太子河流域不同生态分区的水生态承载力年内变化研究

李 靖，周孝德，程 文

（西安理工大学 水利水电学院，陕西 西安 710048）

太子河是辽河下游左侧一大支流，主要流经辽宁省本溪、辽阳、鞍山3个城市，其主要特点是经济发展速度快、水资源短缺、水污染严重和生态环境问题突出。由于不合理的经济社会活动和水土资源的过度开发，加剧流域生态状况的恶化，从而形成主要污染物负荷远超过流域生态承载力的不利局面，成为制约太子河流域经济社会可持续发展的重大瓶颈。

流域水生态承载力是在流域水环境承载力、流域水资源承载力基础上发展而来的流域综合管理概念。近年来由于生态破坏问题的出现，许多学者从系统的整合性出发，提出了生态承载力的概念，可以说是对资源与环境承载力概念的扩展与完善［1-2］。但其科学定义、研究的理论与方法，目前学术界尚未达成共识。国家重大水专项水生态承载力研究课题组为满足流域水环境管理的分类、分级、分区管理需求，定义了流域水生态承载力的概念：在保证流域水生态分区生态系统水质水量目标条件下，基于严格的流域水资源管理和水污染控制措施，流域水资源量和水环境容量所能承载的人口数量和经济规模。

以往的承载力研究大都针对于流域或区域整体研究其年际变化情况［3-9］，很少见到关于生态环境承载力的分区、分期研究成果。为实现太子河流域水生态系统的分区、分期保护，并达到太子河流域的水生态环境与社会经济协调发展的目标，本文利用系统动力学的理论将水-生态环境-流域的社会经济发展作为一个有机体来分析，通过对流域内各水生态区水生态承载力年内变化情况的研究，提出适应各水生态分区特点的水生态承载力提高措施，为太子河流域水生态承载力与社会经济协调发展战略的实施提供科学依据。

1 太子河流域水生态分区

流域水生态是一个完整的生态系统，但是在时间、空间分布上具有明显的时空异质性，与其密切相关的人类活动也存在明显的时间和地域差异，因此，不同的水生态系统在不同时期有不同的特点，也存在不同的生态环境问题，同时也面对不同的承载压力，这就要求必须针对不同的水生态系统问题，找出不同时期的承载压力，提出不同的对策与解决方案，进一步实现流域水污染防治的“分区、分级、分类、分期”管理。因此，流域水生态承载力的分区分期研究显得尤为重要。

中国水利水电科学研究院李国强博士等依据生态功能区划、水功能区划、水资源区划、行政区划等将太子河流域划分了11个污染控制单元（即水生态分区），见图1。由于A、B、C区为天然生态区，人类活动对水生态系统的影响较少，水生态系统承载能力较好，故选取C-J区为研究对象。其中C区为天然生态区，基本没有污染分布；D、G和J区为城市生态区，城镇化率高，经济增长速度快，工业用水定额高，水质一般较差，主要污染源为工业污水和生活污水；E为水库生态区，经济增长速度快，工业用水定额高，水质较差，主要污染源为工业污水；F为混合生态区，水质较差，兼有城市生态区、水库生态区和农业生态区的特点，主要污染源为农业面源；H和I为农业生态区，水质差，主要污染源为农业面源，辅有工业点源。

2 流域水生态承载力研究方法

2.1 水生态承载力系统动力学模型 由于流域水生态承载力研究面对的是一个由社会、经济、水资源和生态环境构成的纷繁复杂的巨系统，研究内容涉及到社会因素、经济因素、水资源和生态环境因素［10］，而系统动力学法在研究复杂系统的行为，处理高度非线性、高阶次、多变量、多重反馈问题方面具有优势［11］，因此系统动力学法是目前使用较多的一种研究承载力的方法。系统动力学在对问题进行定性分析时，强调系统、动态和反馈，并使三者有机结合起来，同时强调系统的结构决定系统的功能。这种方法的重要特点是通过一阶微分方程组来反映系统各个模块的变量之间的因果反馈关系。

系统动力学模型是在系统分析的基础上建立起来的，主要包括流图和结构方程式两个部分，流图是根据各影响因素之间的关系利用专用符号设计的，结构方程式是各因素间数量关系的体现，包括水准方程式，速率方程式，辅助变量方程式等［12］。经过对太子河流域水生态系统各子系统间关系的分析（如图2所示），根据各变量的性质，用状态变量、速率变量、辅助变量等来描绘出系统的内部关系，以Vensim软件为技术支持绘出太子河流域某一水生态分区的系统动力学流图，并考虑各分区间水流水质的交替影响关系（如图3所示），建立起基于水生态分区的太子河流域系统动力学模型。

在对模型的适用性和一致性进行检验后，选取总人口、GDP、有效灌溉面积等变量，将其模拟值与历史数据进行比较，从表1可以看出，各参数的模拟值与实际值拟合较好，表明模型结构合理，能反映太子河流域水生态承载力的特征，可以用来预测太子河流水生态承载力动态发展过程。

表1 模型主要运行结果检验

2.2 水生态承载力量化方法 本文采用系统动力学模型对规划情况下太子河流域各分区的水生态系统发展情况进行模拟预测，得到各水生态分区水生态承载力指标体系的模拟预测值后（指标体系见图4），采用模糊数学中隶属度的概念来描述水生态承载程度，同时考虑到各个指标对水生态承载力的影响力大小不同，引入总权重wi（i=1，2，n）表示各分指标对总体的影响程度。则j方案水生态承载度可以用公式（1）计算：

式中：sij为j方案i指标的分数值；wi为i指标在系统中层次总权重。

根据可承载隶属度值大小，可以对整个系统的“可承载”状况进行分类，见表2。

表2 可承载类型的分类

3 太子河流域各水生态分区指标年内变化情况

通过前面建立的系统动力学模型对各水生态分区2007年各月份的水生态承载力指标进行模拟，其中主要变化的指标模拟结果见图5-9。

通过图5-9可以看出：各水生态区的万元GDP需水量和废水排放量最大值基本出现在6—8月份，其中I、C、F区的万元GDP需水量相对比较大，最大值在0.179m3/元以上，E区的万元GDP需水量相对最小，最大值才0.0054m3/元；万元GDP废水排放量最大值均出现在6月份，其中I和H区的万元GDP废水排放量相对比较大，最大值在0.024m3/元以上，D、E和G区的万元GDP废水排放量相对比较小，最大值在0.0029m3/元以下；人均水资源量在7月份达到最高点，其中C、E、F和I区的人均水资源占有量相对比较大，最大值在1521m3/人以上，D、G、H和J区的人均水资源占有量相对比较小；植被覆盖率在4—10月份比较大，其中G、D、H区的植被覆盖率相对大一些，最大值在0.18以上，C、E和I区的植被覆盖率相对小一些，最小值在0.029以下；生态需水率在1、2、6月份出现最小值，其中E和H区的生态需水占总需水比率相对比较小（为0），C、F和I区的生态需水占总需水比率相对比较大，最小值在0.53以上；栖息地面积比较大的值出现在5、7、8、9月份，并在7月份达到最大值。其中C、I和J区的栖息地面积相对比较大，D、G和H区的栖息地面积相对比较小；COD和NH4-N容量承载率在6月份达到最低点，其中C区和E区的COD和NH4-N容量承载率都比较高，F区的最低，G、I和J区的COD容量承载率小于1，D、G区和J区NH4-N容量承载率小于1，H和I区4—10月份的NH4-N容量承载率小于1，即已经超过水环境容量所能承载的范围。

4 太子河流域水生态承载力年内变化情况

根据系统动力学模型模拟的各水生态分区水生态承载力指标值，采用量化模型计算2007年各水生态分区水生态承载度的年内变化情况，见表2和图6。

表3 各生态区水生态承载力年内情况

从表3和图10中可以看出，天然生态区（C区）和混合生态区（F区）的水生态承载度相对比较大，下游农业生态区（H、I区）和城市生态区（J区）的水生态承载度相对比较小。天然生态区（C区）、农业生态区（H和I区）的水生态承载度最小值出现在6月份，这是由于天然生态区和农业生态区在4—10月份的需水量比较大，面源污染也相对比较严重，而6月份的水资源量又最小，这些都是影响水生态系统承载力的不利因素，因此对天然生态区和农业生态区水生态系统的治理保护应该重点加大节水力度和农业面源污染控制上。城市生态区（D、G区）和水库生态区（E区）的水生态承载度最小值均出现在1、2月份，这是由于在用水水平变化不大的城市生态区和水库生态区，冬季处于冰封期的水生态系统的水资源量较小、水体自净能力较差，水生态指标也较小，因此对于城市生态区和水库生态区水生态系统的治理保护应该把重点放在点源污染物控制上。混合生态区（F区）和城市生态区（J区）的水生态承载度最小值分别出现在1、2、6月份，这两个区域包含了以上两种情况的特点，因此既应该加大节水力度和控制农业面源污染，也应该控制点源污染。

5 结语

本文针对太子河流域水生态系统具有的复杂特征，利用系统动力学的原理和方法，建立了基于水生态分区的太子河流域水生态承载力系统动力学模型。通过计算机仿真模拟，计算了2007年太子河流域各水生态区水生态承载度的年内变化情况，得出天然生态区（C区）和混合生态区（F区）的水生态承载度相对比较大，下游农业生态区（H、I区）和城市生态区（J区）的水生态承载度相对比较小，并且确定了各水生态区水生态承载力最小值出现的月份。最后，根据各水生态分区的特点提出相对应的水生态承载力提高措施。以上都将为太子河流域可持续发展战略的实施和污染物总量控制提供科学依据。

［1］Smaal A C，Prins T C，Bankers N，et al.Minimum requirements for modeling bivalve carrying capacity［J］.Aquatic Ecology，1998，31：423-428.

［2］Hudak A T.Rangeland mismanagement in South Africa：Failure to apply ecological knowledge［J］.Human Ecolo⁃gy，1999，27（1）：55-78.

［3］王俊英，杜金辉，吕培茹，等.山东省水水生态环境承载力探讨［J］.山东大学学报（工学版），2008，38（5）：94-98.

［4］陈艳霞.渭河流域关中地区水环境承载力研究［D］.杨凌：西北农林科技大学，2007.

［5］赵青松.汉江上游流域水环境承载力研究［D］.西安：西安理工大学，2006.

［6］刘启明，张晨岚，林锦美，等.厦门城市水环境承载力综合指标体系评价［J］.华侨大学学报（自然科学版），2008，29（1）：94-96.

［7］李吉玫，徐海量，宋郁东，等.伊犁河流域水资源承载力的综合评价［J］.干旱区资源与环境，2007，21（3）：39-43.

［8］姚治君，刘宝勤，高迎春.基于区域发展目标下的水资源承载能力的研究［J］.水科学进展，2005，16（1）：109-113.

［9］王浩，秦大庸，王建华，等.西北内陆干旱区内水资源承载能力研究［J］.自然资源学报，2004，19（2）：152-158.

［10］Giupponi C，Mysiak J，Fassio A，Cogan V.MULINO-DSS：a computer tool for sustainable use of water resourc⁃es at the catchment scale［J］.Math.Comput.Simul，2004，64：13-24.

［11］Motohashi Y，Nishi S.Prediction of end-stage renal disease patient population in Japan by system dynamics mod⁃el［J］.Int.J.Epidemiol.1991，20：1032-1036.

［12］王其藩.高级系统动力学［M］.北京：清华大学出版社，1995.