灤河流域水生態承載力評估研究

任曉慶， 楊中文， 張 遠， 王玉秋， 周凱文，3， 張魯駿

(1.南開大學 環境科學與工程學院， 天津 300350； 2.中國環境科學研究院河流生態保護與修復研究室， 北京 100012； 3.大連海洋大學 水產與生命學院， 遼寧 大連 116023)

1 研究背景

灤河流域生態地位至關重要，是我國京津冀地區的重要生態屏障，也是包括天津、保定、承德等北方大中型城市的重要水源區。隨著經濟社會的快速發展、人口數量急劇增加、城鎮化進程逐步加快、水資源情勢發生變化，流域內水資源供需矛盾突出、水環境污染加劇，水生態系統逐步退化，各種生態環境問題頻繁發生[1]。

近年來，灤河流域先后成為國家生態文明建設(2014年)、國土江河綜合整治(2015年)、山水林田湖生態保護修復(2016年)和生態補償(2016年)等先行示范區。為促進流域生態環境保護和經濟社會發展相協調，亟需以承載力為抓手，系統評估診斷灤河流域水生態環境狀況與短板，為改善流域生態環境建設生態文明提供技術支撐。

承載力是衡量人類活動與自然生態環境間相互關系的科學概念[2-3]，近年來與資源、環境、生態等學科相結合，提出眾多承載力概念[4]。基于生態文明發展理念，水生態承載力(Hydro-Ecological Carrying Capacity, HECC)是針對水生態系統健康保障提出的新興科學概念[5]。“十一五”以來，國家水體污染控制與治理科技重大專項(水專項)針對水生態承載力開展了大量基礎科學研究。在其推動下，水生態承載力研究在概念內涵[6-7]、評價指標[8-9]、評價方法[10-11]等方面均取得了長足進展。張遠等[12]回顧了水生態承載力的發展歷程，基于水生態系統功能特性科學辨析了其概念內涵，并提出涵蓋“水資源-水環境-水生態-水安全”四維功能要素的承載力指標體系，為水生態承載力系統科學評估和未來流域生態環境綜合管理奠定了基礎。

當前，灤河流域承載力研究基礎薄弱，前人僅針對水資源[13]和水環境[14]單方面進行了初步探索，而未從水生態系統功能完整性角度系統解析流域承載力及其限制因素。為全面診斷灤河流域水生態環境狀況，本研究擬構建基于水生態系統功能完整性的承載力評估技術方法，從“水資源-水環境-水生態-水安全”四個維度系統評價了灤河流域水生態承載力狀態并識別關鍵影響因素，以期為流域水生態環境與經濟社會協調發展提供指導。

2 材料與方法

2.1 研究區概況

灤河(包括冀東諸河)位于華北平原東北部(東經115°30′～119°45′、北緯39°10′～42°40′)，是海河流域四大水系之一，發源于河北省巴彥古爾圖山北麓，向東南流經內蒙古、河北和遼寧后，于河北樂亭縣匯入渤海，全長888 km。灤河流域面積為54 580 km2，北部地勢較高，南部地勢較低，包括高原、山地和平原地貌，其中高原山脈面積占流域總面積的86%；流域年均降水量為400～700 mm，多年平均徑流量為47.47×108m3。依據《水污染防治行動計劃》(國發﹝2015﹞17號)，將灤河流域劃分成30個控制單元區。進一步綜合考慮灤河流域水系分布、地理位置、功能定位等特點，將地理區位相近、生態環境相似、服務功能相同的控制單元合并，最終形成9個水生態承載力評估基本單元。灤河流域水系概況與評估單元劃分見圖1。

2.2 數據收集與調查分析

本研究數據來源主要包括歷史統計資料和野外水生態調查數據。通過數據收集，獲得系列統計資料包括：流域內各縣2013-2016年統計年鑒、水資源公報、環境統計數據、近年流域土地利用數據和各類斷面水質監測數據、水文站及閘壩信息(包括2007-2016年流量監測數據)等。2016年9月-2017年5月期間，對灤河流域開展了系列生態環境調查。以每300～500 km2設置1個點位，在灤河干流及主要支流布設采樣點。其中，灤河干流及主要支流布設點位46個，冀東沿海諸河布設點位26個，引灤線路2個點位，共計74個監測點。監測樣品的采集、保存和運輸、監測等均按技術規范[15]進行，并依據文獻[16]測定樣品中氨氮、總氮、總磷的濃度；流域內魚類、藻類和大型底棲動物采集與分析方法參考文獻[17]。

2.3 評價方法

基于灤河流域的生態環境特征，本文從生態系統功能完整性的角度構建水生態承載力評估指標體系，并結合主客觀賦權綜合法提出水生態承載力評估及指標貢獻量化方法。

2.3.1 指標體系構建 基于流域水生態系統服務功能特性[18]及其分類體系[19]，考慮水生態系統對人類社會活動的承載關系，圍繞“水資源-水環境-水生態-水安全”(Water Resources-Environment-Ecosystem-Security，WaREES)4個服務功能維度，建立WaREES水生態承載力指標框架。

基于灤河流域生態環境特征和數據收集調查情況，結合國家“三線一單”管控需求[20]和專家經驗判斷，選擇18個代表性評估指標，構建灤河流域水生態承載力“專項-分析-評估”3級指標體系，如表1所示。

表1 灤河流域水生態承載力指標體系及其賦權

注：標“★”的評估指標采用主成分分析法賦權，其他指標采用主觀賦權。

2.3.2 指標賦分賦權 通過針對待評估區域調查、歷史數據收集和指標分析計算(參見表1中參考文獻)，獲得各評估指標值。各評估指標的賦分標準主要依據國家標準、相關技術指南、參考文獻和專家經驗[29-30]。

采用“主成分分析+專家打分”主客觀結合賦權方式，對“專項-分項-評估”3級指標分別確定權重，以綜合體現決策人員主觀意志與決策問題客觀實際。其中，對于頂層專項指標(4個)與分項指標(8個)，均采用專家主觀賦權方式確定其權重；考慮評估指標對上級分項指標的獨立貢獻關系，對指標分散、不確定性較高的相關評估指標(表1中以★標注)采用基于主成分分析(PCA)的客觀賦權方法[31]確定其權重，其他獨立評估指標則均主觀賦權為1(表1)。

2.3.3 綜合評估分級 基于各指標賦分和權重值，開展評估指標-分項指標-專項指標自下而上逐層綜合評估，步驟如下：

(1)根據評估指標賦分值，分別加權求和計算相應分項指標值，如下式：

(1)

式中:Fij為第i個專項指標中第j個分項指標值的分值；Pijk為第i個專項指標的第j個分項指標中第k個評估指標的分值；Wijk為第i個專項指標的第j個分項指標中第k個評估指標的權重；n為第j個分項指標中包含評估指標的個數。

(2)進一步加權求和計算各專項指標分值：

(2)

式中：Zi為第i個專項指標的分值；Wij為第i個專項指標的第j個分項指標的權重；m為第i個專項指標下包含分項指標個數。

(3)計算水生態承載力指數(HECCI)值：

(3)

式中：Wi為第i個專項指標的權重。

(4)等級評判。將水生態承載力狀態分為5級：最佳承載、安全承載、臨界承載、超載和嚴重超載，相應分級標準如表2所示。據表2，分別評判各

專項指標和HECCI分值對應的承載力狀態等級。

表2 承載狀態分級標準

2.3.4 指標貢獻量化 為明確各評估指標對HECCI的貢獻，進一步提出指標貢獻定量計算方法，如下式所示：

CPijk=Pijk·Wijk·Wij·Wi

(4)

式中：CPijk為第i個專項指標的第j個分項指標中第k個評估指標對HECCI的貢獻值。

3 結果與分析

3.1 灤河流域總體承載狀態

灤河流域9個評估單元HECCI分值介于43～54之間，平均值為48.1分，總體上呈臨界超載狀態(表3、圖2)。從空間分布看(圖2)，處于中游山區的灤河潘大水庫上游評估單元、引灤入津評估單元和遼寧省青龍河評估單元(編號7～9)承載狀態較好，HECCI均值為52.0；下游平原區的天津市于橋水庫評估單元、灤河大黑汀下游評估單元、青龍河秦皇島評估單元、冀東沿海唐山評估單元和冀東沿海秦皇島評估單元(編號1～5)承載力偏弱，HECCI均值為46.6；上游內蒙古自治區灤河評估單元(編號6)承載力狀態最差。

表3 各評估單元專項與HECCI評分值及總體承載狀態

3.2 灤河流域專項承載狀態

(1)水資源。如圖3和表3所示，水資源專項在灤河流域大部分評估單元中呈現超載甚至嚴重超載狀態。其中，呈水資源嚴重超載的區域包括下游平原區的冀東沿海唐山評估單元、青龍河秦皇島評估單元、冀東沿海秦皇島評估單元和灤河大黑汀下游評估單元(專項評分均<10)，以及中游山區的引灤入津評估單元和灤河潘大水庫上游評估單元(專項評分僅為11.5和12.0)。上述結果表明，從水資源稟`賦和水資源利用角度看，灤河全流域承載狀態極差，嚴重影響流域水生態系統整體承載能力。

圖1 灤河流域水系概況與評估單元劃分圖

圖2 灤河流域各評估單元HECCI和專項指標得分

(2)水環境。灤河流域各評估單元水環境專項得分介于44.9～77.3分之間，中游的遼寧省青龍河評估單元和天津市于橋水庫評估單元水環境承載狀態相對較差，處于臨界超載狀態，專項得分均小于50。說明從水環境納污和水環境凈化服務角度看，灤河流域水環境專項承載狀況總體較好，但在局部地區不容樂觀，處于臨界超載狀態。

(3)水生態。灤河流域各評估單元水生態專項得分介于37.8～58.1之間，其中冀東沿海唐山評估單元被評為超載狀態，水生態專項得分僅為37.8。表明灤河流域水生生境維持和水生生物保育狀況不佳，使得流域水生態專項承載力瀕臨超載的邊緣。

(4)水安全。灤河流域各評估單元水安全專項得分介于22.2～80.2之間，大部分單元為安全承載等級以上，無嚴重超載區域。其中，灤河潘大水庫上游評估單元為最佳承載狀態，引灤入津評估單元、青龍河秦皇島評估單元、灤河大黑汀下游評估單元等5個中下游評估單元水安全承載等級相對較好(安全承載，專項得分>60)。表明從調蓄安全和用水安全角度看，灤河流域總體水安全狀況較好，但在中上游局部地區水安全保障不力。

3.3 指標貢獻定量分析

如圖4所示，灤河流域水生態承載力各評估指標對HECCI的平均貢獻量為22.8分；其中貢獻量最大的評估指標為D21集中式飲用水源地水質達標率(累計貢獻104.8分)，其次是B211水質綜合得分(累計貢獻77.3分)；其他評估指標貢獻量明顯偏低。綜合計算各分項指標貢獻率得出，用水安全指數貢獻率最高，為24.2%；其次是水環境凈化指數，貢獻率為17.9%；水環境納污指數、水生生物指數和水生生境指數對流域HECCI的貢獻率相對較低，分別為14.0%、13.2%和12.4%；水資源稟賦指數、調蓄安全指數和水資源利用指數對HECCI的貢獻率明顯低于分項指標平均水平(12.5%)，分別僅為6.4%、6.4%和5.5%。各專項指標的HECCI綜合貢獻率排序為：水環境(31.9%)>水安全(30.6%)>水生態(25.6%)>水資源(11.9%)。總之表明，灤河流域水環境凈化和水安全保障功能較好，維持了流域水生態承載力；而水資源稟賦、水資源開發和利用是制約該流域水生態承載力的關鍵因素；同時，水環境納污(農業生產、城鎮排污)、水生生境條件(河岸帶林草覆蓋率、水域面積、河流連通性等)、水生生物完整性、水文調節功能等表現不佳，限制了灤河水生態承載力的提升。

4 討 論

依據承載力評估結果(表3、圖2、3)，水資源是限制灤河流域承載力的關鍵短板，相應的水資源稟賦和水資源利用分項指標對HECCI的貢獻率極低(圖4)。這與灤河流域水資源實際狀況相符。在水資源稟賦方面，灤河流域處于半濕潤半干旱大陸性氣候區，水資源稟賦條件差，所涉9個評估單元中有8個評估單元處于國際重度缺水等級(人均水資源量低于1 000 m3)，其中冀東沿海唐山評估單元、青龍河秦皇島評估單元、灤河大黑汀下游評估單元和冀東沿海秦皇島評估單元人均水資源量更是低于國際極度缺水的警戒線(500 m3)。在水資源開發利用方面，自20世紀70年代起，灤河干流和一級支流青龍河上陸續修建了潘家口、大黑汀等大型控制性骨干水利工程，建成引灤入津、引灤入唐、引青濟秦等工程體系[32]；同時，在灤河下游平原區農業生產對水資源的開發活動較劇烈[33]。當前，灤河中下游地區水資源開發率已超過90%，冀東沿海唐山評估單位、冀東沿海秦皇島評估單元、青龍河秦皇島評估單元和灤河大黑汀下游評估單元的水資源開發利用率甚至接近或達到100%，遠超國際公認的40%水資源開發生態警戒線。在水資源稟賦條件薄弱和開發利用強度大的雙重壓力下，水資源成為制約灤河流域水生態系統承載能力的關鍵。在氣候變化(降水減少、蒸發增強)影響[32, 34]和京津冀協同發展驅動下，灤河流域未來勢必面臨更加嚴峻的水資源短缺問題。為提高流域水資源供給服務能力，使水資源開發與經濟社會發展相協調，急需深入推進流域中上游水源涵養功能區建設，提升水源涵養能力；同時加強節水型社會建設，全面優化用水結構，特別需針對下游平原區開展農業結構調整，推廣綠色節水農業技術。

圖3 灤河流域水生態承載力專項評估結果

圖4 灤河流域水生態承載力指標貢獻定量分析結果

水生生境質量、生物完整性和水文調節功能不佳是導致灤河流域水生態和水安全專項臨界超載的主要因素(表3、圖2～4)。分析基礎數據表明灤河流域河岸帶植被覆蓋度較低，各控制單元均值為27.6%；特別在流域中下游的冀東沿海唐山評估單元、灤河大黑汀下游評估單元、引灤入津評估單元、冀東沿海秦皇島評估單元和青龍河秦皇島評估單元，平均河岸帶林草覆蓋率僅為11.5%。流域水域面積占比低，各評估單元水域面積比例均值為6.7%；同時，調查發現流域內閘壩群對河流連通性影響較大，除灤河潘大水庫上游評估單元和青龍河秦皇島評估單元外，各評估單元內每100 km河段平均閘壩數達到3.7座，閘壩對河道水量的攔截和水資源開發利用又難以保證生態流量。究其原因，人類社會生產活動是破壞流域水生生境的主因。前人研究指出，農業耕作、超載放牧、毀林開荒等造成灤河流域天然植被破壞，使得流域內植被覆蓋度降低和水生態空間被擠占[35]，進一步造成流域土壤沙化、水土流失，破壞流域水文調節功能[36]。水生生境的破壞，進一步影響著水生生物群落生存和繁衍，降低流域水生態系統生物完整性[ 36-37]。內蒙古自治區灤河評估單元水安全專項指標得分最低，拉低了整體承載力分值，水安全專項指標中集中式飲用水水源地水質達標率評估指標得分偏低，調查研究顯示，此評估單元內的錫林郭勒盟控制區域內有多倫縣、正藍旗兩個集中式飲用水源地，2012年水質監測結果表明，正藍旗集中式飲用水源地水質類別達到《地下水質量標準》(GB /T 14848-2017)的III類標準，多倫縣集中式飲用水水源地水源地水質類別達Ⅳ類，氨氮超標[38]，所以相對于其他評估單元水安全得分較低。為保障灤河流域水生態健康和調蓄安全，提升流域水生態和水安全專項承載能力，須全面加強流域生態系統保護和修復工作。一方面，須加強水生態系統修復和生物多樣性保護，通過制定和完善自然保護區科學管理體系，明確河濱濕地岸線空間管控要求，落實流域生態脆弱區水土保持、退耕還林還草和禁牧等治理措施，限制人類對水生態系統的破壞活動，同時可提升流域水文調節、水土保持服務功能。另一方面，對水生生境破壞嚴重河段，應開展水生態系統修復，促進水生動植物群落完整性恢復與可持續繁衍，實現流域水生態系統健康穩定發展。

灤河流域水環境專項處于安全承載狀態，但總體HECCI值并不高(61.3分)，局部地區仍然存在超載風險(表3、圖2～4)。從指標貢獻看，這主要與灤河流域水環境納污強度大有關(圖4)。首先，灤河流域農業生產活動劇烈，耕地面積比例可達30%，各評估單元平均單位耕地面積化肥施用量和農藥施用量分別達到428.1和10.3 kg/hm2，遠超過國際化肥和農藥施用安全上限(分別約為225 和7 kg/hm2)。同時，流域單位土地面積畜禽養殖量超過480頭/hm2，特別在下游各評估單元可達850頭/hm2，遠超發達國家規定的載畜閾值上限[39]，使得畜禽糞污對地區水環境造成巨大壓力。另一方面，在京津冀協調發展背景下，流域經濟社會規模不斷增加，城鎮污染強度加大，導致灤河流域單位面積COD排放量平均達到36.9 kg/(hm2·a)，特別在灤河大黑汀下游評估單元因人口產業密集，單位面積COD排放量甚至接近250 kg/(hm2·a)。在農業與城鎮強污染壓力下，流域仍表現出較強的水環境凈化服務功能(圖4)。然而，在城鎮化和經濟快速發展的驅動下，灤河流域仍然面臨著水環境超載的潛在風險。有必要持續推進灤河流域水污染防治工作，重點針對農業生產活動以承載力為硬約束管控化肥農藥施用量和載畜量，促進農業向生態化轉型；同時需加強水污染控制力度，通過產業結構調整、污水處理升級等，大力削減城鎮污染負荷對流域水環境的影響。

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5 結 論

(1)灤河流域水生態系統總體呈臨界超載狀態，流域9個評估單元HECCI值介于43.8～53.8之間，專項評估中僅水環境呈安全承載狀態(平均評分為61.3)，水安全和水生態均為臨界超載狀態(平均評分分別為58.9和49.2)，而水資源在多數評估單元嚴重超載(平均評分僅為22.9)。

(2)水資源稟賦和強開發利用是限制灤河流域承載力的關鍵短板。水資源稟賦指數和水資源利用指數對流域HECCI的貢獻率明顯低于分項指標平均水平(12.5%)，分別僅為6.4%和5.5%。

(3)導致灤河流域水生態和水安全專項臨界超載的主要控制要素是水生生境質量、水生生物完整性和水文調節功能。水生生境指數、水生生物指數和水文調節指數對流域HECCI的貢獻率分別為13.2%、12.4%和6.4%。

(4)灤河流域水環境專項處于安全承載狀態，但局部區域仍然存在超載風險。在流域農業生產和城鎮化發展影響下，污染排放強度較大，水環境納污指數對流域HECCI的貢獻率偏低(14%)。

(5)所提出的水生態承載力評估技術具有科學性與實用性。基于水生態系統功能完整性，以WaREES框架科學建立了水生態承載力指標體系和綜合評估方法，從“水資源-水環境-水生態-水安全”4個維度8個方面系統診斷承載力狀態，并可定量化識別影響承載狀態的關鍵因素，可為流域或區域水生態環境管理提供指導。