汉江流域(陕西段)水生态承载力评估

孙佳乐， 王 颖， 辛晋峰

(1.西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室， 陕西 西安 710048; 2.博元生态修复(北京)有限公司， 北京 100082)

1 研究背景

流域水生态承载力[1-3]( WECC) 是在水环境承载力[4-5]和水资源承载力[6-8]研究基础上发展起来旨在为流域水生态系统综合管理提供科学依据，是一个具有自然和社会双重属性的自然科学与社会科学的综合概念，然而目前对于该概念仍未形成一个统一的认识,研究方法也在探索之中[9-12]。大多研究采用系统动力学法、指标体系评价法、生态足迹法、多目标优化法及资源供需平衡法，其中系统动力学法应用最为广泛。系统动力学模型的实质是带时滞的一阶微分方程组，可以便利地处理非线性和时变现象，对于社会发展、经济建设、资源保护、生态建设等等有重要意义，被誉为复杂系统的“战略与策略实验室”[13]。利用建立好的系统动力学模型模拟分析各个发展方案，在此基础上预测决策变量，并将其看作评价指标，即可利用指标评价方法，最终通过比较获得最优的发展方案和生态承载能力。如Randhir等[14]利用系统动力学模型和情景分析对哈特菲尔德河流流域的土地利用和水生态系统的响应关系进行了模拟分析。Hassanzadeh等[15]建立伊朗乌尔米耶湖的系统动力学仿真模型，模拟分析了湖泊水位变化对湖泊环境造成的影响。王西琴等[16]利用vensim软件建立了SD模型对常州市水生态承载力进行了模拟和预测，并利用投影寻踪法对5种情景方案进行了优化选择。李靖等[13]、李珊[17]利用系统动力学模型对太子河流域水生态承载力进行了动态模拟分析。本文以汉江流域上游(陕西段)为例，结合层次分析法、系统动力学和隶属度法建立汉江流域上游(陕西段)水生态承载力量化模型，对水生态承载力进行评估，旨在使生态环境受到最小影响的前提下,最大规模的发展社会经济。

2 汉江上游流域概况

2.1 自然经济概况

汉江上游北依秦岭，南障巴山、米仓山，西与嘉陵江为邻，其源头位于陕西省宁强县米仓山西端的嶓冢山。汉江上游干流在陕西境内长709 km，东西贯穿，流域面积近60 000 km2，沿岸流经共13个城市和县区，包括汉中、石泉、安康、旬阳以及南郑等。流域水资源较丰富，但有年内和地域分布不均现象，其平均产流模数42.645×104m3/(a·km2)，多年平均降水量和多年平均降水总量分别为914.1 mm和569.17×108m3，地表水径流量和浅层地下水资源量分别为265.52×108和71.84×108m3。汉江上游流域支流密布，水系呈现羽状排列，左岸和右岸和流域面积占全流域面积的分别为60%和40%，统计梯级河段沿岸主要支流30条。

汉江在陕西段流域内出现污染物的城市为宝鸡、汉中、安康与商洛。重点污染城市为安康与汉中，排污口或排污支流排放的大部分有机污染物是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。汉中市COD年排放量16 718 t，NH3—N年排放量1 856 t，其中汉台区COD和NH3—N的排放量最大，分别为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，其中汉滨区COD和NH3—N排放量最大，分别为4 976和600 t。

2.2 水功能区划分

本文以陕西省人民政府办公厅颁发的[2004]100号《陕西省人民政府办公厅文件陕西省水功能区划》[18]为基础，综合考虑流域的实际情况，将汉江上游(陕西段)流域划分为15个水功能区，如表1所示。

表1 汉江上游(陕西段)流域水功能分区

3 水生态承载力指标体系建立

3.1 指标的选取

根据国内外学者在水资源、水环境、水生态承载力指标体系的相关研究成果，在水生态承载力概念、内涵和影响因素的基础上，结合汉江上游陕西段社会经济、自然生态环境特征，依据水生态系统的DPSIR概念框架，协助建立汉江上游陕西段的水生态承载力评价指标体系，从驱动力、压力、状态、影响、响应五个部分进行描述。采用目标分层法，建立水生态承载力指标体系的多级递阶结构，如图1。

指标层包括了水资源系统指标、水环境系统指标、水生态系统指标和社会经济系统指标，综合考虑承载体与受载体间彼此依赖与制约的特征，并明确了指标体系的层次，在准则层的基础上对目标层加以分析，系统性的将人口、经济、社会与资源和生态环境等描述出来，展示其优点与特色，以期能更好的反映复合系统的水生态承载力。

3.2 指标权重的确定

根据上述所建立的汉江上游陕西段的水生态承载力评价指标体系，采用yaahp软件确定各个要素的权重，构造判断矩阵，计算一致性比率(CR)。

图1 汉江上游(陕西段)水生态承载力评价指标体系图

设水生态承载力为A，驱动力指标为B1、压力指标为B2、状态指标为B3、影响指标为B4、响应指标为B5，水生态承载力权重判断矩阵如表2，其中CR=0.0816<0.1，满足一致性要求。

表2 水生态承载力权重判断矩阵

在驱动力子系统指标体系中，设人口自然增长率为C1，人均GDP为C2，驱动力子系统指标权重判断矩阵如表3，其中CR=0<0.1，满足一致性要求。

表3 驱动力子系统指标权重判断矩阵

在压力子系统指标体系中，设生态环境需水率为C3，万元GDP工业废水排放量为C4，渔业用水量为C5，压力子系统指标权重判断矩阵如表4，其中CR=0.0516<0.1，满足一致性要求。

表4 压力子系统指标权重判断矩阵

在状态子系统指标体系中，设森林覆盖率为C6，COD排放量为C7，氨氮排放量为C8，状态子系统指标权重判断矩阵如表5，其中CR=0.0176<0.1，满足一致性要求。

表5 状态子系统指标权重判断矩阵

在影响子系统指标体系中，设缺水程度为C9，人均水资源量为C10，影响子系统指标权重判断矩阵如表6，其中CR=0<0.1，满足一致性要求。

表6 影响子系统指标权重判断矩阵

在响应子系统指标体系中，设环保投资指数为C11，废水回用率为C12，响应子系统指标权重判断矩阵如表7，其中CR=0<0.1，满足一致性要求。

表7 响应子系统指标权重判断矩阵

4 水生态承载力模型体系的建立

4.1 系统动力学模型构建

根据水生态承载力的概念，构建汉江上游陕西段流域水生态承载力系统动力学模型，借助VENSIM软件描绘出水生态承载力系统动力学流图，并通过咨询专家，参考已有的研究，确定状态变量、速率变量和辅助变量，确定系统的基本方程，从而得到系统内部联系。通过上述分析与研究，得到的系统动力学流图见图2。

4.2 模型有效性检验

对建立的系统动力学模型进行有效性检验，对汉江流域(陕西段)2010-2013年的仿真结果模拟值与实测值进行比较，结果如表8所示。

图2 汉江流域(陕西段)水生态承载力系统动力学流图

年份人均GDP/元实测值模拟值相对误差/%灌溉用水量/108 m3实测值模拟值相对误差/%渔业用水量/104 m3实测值模拟值相对误差/%森林覆盖率/%实测值模拟值相对误差/%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

检验结果表明，汉江流域(陕西段)水生态承载力系统动力学模型模拟的生产总值、灌溉面积、工业产值、灌溉用水量的真实值与模拟值的相对误差均小于10%[19]，吻合度较好，说明该模型可以用于汉江流域(陕西段)水生态承载力的预测。

5 水生态承载力评估及调控

5.1 水生态承载力评估

借助建立的水生态承载力系统动力学模型，对水生态承载力进行模拟，得到各指标的数据，将其进行指标化分析得到其数值，随后采用隶属度法将转化为可量化的数据，得到最终的生态承载力。针对汉江流域(陕西段)采用以下的量化模型来计算水生态承载力分值。

(1)

式中：Ej为j方案的水生态承载力分值；Wi为i指标在系统中的层次总权重值；Sij为j方案i指标的分数值。

根据求得的水生态承载力分值可以对整个系统的“可承载状况”进行分级，见表9，每个级别对应不同的分值区间，以此来描述水生态承载。

表9 水生态承载力承载程度分级

依据已建立的流域水生态承载力系统动力学模型，结合流域水生态承载力指标体系中各个指标的模拟和由层次分析法求出的各个指标的总权重值，利用公式(1)可计算得出汉江上游(陕西段)流域水生态承载力量化值如下图3所示。

由图3中可以看出自2012年之后各生态分区承载力逐年减小，其原因主要是近年来，汉江流域区域工农业经济的发展和人口剧增，越来越多工业污水、农田排水进入水体，导致水体水质变差，与此同时，汉江上游的过度开垦，乱砍滥伐，水土流失不断加重，生态环境遭到破坏。根据图3的结果，结合可承载度的类型分类表9，分析可得汉江上游(陕西段)流域水生态承载力整体处于弱可承载的状态。

5.2 水生态承载力调控

为了使汉江上游(陕西段)流域水生态承载状况得到改善。根据汉江上游(陕西段)流域的实际情况采用以下7个策略来模拟汉江上游(陕西段)流域水生态承载力状况，使汉江上游(陕西段)流域水生态承载力系统持续良好的发展的同时让其生态环境资源的利用达到最大化。各方案汇总如表10。

根据以上7种调整方案利用已建立的汉江上游(陕西段)流域水生态承载力系统动力学模型对各水功能分区进行模拟，部分结果如图4～9所示。

综合比较各调控方案可以看出：各方案均使水生态承载力得到明显的提升，但总体依然呈下降趋势。相较于原始方案，采用方案7对流域水生态承载力进行调控后，流域水生态承载力的下降趋势明显降低，流域水生态承载力有了明显地提高。根据上述7个方案模拟的结果可以得出，采取的调控措施越多，流域水生态承载力的提高就越显著，改善汉江上游(陕西段)流域各水功能分区的水生态承载力状况的效果就越明显。所以，应进行工业、人口、植被面积、污水处理、水资源开发程度等多个方面的全面综合调控，才能较好提高汉江上游(陕西段)流域水生态承载力。

表10 水生态保护方案设计 %

注：表中各数据的正负表示逐年增加或减小； “-”表示在原基础上保持不变。

图3 汉江流域(陕西段)水生态承载力变化

图4各方案下宁强源头水保护区水生态承载力模拟图5各方案下汉中开发利用去水生态承载力模拟

图6各方案下城固开发利用区水生态承载力模拟图7各方案下洋县开发利用区水生态承载力模拟

图8各方案下安康开发利用区水生态承载力模拟图9各方案下汉江上游(陕西段)水生态承载力模拟

6 结 论

(1) 构建了基于D-P-S-I-R框架模型的汉江流域(陕西段)水生态指标体系，并在此基础上确定了汉江流域(陕西段)水生态指标的权重。对汉江流域(陕西段)进行了系统结构分析和因果关系分析，构建了汉江流域水生态承载力的系统动力学模型，经过有效性检验表明该模型可用于汉江流域(陕西段)水生态承载力的研究。

(2) 基于系统动力学、层次分析法和隶属度方法建立的水生态承载力量化模型来量化评估汉江流域(陕西段)水生态承载力，得到在现状发展的情况下汉江流域(陕西段)处于弱可承载状态。

(3) 根据社会发展和技术水平研究了7种调控方案对水生态承载力进行分析对比，各方案均使水生态承载力得到提升并且在综合方案下水生态承载力提高最为显著，使汉江流域(陕西段)达到了基本可承载状态。