多元驱动下水生态承载力评价方法与应用——以京津冀地区为例

张 盛，王铁宇，张 红，李奇锋，周云桥，宋 帅

1 山西大学环境与资源学院，太原 030006 2 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085 3 中国科学院大学，北京 100049



多元驱动下水生态承载力评价方法与应用
——以京津冀地区为例

张 盛1,2，王铁宇2,3,*，张 红1，李奇锋2,3，周云桥2,3，宋 帅2

1 山西大学环境与资源学院，太原 030006 2 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085 3 中国科学院大学，北京 100049

水生态承载力；多元驱动；评价方法与应用；京津冀地区；情景模拟

水生态承载力以水循环过程为纽带，是指在保护水生态系统完整性下的水资源、水环境和社会经济要素共同作用的支撑能力。我国水生态系统问题由来已久，水资源过度开发、粗放利用和污染严重等问题突出。以水生态系统健康理念为核心的水生态承载力的相关研究日益引起国内外学者的广泛关注[1-2]。水生态承载力评价的根本宗旨是通过对关键指标的调控，在满足区域生态需水、栖息地环境和水质目标的前提下，评价区域可承载的最大人口数量和经济规模[3-4]。目前，水生态承载力的相关研究多集中在概念和评价方法上[4]。水生态承载力是一个多元动态的复合系统，多元性主要体现在其评价因子数量多，内容涉及面广[5]；动态性主要体现在时间和空间上的动态变化[6]，包括社会经济系统和水生态系统之间的相互影响；复合性主要体现其概念的组成上，涵盖了水资源承载力[7-10]、水环境承载力[11-13]和社会经济承载力等，兼具自然属性和社会属性。

国内外研究水生态承载力的方法主要包括生态足迹法[14-15]、系统动力学[10,16-27]和统计学方法[6,19-20]等。其中，生态足迹方法在评价水资源承载力方面，优点在于数据资料易获取，计算方法可操作性强且简便，着重反映自然资源与经济社会发展的互补关系，但缺乏对水质、水量以及生物需求的综合考虑[5]。系统动力学方法优势在于研究解决非线性问题，如辽宁太子湖流域[21]、新疆叶尔羌河流域[22]和太湖流域[16,23]生态承载力的评价应用，但是模型对于数据要求较高，参数率定繁琐，求解条件苛刻限制了其推广。统计学方法，包括线性回归、聚类分析、时间序列和主成分分析等，具有目标相对单一的缺点。多元驱动下的PSOGSA-PP水生态承载力评价模型，是利用粒子群引力算法求最优解，并采用投影追踪模型对最佳投影方向进行参数优化，有效的提高了模型的评价精度，具有参数少、易于操作、计算稳定性强和良好的全局搜索能力等优点[24]。该模型的优势在于借助粒子群引力搜索算法，多次运算，寻找最优投影方向，形成水生态承载力评价分级标准。本文将模型应用于京津冀地区，把北京、天津和河北省的11个地级市的水生态承载力进行分级评价，提出水生态承载力评价指标体系和分级标准，对于“京津冀一体化”新时期下协调区域水资源开发、水环境保护和区域社会经济发展具有理论和实践借鉴价值。

1 模型构建

1.1 水生态承载力评价指标体系

水生态承载能力评价是通过对关键指标的调控，在区域满足生态需水、栖息地环境和水功能分区水质目标的前提下，评价区域可承载的最大人口数量和经济规模[4]。本研究在水生态承载力评价指标选取时，采用频数分析法对已有研究文献中的指标进行汇总、统计和筛选，将有关水资源、水环境的频数累计百分比超过80%的作为主要指标，紧扣水生态承载力的概念和内涵，依托京津冀的区域特征，剔除与概念不相关指标，参阅国家颁布的相关指标体系进行相应调整更新，综合考虑专家评判结果，最后将所遴选指标做相关性分析。在常规指标体系的基础上，增加了有关水管理和水利用方面的指标[17,25-27]。严格按照系统性、代表性、区域差异性、层次性、指标定量性和可操作性的选取原则。据此，从水资源、水环境、社会经济3方面，构建了区域水生态承载力评价指标体系，包括目标层、准则层和指标层(表1)。

表1 京津冀地区水生态承载力评价指标体系

水生态承载力是针对某一特定地区的相对概念，它既包含有横向上和其他地区的比较，也考虑了纵向时间上与过去的比较。最严格水资源管理制度和“水十条”的提出是一定时期及区域内开展水生态承载力研究的基础和前提。利用层次分析法，从水资源系统、水环境系统和经济社会系统(主要体现在水利用与水管理2个方面)遴选出16项指标构成水生态承载力评价指标体系，并对每个指标进行分区分级量化，将水生态承载力评价分为目标层A、准则层B和指标层C 3个层次。构建符合区域水生态承载力评价指标分级标准，将水生态承载力分为“理想”、“较理想”、“临界”、“超载”和“严重超载”5个等级，分别用Ⅰ级—Ⅴ级表示[17-18,28-32]，并确定各指标合理的上限值和下限值(表2)。

需要指出，水生态承载力评价指标分级标准是相对的。由于地域条件的不同，所选取的评价指标各异，各指标之间的相互影响程度和各自权重大小也不同。利用指标体系，一个地区也可以评价随时间推移的水生态承载力变化情况，为环境政策制定和考核制度的实施提供技术依据。

1.2 PSOGA-PP模型原理与技术路径

表2 京津冀地区水生态承载力评价指标分级标准

[…)为数学符号，表示区间，区间是数集的一种表示形式;半开半闭区间{x|a≤x

其中，PSOGA-PP模型的主要算法过程如下[40]：

(1)

(2)

确定投影指标时，要求投影值z(i)的局部投影点尽可能密集，因此，构造的投影函数为：

(3)

式中，Sz为投影值z(i)的标准差；Dz为投影值z(i)的局部密度，即

(4)

(5)

(6)

(7)

Step5 评价。同理，计算得到待评价因子投影值z(i)，并依据z′(k)进行评价。

图1 PSOGSA-PP模型原理与技术路径图Fig.1 The theory of PSOGSA-PP model and research flow chart

2 案例研究

2.1 京津冀地区水生态概况

京津冀地区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、张家口、承德、秦皇岛、沧州、衡水、邢台市、邯郸、石家庄等11个地级市，是全国主要的高新技术和重工业基地，也是我国政治、文化、经济、科技发展的核心区。属于“资源型”缺水地区，多年平均水资源总量分别为32.9×108、14.3×108m3和198.3×108m3，据《2014年中国水资源公报》显示，京津冀人均水资源占有量仅286m3，为全国平均水平的1/8，世界人均占有量的1/32，也远低于联合国制定的人均1000m3的缺水线。京津冀地区约为12×104km2，人口约为9000万，面积和水资源仅占全国的2.3%和1%，却承载着全国8%的人口和11%的经济总量[41]。据《2014年环境质量公报》，京津冀水质相对较差，国控断面中，Ⅰ类水质断面占4.7%，同比上升3.1个百分点；Ⅱ类占14.1%，同比下降4.6个百分点；Ⅲ类占20.3%同比上升1.6个百分点；Ⅳ类占14.1%，同比上升4.7个百分点；Ⅴ类占9.3%，同比下降3.2个百分点；劣Ⅴ类占37.5%，同比下降1.6个百分点，远远超过国家十大水系13.7%的平均水平。由水利部水规总院调查整理的2013年京津冀供水结构表表明，京津冀地区水资源开发程度高达109%，平水年份生态环境用水年均赤字近90亿m3，其中地下水68亿m3，年均挤占河湖生态用水量15亿m3，枯水年份挤占生态环境问题更加突出。京津冀一体化的提出意味着京津冀地区政策互动和资源共享，但面临着水资源不匹配、降水时空分布不均、开发利用难度大、水质污染逐年加重和水资源配置能力不足等诸多问题。 “十二五”以来，随着京津冀地区经济社会的快速发展，水资源供需矛盾日益突出，f水污染日趋严峻，导致水生态系统结构、功能等随之发生变化。

2.2 情景方案设定与模拟

2008年为保障北京奥运会成功举办，京津冀各地政府统筹协作以制度和政策为驱动力，在水生态保护、水环境健康、水生态安全以及水生态补偿措施等方面取得丰硕成果。2015年颁布的《京津冀协同发展生态环境保护规划》指出，到2020年，京津冀地级及以上城市集中式饮用水水源水质全部达到或优于Ⅲ类，重要江河湖泊水功能区达标率达到73%；同时，京津冀用水总量控制在296亿m3，地下水超采退减率达到75%以上；到2030年，京津冀水生态承载能力、水生态文明水平将得到进一步提升，一体化协同水治理管控能力增强，应对风险能力和水安全保障程度提高，基本实现水利现代化。

基于水生态承载力的内涵，从已有成功经验、污染现状和环境治理水平以及政策规划等要素综合考虑，设定水生态承载力在“过去-现在-未来”的动态变化过程情景，历史年为2008年，基准年为2014年，规划水平年为2020年和2030年(表3)。

2.3 优化结果与评价分析

京津冀地处海河流域，其中天津处在京津冀下游，为海河流域的入海口,北京市和河北省的大部分地区父亲位于上游，而承德市和张家口市又处于北京市上游，为北京重要的水源地。从图2可以看出，就2008年而言，基于外来人口压力，产业结构不合理以及本身水资源匮乏等因素的多重胁迫，北京市水生态承载力为Ⅲ好的水生态环境不仅为奥运会的成功举办增添了优美的景观，也是奥运会成功举办的重要条件。但是位于北京下游的保定该模型所需数据和参数设定主要依据以下参考资料计算所得：《北京市城市总体规划(2004—2020)》、《天津市城市总体规划(2005—2020)》、《2008年北京市环境保护工作总结》、《2015年北京十三五规划建议全文》、《天津市十三五规划纲要全文》、《天津市未来科技城总体规划(2013—2030)》、《天津市国土规划(2002—2030)》、《河北省生态环境保护“十二五”规划》、《河北省十三五规划全文》、《京津冀协同规划纲要(全文)》、河北省《关于实施实行最严格水资源管理制度的意见》、《关于实施实行最严格水资源管理制度的意见》附件、《天津市污水处理及其再生水利用行业企业排名统计报告》、《2009年—2013年河北省污水处理及其再生利用行业年度经营状况统计分析报告》、河北省《污水垃圾处理专项提升行动工作方案》、《2008年天津市环境状况公报》、《2014年天津市环境状况公报》、《2008年中国环境统计年鉴》、《2014年中国环境统计年鉴》、《河北省人口战略发展研究报告》等[42-45]级，处于临界状态；天津市和位于首都上游的张家口市、承德市水生态承载力均为Ⅱ级，处于比较理想状态；良市、衡水市和沧州市水生态承载力为Ⅴ级，出现严重超载的局面；廊坊市、邢台市和邯郸市也不容乐观，水生态承载力为Ⅳ级，表现为超载；石家庄市、唐山市和秦皇岛市相对居中，水生态承载力为Ⅲ级，处于临界状态。京津冀同属于海河流域为主体的半干旱地区，2008年—2014年间，河北平原过量开采地下水，导致地下超采区域漏斗达20多个，面积达7×104km2，由地下水面下降形成地下水降落漏斗，产生地面沉降达9×104km2，年沉降速率大于30mm的严重沉降区面积约为2.53×104km2，部分地区最大沉降量达到160mm[46]，沉降中心主要分布在沧州市、衡水市、邢台市和邯郸市境内，同时保定市也出现地下水超采和水质恶化情况。因此，2014年京津冀水生态承载力较2008年，大部分地区出现下滑态势，北京市基于人口和经济转型的压力，表现为Ⅳ级，天津市和承德市为Ⅲ级，张家口市为仍呈现Ⅱ级，投影值达到全区域最大为2.4688，沧州市、衡水市、邢台市和邯郸市为Ⅴ级，其余地区投影值均小于2.1893和北京一样同为Ⅳ级，。2020年是《京津冀协同发展规划纲要》全面实施阶段，京津保中心区生态过渡带即将建成，同时也是2022北京—张家口国际冬奥会举办的攻坚阶段，京津冀将构建水资源统一调配管理平台和水环境统一监管制度，实行水量联合调度，水质统一评价。预计京津冀重点流域水质优良(达到或优于Ⅲ类)比例总体70%以上，地级及以上城市黑臭水体均控制在10%以内，地级及以上城市集中式饮用水水源水质达到或者优于Ⅲ类比例高于93%，京津冀区域丧失使用功能(劣于Ⅴ类)的水体断面比例下降15%左右。水生态承载力分级如下：北京市出现好转，投影值由2.3573上升为2.3733，达到Ⅱ级临界值，但是呈现Ⅲ级，天津市、承德市和张家口市为Ⅱ级，达到较理想状态，投影值分别为2.5032,2.4489和2.5804，沧州市、衡水市、邢台市和邯郸市地处河北平原地下水下渗漏斗带仍处于超载状态，评定为Ⅳ级，其余地区投影值均位于2.3037与2.3896之间评定为Ⅲ级。到2030年，京津冀地区将率先建成节水型社会，一体化协同水生态管控能力进一步加强，重点流域水质优良比例总体75%以上，城市建成区黑臭水体总体得到消除，地级及以上城市集中式饮用水水源水质达到或者优于Ⅲ类比例高于95%左右，基本实现水利现代化。水生态承载力分级结果可以看出，各个地区的投影值z″(i)均有所上升，除沧州市、衡水市、邢台市和邯郸市为Ⅲ级外，其余全部地区均为Ⅱ级。其中张家口市和承德市分别为2.6878和2.7227，已经达到Ⅰ级的临界值。

表3 京津冀地区水生态承载力情景方案

图2 多元驱动模型下的京津冀水生态承载力分级评价Fig.2 Water ecological carrying capacity evaluation in Jing-Jin-Ji (Hebei Province) area based the multivariate driven model

3 结论

(1)本文利用水资源、水环境和社会经济数据来综合表征水生态承载力，选取具有独立性和代表性的参数构建评价指标体系，建立了多元驱动模型(PSOGSA-PP)模拟其相互关系和动态变化，并进行承载指数计算和分级评价，揭示了各地区是否超载以及超载程度问题，模拟预测了京津冀地区在2008年、2014年、2020年和2030年水生态承载力的演化态势。

(2)利用粒子群引力投影寻踪模型模拟结果表明，2008年—2030年京津冀所属13个地区的水生态承载力在呈先恶化再逐步好转趋势(逐步由Ⅳ级、Ⅴ级趋于Ⅱ级)。2008年—2014年，河北省GDP总量的过快增长导致河北平原地下水严重超采区占63.2%，一般超采区占20.5%，严重影响了京津冀三地的水生态承载力。2014年—2020年，随着京津冀一体化战略的实施、“水十条”和最严格水资源管理制度的推行和水生态修复工作的完善，预期到2030年京津冀地区水生态整体将得到极大程度改善。

(3)由于京津冀地区长期受水资源短缺、水生态环境破坏、城市发展不平衡等因素制约，京津冀地区的总体水生态承载能力不容乐观。因此，水生态的改善必须按照分类、分区、分阶段的梯级模式逐步开展，水生态系统、水资源系统、水环境系统和社会经济系统之间存在着相互影响和相互作用关系，2008—2030年京津冀13个市区水生态承载力的分级评价与发展态势，可望为水生态保护、水环境修复以及水资源可持续开发利用提供决策支撑。

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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

国家自然科学基金项目(41571478)；水体污染控制与治理科技重大专项(2015ZX07203-005);科技基础性工作专项(2013FY11110)

2016- 05- 24;

2016- 09- 05

10.5846/stxb201605241005

*通讯作者Corresponding author.E-mail: wangty@rcees.ac.cn

张盛，王铁宇，张红，李奇锋，周云桥，宋帅.多元驱动下水生态承载力评价方法与应用——以京津冀地区为例.生态学报,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.