多元驅動下水生態(tài)承載力評價方法與應用
——以京津冀地區(qū)為例

張 盛，王鐵宇，張 紅，李奇鋒，周云橋，宋 帥

1 山西大學環(huán)境與資源學院，太原 030006 2 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京 100085 3 中國科學院大學，北京 100049

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多元驅動下水生態(tài)承載力評價方法與應用
——以京津冀地區(qū)為例

張 盛1,2，王鐵宇2,3,*，張 紅1，李奇鋒2,3，周云橋2,3，宋 帥2

1 山西大學環(huán)境與資源學院，太原 030006 2 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京 100085 3 中國科學院大學，北京 100049

水生態(tài)承載力；多元驅動；評價方法與應用；京津冀地區(qū)；情景模擬

水生態(tài)承載力以水循環(huán)過程為紐帶，是指在保護水生態(tài)系統(tǒng)完整性下的水資源、水環(huán)境和社會經濟要素共同作用的支撐能力。我國水生態(tài)系統(tǒng)問題由來已久，水資源過度開發(fā)、粗放利用和污染嚴重等問題突出。以水生態(tài)系統(tǒng)健康理念為核心的水生態(tài)承載力的相關研究日益引起國內外學者的廣泛關注[1-2]。水生態(tài)承載力評價的根本宗旨是通過對關鍵指標的調控，在滿足區(qū)域生態(tài)需水、棲息地環(huán)境和水質目標的前提下，評價區(qū)域可承載的最大人口數量和經濟規(guī)模[3-4]。目前，水生態(tài)承載力的相關研究多集中在概念和評價方法上[4]。水生態(tài)承載力是一個多元動態(tài)的復合系統(tǒng)，多元性主要體現(xiàn)在其評價因子數量多，內容涉及面廣[5]；動態(tài)性主要體現(xiàn)在時間和空間上的動態(tài)變化[6]，包括社會經濟系統(tǒng)和水生態(tài)系統(tǒng)之間的相互影響；復合性主要體現(xiàn)其概念的組成上，涵蓋了水資源承載力[7-10]、水環(huán)境承載力[11-13]和社會經濟承載力等，兼具自然屬性和社會屬性。

國內外研究水生態(tài)承載力的方法主要包括生態(tài)足跡法[14-15]、系統(tǒng)動力學[10,16-27]和統(tǒng)計學方法[6,19-20]等。其中，生態(tài)足跡方法在評價水資源承載力方面，優(yōu)點在于數據資料易獲取，計算方法可操作性強且簡便，著重反映自然資源與經濟社會發(fā)展的互補關系，但缺乏對水質、水量以及生物需求的綜合考慮[5]。系統(tǒng)動力學方法優(yōu)勢在于研究解決非線性問題，如遼寧太子湖流域[21]、新疆葉爾羌河流域[22]和太湖流域[16,23]生態(tài)承載力的評價應用，但是模型對于數據要求較高，參數率定繁瑣，求解條件苛刻限制了其推廣。統(tǒng)計學方法，包括線性回歸、聚類分析、時間序列和主成分分析等，具有目標相對單一的缺點。多元驅動下的PSOGSA-PP水生態(tài)承載力評價模型，是利用粒子群引力算法求最優(yōu)解，并采用投影追蹤模型對最佳投影方向進行參數優(yōu)化，有效的提高了模型的評價精度，具有參數少、易于操作、計算穩(wěn)定性強和良好的全局搜索能力等優(yōu)點[24]。該模型的優(yōu)勢在于借助粒子群引力搜索算法，多次運算，尋找最優(yōu)投影方向，形成水生態(tài)承載力評價分級標準。本文將模型應用于京津冀地區(qū)，把北京、天津和河北省的11個地級市的水生態(tài)承載力進行分級評價，提出水生態(tài)承載力評價指標體系和分級標準，對于“京津冀一體化”新時期下協(xié)調區(qū)域水資源開發(fā)、水環(huán)境保護和區(qū)域社會經濟發(fā)展具有理論和實踐借鑒價值。

1 模型構建

1.1 水生態(tài)承載力評價指標體系

水生態(tài)承載能力評價是通過對關鍵指標的調控，在區(qū)域滿足生態(tài)需水、棲息地環(huán)境和水功能分區(qū)水質目標的前提下，評價區(qū)域可承載的最大人口數量和經濟規(guī)模[4]。本研究在水生態(tài)承載力評價指標選取時，采用頻數分析法對已有研究文獻中的指標進行匯總、統(tǒng)計和篩選，將有關水資源、水環(huán)境的頻數累計百分比超過80%的作為主要指標，緊扣水生態(tài)承載力的概念和內涵，依托京津冀的區(qū)域特征，剔除與概念不相關指標，參閱國家頒布的相關指標體系進行相應調整更新，綜合考慮專家評判結果，最后將所遴選指標做相關性分析。在常規(guī)指標體系的基礎上，增加了有關水管理和水利用方面的指標[17,25-27]。嚴格按照系統(tǒng)性、代表性、區(qū)域差異性、層次性、指標定量性和可操作性的選取原則。據此，從水資源、水環(huán)境、社會經濟3方面，構建了區(qū)域水生態(tài)承載力評價指標體系，包括目標層、準則層和指標層(表1)。

表1 京津冀地區(qū)水生態(tài)承載力評價指標體系

水生態(tài)承載力是針對某一特定地區(qū)的相對概念，它既包含有橫向上和其他地區(qū)的比較，也考慮了縱向時間上與過去的比較。最嚴格水資源管理制度和“水十條”的提出是一定時期及區(qū)域內開展水生態(tài)承載力研究的基礎和前提。利用層次分析法，從水資源系統(tǒng)、水環(huán)境系統(tǒng)和經濟社會系統(tǒng)(主要體現(xiàn)在水利用與水管理2個方面)遴選出16項指標構成水生態(tài)承載力評價指標體系，并對每個指標進行分區(qū)分級量化，將水生態(tài)承載力評價分為目標層A、準則層B和指標層C 3個層次。構建符合區(qū)域水生態(tài)承載力評價指標分級標準，將水生態(tài)承載力分為“理想”、“較理想”、“臨界”、“超載”和“嚴重超載”5個等級，分別用Ⅰ級—Ⅴ級表示[17-18,28-32]，并確定各指標合理的上限值和下限值(表2)。

需要指出，水生態(tài)承載力評價指標分級標準是相對的。由于地域條件的不同，所選取的評價指標各異，各指標之間的相互影響程度和各自權重大小也不同。利用指標體系，一個地區(qū)也可以評價隨時間推移的水生態(tài)承載力變化情況，為環(huán)境政策制定和考核制度的實施提供技術依據。

1.2 PSOGA-PP模型原理與技術路徑

表2 京津冀地區(qū)水生態(tài)承載力評價指標分級標準

[…)為數學符號，表示區(qū)間，區(qū)間是數集的一種表示形式;半開半閉區(qū)間{x|a≤x

其中，PSOGA-PP模型的主要算法過程如下[40]：

(1)

(2)

確定投影指標時，要求投影值z(i)的局部投影點盡可能密集，因此，構造的投影函數為：

(3)

式中，Sz為投影值z(i)的標準差；Dz為投影值z(i)的局部密度，即

(4)

(5)

(6)

(7)

Step5 評價。同理，計算得到待評價因子投影值z(i)，并依據z′(k)進行評價。

圖1 PSOGSA-PP模型原理與技術路徑圖Fig.1 The theory of PSOGSA-PP model and research flow chart

2 案例研究

2.1 京津冀地區(qū)水生態(tài)概況

京津冀地區(qū)位于海河流域的中下游，包括北京市、天津市以及河北省的保定、廊坊、唐山、張家口、承德、秦皇島、滄州、衡水、邢臺市、邯鄲、石家莊等11個地級市，是全國主要的高新技術和重工業(yè)基地，也是我國政治、文化、經濟、科技發(fā)展的核心區(qū)。屬于“資源型”缺水地區(qū)，多年平均水資源總量分別為32.9×108、14.3×108m3和198.3×108m3，據《2014年中國水資源公報》顯示，京津冀人均水資源占有量僅286m3，為全國平均水平的1/8，世界人均占有量的1/32，也遠低于聯(lián)合國制定的人均1000m3的缺水線。京津冀地區(qū)約為12×104km2，人口約為9000萬，面積和水資源僅占全國的2.3%和1%，卻承載著全國8%的人口和11%的經濟總量[41]。據《2014年環(huán)境質量公報》，京津冀水質相對較差，國控斷面中，Ⅰ類水質斷面占4.7%，同比上升3.1個百分點；Ⅱ類占14.1%，同比下降4.6個百分點；Ⅲ類占20.3%同比上升1.6個百分點；Ⅳ類占14.1%，同比上升4.7個百分點；Ⅴ類占9.3%，同比下降3.2個百分點；劣Ⅴ類占37.5%，同比下降1.6個百分點，遠遠超過國家十大水系13.7%的平均水平。由水利部水規(guī)總院調查整理的2013年京津冀供水結構表表明，京津冀地區(qū)水資源開發(fā)程度高達109%，平水年份生態(tài)環(huán)境用水年均赤字近90億m3，其中地下水68億m3，年均擠占河湖生態(tài)用水量15億m3，枯水年份擠占生態(tài)環(huán)境問題更加突出。京津冀一體化的提出意味著京津冀地區(qū)政策互動和資源共享，但面臨著水資源不匹配、降水時空分布不均、開發(fā)利用難度大、水質污染逐年加重和水資源配置能力不足等諸多問題。 “十二五”以來，隨著京津冀地區(qū)經濟社會的快速發(fā)展，水資源供需矛盾日益突出，f水污染日趨嚴峻，導致水生態(tài)系統(tǒng)結構、功能等隨之發(fā)生變化。

2.2 情景方案設定與模擬

2008年為保障北京奧運會成功舉辦，京津冀各地政府統(tǒng)籌協(xié)作以制度和政策為驅動力，在水生態(tài)保護、水環(huán)境健康、水生態(tài)安全以及水生態(tài)補償措施等方面取得豐碩成果。2015年頒布的《京津冀協(xié)同發(fā)展生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃》指出，到2020年，京津冀地級及以上城市集中式飲用水水源水質全部達到或優(yōu)于Ⅲ類，重要江河湖泊水功能區(qū)達標率達到73%；同時，京津冀用水總量控制在296億m3，地下水超采退減率達到75%以上；到2030年，京津冀水生態(tài)承載能力、水生態(tài)文明水平將得到進一步提升，一體化協(xié)同水治理管控能力增強，應對風險能力和水安全保障程度提高，基本實現(xiàn)水利現(xiàn)代化。

基于水生態(tài)承載力的內涵，從已有成功經驗、污染現(xiàn)狀和環(huán)境治理水平以及政策規(guī)劃等要素綜合考慮，設定水生態(tài)承載力在“過去-現(xiàn)在-未來”的動態(tài)變化過程情景，歷史年為2008年，基準年為2014年，規(guī)劃水平年為2020年和2030年(表3)。

2.3 優(yōu)化結果與評價分析

京津冀地處海河流域，其中天津處在京津冀下游，為海河流域的入?？?北京市和河北省的大部分地區(qū)父親位于上游，而承德市和張家口市又處于北京市上游，為北京重要的水源地。從圖2可以看出，就2008年而言，基于外來人口壓力，產業(yè)結構不合理以及本身水資源匱乏等因素的多重脅迫，北京市水生態(tài)承載力為Ⅲ好的水生態(tài)環(huán)境不僅為奧運會的成功舉辦增添了優(yōu)美的景觀，也是奧運會成功舉辦的重要條件。但是位于北京下游的保定該模型所需數據和參數設定主要依據以下參考資料計算所得：《北京市城市總體規(guī)劃(2004—2020)》、《天津市城市總體規(guī)劃(2005—2020)》、《2008年北京市環(huán)境保護工作總結》、《2015年北京十三五規(guī)劃建議全文》、《天津市十三五規(guī)劃綱要全文》、《天津市未來科技城總體規(guī)劃(2013—2030)》、《天津市國土規(guī)劃(2002—2030)》、《河北省生態(tài)環(huán)境保護“十二五”規(guī)劃》、《河北省十三五規(guī)劃全文》、《京津冀協(xié)同規(guī)劃綱要(全文)》、河北省《關于實施實行最嚴格水資源管理制度的意見》、《關于實施實行最嚴格水資源管理制度的意見》附件、《天津市污水處理及其再生水利用行業(yè)企業(yè)排名統(tǒng)計報告》、《2009年—2013年河北省污水處理及其再生利用行業(yè)年度經營狀況統(tǒng)計分析報告》、河北省《污水垃圾處理專項提升行動工作方案》、《2008年天津市環(huán)境狀況公報》、《2014年天津市環(huán)境狀況公報》、《2008年中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》、《2014年中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》、《河北省人口戰(zhàn)略發(fā)展研究報告》等[42-45]級，處于臨界狀態(tài)；天津市和位于首都上游的張家口市、承德市水生態(tài)承載力均為Ⅱ級，處于比較理想狀態(tài)；良市、衡水市和滄州市水生態(tài)承載力為Ⅴ級，出現(xiàn)嚴重超載的局面；廊坊市、邢臺市和邯鄲市也不容樂觀，水生態(tài)承載力為Ⅳ級，表現(xiàn)為超載；石家莊市、唐山市和秦皇島市相對居中，水生態(tài)承載力為Ⅲ級，處于臨界狀態(tài)。京津冀同屬于海河流域為主體的半干旱地區(qū)，2008年—2014年間，河北平原過量開采地下水，導致地下超采區(qū)域漏斗達20多個，面積達7×104km2，由地下水面下降形成地下水降落漏斗，產生地面沉降達9×104km2，年沉降速率大于30mm的嚴重沉降區(qū)面積約為2.53×104km2，部分地區(qū)最大沉降量達到160mm[46]，沉降中心主要分布在滄州市、衡水市、邢臺市和邯鄲市境內，同時保定市也出現(xiàn)地下水超采和水質惡化情況。因此，2014年京津冀水生態(tài)承載力較2008年，大部分地區(qū)出現(xiàn)下滑態(tài)勢，北京市基于人口和經濟轉型的壓力，表現(xiàn)為Ⅳ級，天津市和承德市為Ⅲ級，張家口市為仍呈現(xiàn)Ⅱ級，投影值達到全區(qū)域最大為2.4688，滄州市、衡水市、邢臺市和邯鄲市為Ⅴ級，其余地區(qū)投影值均小于2.1893和北京一樣同為Ⅳ級，。2020年是《京津冀協(xié)同發(fā)展規(guī)劃綱要》全面實施階段，京津保中心區(qū)生態(tài)過渡帶即將建成，同時也是2022北京—張家口國際冬奧會舉辦的攻堅階段，京津冀將構建水資源統(tǒng)一調配管理平臺和水環(huán)境統(tǒng)一監(jiān)管制度，實行水量聯(lián)合調度，水質統(tǒng)一評價。預計京津冀重點流域水質優(yōu)良(達到或優(yōu)于Ⅲ類)比例總體70%以上，地級及以上城市黑臭水體均控制在10%以內，地級及以上城市集中式飲用水水源水質達到或者優(yōu)于Ⅲ類比例高于93%，京津冀區(qū)域喪失使用功能(劣于Ⅴ類)的水體斷面比例下降15%左右。水生態(tài)承載力分級如下：北京市出現(xiàn)好轉，投影值由2.3573上升為2.3733，達到Ⅱ級臨界值，但是呈現(xiàn)Ⅲ級，天津市、承德市和張家口市為Ⅱ級，達到較理想狀態(tài)，投影值分別為2.5032,2.4489和2.5804，滄州市、衡水市、邢臺市和邯鄲市地處河北平原地下水下滲漏斗帶仍處于超載狀態(tài)，評定為Ⅳ級，其余地區(qū)投影值均位于2.3037與2.3896之間評定為Ⅲ級。到2030年，京津冀地區(qū)將率先建成節(jié)水型社會，一體化協(xié)同水生態(tài)管控能力進一步加強，重點流域水質優(yōu)良比例總體75%以上，城市建成區(qū)黑臭水體總體得到消除，地級及以上城市集中式飲用水水源水質達到或者優(yōu)于Ⅲ類比例高于95%左右，基本實現(xiàn)水利現(xiàn)代化。水生態(tài)承載力分級結果可以看出，各個地區(qū)的投影值z″(i)均有所上升，除滄州市、衡水市、邢臺市和邯鄲市為Ⅲ級外，其余全部地區(qū)均為Ⅱ級。其中張家口市和承德市分別為2.6878和2.7227，已經達到Ⅰ級的臨界值。

表3 京津冀地區(qū)水生態(tài)承載力情景方案

圖2 多元驅動模型下的京津冀水生態(tài)承載力分級評價Fig.2 Water ecological carrying capacity evaluation in Jing-Jin-Ji (Hebei Province) area based the multivariate driven model

3 結論

(1)本文利用水資源、水環(huán)境和社會經濟數據來綜合表征水生態(tài)承載力，選取具有獨立性和代表性的參數構建評價指標體系，建立了多元驅動模型(PSOGSA-PP)模擬其相互關系和動態(tài)變化，并進行承載指數計算和分級評價，揭示了各地區(qū)是否超載以及超載程度問題，模擬預測了京津冀地區(qū)在2008年、2014年、2020年和2030年水生態(tài)承載力的演化態(tài)勢。

(2)利用粒子群引力投影尋蹤模型模擬結果表明，2008年—2030年京津冀所屬13個地區(qū)的水生態(tài)承載力在呈先惡化再逐步好轉趨勢(逐步由Ⅳ級、Ⅴ級趨于Ⅱ級)。2008年—2014年，河北省GDP總量的過快增長導致河北平原地下水嚴重超采區(qū)占63.2%，一般超采區(qū)占20.5%，嚴重影響了京津冀三地的水生態(tài)承載力。2014年—2020年，隨著京津冀一體化戰(zhàn)略的實施、“水十條”和最嚴格水資源管理制度的推行和水生態(tài)修復工作的完善，預期到2030年京津冀地區(qū)水生態(tài)整體將得到極大程度改善。

(3)由于京津冀地區(qū)長期受水資源短缺、水生態(tài)環(huán)境破壞、城市發(fā)展不平衡等因素制約，京津冀地區(qū)的總體水生態(tài)承載能力不容樂觀。因此，水生態(tài)的改善必須按照分類、分區(qū)、分階段的梯級模式逐步開展，水生態(tài)系統(tǒng)、水資源系統(tǒng)、水環(huán)境系統(tǒng)和社會經濟系統(tǒng)之間存在著相互影響和相互作用關系，2008—2030年京津冀13個市區(qū)水生態(tài)承載力的分級評價與發(fā)展態(tài)勢，可望為水生態(tài)保護、水環(huán)境修復以及水資源可持續(xù)開發(fā)利用提供決策支撐。

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Using a multivariate-driven model to evaluate water ecological carrying capacity: Method-building and application in the Beijing-Tianjin-Ji (Hebei Province) region

ZHANG Sheng1,2, WANG Tieyu2,3,*, ZHANG Hong1, LI Qifeng2,3, ZHOU Yunqiao2,3, SONG Shuai2

1CollegeofEnvironmentandResource,ShanxiUniversity,Taiyuan030006,China2StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China3UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

water ecological carrying capacity; multiple drivers; evaluation method and application; Beijing-Tianjin- Ji (Hebei Province); model-scenario simulation

國家自然科學基金項目(41571478)；水體污染控制與治理科技重大專項(2015ZX07203-005);科技基礎性工作專項(2013FY11110)

2016- 05- 24;

2016- 09- 05

10.5846/stxb201605241005

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wangty@rcees.ac.cn

張盛，王鐵宇，張紅，李奇鋒，周云橋，宋帥.多元驅動下水生態(tài)承載力評價方法與應用——以京津冀地區(qū)為例.生態(tài)學報,2017,37(12):4159- 4168.

Zhang S, Wang T Y, Zhang H, Li Q F, Zhou Y Q, Song S.Using a multivariate-driven model to evaluate water ecological carrying capacity: Method-building and application in the Beijing-Tianjin-Ji (Hebei Province) region.Acta Ecologica Sinica,2017,37(12):4159- 4168.