為水資源承載調控力[9-10,32-33]；承載支撐力子系統是保證水流系統三大功能的發揮，特別是生態服務功能和社會服務功能發揮的物質基礎和保障，承載壓力子系統來自承載客體的發展需求以及客體間存在的矛盾，承載調控力子系統則側重科技水平、管理水平以及生活水平差異影響下的主客體間的耦合關系。

承載過程，也即在水流系統功能發揮過程中實現承載主客體間的均衡協調，達到系統功能最優的過程。承載過程的關鍵是尋求水資源承載主客體內部結構穩定、主客體間相互耦合協同發展的空間區域，可稱為“平衡空間”。“平衡空間”的劃定是水資源承載力評價的關鍵步驟：在“平衡空間”內,水流系統三大功能協同發揮,主客體間實現協同發展,稱該狀態為“水資源可載”；在“平衡空間”邊緣，水流系統功能不能持續穩定發揮，某些主體系統內部臨近失穩狀態，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，某些功能未能發揮,客體間矛盾突出，某些主客體系統內部結構不穩并產生難以逆轉的不良后果，稱為“水資源超載或嚴重超載”。

在水資源承載壓力-支撐力-調控力框架體系基礎上，可從水量、水質、水生棲息環境、連通性4個維度的承載過程出發分析、表征各維度的水資源承載支撐力、壓力和調控力。

a. 水量。當經濟社會過度取用水擠占河湖生態水量，導致河道斷流、湖泊萎縮、地下水超采等，進而影響自然水循環過程時，經濟社會系統和生態環境系統間的矛盾顯現，水資源系統的三大功能無法正常發揮，區域水資源承載力下降。水資源可利用總量是在技術可行和考慮生態用水的基礎上，反映一個區域水資源量中最大可供河道外經濟社會系統利用的最大水量，可用來表示水資源承載力水量維度的支撐力，區域水資源可利用總量越大則區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、經濟發展和生態環境所需要的水資源量，所需要的水資源量(承載壓力)越大則表明區域水資源的承載狀況相對越差。

b. 水質。當污染物入河量超過水體的納污能力時，將造成水體功能的喪失，而不滿足水質要求的水資源也很難滿足經濟社會發展和生態系統的需求。水資源承載力水質維度的支撐力體現在與水資源系統的納污能力相關的要素，納污能力的大小在很大程度上決定了區域水資源的承載狀態，區域水資源系統的納污能力越強，則區域水資源的承載狀況相對越好。水資源承載力水質維度的壓力體現在區域內人類生活產生的污染物對水資源系統造成的破壞，破壞程度越大，則區域水資源承載狀況越差。

c. 水生棲息環境。隨著城市化進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棲息環境的大規模人工干擾，使得原有的水生生物棲息場所遭到不同程度的破壞，例如對河道強行裁彎取直、加筑不透水護坡、限制河流自然擺動、侵占岸線和水域空間等。按照破壞程度，可將棲息環境受損程度大致分成輕微破壞(可以修復)、中度破壞(較難修復)、重度破壞(很難修復)和毀壞(無法修復)4個等級。水資源承載力水生棲息環境維度的支撐力體現為區域生態環境維持區域動植物棲息所需要的相關功能，功能越完整則棲息環境越好，表明區域水資源承載狀況相對較好。水生棲息環境維度的壓力體現為人類活動對棲息環境的擾動，擾動破壞程度越大則區域水資源的承載狀況越差。

d. 連通性。水流系統的連通性不僅體現在大尺度水循環背景下的水流更新，也包括河段尺度內階梯-深潭系統的水流結構特征。在較大的時空尺度上體現為河湖的水文情勢，在較小的時空尺度上則通過與物理棲息環境相互作用進一步體現。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系，阻斷河流的橫向、縱向、垂向連通，破壞原有的水文節律。水資源承載力連通性維度的支撐力體現在流域具有相對通暢的水流通道，充分發揮作為水流系統內部物質輸移、能量傳輸和信息傳遞載體作用，同時也是一切生態過程的基礎。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在為滿足供水、發電、航運、養殖等社會服務功能而導致的水流在空間和時間上受到阻隔和不連續。

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、壓力越小則表明區域水資源承載狀況相對越好；反之則表明區域水資源承載狀況相對越差。而水資源承載調控力則體現為由于經濟條件改善、科技水平提高和環保意識的增強等對水資源承載狀況正向的貢獻。例如，在水量方面，相同灌溉要求下由于設備革新所帶來的需水量減少；在水質方面，污水處理技術的提升導致的排污量減少，進而提高水環境質量；在水生棲息環境方面，城市發展為河湖系統留足生態空間，將對河湖生態系統的擾動和破壞降至最低；在連通性方面，通過技術升級提高發電量，減少水電站建設數量、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控力的影響，這表明在一定的經濟技術水平下討論水資源承載力才更有實際價值。

3 基于承載過程的四維水資源承載力評價指標體系

基于水資源承載力“水量-水質-水生棲息環境-連通性”四維表征，基于承載過程構建水資源承載力評價指標體系如表1所示。

3.1 水量指標

流域或區域水資源承載力水量維度，既與當地水資源本底條件有關，例如降雨、徑流等，也與人類活動緊密相關。當經濟社會發展取用水量擠占當地生態用水進而破壞自然與社會水循環平衡時，區域間、行業間、經濟社會發展和生態環境保護之間的用水矛盾將凸顯。承載支撐力涉及降水量、徑流深、區域用水總量、平原區地下水開采量等；壓力則包括不同行業的用水需求和區域水資源可利用總量等。在取用水過程中，定額的調整和用水效率的提升可以作為調控力提高承載力。具體指標如表1所示。

表1 基于承載過程的水資源承載力評價指標體系

Table1Waterresourcescarryingcapacityevaluationindexsystembasedoncarryingprocesses

3.2 水質指標

水體具有一定的污染物降解和自我更新修復能力。水污染形成的根本原因是污染物超過了水體的環境容量或納污能力。因此，水體納污能力、典型污染物的允許入河量、水功能區水質達標率等可作為承載力水質維度的支撐力指標；壓力指標可由污染物實際排放量、入河量等進行表征；降低污染排放和提高水質達標率的相關指標可作為調控力指標。具體指標如表1所示。

3.3 水生棲息環境指標

河流地貌形態又稱物理棲息環境,是水生態系統中十分重要的非生物因素。它是水流的載體，在較大時空尺度上表現為與氣候、自然地理條件等因素相互作用、互為因果；在較小時空尺度上體現為與水流條件和生物過程相適應的動態演變的棲息環境，可狹義地認為是水生生物棲息地，是包括河湖形態、坡度、河湖底質和岸邊帶等眾多物理空間要素在內的物理棲息系統。水生棲息環境結構完整性、功能穩定性、多樣性和異質性，是水生態系統健康和可持續發展的表征，包括自然彎曲的河道、穩定的岸坡、天然透水的河床底質、足夠寬度的岸邊帶及合理的植被分布等。在眾多描述水生棲息環境指標中，有些指標因受氣候、地質條件等大尺度因素影響而相對穩定，有些指標受人類活動影響變化較為劇烈；有些指標可以量化，如水域面積率，有些指標尚難以量化，如階梯-深潭系統。由于物理棲息環境與生物因素之間的非線性復雜關系，可量化指標的閾值也存在難以劃定或非單一性等特點。具體指標如表1所示。

3.4 連通性指標

通暢的水流通道，不僅是水流系統內部物質輸移、能量傳輸、信息傳遞的載體，更是生態系統發展演變的動力學基礎。在氣候條件、自然地理條件和人類活動影響下，每條河流都有自己獨特的水文節律。在充分發揮維持水循環等自然演化功能和供水、發電等社會服務功能的同時，生態服務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系，阻斷水流縱向、橫向和垂向連通，使得原有的水文節律遭到破壞，增加水生態系統的脆弱性，降低系統自我修復能力。連通性與地貌過程緊密相關，在不同的時空尺度下所表征的內容也不盡相同，在進行指標選取時應以問題為導向并充分考慮地域特征。具體指標如表1所示。

4 結 語

本文對水流系統進行了較系統的分析，剖析了水流系統的結構和功能。從水流系統功能角度闡明了水流系統(水資源)承載力的內涵，提出了水流系統結構、功能與承載力間的相關關系。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-調控力三元作用模式，為“水量-水質-水生棲息環境-連通性”四維水資源承載力評價指標體系的構建奠定了理論基礎。從水資源承載支撐力-壓力-調控力作用模式角度出發，分析水量、水質、棲息環境、連通性4個維度上水資源承載力的作用機理、影響因素和承載過程，進而構建了面向水流系統功能的四維水資源承載力評價指標體系，為一般資源環境承載力評價指標體系構建提供了理論依據和新思路。

水資源承載力是個相對開放的非線性復雜系統，涉及學科、領域較多，存在許多不確定性因素，本文旨在從水流系統結構、功能分析出發，經水資源承載過程及其內在機理分析，推演具有物理解析的水資源承載力評價指標體系，為區域水資源承載力監測預警提供理論基礎。