水域空间承载力研究进展

卫晨曦， 王 烜， 李春晖， 刘 强， 蔡宴朋

(1.北京师范大学环境学院 水环境模拟国家重点实验室， 北京 100875； 2.北京师范大学环境学院 水沙科学教育部重点实验室，北京 100875； 3.广东工业大学环境生态工程研究院 广东省流域水环境治理与水生态修复重点实验室， 广东 广州 510006)

1 研究背景

水域空间承载着水资源供给、滞留和消纳污染物、维持生物多样性、径流和气候调节以及景观娱乐与文化维育等多种生态服务功能[1]。然而，近年来频繁的人类活动和气候变化改变了水域空间格局，水系自然组成、结构及水系连通性遭到破坏，原有生态服务功能丧失。因此，研究水域空间的承载机理，保证水域一定保有空间和合理空间布局对保障“水资源-经济社会-生态环境”系统稳定具有重要意义。

水域作为空间资源，当前无系统化的综述成果。本文在总结借鉴有关学科领域对水域空间承载力研究成果的基础上，提出水域空间承载力概念与内涵，综述水域空间组成和结构对“经济社会-生态环境”系统产生的影响的研究，探讨当前研究的不足之处，展望该领域的主要研究热点和趋势，为加强流域水域空间安全管理，提升水资源对“经济社会-生态环境”复合系统的承载能力提供决策参考。

2 水域空间承载力的概念及内涵

水资源承载力是承载力概念在水资源领域的拓展运用，国外多围绕供需水比、可用水量等开展研究[2]，国内研究始于20世纪80年代末新疆水资源软科学课题研究组对水资源承载力的研究[3]。水资源是具有空间属性的实体，区域内水资源的形成、循环、转化和迁移需要一定场所和基质的支撑，这些场所和基质称为水域的空间。以往对水资源的研究多侧重于考虑其数量、质量[4]、分布[1]以及组成[5]等其中一个方面，分别提出了水资源承载力、水环境承载力、水安全和水生态承载力等与承载力相关的概念，对水资源承载能力的评价指标和体系也大不相同。Yang等[6]、王晟[7]从量和质的角度建立了量化承载力的指标体系，指出超载的主要原因是水资源需求明显增大、环境自净能力不足、水资源利用效率偏低等，未考虑水资源的空间组成和水流状态。而水资源是具有空间属性的自然资源，其占有面积或体积的多少、组成的变化及空间分布的改变都会对水资源的承载功能产生一定的协同影响。王建华等[8]从量、质、域、流4个维度研究了水资源承载力。王浩等[9]在此基础上增加了“水生态”维度，提出水资源保护新理念。其中“域”指区域内允许开发利用的水体水面、滩涂、滨岸等空间的上限，是水生态系统健康正常运转的基本要素；“流”指区域水体水流过程被扰动的许可范围，具体表现为水流的阻隔程度或者流速与流态允许变化的阈值，体现在水系之间的横、纵、垂向连通性程度[10]，这两个维度均涉及水域空间承载力。随着水生态文明理念逐渐成为人类的共识，描述水域空间组成和结构特性的水域率、水文连通性作为生态文明城市建设、河流健康的重要指标[11]，被广泛应用于流域或区域综合管理中，水域空间承载力的相关理论、技术方法和应用管理研究日益受到关注。

本文认为，水域空间承载力即流域或区域在一定发展阶段内，以维护水生态系统良性循环为目标，由水域各子系统的组成和结构分布等空间特性所决定的对流域或区域内经济社会、生态环境可持续发展的支撑能力。水域空间承载力主要有两方面的影响因素：(1)空间组成。强调一定边界约束下能够承载特定功能的水域(如湖泊、河流、水库等)的数量和范围；(2)空间结构。强调能够承载特定功能的水域的空间分布和相互关系，反映物质流、能量流和信息流的通畅程度。空间组成和空间结构不是孤立的两方面，二者相互作用产生空间效应，是水域发挥多种承载功能的基础。高玉琴等[13]通过Pearson相关系数刻画了水系数量与水系连通的响应关系，结果表明水系数量特征参数与水系连通性存在显著正相关关系。水域空间承载力的影响因素和生态服务功能如图1所示。

图1 水域空间承载力的影响因素和生态服务功能

3 水域空间组成对承载力的影响研究

维护水域一定保有面积或体积，是发挥水资源各项承载功能、实现人与自然和谐共生的基础。反映水域空间组成最直观的指标是水域率，通常也称水面率。目前水域率的定义尚未统一，普遍被接受的定义是指承载水域功能区域的面积占区域总面积的比例。本文根据不同承载功能对水域率的要求，梳理水域的空间组成对承载“经济社会-生态环境”系统各种生态服务功能影响的研究进展。

3.1 水资源供给服务功能

水域的供给功能体现在为当地工业生产、农业灌溉、居民生活用水和生态用水提供所需水资源，或通过跨区域调水工程保障水资源匮乏地区的三生用水。因此，基于供给服务功能的合理水域率研究的基本思想是基于水资源的可调控性、自然流动性、跨区域补给性等特性，以满足水资源系统服务对象的水需求为目标，在保证需水主体水质要求的前提下，根据不同水平保证率和不同水文年的水资源供需平衡模拟，计算满足供给功能的水域面积。王士武等[14]提出了基于水资源供需平衡的合理水域率的结构模型。贺新春等[15]综合考虑效益和建设成本确定了满足水资源利用的城市适宜水面面积。但实际应用中，满足水源供给功能的水域率是否能同时满足水域其他承载功能的要求，需要结合区域的地理环境特征、社会经济发展状况等，综合分析水域空间的其它生态服务功能所需的水域率后确定[16]。

3.2 栖息地环境支撑功能

水域对栖息地环境的支撑主要体现在水量和水质维持两方面。其中，水量维持着眼于水位和水面面积的稳定供给，因为水位和水面面积的改变会直接影响水生境格局，进而影响水生动植物的群落结构和分布格局。田世民等[17]研究表明水域面积缩小至原面积的10%时，底栖动物数量急剧减少。但过高水位和过大水面面积也会给生态系统带来消极影响，如水位过高会改变水文节律，影响夏季高水位冬季低水位的自然季节循环，阻碍水循环系统正常衰退模式；水面增加会淹没水鸟原本的最佳觅食区，影响水鸟的生存和繁殖[18]。而水质维持体现在提高水环境的容量和保障水体理化性质的稳定，因为水环境容量决定水体纳污和自净能力，是发挥水生态功能的基础条件；水体理化指标(如营养盐、溶解氧等)会影响水生生物的群落形态和生物行为。综上，为了保障生态系统健康，需要从水量和水质维持的角度出发，基于法律法规、水环境标准和区域水文条件建立水动力水质-生态模型，并结合生态保护目标，设置各种土地利用情景，模拟得到不同时期满足栖息地环境支撑功能的水域率阈值，为区域生态管理提供可操作性较强的指标。

3.3 水文调节功能

水域的水文调节功能主要体现在径流调节和局地气候调节两方面。其中，径流调节的目的是行洪除涝，保障区域安全，目前的研究常采用机理模型(如MIKE模型、SWMM模型、InfoWorks ICM模型等)建立城市排水模型或内涝模型，实现多情景排涝模拟，或通过单目标线性模型和非线性规划模型等进行洪水调蓄计算[16]，得到基于行洪除涝功能的合理水域率。Bu等[19]利用PCSWMM模型确定了基于满足城市排水标准的合理水域率和基于海绵城市设计理念的合理水域率。史书华等[20]利用统计学方法量化了常熟市水域调蓄能力与水面率的相关关系，结果表明合理水系结构条件下水域面积越大，调蓄能力越强，且调蓄能力与水面高度呈正相关，说明水体深度的承载作用亦不可忽视。此外，水的比热容大的自然特性有利于水域发挥降温增湿、净化空气等局地气候调节的功能，如李书严等[21]通过数值模拟和资料分析发现城市水域能有效缓解城市热岛效应。Zeng等[22]发现开阔的水面有利于“风道”的形成，水面的风速效应随水面面积的增大而增加。

3.4 景观娱乐与文化维育功能

水域作为城市景观的组分之一，还承担着休闲娱乐、维育文化等职能，对提升居民生活幸福度有着重要作用。《城市水系规划规范》(GB 50513—2016)[11]规定了不同区位城市对应的适宜水域面积率，但其对水域率阈值范围的规定较为主观，并未结合区域实际水文条件、现行规范和经济发展状况。随着城市水生态文明的发展，张陈为等[23]将水域率纳入城市生态空间评价的指标体系，虽比水系规范的规定更加客观，但指标的主观赋值仍具有一定的不确定性。此外，良好的滨水景观还可以带动周边房地产和旅游业的发展，为区域创造良好的投资环境。杨奕等[24]运用房产价值法和特征价格法研究发现黄浦江滨江公共空间与周围小区房价增长有显著相关性。然而，水域面积过大会降低城市土地资源利用价值，提高水域开发和维护成本，且会消耗大量水资源维系水面面积，增加水资源匮乏地区的水负担。故需要综合考虑水面面积与社会经济、生态效益的权衡关系，确定适宜的城市水域率，协调水域和经济效益、城市水土空间规划的关系，促进人水和谐发展。综上所述，当前对水域率应用的研究多集中于洪水调蓄和水资源利用方面，考虑水域整体功能的研究较少。鉴于水域多功能承载特性，应全面考虑水域空间对各种生态环境要素的承载机理及弹性。通常，主导生态服务功能的水域空间需求满足，其他功能的需求亦可满足。因此，可将满足水域主要承载功能的水域率作为综合水域率；或对承载不同功能的各水域赋予一定的权重，采用面积加权平均法求得综合水域率[16]。此外，当前对水域率的研究集中于水域表面面积比，但水体占据的立体空间亦会影响水域发挥多功能承载的作用，因此亟待加强水域空间三维整体服务功能的研究。

4 水域空间结构对承载力的影响研究

水域空间结构是指不同空间维度上水文单元的分布和相互关系，常以水文连通性作为表征水域空间结构的量化指标。水文连通性是指流域内不同水系单元以水为媒介在水文结构上相互连接和相互作用的通畅程度[25]，根据连通方向分为横向连通性(湖泊湿地/沼泽/洪泛区-河道的连通)、纵向连通性(源头-河口的连通)和垂向连通性(地表水-地下水的连通)[26]。水文连通性具有时效性，如洪泛区季节性降水会影响河湖湿地、洪泛区与河道的横向连通性和河流上下游的纵向连通性，所以同一区域不同时期的水文连通性存在差异，而生态保护尤其需要考虑水文连通的时效性对生物物种节律的影响。

4.1 横向水文连通性

横向水文连通性是指河流与湖泊湿地、洪泛区等水系统在水平方向上的连续性[27-28]。水动力条件变化可以改变水文连通性。Li等[29]通过MIKE 21水动力模型和地统计学联合分析表明，水动力条件(水深和流速)的改变是连通性变化的主导因子。反之，横向连通受阻会改变系统水动力条件，造成湖泊、湿地等面积萎缩化和栖息地生境破碎化，影响污染物的降解与再释放、营养物质的迁移和转化，阻隔物质流和生物流交换，最终引起群落结构、生物丰度和多样性的强烈反馈[28]。

河湖横向水文连通性的增加可改善湖泊水动力条件，加快水体交换速度和提高水体溶解氧含量，增强水体净化能力，进而改善湖泊水质。目前主要采用水动力-水质耦合模型模拟不同连通情境下湖泊总氮、总磷和硝态氮等的输移、扩散和降解情况，曹慧群等[30]和周震[31]研究发现相较于低连通性，高连通性下降解效率和效果更佳。对于面积大且形状复杂的深水湖泊，外部调水或连通工程带来的扰动范围难以覆盖全部水体，加之风速、风向等因素的影响，湖泊中部往往容易出现缓流区和死水区，不利于湖泊整体水质提升。孙静月等[32]研究表明远离连通工程引排水口的区域水质改善效果不佳。上述研究说明连通位置和连通方式影响连通工程的效果，未来可从强化外部连通工程和优化内部连通方式两方面入手改善全湖水质。

横向水文连通性的增加可为系统带来异源资源，丰富初级生产者的能源供给，维护物种多样性[33]。一般而言，自然通江湖泊的鱼类群落丰度和多度均高于连通性差的湖泊[34]。但也有文献报道，大型无脊椎动物多样性在中等横向连通处达到峰值[35]。由此可知，生物群落多样性受水文连通性影响，但不同物种对连通性变化的反馈存在差异，对其反馈机理的研究有助于确定横向连通性的合理阈值。此外，横向连通性亦会影响植物群落的结构与分布。Liu等[36]研究发现，水文连通性对黄河三角洲湿地物种组成和分布的贡献在所有环境变量中是最高的，说明水文连通性是影响该地区植被群落结构和分布的关键驱动因子。

然而，连通性过高亦会给水生态系统带来消极影响。如入湖河水会携带大量外源营养物质，加上水体扰动会促进湖泊内源营养物质释放，这将增加湖泊富营养化的可能性[28]。又如挟沙水流流经会改变水系统原有地貌特征，阻塞河道，加剧防洪压力；或在湖岸堆积，侵占水面面积，抬高水位。如何确定不同程度的连通性引起的累积生态环境效应，进而结合生态保护目标确定河湖连通性阈值已受到研究者的普遍关注[29]。

4.2 纵向水文连通性

纵向水文连通是流域内动态和非线性水文行为发生的基础[37]，是河流发挥承载功能的必要条件。河流纵向连通性降低，会阻碍水、营养物质和沉积物的自然转移和生物迁移，导致区域生态系统水文特征、生物学条件、地貌发生变化[38]。一般来说，河流上下游通过纵向水文连通，以源、汇、避难、滞后和转化五个功能建立与下游的物理、化学和生物联系[25]，见表1。

表1 纵向连通功能及对下游水体的影响(基于文献[46]修改)

上游水体具有承载下游物质和能量来源的功能。水流夹带沉积物通过河网运输，沉积形成河道地貌特征和其他洪泛区、河口三角洲湿地[39]。除了沉积物，上游水体还可为下游水体带来溶解性/颗粒性有机碳、氮磷营养元素和污染物质。研究表明，流经矿区的源头水流是下游河流金属污染物的来源[40]。上游向下游输送水量的同时还会输送热通量，如经水库泄水口注入河道的水会改变原有水温[26]，进而影响河流理化特质和生物学特征[41]。此外，生物在连续的上下游移动也依靠源头-河口纵向水文连通实现[42]，这直接关系上下游的基因流动和源库动态过程。李智[43]利用Delft 3D模型研究了雅砻江二滩水电站上下游物种多样性的情况，结果表明大坝上下游鱼类多样性存在明显差异。何术锋等[44]利用生物多样性指数和优势种进行了研究，发现水坝拆除会对河流下游鱼类群落结构和分布产生积极影响。可见，人为构建的物理屏障对上下游鱼类的发育和繁殖产生了不利影响，而恢复河流连通性对于上下游基因流动有促进作用。综上，河流纵向水文连通性的改变带动了河道地貌形态、营养条件、水热条件和水文情势等的改变，影响了整个水生态系统。

河流水系的汇功能与源功能对应存在，上游水体是源，下游水体是汇。文献多着眼于水文汇、化学汇和沉积物汇，少量文献涉及支流为下游水生生物提供热栖息地的潜在避难生态效应，如与干流连通的较冷支流可为鱼类暂时提供避热栖息地，凸显了支流潜在的生态功能[45]。滞后功能主要由纵向连通良好的干支流承载，支流暂时储存水量，洪泛期间可延迟洪峰[25]。转化功能是河流水系的基础功能之一，主要包括物质的转化、势能和动能的转化、热能的消散等。综上，下游水环境状况是生物地球化学循环和运输综合过程的结果，依赖良好的河流纵向水文连通性来维持和改善。

4.3 垂向水文连通性

垂向水文连通是指地表水与土壤水、地下水的空间联系[26]。Du等[47]和Zhang等[48]采用稳定同位素在不同研究区均追踪到地表水和地下水的相互作用，说明地表水和地下水在很多水环境中互为补给，是水文循环的过程之一。地下水对地表水的贡献率随季节变化，研究表明旱季地下水基流对河流流量的贡献可能大于直接径流[49]。地表水和地下水的相互联系不仅作用于水量，对水质保障也很重要。Kim等[49]研究表明受污染的地下水基流会影响地表水水质，受污染的地表水流量会影响地下水质量。由于地表水和地下水具有鲜明的水环境特征，上行水提供具有独特水化学性质的水，从而增强地表水生境多样性；但是垂向连通会在一定程度上造成地表水量减少，对湖泊、湿地等脆弱生境有一定的消极影响，会加速湖泊、湿地向沼泽化的演变进程[28]。此外，当地表水质量不佳时，垂向的连通屏障在某种程度上也可保护地下水不受污染。

综上所述，以往研究尺度多集中在横、纵向水文连通，缺乏垂向连通性的深入研究，对连通性的季节变化研究也较少。由于水资源循环过程发生在三维空间，尤其在垂向上的变化和格局更加复杂，仅考虑水平方向的连通不能完整体现水资源的功能和特性，因此需要更多关注垂向连通性对物质流、能量流输移的影响研究。此外，不同时间尺度下，横、纵、垂向水文连通性对区域各种生态服务功能的影响也存在空间差异，时空尺度耦合的空间承载力研究有待进一步开展。就研究方法而言，生物指标法、水质指标法和水质-水动力耦合模型等应用较为广泛。指标法较为粗略，不能完全表现水生态系统内部复杂的互馈过程；模型法虽能精细刻画水环境中某些关键的水文过程，但是对连通变化下水生态系统内部的相互关系考虑不够。

5 结论与展望

水资源的承载力不仅受水量、水质的综合影响，而且还受水域空间特性的影响和制约。目前从水域的空间组成和空间结构对水生态系统和人类社会系统支撑的研究取得了一定成果，为了实现水域空间资源的可持续开发利用、全面提升水资源承载力，提出以下3点研究展望：

(1)加强水域空间组成和空间结构的联动影响研究。水域空间组成和空间结构均对水生态环境产生影响，以往研究对二者的耦合关系和联动影响缺乏系统性研究。在人类活动和气候变化的背景下，水域空间组成和空间结构的非线性互馈关系及其不确定性增加，致使水资源承载力的动态性、时空分异性特征显著增强。未来应深入研究基于水域空间组成与空间结构互动互馈的水域空间承载机理和阈值，建立相应的水域空间承载力评价体系，为空间资源的合理开发利用实践提供科学决策依据。

(2)耦合水域空间承载力的量化研究方法。当前水域空间承载力的研究方法主要为统计模型和机理模型，前者通过将描述水生态系统状况的指标(如水质指标、生物指标、水系格局指标等)与空间组成、结构指标建立统计学联系，从而确定承载力大小，运算简便，指标选取较易但难以涵盖全面。机理模型则能剖析复杂系统各因素之间相互作用的机理和规律，更科学、合理地确定承载力大小，但是建模过程较为复杂，且数据来源、结果的可靠性等方面存在较多不确定性因素。未来应耦合统计模型和机理模型，合理地量化水域空间承载力，客观地评估水资源保护、利用与社会、生态环境系统的协调发展程度。

(3)拓展水域空间承载力的研究维度。当前二维空间维度的研究不足以反映水资源的实际空间承载特性。此外，水域空间承载力具有时效性，如对于受极端降水事件影响的流域，水域空间承载力呈现出明显的时空变化特征。未来的研究有必要加强水域空间承载力的时空异质性及多时空尺度耦合效应的研究，以进一步支撑水生态系统功能恢复、水资源统筹调配等方面的研究。