流域水生态承载力及其概念模型

谭红武，杜 强，彭文启，李 靖

（1.中国水利水电科学研究院 水环境研究所，北京 100038；2.西安理工大学 水利水电学院，陕西 西安 710048）

1 研究背景

20世纪50年代以来，全球河湖生态系统承受了人类高强度的大规模改造活动［1］，演变为人类主导下的河湖生态系统［2］，水环境恶化、水生态退化现象普遍。我国尤为突出，水污染、水文情势变异、过度捕捞等多重胁迫集中交织，严重威胁水资源供给和防灾等生态服务功能的可持续利用。20世纪80年代以来，欧美国家率先将河湖系统视为河湖生态系统、乃至更大尺度上的社会-经济-河湖复合生态系统，通过适应性管理来维持或恢复流域内河湖生态系统的一定水平的生态完整性，进而保障河湖生态服务功能的可持续提供。作为支撑，美国的TMDL污染物总量控制体系，美国、欧盟的河湖健康评价体系等，在20世纪90年代也进入推广应用阶段，对控制水污染、恢复受损河湖的健康起到关键作用［3］。在我国，已提出了由目标总量向容量总量控制的过渡，以及实施最严格的水资源管理制度的管理目标，但欠缺可综合考虑水质、水量和生物的需求以及社会经济互动关系的技术支撑。近年来虽进行了较多的水资源承载力、水环境承载力、生态承载力等研究，但以保护和恢复流域河湖生态系统生态完整性为目标，整合水污染、水量、河道乃至生物多样性管理的技术方法仍属空白。

本文基于理论分析及相关概念的辨析，提出了流域水生态承载力的广义和狭义的概念，揭示其“分区、分期、分级”属性以及“量、质、序”的递进综合约束作用等基本内涵。在二元水循环为驱动的“水资源-水环境-水生态-社会经济”互动机制基础上，建立流域社会-经济-河湖复合生态系统概念模型和流域水生态承载力分区耦合概念模型，提出了以“人水和谐”思想为核心的水生态承载力承载度的综合评价基本思想，和系统动力学模拟评价模型的实现思想。以太子河流域为例，进行了实例应用。

2 流域水生态承载力的理论基础及概念内涵

2.1 人类主导下的社会-经济-河湖复合生态系统及特征

2.1.1 自然河湖生态系统的基本特征 河湖生态系统具有显著的尺度性和斑块性特征。30多年来，对河湖生态系统结构和功能的认识取得长足进展，在强调河湖生态过程连续性的基础上，突出了河湖生态系统结构上的多级斑块动态镶嵌体特征［4-5］。河湖生态系统是由沿河湖纵向依次排列的、具特定生态功能的水文地貌斑块组成的动态镶嵌体，这些水文地貌斑块的排列组合方式决定着河湖的总体特征［6］。水文地貌斑块则由较小尺度的非生物斑块和更小尺度的生物类群斑块所组成，直至最小的栖息地斑块。

水沙、水热过程的动态节律是自然河湖生态系统的根本特征，河流生物在长期的进化过程中，逐步形成了适应自然节律的生存策略和生活史特征，河湖的自然节律的维持是维护河湖生态系统生态完整性的关键［7-8］。对于许多生物种群的生存而言，必须维护河湖纵向和横向连续性，以及一定程度的自然节律。

2.1.2 社会-经济-河湖复合生态系统的基本特征 1984年，马世骏等［9］提出了社会-经济-自然复合生态系统的概念，来描述社会经济与生态环境的耦合及协同进化关系，开启了社会经济-生态环境复杂巨系统的协调发展的研究。王如松［10］进一步从资源代谢、结构功能、以及人类社会行为及反馈机制方面，分析了现代资源环境生态问题的根源。鉴于河湖生态系统在复合生态系统内处于空间上的低位，为社会经济子系统提供资源和生态服务的支撑，并承纳社会经济系统的代谢废物；随着人类认识自然、改造自然能力的提高，社会经济与自然河湖生态系统间的耦合作用不断加强，尤其是在“天然-人工”二元水循环［11］的驱动下，社会-经济-河湖复合生态系统的整体性特征不断加强。

但是，人类需求与自然生物需求存在显著差异。在满足人类防洪兴利需求的前提下，尤其在快速城市化和工业化背景下，河湖流量过程愈发均化；加之社会经济的布局日益突破流域自然资源分布格局的制约，通过水利工程进行水资源的再分配愈发普遍，进而导致流域污染物分布格局与自然格局错位。在人类的需求主导下，河湖复合生态系统空间分异愈发明显、时间分异抑制愈发加重，河湖生态严重退化。

2.1.3 河湖生态系统健康状态 自然河湖生态系统属于远离平衡态的复杂的适应性系统，在系统内部过程驱动下存在多稳态，当大尺度外部干扰超过某一稳态阈值时，可引发稳态突变［12］。在湖泊生态系统及河流生态系统均存在多稳态突变现象［13-14］。在人类干扰加重下，自然河湖生态系统会出现生态功能突变等生态系统紊乱综合症［15］，当超越一定的阈值时，会对河湖生态系统的生态服务功能的可持续利用造成突变式的不利影响。

河湖生态系统的状态可以用河湖生态系统健康状态予以表征。Rapport等［16］的生态系统健康评价思想，以及基于水生态分区的参照状态法［17-19］、生物完整性指数（IBI）［20］、生物状态梯度［21］等的提出，对客观地判断河湖健康状态及河湖健康分级提供了可靠的方法。

2.2 流域水生态承载力概念及内涵

2.2.1 相关概念的辨析 “承载力”可以较好地表达复合生态系统所能承受的阈值［22］，即自然生态系统对生物种群或社会经济规模的承载能力。受Brown发表“谁来养活中国”文章［23］的刺激，1995年以来，国内进行了许多水资源承载力［24］、水环境承载力［25］、生态承载力［26-27］研究。通过文献调研分析，三者均定义众多且不统一、注重功能或资源的可持续利用、强调支撑的对象是一定科技水平的人口和社会经济规模，逐渐关注承载力的空间分异性和动态性、模糊性等内涵。三者可表示为满足一定的约束条件下所能支撑的一定科技水平和一定生活水平的人类社会经济规模，差异表现在约束条件的不同，其中，水资源承载力的约束条件为满足一定的生态环境需水量，而水环境承载力为满足一定的水体功能，生态承载力则是满足生态系统的一定程度的生态完整性。

按照保护和恢复河湖生态系统生态完整性的管理要求，现有的相关概念均存在承载对象不清晰，约束条件不充分，或者与水资源、水环境质量存在着非线性反馈关系等缺陷。随着我国水环境管理由目标总量向容量总量控制的过渡，以及最严格的水资源管理制度的实施，亟需可综合考虑水质、水量以及生物的需求以及社会经济互动关系的技术支撑，有必要提出流域水生态承载力概念。

2.2.2 流域水生态承载力的内涵及概念 流域水生态承载力的基本内涵包括三点：（1）其评价对象是人类主导下的社会经济-河湖复合生态系统，由河湖自然水体与供排水人工体系构成的资源配置网络起着关键支撑作用，最终承载体为河湖生态系统。受复合生态系统时空分异性制约，水生态承载力具有“分区、分期、分级”特征；（2）水生态承载力具有复合承载力的涵义，涵盖了水资源承载力、水环境承载力等，但并非二者的简单加和，而是在更细致刻画时空异质性的同时，强化了递进的“量、质、序”约束条件。其中，水资源承载力主要反映水量的支撑作用，能部分反映空间异质性和大尺度的时间分异性，表现为“量”的限制；水环境承载力则主要反映水质的限定作用，但强调的是最差时段的限制作用，可以反映空间异质性和较强的时间分异性，表现为“量、质”的限制；而水生态承载力通过引入水生生物对水文节律的需求约束，突出了时序性特征，反映了细尺度的空间分异性和全时段的时间分异性，体现了“量、质、序”的更加严格的约束作用，使得其具有区域性和有限性的特征；（3）水生态承载力是变化的，社会经济子系统与水生态子系统的耦合传动与水生态系统“自我维持、自我调节”共同作用；另外社会经济子系统的主观能动性同时具有调节作用，使得其具有动态性和可调控性特征。水生态承载力概念内涵见图1。

图1 水生态承载力内涵与相关概念的比较

基于以上分析，提出广义的水生态承载力概念为：人类主导下的社会经济-河湖复合生态系统内由水资源的二元循环所驱动的各子系统的相互耦合而表现出的一种系统属性，在维持河湖生态子系统自身结构、功能一定程度的稳定及其所支持的社会经济子系统可持续运行的前提下，社会经济-河湖复合生态系统所能支撑的一定技术水平下、一定生活水平的人类社会经济规模的阈值。狭义的水生态承载力概念为：在保证一定的水生态系统栖息地质量和水生态功能区水质目标的前提下，由流域水资源二元循环所驱动的社会经济-河湖复合生态系统内水生态子系统所能承载的一定生活水平的人口的最大数量和一定技术水平下的最大的经济规模。

3 流域水生态承载力评价的分区、分期耦合概念模型

3.1 流域社会-经济-河湖复合生态系统概念模型特征 基于复合生态系统的思想，及以“二元水循环”为驱动的“水资源-水环境-水生态-社会经济”互动关系的分析，提出了三层互动的流域社会-经济-河湖复合生态系统概念见图2。

基础支撑系统由自然河湖生态系统与人工配排水网络系统相互配合组成。作为水资源、水环境、水生生物群落栖息环境综合体的自然河湖生态系统，通过二元水循环的驱动机制，向社会经济系统提供水资源，还承纳着社会经济系统排放的废水、废物，而水环境容量、水生生物栖息地需求以及可供水资源量则决定着自然水生态系统稳定与否的阈值。产业经济系统则构成了复合生态系统内主要的经济再生产、流通以及部分的自然资源再生的任务，其关键的结构性特征是产业结构，反映着不同的生产及社会服务效率及资源环境效率。随着社会环保意识的提高，在产业经济系统内资源再生设施也成为关键的结构特征，提供着生态修复、环境污染治理等关键的功能。最上层的社会系统的关键结构特征是人口结构、城乡结构以及环境意识等。产业经济系统主要为社会系统提供经济、产品及服务的支持，并接受社会系统的主动调控。

从水生态承载力角度，复合生态系统内社会经济及生态环境间的冲突界面主要存在于人类主导下的河湖生态系统与产业经济系统之间。复合生态系统内耦合的主机制是以二元水循环为驱动的“水资源-水环境-水生态-社会经济”的耦合作用机制。

3.2 流域水生态承载力分区、分期、强化耦合的概念模型 通过对水生态系统的时空分异性特征及社会经济-水生态系统间耦合机制的强化，水生态承载力突出了“分区、分期”的特征，从而有可能在较细的时空尺度上发现复合生态系统内资源代谢滞留、耗竭点，识别系统的结构功能上的破碎、板结点，并辨别社会行为上的短见和调控机制的缺损点。

考虑河湖生态系统内水文地貌斑块动态镶嵌体的结构特征，和人类主导下河流生态系统破碎化、片段化的特征，结合陆地生态系统的地形、地貌及自然植被和产业结构空间分布特征，可以进行流域水生态分区，并同时与流域内水生态功能区建立空间耦合关系。流域水生态承载力分区分期耦合概念模型见图3。

该分区耦合概念模型具有以下四个特征：（1）社会经济系统-河湖生态系统耦合。通过产业结构的中介作用，与水资源配置格局形成耦合，与河湖生态系统通过排水排污关系形成耦合。（2）水陆耦合（横向耦合）。通过水生态功能区的划分，引入水域与陆域社会经济系统的空间对应关系，沟通控制单元以及用水排水体系与自然水生态系统的对应关系。（3）纵向耦合。通过水力联系，沟通不同水生态功能区及其对应的陆域社会经济系统的联系。（4）时间耦合。通过缩小时间尺度，引入水生生物栖息地需求限制条件，综合水量、水质及生物栖息地质量时变过程于系统内部，尤其是对时间分异性要求突出的水生生物栖息地质量动态变化过程，实现时间耦合。

4 流域水生态承载力评价的系统动力学模型实现

4.1 水生态承载力承载度综合评价的基本思想 基于以上理论分析，水生态承载力实质上反映了自然河湖生态系统与社会经济系统之间矛盾的平衡点，亦即“人水和谐”的体现。相应地，通过对社会经济-河湖复合生态系统的分析，可以建立代表社会经济系统及河湖生态系统的指标集，建构必要的评价指标体系和生态承载度指标，从而实现综合评判。考虑到相应的指标的权重因子具有人为性，可以通过专家评判或社会公众调查加以建立。

4.2 系统动力学实现 系统动力学是承载力研究中一项常用的建模方法，通过系统思考来界定系统的组织边界、运作过程，以因果反馈关系描述系统的动态复杂性，并建立量化模型，利用计算机仿真方法模拟在不同情形下系统的行为模式，帮助人们了解系统动态行为的结构性原因，从而分析出解决复杂问题的解决方案。

4.3 案例分析 根据对太子河流域社会经济-河湖复合生态系统的分析，将系统分为人口子系统、经济子系统、水资源子系统、水环境子系统和水生态子系统五部分，其中水资源子系统、水环境子系统和水生态子系统共同组成河湖生态系统，以水资源的供需比和水生态环境质量为核心，分析各因素之间的关系（见图4）。

根据课题提供的太子河流域水生态分区成果，太子河流域共划分为观音阁水库上游区、观音阁区、观音阁水库下游区、本溪城区、葠窝水库区、汤河区、辽阳城区、北沙河区、柳濠河区、鞍山城区和海城市区共11个水生态分区。其中，观音阁水库为太子河流域内控制性水库，观音阁水库及以上区域用水量很少，且生态环境质量良好；海城市区不在本研究范围内，故考虑了观音阁水库下游区至鞍山城区共8个水生态分区。分别构建各分区的系统动力学模型，并通过太子河干流的水力联系将8个水生态分区耦合在太子河流域系统动力学模型内。系统动力学模型是在Vensim软件的技术支持下完成的。各分区系统的联系见图5。

5 结论与讨论

5.1 结论 基于理论分析和相关概念的辨析，本文提出了流域水生态承载力的概念，其中狭义概念为：在保证一定的水生态系统栖息地质量和水生态功能区水质目标的前提下，由流域水资源二元循环所驱动的社会经济-河湖复合生态系统内水生态子系统所能承载的一定生活水平的人口的最大数量和一定技术水平下的最大的经济规模。该概念具有明确的生态学含义，具有“分区、分期、分级”等时空分异的基本属性，和“量、质、序”递进综合约束作用等基本内涵，具有区域性、有限性、动态性和可调控性等基本特征。

所提出的流域社会-经济-河湖复合生态系统概念模型和流域水生态承载力分区耦合概念模型，以及以“人水和谐”思想为核心的水生态承载力承载度的综合评价基本思想，为实现流域水生态承载力评价与模拟提供了理论指导。通过太子河流域的案例研究，证明“分区、分期、强化耦合”的系统动力学模拟评价模型是可以实现的，所建构的系统动力学模型可以有效地对流域水生态承载力进行快速评估，并具有对流域水生态承载度过载的区域和产业进行较为精确定位的潜力，是制定流域尺度上污染物分区、分级和分期治理方案的有力工具。

5.2 讨论 本文提出的流域水生态承载力立足于系统思想，重点把握了水文地貌过程及流域内取、用、耗、排水及污染物过程等关键生态过程，突出栖息地这一关键的可量化生态变量，强化了水资源-水环境-水生态耦合关系的分析，具有较强的水生态涵义，但尚未实现对河湖健康的直接评价，其原因在于难以直接建立河湖生态系统健康与河湖理化特征的定量关系。在美国Tmdl中，也仍然存在着对水沙情势变异等栖息地胁迫因素考虑不够、不能准确识别受损水体及胁迫因素等问题［3，28］，Karr和Yodar［29］、Yagow等［30］建议将生物完整性评价指标纳入TMDL的考核指标，讨论了如何将生物指标纳入TMDL的技术细节，其关键在于开发出诊断性、可比性、预测性更强的河湖健康评价方法，其中，多重胁迫对河流生态系统健康影响的风险传递关系［31-32］，以及多生物性状（MBI）模型的发展［33］都是可以期待的发展方向，并以相应的系统动力学方程形式纳入本文所提框架，强化其水生态涵义，完善评价方法。

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