滦河流域水生态承载力评估研究

2019-11-26任晓庆杨中文王玉秋周凯文张鲁骏

水资源与水工程学报 2019年5期

任晓庆，杨中文，张远，王玉秋，周凯文，3，张鲁骏

(1.南开大学环境科学与工程学院，天津 300350； 2.中国环境科学研究院河流生态保护与修复研究室，北京 100012； 3.大连海洋大学水产与生命学院，辽宁大连 116023)

1 研究背景

滦河流域生态地位至关重要，是我国京津冀地区的重要生态屏障，也是包括天津、保定、承德等北方大中型城市的重要水源区。随着经济社会的快速发展、人口数量急剧增加、城镇化进程逐步加快、水资源情势发生变化，流域内水资源供需矛盾突出、水环境污染加剧，水生态系统逐步退化，各种生态环境问题频繁发生[1]。

近年来，滦河流域先后成为国家生态文明建设(2014年)、国土江河综合整治(2015年)、山水林田湖生态保护修复(2016年)和生态补偿(2016年)等先行示范区。为促进流域生态环境保护和经济社会发展相协调，亟需以承载力为抓手，系统评估诊断滦河流域水生态环境状况与短板，为改善流域生态环境建设生态文明提供技术支撑。

承载力是衡量人类活动与自然生态环境间相互关系的科学概念[2-3]，近年来与资源、环境、生态等学科相结合，提出众多承载力概念[4]。基于生态文明发展理念，水生态承载力(Hydro-Ecological Carrying Capacity, HECC)是针对水生态系统健康保障提出的新兴科学概念[5]。“十一五”以来，国家水体污染控制与治理科技重大专项(水专项)针对水生态承载力开展了大量基础科学研究。在其推动下，水生态承载力研究在概念内涵[6-7]、评价指标[8-9]、评价方法[10-11]等方面均取得了长足进展。张远等[12]回顾了水生态承载力的发展历程，基于水生态系统功能特性科学辨析了其概念内涵，并提出涵盖“水资源-水环境-水生态-水安全”四维功能要素的承载力指标体系，为水生态承载力系统科学评估和未来流域生态环境综合管理奠定了基础。

当前，滦河流域承载力研究基础薄弱，前人仅针对水资源[13]和水环境[14]单方面进行了初步探索，而未从水生态系统功能完整性角度系统解析流域承载力及其限制因素。为全面诊断滦河流域水生态环境状况，本研究拟构建基于水生态系统功能完整性的承载力评估技术方法，从“水资源-水环境-水生态-水安全”四个维度系统评价了滦河流域水生态承载力状态并识别关键影响因素，以期为流域水生态环境与经济社会协调发展提供指导。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

滦河(包括冀东诸河)位于华北平原东北部(东经115°30′～119°45′、北纬39°10′～42°40′)，是海河流域四大水系之一，发源于河北省巴彦古尔图山北麓，向东南流经内蒙古、河北和辽宁后，于河北乐亭县汇入渤海，全长888 km。滦河流域面积为54 580 km2，北部地势较高，南部地势较低，包括高原、山地和平原地貌，其中高原山脉面积占流域总面积的86%；流域年均降水量为400～700 mm，多年平均径流量为47.47×108m3。依据《水污染防治行动计划》(国发﹝2015﹞17号)，将滦河流域划分成30个控制单元区。进一步综合考虑滦河流域水系分布、地理位置、功能定位等特点，将地理区位相近、生态环境相似、服务功能相同的控制单元合并，最终形成9个水生态承载力评估基本单元。滦河流域水系概况与评估单元划分见图1。

2.2 数据收集与调查分析

本研究数据来源主要包括历史统计资料和野外水生态调查数据。通过数据收集，获得系列统计资料包括：流域内各县2013-2016年统计年鉴、水资源公报、环境统计数据、近年流域土地利用数据和各类断面水质监测数据、水文站及闸坝信息(包括2007-2016年流量监测数据)等。2016年9月-2017年5月期间，对滦河流域开展了系列生态环境调查。以每300～500 km2设置1个点位，在滦河干流及主要支流布设采样点。其中，滦河干流及主要支流布设点位46个，冀东沿海诸河布设点位26个，引滦线路2个点位，共计74个监测点。监测样品的采集、保存和运输、监测等均按技术规范[15]进行，并依据文献[16]测定样品中氨氮、总氮、总磷的浓度；流域内鱼类、藻类和大型底栖动物采集与分析方法参考文献[17]。

2.3 评价方法

基于滦河流域的生态环境特征，本文从生态系统功能完整性的角度构建水生态承载力评估指标体系，并结合主客观赋权综合法提出水生态承载力评估及指标贡献量化方法。

2.3.1 指标体系构建基于流域水生态系统服务功能特性[18]及其分类体系[19]，考虑水生态系统对人类社会活动的承载关系，围绕“水资源-水环境-水生态-水安全”(Water Resources-Environment-Ecosystem-Security，WaREES)4个服务功能维度，建立WaREES水生态承载力指标框架。

基于滦河流域生态环境特征和数据收集调查情况，结合国家“三线一单”管控需求[20]和专家经验判断，选择18个代表性评估指标，构建滦河流域水生态承载力“专项-分析-评估”3级指标体系，如表1所示。

表1 滦河流域水生态承载力指标体系及其赋权

注：标“★”的评估指标采用主成分分析法赋权，其他指标采用主观赋权。

2.3.2 指标赋分赋权通过针对待评估区域调查、历史数据收集和指标分析计算(参见表1中参考文献)，获得各评估指标值。各评估指标的赋分标准主要依据国家标准、相关技术指南、参考文献和专家经验[29-30]。

采用“主成分分析+专家打分”主客观结合赋权方式，对“专项-分项-评估”3级指标分别确定权重，以综合体现决策人员主观意志与决策问题客观实际。其中，对于顶层专项指标(4个)与分项指标(8个)，均采用专家主观赋权方式确定其权重；考虑评估指标对上级分项指标的独立贡献关系，对指标分散、不确定性较高的相关评估指标(表1中以★标注)采用基于主成分分析(PCA)的客观赋权方法[31]确定其权重，其他独立评估指标则均主观赋权为1(表1)。

2.3.3 综合评估分级基于各指标赋分和权重值，开展评估指标-分项指标-专项指标自下而上逐层综合评估，步骤如下：

(1)根据评估指标赋分值，分别加权求和计算相应分项指标值，如下式：

(1)

式中:Fij为第i个专项指标中第j个分项指标值的分值；Pijk为第i个专项指标的第j个分项指标中第k个评估指标的分值；Wijk为第i个专项指标的第j个分项指标中第k个评估指标的权重；n为第j个分项指标中包含评估指标的个数。

(2)进一步加权求和计算各专项指标分值：

(2)

式中：Zi为第i个专项指标的分值；Wij为第i个专项指标的第j个分项指标的权重；m为第i个专项指标下包含分项指标个数。

(3)计算水生态承载力指数(HECCI)值：

(3)

式中：Wi为第i个专项指标的权重。

(4)等级评判。将水生态承载力状态分为5级：最佳承载、安全承载、临界承载、超载和严重超载，相应分级标准如表2所示。据表2，分别评判各

专项指标和HECCI分值对应的承载力状态等级。

表2 承载状态分级标准

2.3.4 指标贡献量化为明确各评估指标对HECCI的贡献，进一步提出指标贡献定量计算方法，如下式所示：

CPijk=Pijk·Wijk·Wij·Wi

(4)

式中：CPijk为第i个专项指标的第j个分项指标中第k个评估指标对HECCI的贡献值。

3 结果与分析

3.1 滦河流域总体承载状态

滦河流域9个评估单元HECCI分值介于43～54之间，平均值为48.1分，总体上呈临界超载状态(表3、图2)。从空间分布看(图2)，处于中游山区的滦河潘大水库上游评估单元、引滦入津评估单元和辽宁省青龙河评估单元(编号7～9)承载状态较好，HECCI均值为52.0；下游平原区的天津市于桥水库评估单元、滦河大黑汀下游评估单元、青龙河秦皇岛评估单元、冀东沿海唐山评估单元和冀东沿海秦皇岛评估单元(编号1～5)承载力偏弱，HECCI均值为46.6；上游内蒙古自治区滦河评估单元(编号6)承载力状态最差。

表3 各评估单元专项与HECCI评分值及总体承载状态

3.2 滦河流域专项承载状态

(1)水资源。如图3和表3所示，水资源专项在滦河流域大部分评估单元中呈现超载甚至严重超载状态。其中，呈水资源严重超载的区域包括下游平原区的冀东沿海唐山评估单元、青龙河秦皇岛评估单元、冀东沿海秦皇岛评估单元和滦河大黑汀下游评估单元(专项评分均<10)，以及中游山区的引滦入津评估单元和滦河潘大水库上游评估单元(专项评分仅为11.5和12.0)。上述结果表明，从水资源禀`赋和水资源利用角度看，滦河全流域承载状态极差，严重影响流域水生态系统整体承载能力。

图1 滦河流域水系概况与评估单元划分图

图2 滦河流域各评估单元HECCI和专项指标得分

(2)水环境。滦河流域各评估单元水环境专项得分介于44.9～77.3分之间，中游的辽宁省青龙河评估单元和天津市于桥水库评估单元水环境承载状态相对较差，处于临界超载状态，专项得分均小于50。说明从水环境纳污和水环境净化服务角度看，滦河流域水环境专项承载状况总体较好，但在局部地区不容乐观，处于临界超载状态。

(3)水生态。滦河流域各评估单元水生态专项得分介于37.8～58.1之间，其中冀东沿海唐山评估单元被评为超载状态，水生态专项得分仅为37.8。表明滦河流域水生生境维持和水生生物保育状况不佳，使得流域水生态专项承载力濒临超载的边缘。

(4)水安全。滦河流域各评估单元水安全专项得分介于22.2～80.2之间，大部分单元为安全承载等级以上，无严重超载区域。其中，滦河潘大水库上游评估单元为最佳承载状态，引滦入津评估单元、青龙河秦皇岛评估单元、滦河大黑汀下游评估单元等5个中下游评估单元水安全承载等级相对较好(安全承载，专项得分>60)。表明从调蓄安全和用水安全角度看，滦河流域总体水安全状况较好，但在中上游局部地区水安全保障不力。

3.3 指标贡献定量分析

如图4所示，滦河流域水生态承载力各评估指标对HECCI的平均贡献量为22.8分；其中贡献量最大的评估指标为D21集中式饮用水源地水质达标率(累计贡献104.8分)，其次是B211水质综合得分(累计贡献77.3分)；其他评估指标贡献量明显偏低。综合计算各分项指标贡献率得出，用水安全指数贡献率最高，为24.2%；其次是水环境净化指数，贡献率为17.9%；水环境纳污指数、水生生物指数和水生生境指数对流域HECCI的贡献率相对较低，分别为14.0%、13.2%和12.4%；水资源禀赋指数、调蓄安全指数和水资源利用指数对HECCI的贡献率明显低于分项指标平均水平(12.5%)，分别仅为6.4%、6.4%和5.5%。各专项指标的HECCI综合贡献率排序为：水环境(31.9%)>水安全(30.6%)>水生态(25.6%)>水资源(11.9%)。总之表明，滦河流域水环境净化和水安全保障功能较好，维持了流域水生态承载力；而水资源禀赋、水资源开发和利用是制约该流域水生态承载力的关键因素；同时，水环境纳污(农业生产、城镇排污)、水生生境条件(河岸带林草覆盖率、水域面积、河流连通性等)、水生生物完整性、水文调节功能等表现不佳，限制了滦河水生态承载力的提升。

4 讨论

依据承载力评估结果(表3、图2、3)，水资源是限制滦河流域承载力的关键短板，相应的水资源禀赋和水资源利用分项指标对HECCI的贡献率极低(图4)。这与滦河流域水资源实际状况相符。在水资源禀赋方面，滦河流域处于半湿润半干旱大陆性气候区，水资源禀赋条件差，所涉9个评估单元中有8个评估单元处于国际重度缺水等级(人均水资源量低于1 000 m3)，其中冀东沿海唐山评估单元、青龙河秦皇岛评估单元、滦河大黑汀下游评估单元和冀东沿海秦皇岛评估单元人均水资源量更是低于国际极度缺水的警戒线(500 m3)。在水资源开发利用方面，自20世纪70年代起，滦河干流和一级支流青龙河上陆续修建了潘家口、大黑汀等大型控制性骨干水利工程，建成引滦入津、引滦入唐、引青济秦等工程体系[32]；同时，在滦河下游平原区农业生产对水资源的开发活动较剧烈[33]。当前，滦河中下游地区水资源开发率已超过90%，冀东沿海唐山评估单位、冀东沿海秦皇岛评估单元、青龙河秦皇岛评估单元和滦河大黑汀下游评估单元的水资源开发利用率甚至接近或达到100%，远超国际公认的40%水资源开发生态警戒线。在水资源禀赋条件薄弱和开发利用强度大的双重压力下，水资源成为制约滦河流域水生态系统承载能力的关键。在气候变化(降水减少、蒸发增强)影响[32, 34]和京津冀协同发展驱动下，滦河流域未来势必面临更加严峻的水资源短缺问题。为提高流域水资源供给服务能力，使水资源开发与经济社会发展相协调，急需深入推进流域中上游水源涵养功能区建设，提升水源涵养能力；同时加强节水型社会建设，全面优化用水结构，特别需针对下游平原区开展农业结构调整，推广绿色节水农业技术。

图3 滦河流域水生态承载力专项评估结果

图4 滦河流域水生态承载力指标贡献定量分析结果

水生生境质量、生物完整性和水文调节功能不佳是导致滦河流域水生态和水安全专项临界超载的主要因素(表3、图2～4)。分析基础数据表明滦河流域河岸带植被覆盖度较低，各控制单元均值为27.6%；特别在流域中下游的冀东沿海唐山评估单元、滦河大黑汀下游评估单元、引滦入津评估单元、冀东沿海秦皇岛评估单元和青龙河秦皇岛评估单元，平均河岸带林草覆盖率仅为11.5%。流域水域面积占比低，各评估单元水域面积比例均值为6.7%；同时，调查发现流域内闸坝群对河流连通性影响较大，除滦河潘大水库上游评估单元和青龙河秦皇岛评估单元外，各评估单元内每100 km河段平均闸坝数达到3.7座，闸坝对河道水量的拦截和水资源开发利用又难以保证生态流量。究其原因，人类社会生产活动是破坏流域水生生境的主因。前人研究指出，农业耕作、超载放牧、毁林开荒等造成滦河流域天然植被破坏，使得流域内植被覆盖度降低和水生态空间被挤占[35]，进一步造成流域土壤沙化、水土流失，破坏流域水文调节功能[36]。水生生境的破坏，进一步影响着水生生物群落生存和繁衍，降低流域水生态系统生物完整性[ 36-37]。内蒙古自治区滦河评估单元水安全专项指标得分最低，拉低了整体承载力分值，水安全专项指标中集中式饮用水水源地水质达标率评估指标得分偏低，调查研究显示，此评估单元内的锡林郭勒盟控制区域内有多伦县、正蓝旗两个集中式饮用水源地，2012年水质监测结果表明，正蓝旗集中式饮用水源地水质类别达到《地下水质量标准》(GB /T 14848-2017)的III类标准，多伦县集中式饮用水水源地水源地水质类别达Ⅳ类，氨氮超标[38]，所以相对于其他评估单元水安全得分较低。为保障滦河流域水生态健康和调蓄安全，提升流域水生态和水安全专项承载能力，须全面加强流域生态系统保护和修复工作。一方面，须加强水生态系统修复和生物多样性保护，通过制定和完善自然保护区科学管理体系，明确河滨湿地岸线空间管控要求，落实流域生态脆弱区水土保持、退耕还林还草和禁牧等治理措施，限制人类对水生态系统的破坏活动，同时可提升流域水文调节、水土保持服务功能。另一方面，对水生生境破坏严重河段，应开展水生态系统修复，促进水生动植物群落完整性恢复与可持续繁衍，实现流域水生态系统健康稳定发展。

滦河流域水环境专项处于安全承载状态，但总体HECCI值并不高(61.3分)，局部地区仍然存在超载风险(表3、图2～4)。从指标贡献看，这主要与滦河流域水环境纳污强度大有关(图4)。首先，滦河流域农业生产活动剧烈，耕地面积比例可达30%，各评估单元平均单位耕地面积化肥施用量和农药施用量分别达到428.1和10.3 kg/hm2，远超过国际化肥和农药施用安全上限(分别约为225 和7 kg/hm2)。同时，流域单位土地面积畜禽养殖量超过480头/hm2，特别在下游各评估单元可达850头/hm2，远超发达国家规定的载畜阈值上限[39]，使得畜禽粪污对地区水环境造成巨大压力。另一方面，在京津冀协调发展背景下，流域经济社会规模不断增加，城镇污染强度加大，导致滦河流域单位面积COD排放量平均达到36.9 kg/(hm2·a)，特别在滦河大黑汀下游评估单元因人口产业密集，单位面积COD排放量甚至接近250 kg/(hm2·a)。在农业与城镇强污染压力下，流域仍表现出较强的水环境净化服务功能(图4)。然而，在城镇化和经济快速发展的驱动下，滦河流域仍然面临着水环境超载的潜在风险。有必要持续推进滦河流域水污染防治工作，重点针对农业生产活动以承载力为硬约束管控化肥农药施用量和载畜量，促进农业向生态化转型；同时需加强水污染控制力度，通过产业结构调整、污水处理升级等，大力削减城镇污染负荷对流域水环境的影响。

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