摘要：海岛是海洋经济发展的支点，资源环境的有限性是制约海岛持续开发利用的瓶颈因素。论文以水资源环境承载能力为切入点，分析旅游海岛资源环境禀赋对人类活动的支撑力度;运用系统动力学，根据海岛水资源环境特性和经济发展特征，构建了水资源环境承载能力评价体系;选择对海岛生态环境影响最大的海水入侵作为承载能力评价标准，以“边际风险递增”思路对海水入侵风险进行量化;并以广西涠洲岛为例进行了实证分析，对不同人类活动规模和强度下的海岛水资源环境承载能力进行了情景分析，最后针对海岛发展提出了相应的对策建议。
关键词：水资源环境承载能力;系统动力学;海水入侵;涠洲岛
1引言
资源环境承载能力研究是我国新时代“人地关系”发展的前沿理论之一[1]。海岛是海洋经济发展的支点，是开发利用海洋资源的战略桥头堡，是“人海耦合系统”的重要组成部分[2]。随着海岛开发活动规模和强度的增加，尤其是海岛旅游产业和海洋经济的兴起，资源环境对于海岛开发的瓶颈制约作用愈发凸显。《全国海岛保护工作“十三五”规划》提出，“实施海岛资源环境承载能力，探索建立基于资源环境承载力的海岛生态旅游开发模式”，为海岛资源环境承载能力的研究指明了方向。
资源环境承载能力研究是对区域“资源环境诸要素综合体”的评估，是衡量区域资源环境禀赋对人类活动规模和强度支撑的重要依据。随着我国进入高质量发展时期，长期高速经济增长下的资源环境问题逐渐暴露。通过在土地开发、水资源状态、水环境生态、空间开发利用等领域的研究[3-5]，资源环境承载能力成果对区域经济发展的支撑作用明显。生态足迹、环境容量评价、耗竭性资源的利用路径、系统动力学、能值分析、GIS分析、层次聚类分析等方法的应用，为资源环境承载能力评估提供了良好的解决方案和分析平台[6-8]。近年来，随着我国海洋开发规模的扩大，海洋、海岸带和沿海城市的资源环境承载力研究逐渐增多，涉及海洋资源环境承载能力阈值划分、海域开发、滨海海岸带承载能力预警等领域[9-11]。但涉及到海岛，尤其是中小型海岛的研究相对较少，对海岛资源环境在开发中面临的资源耗竭、环境污染问题缺乏全面和整体的分析[12-14]。
海岛特殊的地理区位和空间隔离特征使得海岛生态系统十分脆弱，部分生态系统一旦遭受破坏，将对海岛生态环境造成不可逆的危害，继而消耗海岛的经济发展潜力。其中，作为显著的就是海岛的地下水资源，海岛地下水系统是一个独立的循环系统，由于海岛面积狭小，补给来源有限，地下淡水体又被海水包围，因此易受海水入侵的威胁。海岛面积狭小的地理特征限制了海岛地表水系的发育，中小型海岛普遍缺乏有效的天然地表储水地貌，对地下水的开发对海岛发展过程中不可避免的问题[15]。基于此，文章提出海水入侵胁迫下的海岛水资源环境承载能力研究，将海水入侵威胁作为海岛水资源环境承载能力的风险等级评估和阈值划分依据，并以此指导海岛经济开发的规模和强度。
2研究方法
2.1模型体系构建
海岛水资源环境生态系统自成体系，其整个淡水生态系统被海水所包围，是四面环海的独立水文地质单元，其地下淡水是一个“漂浮”在海水之上的透镜体。在没有人类活动扰动的情况下，海岛的降水、渗透、排泄等形成一个完整的水循环体系，呈现一种稳态。在天然状态下，降雨形成对地下水的补充，维持着弱透水区域与潜水含水层之间的联系。
海岛开发活动的开展打破了海岛长期保持的水资源环境生态系统均衡，随着人类活动规模和强度的上升，一系列的水环境和水资源问题凸显出来，对海岛发展构成潜在的威胁，并制约海岛资源环境的进一步开发利用。海岛水资源环境系统的负面影响主要体现在四个方面：水资源短缺问题;水环境污染问题;海水入侵问题;近海水环境问题。四个方面相互影响，构成了海岛水资源环境生态系统的循环体系。
文章根据海岛水资源供给、需求、水环境环境质量、水动力学间的相互联系，依托系统动力学模型，构建了海岛水资源环境承载能力评价体系。水资源环境承载能力由多个模块构成，包括水资源供需、水环境、海水入侵等。
2.2风险评价与阈值划分
海水入侵是随着地下水超采活动加剧引发的，随着地下水位的下降，咸-淡分界面向海岛中央推进，并逐渐咸化地下水，造成地下水资源的不可逆退化，并进而影响海岛整体生态系统[16]。海水入侵是海岛水资源供需情况、水资源供给配置和水环境共同作用的结果，综合体现了海岛水资源环境对经济社会发展的支撑能力。海水入侵风险的大小体现了海岛对地下水资源开采的强度，间接反映了海岛总的需水状况、海岛水资源供给的配置和水环境治理水平，因此，文章选择海水入侵风险作为评价海岛水资源环境承载能力的主要指标。
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文章认为海水入侵风险随着地下水开采超采的增长过程，存在一个边际超采量导致的海水入侵风险递增的问题。如图1所示，由于地下水超采，导致地下水位下降，但在第一阶段(A-B)发生的海水入侵风险要小于第二阶段(C-D)的海水入侵风险。“A-B”与“C-D”导致的地下水位下降高度一致，但风险要远小于“C-D”下降产生的风险。其原因可以解释为，随着地下水位的下降，人类活动的可选择空间不断降低，生态系统整体可调节、可恢复空间能力也在下降。
如图2所示，随着地下水位逼近开采预警线，单位地下水位/储量变化的海水入侵风险将增大，反映了海水入侵风险随地下水位下降而递增的特征。海水入侵风险同时也代表了水资源环境承载能力，即风险越大，承载能力越弱。
文章根据地下水资源量可以承载的人类活动规模和强度的波动率，提出了海水入侵风险量化的思路。一定的人类活动规模和强度消耗一定的地下水资源，在初始阶段，地下水可利用资源量巨大，人类活动规模和强度较小，地下水资源量有较大的弹性支撑人类活动成倍的波动。随着经济发展，一方面人类活动规模和强度增加，另一方面地下水可利用量也在下降，地下水可以承载的人类活动规模和强度的波动率也在下降，且速度成增加态势。这种关系持续变化到接近海水入侵的临界点，地下水刚刚可以承载这一时间点的人类活动规模和强度，对人类活动的支撑完全失去弹性。文章根据人类活动与地下水可利用量间的关系，构建了海岛海水入侵风险的评价机制。
3研究区与数据来源
3.1研究区概况
涠洲岛位于广西北海市北部湾海域中部，南与海南岛隔海相望，西面面向越南。纬度范围为20°54′～21°10′N，109°00′～109°15′E，总面积24.98平方千米。涠洲岛属于亚热带海洋气候区，具有明显的海岛气候特征，全年气温温差较小，多年平均气温为22.9℃，全年气温变化在15℃～33℃。根据涠洲岛气象站1956—2015年共60年历年降水量资料分析，涠洲岛多年平均降水量为1373mm，年降水量在635.8～2404.8mm之间。涠洲岛多年平均水面蒸发量观测值为1810mm，水面蒸发量为1339mm，多年平均陆地蒸发量为640mm。涠洲岛无常年性河流，仅有部分常年性溪沟河季节性溪沟存在。岛上水资源来源为地下水和涠洲水库，岛上的水资源需求主要是岛上居民生活消耗和游客消耗。由于地表水质不达标，近年来海岛的主要供水依赖地下水资源。
3.2数据来源
数据来源包括涠洲岛旅游区管理委员会社会经济统计资料、广西水利电力勘测设计院《北海市涠洲岛水资源保护与利用规划》《北海市涠洲岛生态环境保护条例》、广西海洋地质调查研究院《涠洲岛地质生态环境调查报告》《涠洲岛旅游区(镇)总体规划(2011—2025)》。
4实证分析结果
文章以2013—2017年的实际数据为依据，根据涠洲岛总体规划、水资源、生态环境方面的调查情况，对2018—2025年海岛资源开发下的水资源环境承载能力进行情景分析。包括游客数量变化、游客逗留天数变化下的海岛承载能力变化，及不同情景下的海岛水环境压力。文章以2025年海岛游客规模330万人次/年为基准情景。
4.1海岛需水情景分析
海岛总需水量是海岛水资源环境承载能力分析的基础，海岛水资源环境问题主要的诱导因素在于海岛经济社会发展对于水的需求问题。文章将海岛水资源需求分为生活用水、农业用水、生态用水和工业用水四个部分，并结合涠洲岛中长期发展规划，对2013—2025年的中长期水资源需求情况进行分析(图3)。
(1)基准情景分析。
根据《涠洲岛旅游区(镇)总体规划(2011—2025)》，2025年涠洲岛旅游规模将达到330万人次/年，游客平均逗留天数保持在2.5天。据此分析，到2025年海岛年度需水总量将达到478万吨。其中生活用水消耗326.47万吨，农业用水消耗32.72万吨，生态用水消耗79.54万吨，工业用水消耗40万吨。由于生态用水可以通过中水进行解决，因此涠洲岛在规划目标情形下，每年的需水量约为399.2万吨。
(2)海岛开发规模下的情景分析。
由于旅游产业发展受多种因素影响，如经济景气程度、区域资源开发程度、基础设施支撑、产业政策等，游客人数的变化具有较强的波动性。根据系统动力学仿真分析结果，在游客目标数量增加10%的情况下(游客年度规模360万人次)，海岛需水量为417万吨;在游客目标数量增加20%的情况下(游客年度规模400万人次)，海岛需水量为440万吨。
(3)海岛开发强度下的情景分析。
游客平均在岛上的逗留天数是影响海岛水资源需求量的重要因素，随着海岛旅游资源开发的加快，游客在岛上的逗留时间预计将出现一定幅度的增加。文章分析了不同停留时间下(1.5天、2天、2.5天、3天)，海岛的水资源需求情况。根据模型分析，在逗留天数为1.5天的情景下，海岛2025年的水需求量为309万吨;逗留天数为2天的情景下，海岛2025年的水需求量为363万吨;逗留天数为2.5天的情景下，海岛2025年的水需求量为399万吨;逗留天数为3天的情景下，海岛2025年的水需求量为434万吨。
4.2海岛供水格局情景分析
海岛年度供水规模和海岛年度的需水量保持在一个大致平衡的状态。海岛水资源需求由四个部分构成：生活用水、工业用水、农业用水和生态用水，其中根据海岛发展规划，生态用水主要考虑中水利用或是利用回收溪沟径流，因此不纳入集中供水体系。海岛供水体系分为地下水和地表水两个来源，由于目前地表水质尚且无法达到水源地Ⅱ类水质的要求，因此海岛供水主要由地下水资源支撑。未来随着海岛水环境治理和污水处理基础设施的完善，海岛供水需求将由地表水资源和地下水资源共同承担。根据海岛中长期规划，为保护地下水资源，防止海水入侵的危害，地表水资源在整个供水体系中将承担主要责任，地下水资源起辅助作用。
文章以涠洲岛水需求系统动力学模型为基础，构建了涠洲岛水需求—供给系统动力学模型(图4)。以此为基础，根据海岛经济社会发展情况，在综合海岛水资源供给规划、地表水资源可利用量和地下水可开采量的基础上，对不同游客规模情景下的中长期海岛供水情况进行了分析。
(1)基准情景分析。
考虑到2018年涠洲岛污水收集管网仍处于建设状态，文章将2020年作为建设完成期，即从2021年开始地表水逐步参与海岛供水，并在3年后地表水占比达到规划水平。以2020年为基准情景设定，到2020年地下水供给占到总供给量的33%左右，到2030年地下水供给占到总供给量的30%左右。根据规划设计分析，到2025年在年度游客规模数量为330万吨的情景下，地表水和地下水的供给量分别为215万吨、128万吨(图5)。
(2)海岛开发规模下的情景分析。
文章在规划游客目标规模的基础上，设定了三个不同的游客规模情景模式：330万人次/年，360万人次/年，400万人次/年。根据分析在不同的目标情境下的地下水供水量分别为：330万人次/年(目标情景)，供水总量为128.5万吨/年;360万人次/年(目标情景增加10%)，供水总量为134.3万吨/年;400万人次/年(目标情景增加20%)，供水总量为141.8万吨/年。
(3)海岛开发强度下的情景分析。
文章分析了在不同游客逗留天数情景下(1.5天、2天、2.5天、3天)，海岛的水需求情况。根据模型分析，在逗留天数为1.5天的情景下，海岛2025年的地下水供水量为98.84万吨;在逗留天数为2天的情景下，海岛2025年的地下水供水量为117.1万吨;在逗留天数为2.5天的情景下，海岛2025年的地下水供水量为128.5万吨;在逗留天数为3天的情景下，海岛2025年的地下水供水量为139.96万吨。
4.3海岛水环境压力情景分析
涠洲岛四面环海，周边海域分别隶属于广西涠洲岛珊瑚礁国家级海洋公园和北部湾二长棘鲷长毛对虾国家级水产种质资源保护区，对海洋水质环境有着较高的要求，海岛自身产生的污染物无法通过外派的方式进入海洋，海岛产生的废污水需求海岛在岛上进行处理消耗，包括污水处理设施处理和岛上的湿地、水库、溪流容纳。随着海岛游客规模的增加，海岛需要的污水处理能力要求也逐渐增加。——论文作者：刘江宜1，窦世权1，黎清华2，张洁3
