三江源國家公園游憩承載力模擬仿真研究

肖練練,朱冬芳,虞 虎

1 中華女子學院,北京 100101 2 中國科學院地理科學與資源研究所,區域可持續發展分析與模擬重點實驗室,北京 100101 3 中國科學院大學資源與環境學院, 北京 100049

20世紀90年代以來,游憩利用被視為破解國家公園資源保護與利用矛盾的有效手段,通過游憩服務供給能提升公眾福利、促進國民認同,同時為社區提供生計來源[1—2]。但是,游客接待量的不斷增長不僅對國家公園脆弱的植被、土壤和野生動物帶來沖擊,而且引發游客擁擠、主客沖突等系列問題[3—5]。因此,對國家公園游憩承載力進行模擬與預測,可以為多主體提供良好的環境與游憩體驗,提升國家公園應對不確定因素的響應與適應能力[6],實現國家公園容納能力的動態平衡,是一個兼具理論價值與解決現實需求的重要問題。

國家公園游憩承載力是指在不對自然環境和游客體驗質量產生不可接受的影響前提下,國家公園區域能夠容納的最大游客數量[7],重點關注游憩活動對國家公園所產生的生態和社會影響,以確定最佳的游憩利用水平[8—10]。美國、加拿大的國家公園管理機構開發了一系列以游憩承載力為核心的管理框架,包括可接受的改變極限(Limits of Acceptable Change, LAC)、游客影響管理(Visitor Impact Management, VIM)、游客體驗和資源保護(Visitor Experience and Resource Protection, VERP)等。隨著對自然保護地游憩利用的深入理解,游憩承載力的研究從單一角度擴展到對環境、經濟、社會、文化以及心理等多層面研究[11—13]。Shelby和Heberlein將游憩承載力劃分為生態承載力、經濟承載力、社會承載力、設施承載力[14]。在國家公園游憩承載力定量評估方面,Papageprgiou和Brotherton從生態、知覺和經濟三個維度的承載力探討了國家公園管理框架[15],大量實證研究被廣泛用于海岸、森林、草地等各類保護地研究中。Prato基于對游憩承載力的綜合認識,提出了適應性生態系統管理技術和容量多因素評分檢驗技術結合的模型,模擬國家公園游憩承載力變化[16]；Salerno等基于管理目標導向,構建了旅游流、固體污染、水污染、能源四個子模型,評估國家公園游憩環境承載力,并提出管理框架[17]；Cupul-Magaa等測算了國家公園潛水活動的容量[18]。近年來,國內將承載力概念用于風景名勝區、森林公園、地質公園等各類保護地管理研究中。崔鳳軍等從環境生態承載量、資源空間承載量、心理承載量和經濟承載量四個維度評估了泰山風景區的游憩承載力[19]；賈秀紅等采用生態足跡成分法計算了森林公園旅游六要素的生態足跡,計算其旅游生態足跡及生態旅游承載力[20]。王嘉欣等基于TOMM理論,采用人工智能算法對三江源國家公園進行游憩線路優化,實現在預期游憩承載力范圍內游憩體驗的提升[21]。綜合來看,游憩承載力的研究方法主要有綜合指標評價法[22—23]、生態足跡法[24—25]、狀態空間法[26]、系統動力學方法[27—28]等。綜合指標評價法包括“驅動力-狀態-響應”三類指標體系,該體系指標數量較多,難以在統計不完善的區域開展研究,且指標系統的可操作性存在一定缺陷；生態足跡法通過使用相同生產力的生物生產性土地面積來衡量人類活動的生態負荷和自然系統的承載力,方法較為直觀,但模型參數彈性不夠,容易忽略游憩利用中其他重要影響因素；狀態空間法由三維狀態空間軸組成,通過構建指標體系評估系統各要素狀態,較難獲得游憩承載力的數值,只知其承載力水平高低[29]。與其他研究方法相比,系統動力學法基于對系統各種反饋關系的梳理,構建模型對游憩承載力進行情景模擬,可以得到最佳的游憩利用方案及承載力狀態,能夠為國家公園游憩利用適應性管理和動態監測提供依據。

本文以三江源國家公園為例,構建游憩承載力評價指標體系,采用系統動力學模型,模擬和預測三江源國家公園游憩利用承載力狀況,評估不同情景模式下的游憩承載力各子系統的演化趨勢,為三江源國家公園游憩利用動態管理與調節提供理論參考和借鑒,實現國家公園的可持續發展。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

三江源國家公園地處青藏高原腹地,是長江、黃河、瀾滄江的發源地,總面積12.31萬平方公里,涉及治多、曲麻萊、瑪多、雜多四縣和可可西里自然保護區管轄區域,共12個鄉鎮、53個行政村(圖1)。三江源國家公園功能分區劃分為核心保育區、生態保育修復區、傳統利用區,面積分別為9.06萬km2、0.59萬km2、2.66萬km2。核心保育區實行嚴格的生態保護,限制開展游憩活動；生態保育修復區和傳統利用區主要用于生態保育修復、提供牧民傳統生活、生產空間,是公眾游憩利用的主要場所。根據三江源國家公園范圍內各縣旅游主管部門統計,2015年,三江源國家公園范圍內接待游客量約為17.05萬人次。作為青藏高原特有物種的生物多樣性、遺傳多樣性和生態系統多樣性保護的重要區域,人類游憩活動對三江源國家公園生態系統產生沖擊的風險較大。因此,確定游憩承載力水平,合理開展游憩活動,對保障國家公園可持續發展至關重要。

圖1 三江源國家公園區位概況

1.2 研究方法和數據來源

系統動力學是一門以控制論、信息論、決策論等有關理論為理論基礎,以計算機仿真技術為手段,定量研究非線性、高階次、多重反饋系統的科學。本文運用系統動力學的專業軟件Vensim_PLE進行建模,模型運行時間為2015—2035年,仿真步長為1年。其中,2015—2019年為模型仿真行為、狀態的參考和驗證模式,為模型仿真的科學性和精準性提供參考借鑒,2020—2035年為游憩承載力系統的模擬仿真和未來情景預測,用于模擬預測系統未來發展演變的方向和路徑。

系統動力學模型中所涉及的數據主要來自《三江源國家公園總體規劃》(2018年)、《三江源國家公園社區發展和基礎設施建設專項規劃》(2020年)、《三江源國家公園產業發展與特許經營專項規劃》(2020年)、《2011—2019年玉樹州國民經濟和社會發展統計公報》等,部分指標的參數設置參考《青海省水資源公報(2017年)》、《青海省三江源地區生態旅游發展規劃(2009—2025年)》以及相關文獻研究成果整理得到。

1.3 游憩承載力系統動力學模型構建

游憩承載力系統動力學模型構建旨在反映國家公園自然環境、社會環境、經濟環境系統之間的協調程度。根據國家公園游憩系統間的結構、功能和各變量間的因果關系,遵循科學性、可獲取性、代表性等原則,將三江源國家公園游憩承載力系統劃分為4個子系統：資源空間承載力、生態環境承載力、社會經濟承載力、社會心理承載力,各子系統相關指標選取見圖2。本文根據木桶原理法計算國家公園游憩承載力,即最小的評價因子是游憩承載力的限制因子,游憩承載力等于4個子系統承載力的最小值。各分承載力計算模型采用孫根年給出的游憩環境承載力計算方法[30]。

圖2 國家公園游憩承載力系統動力學模型

(1)資源空間承載力。游憩資源空間為游憩活動開展提供空間載體,受國家公園游憩活動面積影響。根據《三江源國家公園總體規劃》(2018年)中的功能分區,選取游憩利用面積為水平變量；由于游憩開放面積受國家公園游步道、觀景臺面積等影響,選取新開放面積為速率變量,資源空間最大負荷數、新增道路面積、新增步道面積等為輔助變量,合理游客密度等為常量。

(2)生態環境承載力。游憩活動對國家公園生態環境帶來固體廢棄物污染、水體污染、草場退化、干擾生物種群等負面影響。對于固體垃圾、污水而言,生態環境承載力主要取決于生態系統的自我凈化能力、污染處理能力、游客與居民產生污染物的數量[31]。由于部分指標數據獲取存在困難,選取污水量為水平變量,污水排放、污水處理等為速率變量,污水處理能力、水污染率等為輔助變量。

(3)社會經濟承載力。社會經濟承載力對游憩承載力的影響主要體現在游憩基礎設施承載力和游憩服務設施承載力方面,反映社會經濟發展條件對國家公園游憩利用的支持度。兩個分承載力主要受基礎設施接待能力和服務設施接待能力影響[31]。因此,選取游憩基礎設施接待能力和游憩服務設施接待能力為水平變量,游憩基礎設施接待能力增加、游憩服務設施接待能力增加等為速率變量,游憩基礎設施承載力、游憩服務設施承載力等為輔助變量。

(4)社會心理承載力。社會心理承載力取決于游客心理承載力和居民心理承載力的較小值。游客心理承載力取決于合理游客密度以及擁擠程度對游客心理承載力的影響系數,而擁擠度受年接待游客量和國家公園游憩利用面積影響。居民心理承載力取決于游客居民比和居民能夠承受的游客居民比[32]。因此,選取社區人口、年接待游客量為水平變量,出生人口、死亡人口等為速率變量,游客居民比、擁擠程度等為輔助變量,建立社會心理子系統的互動關系。

1.4 系統動力學模型參數確定

確定模型參數是系統動力學模型的重要組成部分,通過分析系統各要素之間的因果關系,本文在參考前人相關研究、三江源國家公園游憩開展實際情況和專家意見的基礎上確定模型參數,各變量的計算方程式見表1。

表1 國家公園游憩承載力系統主要指標體系及方程

2 結果與分析

2.1 仿真模型校驗

為確保模型的科學性、有效性和精確性,運用歷史性檢驗法對系統動力學模型進行驗證。選取社區人口、年接待游客量、游憩服務設施接待能力3個代表性變量進行歷史性檢驗,時間為2015—2019年。檢驗結果表明,社區人口、年接待游客量、游憩服務設施接待能力模擬值的平均誤差分別為1.71%、-1.21%、-7.18%。相關研究認為,檢驗誤差在-10%—15%之間變動均可接受[33],說明該模型擬合的結果較可靠,能反映國家公園游憩承載力的真實情況。

2.2 原始情景仿真模擬分析

以2015年為基準值,對2015年以來三江源國家公園游憩承載力系統狀態進行模擬仿真,對應參數借鑒相關研究成果與方法進行估算,分析原始情景下三江源國家公園游憩承載力的演化趨勢。從圖3和表3可知,按照現有發展趨勢,三江源國家公園年接待游客量呈增長趨勢,到2035年,將達到287.59萬人；按照三江源國家公園規劃及各變量發展趨勢,游憩承載力將呈上升趨勢,其中2015—2022年間,由于三江源國家公園處于規劃、建設階段,各類設施不斷完善,游憩承載力增速較快,能夠為國家公園游憩利用提供較好的基礎；2023—2035年則增速趨向平緩,2031年可能面臨超載風險,說明應采取相應措施改善現有趨勢,優化國家公園游憩承載力。

圖3 原始情景下三江源國家公園游憩承載力與年接待游客量仿真結果對比

國家公園游憩承載力受資源空間、生態環境、社會經濟、社會心理4個承載力子系統的影響,由4個子系統的最小值決定。由圖4可看出,2015—2019年,社會經濟承載力是4個分承載力中的最小值,這主要由于三江源國家公園地處經濟落后地區,游憩服務產業發育較弱,基礎設施和服務設施投入不足,設施容納能力較低,制約了游憩承載力的提升。2020—2029年間,三江源國家公園游憩承載力主要受生態環境承載力、社會心理承載力兩個因素的制約,隨著三江源國家公園知名度的提升,游客接待量增長較快,帶來的垃圾、旅游廢棄用水量增長,而污染處理投資略顯不足。另一方面,雖然在國家公園開放之初,社區居民對游客持歡迎態度,但隨著游客量的增加,擁擠度系數提升較快,易導致當地居民產生不適心理,同時降低游客體驗效用,使社會心理承載力難以提升,制約國家公園游憩承載力的提升。2030年以后,三江源國家公園游憩承載力主要受社會經濟承載力和社會心理承載力兩個因子的制約。

圖4 原始情景下三江源國家公園游憩承載力子系統仿真情況

2.3 優化模式仿真分析

對三江源國家公園游憩承載力系統仿真結果表明,游憩承載力將在2031年達到最大值,而后呈現下降趨勢。要使國家公園游憩開發與生態保護相互協調、游憩承載力保持在一定合理水平,實現三江源國家公園可持續發展目標,需對當前的發展策略和方案進行優化調整。本文通過甄別關鍵要素及可能對國家公園游憩承載力產生的影響,選取3種優化模式,通過改變相關調控參數,來改善系統行為。根據相關文獻研究結果[34],按照25%的比例對初始參數值進行調整是比較適中的比例,這一調整比例有利于測試系統的穩定性和靈敏性,識別不同情景措施干預點的靈敏度及作用效果。結合文獻研究和三江源國家公園管理規劃實際,不同模擬情景參數設置值見表2。

表2 不同情景下調控變量參數表

2.3.1社會驅動模式

社會驅動模式指充分利用當地的社會經濟條件,加大入口城鎮及關鍵節點的游憩基礎設施與配套服務設施在國家公園建設中的比例,拓展游憩活動利用空間,提升游憩設施容量和空間容量。在其他條件不變的前提下,提升三江源國家公園建設與管理投資中游憩基礎設施、服務設施的比例,需要合理規劃并增加道路建設。由圖5和表3可看出,在社會驅動模式下,國家公園游憩服務能力得到較大提升,社會經濟承載力快速增長,在2035年,該模式下社會經濟承載力比原始情景提升24.62%,資源空間承載力提升0.27%。在社區驅動模式影響下,國家公園游憩承載力在2020—2022年間得到較大提升。但在2022—2031年間,該模式對國家公園游憩承載力的提升作用微弱；在2031年,該模式下游憩承載力比原始情景提升0.11%,之后對游憩承載力無影響,仍存在游憩承載力超載的風險。這說明僅提高游憩設施建設能在短時間內提升國家公園游憩承載力,但長期來看無法實現游憩承載力的持續穩定提升。

表3 2035年不同情景模式下主要變量預測值

2.3.2生態保護優先模式

生態保護優先模式是指將國家公園生態環境保護和生物多樣性保育放在優先位置,增強生態環境系統回路中的反饋效應,來實現生態保護子系統的優先發展。生態保護優先模式一方面加大水污染處理投資,降低游客污水排放量,改善污水治理；另一方面,適度保持或降低現有設施或道路建設,盡可能減少對國家公園生態空間的占用。設定此模式的污水處理投資由1145.45萬元/a增加為1431.82萬元/a,對游客增長采取一定措施進行控制,年均游客增長率在原有基礎上降低為18.53%,同時采取相應措施減少游客污水排放量,減少道路開發和建設(表2)。由圖5和表3可知,在2035年,生態保護優先模式下生態環境承載力和資源空間承載力比原始情景分別提高12.11%和2.06%。與原始情景和社會驅動模式相比,生態保護優先模式的年均游客接待量降低,游客擁擠度降低,游憩承載力增速較平緩,同時,游憩超載的風險由原始情景和社會驅動模式的2031年延遲至2033年。生態保護優先模式對降低游憩活動的生態負面影響、降低游客擁擠起到了較好的效果,可以使游憩承載力實現更長時間的持續增長。

圖5 不同情景模式下三江源國家公園游憩承載力主要變量的變化趨勢

2.3.3協調發展模式

協調發展模式是指在國家公園游憩利用開發過程中,同時注重社會經濟、資源環境和社區協調發展,促進游憩承載力合理增長,使游客接待量處于游憩承載力范圍值內,實現系統發展的整體最優。本文通過提升國家公園水污染處理能力、適度控制游客接待量、提升游憩設施投資力度,設計了三江源國家公園游憩承載力協調發展模式,相關參數設置見表2。由圖5和表3可知,在協調發展模式下,由于采取了治污能力提升措施和游憩空間優化,生態環境承載力和資源空間承載力緩慢上升,在4種模式中均為最高值,有利于降低游憩活動對生態環境的負面影響。該模式下,2015—2031年間社會心理承載力介于社會驅動模式與生態保護優先模式值之間；2032—2035年則增速較快,大于上述兩個情景模式的值。該模式下游客接待量增速放緩,2035年游客接待量為170.10萬人,游客擁擠度為0.027,為4種模式中最低值,有利于為游客提供較好的游憩體驗；三江源國家公園游憩承載力呈現平穩增長的趨勢,在2035年達到177.24萬人,此時,游客接待量達到游憩承載力的95.9%,與原始情景相比,游憩承載力超載的風險由2031年延長至2035年以后。

2.3.4四種模式比較分析

比較三江源國家公園游憩承載力系統4種模式發現,在原始情景下,游憩承載力前期受社會經濟子系統制約,中期受生態環境子系統和社會心理子系統制約,后期受社會經濟子系統和社會心理子系統制約,在2031年存在超載風險。從社會經濟發展的角度看,在社會驅動模式下,通過加大游憩基礎和服務設施的投入,能在短時間內快速提升游憩承載力,但難以實現可持續發展；從生態保護的角度看,生態保護優先模式大大降低了游憩利用對生態環境的負面影響,但較低的游憩管理投入無法滿足游憩需求及社區發展訴求。可以發現,協調發展模式的效果最好,它在統籌生態保護和游憩投入的基礎上,實現了游憩承載力的可持續提升,雖然游客接待量有所降低,但到2035年,游憩活動尚在承載力范圍內,游客擁擠度大幅度降低,為國家公園制定適應性改進措施留有緩沖時間,最大程度保障了國家公園生態環境、游憩利用、社會經濟的可持續發展。

3 討論與結論

本文構建了三江源國家公園游憩承載力系統概念框架及系統動力學模型,并結合相關文獻和三江源國家公園發展實際設置不同情景模式,模擬游憩承載力系統演化趨勢并進行模式優選。得出如下結論：

國家公園游憩承載力由資源空間、生態環境、社會經濟、社會心理4個承載力子系統組成,各個子系統之間通過一個或多個變量相互作用和關聯,形成一個有機整體,驅動游憩承載力系統的發展演化。基于系統動力學模擬仿真軟件Vensim_PLE,通過科學設置關鍵變量參數,模擬三江源國家公園游憩承載力系統各變量的演化趨勢。在對仿真模型進行檢驗的基礎上,對三江源國家公園游憩承載力系統發展設置了原始情景、社會驅動模式、生態保護優先模式、協調發展模式,對游憩承載力未來發展的情景模式進行仿真。

不同情景模式對比表明,在不采取游憩管理措施優化的原始情景下,國家公園游客接待量平穩增長,但游憩承載力呈現先增后降的趨勢。由于游客接待增速快于游憩承載力增速,將在2031年面臨游憩承載力超載風險。社會驅動模式下游憩承載力比原始情景有小幅度提升,但2031年后游憩承載力并無提升,難以滿足游憩開發需求,因此,仍需進一步優化。生態保護優先模式下從提高污染治理能力和適度控制游客規模進行調控,游憩承載力有所提升,并將游憩承載力超載風險由2031年延遲至2033年。協調發展模式下生態環境承載力和資源空間承載力緩慢上升,在四種模式中均為最高值,游憩承載力也達到最大值,與原始情景相比,游憩承載力超載的風險由2031年延長至2035年以后。

本文建立了三江源國家公園游憩承載力的評估框架,明確了資源空間承載力、生態環境承載力、社會經濟承載力、社會心理承載力對國家公園游憩承載力變化的影響,為國家公園游憩動態規劃與管理提供依據。國家公園游憩承載力評估系統的構建需要大量的數據和信息支持,以全面反映系統內部變量之間的反饋關系。由于數據獲取的限制,本文對游憩承載力的子系統變量選取有待進一步拓展,在后續的研究中,有待根據國家公園的實際情況對模型進一步完善。