1 引言(Introduction)

随着我国快速的城镇化、经济增长与环境变化, 水资源短缺和水环境污染问题日益突出, 成为制约我国经济社会可持续发展的重要约束因子.根据2014年中国环境状况公报, 我国主要流域国控断面中劣于Ⅲ类水的比例达到28.8%, 化学需氧量、五日生化需氧量和总磷污染严重, 特别是在北方的黄河、淮河、海河、辽河等水资源相对短缺的地区, 一半以上的断面水质都劣于Ⅲ类水质标准(50.7%~81.0%).随着人口数量的迅速增长, 我国人均水资源占有量由1949年的5116 m³下降到2014年的2026 m³, 下降了60.4%(中华人民共和国国家统计局, 2016；中华人民共和国水利部, 2015).在此背景下, 以水为主题的承载力研究成为解决区域人水矛盾的重要理论与方法.目前, 水相关的承载力已经发展出水资源承载力、水环境承载力和水生态承载力等3个主要概念.其中, 水资源承载力的研究起步较早, 早在1990年, 中科院新疆地理研究所的杨川德开始了对新疆艾比湖流域的水资源承载力的概念界定和量化研究(杨川德, 1990)；随着我国水污染问题日益突出, 水质问题受到越来越多的关注, 水污染约束被纳入承载力研究体系, 从而发展出水环境承载力的概念, 郭怀成等(1994)在本溪市的水环境规划中率先提出了水环境承载力的概念与量化方法；随着我国水环境治理与研究工作的不断深入, 特别是在国家水体污染控制与治理科技重大专项的推动下, 水生态系统健康开始成为水环境的重要管理目标之一, 人们提出了强调生态系统健康约束(水质与水量双约束)的水生态承载力概念和研究方法(彭文启, 2013).虽然水资源承载力、水环境承载力和水生态承载力在概念界定上存在一定的交叉, 但从演变过程看, 水资源承载力是以水量约束为核心的, 水环境承载力是以水环境容量(水质)约束为核心的, 而水生态承载力则强调了水量与水质的双约束.总体来看, 水生态承载力继承了水资源承载力和水环境承载力的基本理论和研究框架, 在内涵上强调了水资源的量和质2个属性, 更加符合我国当前流域水环境管理的现实需求.水生态承载力是一个相对开放的概念, 目前尚无统一的界定.在已有的水生态承载力研究中, 对承载客体的界定分为经济社会规模(王西琴等, 2015)和综合指数(王奎峰等, 2014)两大类, 前者往往以人口数量和地区生产总值为承载力表征指标, 后者以经济、社会与环境综合指数为指标.在承载主体上, 一般考虑水体的纳污能力和生态需水2个方面, 具体指标包括环境容量承载率、生态环境需水率、水资源供需比等(李靖等, 2011).在测度方法上, 水生态承载力沿用了水资源承载力和水环境承载力的量化方法, 分为指标综合评价法(Yang et al., 2015)、目标优化法(王西琴等, 2015)、系统动力学方法(翁异静等, 2015)、生态足迹法(刘子刚等, 2011; 焦雯珺等, 2015)及其综合模型(Zhang et al., 2014).在当前环境承载力的测度方法中, 目标优化模型是重要的研究方法, 在水资源承载力、水环境承载力和水生态承载力量化中已有研究案例(徐中民等, 2000; 曾维华等, 2008; 王西琴等, 2015).与其他侧重评估的方法不同, 目标优化模型更加注重对未来人类活动的规划与指导, 得出的研究结果对管理实践的指导更加具体和明确.然而, 当前水生态承载力优化模型并未充分考虑水量与水质的耦合问题, 在模型中将水环境容量设为固定值(翁异静等, 2015)或与生态用水设定简单比例关系(王西琴等, 2014), 忽略了水资源利用与水体纳污能力之间的复杂响应关系, 使得水生态承载力成为水资源承载力和水环境承载力的简单加和.因此, 为体现水生态承载力系统中经济社会与水量、水质的真实响应关系, 有必要在水生态承载力优化模型中建立水量与水质的耦合关系, 为科学的管理决策提供技术支撑.

本研究以水质达标和生态需水满足为基本出发点, 借鉴传统水生态承载力的基本内涵, 界定了水量-水质耦合作用下水生态承载力概念；基于水质和水量双约束问题, 从流量变化对水体纳污能力影响的角度将水量-水质耦合过程纳入到水生态承载力的测度模型中, 构建以承载客体规模最大化为目标的水生态承载力优化模型.最后, 以滇池流域的最大支流盘龙江为例, 研究盘龙江流域的水量和水质及其耦合过程对流域人类活动的最大支撑能力.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 研究区概况

盘龙江全长95.3 km, 流域面积707 km²(不包括下游分出的金汁河与玉带河流域), 占滇池流域的27.0%(图 1), 是滇池流域最大的入湖河流.盘龙江发源于昆明市嵩明县境内的梁王山北麓, 主源为牧羊河(又称小河), 牧羊河与冷水河在小河乡岔河嘴汇合后始称盘龙江.盘龙江汇水区域包括富民县、官渡区、盘龙区、嵩明县、五华区、西山区、寻甸县等7个区县30个乡镇, 盘龙江93.0%的流域面积集中在嵩明县和盘龙区.2014年盘龙江流域常住人口68.71万人, 城镇化率87.9%；地区生产总值达到398.57亿元, 三次产业比重为2:36:62；人均GDP达到5.80万元·人^-1, 高于昆明市平均水平(5.62万元·人^-1).盘龙江在上游松华坝水库建设和流域污染物排放等人类活动影响下, 河流水文情势和水质发生了显著变化.2012年9月至2013年8月, 盘龙江入湖口严家桥断面的COD、氨氮和TP的平均浓度分别达到21.25、2.18和0.24 mg·L^-1, 为地表水质类别的IV类、劣V类和V类水质.在2013年9月25日牛栏江调水工程正式通水前, 盘龙江水质长期处于劣V类.受上游松华坝拦截等人类活动作用, 1999-2010年盘龙江(敷润桥站)实测流量仅1.37×10⁸ m³.盘龙江流域人类活动强度已超过流域水资源供给和纳污能力, 严重威胁了流域和下游的生态系统健康.

2.2 水生态承载力概念

最早对水生态承载力(Water Ecological Carrying Capacity, WELCC)的界定见于李靖等(2009)在叶尔羌河流域水生态承载力研究的论文中, 作者认为水生态承载力是指“在一定历史阶段, 某一流域的水生态系统在满足自身健康发展前提下, 在一定的环境背景条件下, 所能支撑人类社会经济发展规模的阈值”.王西琴等(2011)从理论研究和实践应用2个角度进一步给出了水生态承载力的广义和狭义2个概念, 其中, 广义概念强调水生态系统健康, 狭义概念强调水环境容量和生态需水的约束问题, 目前水生态承载力的界定多沿用这2个概念.由于水生态系统健康指标难以选取, 且在数值模拟上存在较大困难, 在具体的案例研究中多注重水质和水量2个方面的约束问题.考虑概念在实践应用中的可行性, 本研究采用水生态承载力的狭义界定, 并考虑水量-水质的耦合过程, 认为区域水生态承载力是指在满足一定的生态需水和功能区水质目标前提下, 区域可利用水资源量及剩余水量(水资源量减去经济社会用水量)对应的纳污能力所能承载的最大人口数量和经济规模.根据本研究的界定, 水生态承载力优化的目标是人口数量和经济规模, 约束条件是人类活动的用水量不超过可利用水资源量, 同时排污量小于剩余水量对应水文条件下的纳污能力.

2.3 基于水量-水质耦合过程的水生态承载力多目标优化模型 2.3.1 目标函数

根据水生态承载力概念, 选择流域内的人口规模和地区生产总值最大化为优化目标.在本研究中, 人口规模由城镇人口与农村人口构成, 地区生产总值由三次产业构成.由于目标函数之间的量纲不同, 采用分别除以基准年数值的方法去量纲.盘龙江流域水生态承载力的优化目标函数如下：

(1)

式中, WECC为水生态承载力指数, 以人口和经济规模最大化的加权值为表征；POP为人口数量(万人)；GDP为产业产值(亿元)；下标i、j分别为人口类型和产业类型, i=1、2分别表示城镇人口和农村人口, j=1、2、3分别表示第一、第二和第三产业；TPOP和TGDP分别为基准年的人口数量(万人)和地区生产总值(亿元).

2.3.2 约束条件

水生态承载力的主要约束条件为水质约束、水量约束、发展约束和技术约束.在水质约束中, 流量是计算污染物浓度的主要参数, 通过改变水文条件影响污染物浓度；在水量约束中, 流量是生态需水的表征变量, 满足一定的数值范围；水质和水量的耦合通过使用共同的流量参数实现, 计算时间尺度为年, 具体如下.

1)水质约束

本研究以控制断面水质浓度不超过功能区目标作为水质约束条件(式(2)~(5)).控制断面选取流域下游敷润桥站(图 1).河流的水质浓度计算可采用零维模型、一维模型、二维模型和三维模型.根据《水域纳污能力计算规程SL348-2006》, 当河流流量小于150 m³·s^-1时, 适用河流一维水质模型.近10年盘龙江的实测平均流量约为4.3 m³·s^-1, 流量条件适用于一维水质模型, 污染源入河位置和计算公式按段首达标考核法设置, 具体参见文献(庞勇等, 2010).

(2)

(3)

(4)

(5)

式中, AC和SC分别为断面实际浓度和目标浓度(mg·L^-1)；Q为来水的流量(m³·s^-1)；K、x、u分别为污染物综合降解系数(d^-1)、河段长度(m)和河段流速(m·s^-1)；PW和NW分别为点源和非点源污染物入河量(t·a^-1)；α、β分别为点源和非点源平均入河系数(无量纲)；EP、EG、UE、LE分别为人均排污系数(kg·人^-1·a^-1)、工业排污系数(kg·万元^-1·a^-1)、单位建成区面积排污系数(kg·km^-2·a^-1)和畜禽排污系数(kg·头^-1·a^-1；折合为标准猪)；WCR为城镇污水收集率(无量纲)；UR为污染物削减量(t·a^-1)；ULA为建成区面积(km²)；LIV为畜禽养殖数量(万头·a^-1)；FER为化肥施用量(t·a^-1), LE为化肥中污染物含量(无量纲)；r为河段；k为污染物类型(COD、NH₃-N、TN和TP)；m为畜禽类型；n为化肥施用类型.

2)水量约束

基于河流生态需水量, 设置流域的水量约束条件(式(6)~(11)).根据Tennant河流生态需水标准(Tennant, 1976), 河流流量占年平均流量60%~100%为最佳范围, 据此, 本研究设定河流流量不小于多年平均流量的60%, 即经济社会取水量不能超过河流多年平均流量的40%.

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中, Q_ave为河段多年平均流量(m³·s^-1)；Φ为盘龙江流量与流速的拟合方程系数集；INW、AGW和LIW分别为工业用水量、灌溉用水量和生活用水量(亿m³·a^-1)；IPP为工业增加值占第二产业比重；WRG为单位工业增加值用水量(m³·万元^-1)；CLA为耕地面积(km²), WRC为亩均灌溉用水量(15 m³·hm^-2); WRP为人均生活用水量(m³·人^-1·a^-1).

3)发展水平约束

从社会经济持续发展的角度, 设置人均GDP不低于基准年水平(式(12)); 根据地区城镇化发展提高的要求, 设置城镇化率不低于基准年水平(式(13)), 为保证居民生活用地, 设置人均居住面积达标(式(14)).

(12)

(13)

(14)

式中, URT为基准年的城镇化率；LUP为人均建设用地标准(m²·人^-1).

4)技术约束

本研究的决策变量是人口数量和经济规模, 这些变量在现实中不可能为负.故设置所有决策变量非负以避免非现实的优化结果.

2.3.3 参数估计

本研究选取的基准年为2014年, 根据2.3.2节模型结构, 需要设置基准年的经济社会数据、水环境参数和水资源参数.

1)经济社会参数

经济社会数据主要包括城镇人口、农村人口、第一产业增加值、第二产业增加值、第三产业增加值和工业增加值占第二产业增加值比重、耕地面积.由于公开统计年鉴是按照行政区统计数据的, 需要将行政区的数据进行地理转换获得流域内的数据, 本研究根据盘龙江流域所涉及的7个区县2014年数据按面积权重法计算盘龙江流域内的经济社会数据.经计算, 2014年盘龙江流域的人口数量为68.71万人, 其中城镇人口60.40万人, 第一、二、三产业增加值分别为7.96、144.11和246.50亿元, 工业增加值占第二产业比重为70.1%(取昆明市相应值).盘龙江流域耕地面积是根据2013年的土地解译结果, 共有耕地面积(包括大棚)215.51 km².

2)水质参数

水质参数主要包括功能区水质标准、污染物降解系数、河段长度、流量与流速关系等参数.根据《云南省地表水水环境功能区划(2010-2020年)》, 盘龙江源头-松华坝水库入口的水环境功能区为饮用一级(分别为牧羊河和冷水河), 执行《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》Ⅱ类标准, 该河段的主要污染源是农业与农村非点源, 由于该段水域的特殊环境功能, 不进行水环境容量计算, 故不作为污染排放单元.松华坝水库出口至入外海口为非接触娱乐用水、景观用水区、一般鱼类保护功能区, 执行Ⅲ类水质标准, 该段河流水文受大坝调蓄影响, 水质受两岸生产生活排污和污水处理厂尾水影响.盘龙江的COD、NH₃-N和TP污染物的综合降解系数分别为0.069、0.076和0.016 d^-1(杨亮秀等, 2011; 刘明歌, 2010; 杨桐等, 2011).

3)用水量参数

用水量参数是用于计算经济社会发展的需水量, 主要参数有：盘龙江多年平均流量、单位工业增加值用水量、亩均灌溉用水量和人均生活用水量等.单位工业增加值用水取昆明市平均值(昆明市统计局, 2016), 为8.79 m³·万元^-1；亩均灌溉用水量采用《普渡河流域水文分析报告》中的综合定额8640 m³·hm^-2；参照云南省地方标准用水定额(DB53T 168-2013), 城镇居民生活用水量和农村居民生活用水量分别取58.40和15.51 m³·人^-1·a^-1.多年平均流量根据HSPF模型估计结果, 取5.51 m³·s^-1(高伟, 2015).

4)发展水平参数

发展水平参数主要有基准年的城镇化率、人均建设用地标准、基准年城镇人均收入、基准年农村人均收入、城镇收入与农村收入回归方程的系数.盘龙江流域的城镇化率为87.91%；参考城市用地分类与规划建设用地标准(GB50137-2011), 盘龙江流域人均建设用地设定为130 m²·人^-1.

3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 盘龙江水量水质变化特征

盘龙江流量的年内和年际变化较大, 具有显著的时间变异性特点.根据1999-2010年的逐日流量资料(图 2), 盘龙江日最高流量为77.30 m³·s^-1, 最小流量为0.11 m³·s^-1, 最高与最低流量比为702.7；年最高径流量出现在1999年, 达到2.73×10⁸ m³, 而2003年仅有0.72×10⁸ m³, 年径流量的最高与最低值比例达到3.8, 总体表现为剧烈的波动, 没有呈现显著的趋势变化特征.盘龙江流域的降雨量也呈现显著的年内和年际变化特征, 同期年降雨量的极值比(最高与最低)为1.8.盘龙江干流上的松花坝水库运行可能对流量的年际和年内分配造成影响, 此外, 近年来城市化扩张造成的流域土地利用变化也会对流量造成影响, 进一步增加了盘龙江水量变化的复杂性.

根据1988-2012的水质监测数据, 盘龙江水质呈现趋势性变化特征(图 3).以2007年为界, 1988-2007年, 盘龙江污染程度表现为波动性上升趋势.COD_Mn、NH₃-N和TP浓度的变化特征有所不同, 其中, 高锰酸盐指数的最高值出现在1993年, 随后表现为年际波动；氨氮指标呈现先上升后下降的趋势；总磷指标变化特征呈现先上升(1988-1992年), 后稳定(1993-2008年), 再下降的趋势(2009-2012年).

3.2 盘龙江水量-水质耦合过程

3.1节的分析结果表明, 盘龙江具有显著的水量和水质变化特征.在河流水环境系统中, 水量是水质变化中的重要影响因素, 水文条件发生变化, 河流的污染物浓度也会发生相应改变.因此, 有必要将河流的水量变化对水质的影响耦合到水质约束条件中.本研究基于常用的河流一维水质数值模拟模型, 建立起流量与河流的水质动态响应关系, 并将此作为水生态承载力优化的约束条件, 构建基于水量-水质耦合过程的水生态承载力优化模型.

以盘龙江的敷润桥站为例, 在污染物入河量等于水环境容量的情况下, 水质浓度与流量呈现非线性负相关关系(图 4).随着流量的增长, 3种污染物浓度迅速下降, 不同污染物对流量的响应特征略有差异.当流量分别高于2、11和4 m³·s^-1时, COD、氨氮和总磷浓度相继趋于平稳, 接近环境本底值, 主要原因是当流量超过某一流量时, 河道中人类排放的污染物比重下降, 污染物含量主要来自环境本底值.造成3种污染物浓度趋稳所对应的流量值差异的主要原因是不同污染物的综合降解系数和水质控制目标不同.

3.3 现状水生态承载力评估

基于构建的流域水生态承载力优化模型, 计算出盘龙江流域可承载的最大人口规模和经济规模, 并与现状的实际人口经济规模比较, 判断承载状态.结果表明, 盘龙江流域可承载的总人口为20.56万人, 其中，城镇人口为18.07万人, 农村人口为2.49万人；可承载的GDP为119.24亿元(2014年可比价).然而, 2014年盘龙江流域实际的人口数量为68.71万人, GDP为398.57亿元(图 5).与可承载规模相比, 人口数量超载48.16万人, GDP超载279.33亿元, 超载率为234%.盘龙江流域的人口数量和GDP强度已经远超过水生态承载力, 处于不可持续发展状态.

3.4 水量-水质耦合过程对水生态承载力优化影响

当河流的水量发生变化时, 河流流量和流速均发生改变, 进而影响河流的水质.在盘龙江流域, 当考虑水量水质耦合过程时, 河流中预留的环境流量占总流量的比例与水生态承载能力表现出显著的补偿关系(图 6a).当环境流量比例为0时, 河流中所有流量被人类取水活动用尽, 丧失净化和稀释污染物能力, 因此，无法承载人类活动, 承载力为0；当环境流量比例为100%时, 没有任何水量可供人类活动使用, 承载力也为0；当环境流量比例达到55%时, 盘龙江流域可承载的人口数量和经济规模达到最大, 分别为23.13万人和134.15亿元.相对于环境流量比例的目标值60%, 只需提高0.28 m³·s^-1流量即可提升2.57万人和14.91亿元的承载能力, 在此意义上, 增加一定质量的水量有利于提高流域的水生态承载力.

当不考虑水量-水质耦合作用时, 水生态承载力与环境流量比例的关系表现出完全不同的响应关系(图 6b).在环境流量比例低于88%时, 环境流量比例变化对河流的水质没有影响, 因为在此设定中, 水体的纳污能力是固定值, 即使河道中没有水量, 环境系统中仍然有纳污能力, 这并不符合水量是计算水质基础的现实情况.当环境流量比例高于某一数值(盘龙江流域为88%)时, 由于经济社会用水短缺, 环境流量比例开始限制经济社会规模.

3.5 外流域调水情景下的承载力优化

3.4节结果表明, 当河道流量增加时, 流域的水生态承载力可能同时提高.在盘龙江流域, 目前实施了牛栏江-滇池补水工程, 将牛栏江Ⅲ类水经过115.6 km的输水管道输送到盘龙江, 多年平均可输送流量为18.14 m³·s^-1.为评估牛栏江调水工程对盘龙江水生态承载力的影响, 本研究将调水流量和水质带入优化模型, 计算调水情景下的流域水生态承载力.计算结果表明, 调水后盘龙江流域的水生态承载力将出现一定程度的提升, 人口数量和GDP产出分别提高3.43万人和19.91亿元, 承载力提升了17%(图 7).然而, 相对于现状庞大的人口与经济规模, 盘龙江流域仍然超载186%.牛栏江调水工程对盘龙江流域的水生态承载力提升能力非常有限, 主要原因是调水水质类别与盘龙江保护目标一致, 均为地表Ⅲ类水, 对水量改善作用显著, 但对纳污能力提升作用较小, 从而导致总体承载力上升不大.

4 结论(Conclusions)

1)水量和水质是构成水生态承载力系统承载主体的两个基本因子, 水量变化影响水质对承载客体的响应强度.本研究提出了基于水量与水质耦合过程的流域水生态承载力优化模型, 克服了现有水生态承载力模型将水量变化与水质变化独立考虑的不足, 提高了测度流域水生态承载力的科学性.

2)盘龙江流域的水生态承载力现状评估结果表明, 流域的水生态承载能力为20.56万人和119.24亿元GDP (2014年不变价), 2014年的实际人口和经济规模超载了234%.

3)流域水生态承载力与环境流量比例具有显著的补偿关系, 呈现倒V型非线性变化过程, 盘龙江的水生态承载力在环境流量比例为55%时达到最高, 而无水量水质耦合过程时, 流域水生态承载力仅对88%以上的环境流量比例呈现响应关系.

4)当外流域调水的水质高于或等于受水区水质时, 受水区的水生态承载力会得到一定程度的提高.牛栏江调水将提高盘龙江流域水生态承载力17%, 但由于现状人口与经济规模过大, 调水后的盘龙江流域仍处于超载状态, 超载率为186%.