水生態文明城市建設對城市水生態承載力的影響
——以武漢市為例

岳啟蒙,文 倩,賀 奕,田 培,*,王纖陽,魚京善, 朱占亮

1 華中師范大學 地理過程分析與模擬湖北省重點實驗室/城市與環境科學學院,武漢 430079 2 北京師范大學 水科學研究院,北京 100875

城市作為人類活動的高度集中地,其內部“社會-經濟-自然”系統存在復雜變化特征[1-3]。快速城鎮化引發了資源短缺與低效利用、環境污染、生態失衡與承載力下降等問題,嚴重威脅城市宜居性與經濟社會可持續發展[4]；另外,城市水污染、水生態退化等問題亦逐步凸顯。水是生態系統控制性要素[5],水利部自2013年開始在全國范圍內先后選擇了105個基礎條件較好、代表性和典型性較強的城市,開展水生態文明城市試點建設工作,并于2019年完成了所有試點城市的驗收。水生態文明城市建設對城市水生態系統具有多方面影響,學者們從不同角度建立評價指標體系對水生態文明城市建設成果進行了評價,如灰色粗糙集[6]、層次分析法和BP神經網絡[7]、熵權法[8]、 DPSRIM模型[9]等。

水生態承載力是一個以生態承載力、水資源承載力和水環境承載力為基礎上發展而來的,具有復合性和動態性的承載力概念；城市水生態承載力是衡量城市水生態系統健康的重要維度[10],可作為評價經濟社會發展與生態環境保護是否相協調的重要依據。城市水生態系統是水生態文明城市建設的重要組成部分,城市水生態承載力也是國家《生態文明體制改革總體方案》[11]和“三線一單”的主要關注對象之一,城市水生態承載力在水生態文明城市建設前后的定量變化可以直觀反映水生態文明城市建設的成果。國內外學者開展的水生態承載力評價研究具有不同側重點。國外少有單純的水生態承載力研究,傾向于將其作為生態承載力和環境承載力評價的一部分進行探討[12]。而國內學者多是基于流域和區域進行整體評價,如任曉慶等[13]運用主成分分析法和專家打分法從“水資源-水環境-水生態-水安全”4 個維度對灤河流域的水生態承載力進行了評價；Zhang等[14]結合層次分析法和系統動力學方法,設置了6種情景對吉林省四平區域的水生態承載力進行了模擬預測分析；Rong等[15]使用ISFCCMIP模型對新豐江水庫的水生態承載力進行模擬與評價,為決策者對該區域農業結構和人口規模調整提供參考。總體而言,目前水生態承載力的研究以流域和大區域尺度為主,以單個城市為對象的研究相對較少,尤其是評價水生態文明城市建設對城市水生態承載力定量影響的研究鮮見報道。因此,將水生態承載力與生態文明建設相結合,通過對比分析水生態文明城市建設前后的水生態承載力定量變化及其驅動因素,可為城市生態建設與管理提供重要基礎數據和科技支撐。

綜上所述,本文以水生態文明城市試點建設為背景,以“社會-經濟-自然”復合生態理論為指導,充分考慮人類活動與城市水生態系統的響應關系,基于DPSIR框架構建考慮水生態文明城市建設效應的城市水生態承載力評價指標體系,采用TOPSIS和障礙度診斷模型定量評價城市水生態承載力并識別其制約因子,以期為促進城市可持續發展與水生態保護相協調提供科學依據；并以武漢市為例開展應用研究,研究結果可為武漢市水生態規劃、管理和保護提供決策參考,也可為評價水生態文明城市建設成果及其制約因素提供參考。

1 城市水生態承載力評價方法

1.1 城市水生態承載力內涵

城市水生態系統是由水系統和人文系統兩個子系統中各影響因素組成,且不同因素之間存在相互作用和制約[16]。國內外學者對水生態承載力的定義和內涵進行了研究,如譚紅武等[17]將水生態承載力定義為:在維持河湖生態子系統自身結構、功能的穩定及其所支持的社會經濟子系統可持續運行的前提下,社會經濟河湖復合生態系統所能支撐的一定技術、生活水平下的社會經濟規模閾值；張遠等[18]認為水生態承載力是在一定發展階段,一定技術水平條件下,某空間范圍內的水生態系統在維持自身結構功能長期穩定、水生態過程可持續運轉的礎上,具有為人類社會活動提供生態服務產品的能力；Zhang等[14]認為水生態承載力是基于承載力理論與響應機制探索人類活動與水生態環境之間的矛盾,它可以合理評估維持區域水生態環境健康的社會經濟規模閾值。總體而言,水生態承載力相比于水資源承載力和水環境承載力更加強調研究“水生態—人類社會”復雜系統間互饋關系,具有巨系統、多要素、動態互饋等特性[19]。本文認為水生態承載力是水資源-水環境-水生態-經濟社會復合系統間多要素互饋關系,如圖1所示(實線、虛線箭頭分別表示正向、負向作用)。

圖1 城市水生態系統不同要素正負互饋關系Fig.1 Mutual feedback relationship reflected by urban water ecological carrying capacity

城市發展驅動因素如人口規模擴大、經濟社會發展等對水資源、水環境和水生態系統造成壓力(圖1),引起城市水生態系統失衡,并間接影響城市用水效率。雖然影響反饋到社會經濟各部門的方式不一,但最終都會導致水資源的供需矛盾突出、水體污染加劇,進而影響城市水生態健康；另一方面會激發對水資源、水生態環境保護及管理體制的改革,而這些變化又會對經濟、社會、水生態系統產生進一步影響。所以建立城市水生態承載力評價體系時需要綜合考率社會、經濟和自然的多項指標。

1.2 城市水生態承載力評價指標體系構建

驅動力-壓力-狀態-影響-響應(DPSIR)概念模型是1993年歐洲環境局在壓力-狀態-響應(PSR)模型基礎上發展而來,其涵蓋社會、經濟、政治和生態等多種元素,主要反映人類社會經濟活動對生態的影響[20]。本研究參考DPSIR模型構建城市水生態承載力評價指標體系,該模型中“驅動力”是促使水生態承載力發生變化的各種經濟、社會驅動因素；“壓力”是生產及生活活動對水生態承載力造成的影響；“狀態”是指水生態承載力在驅動力和壓力共同作用下的表現；“影響”是當水生態承載力發生變化時所產生的一系列效應；“響應”是人類針對水生態承載力變化所采取的措施和對策。按照選取指標具備代表性和可獲得性原則,綜合已有研究成果[21-25],結合現有水生態文明城市和城市水生態承載力內涵[13-19],確定指標體系,如表1所示。其中生態環境狀況指數(EI)是通過土地利用類型、水土流失、水資源量、降水量、主要污染物排放量和植被覆蓋度等數據,分別處理得到生物豐度指數、植被覆蓋指數、水網密度指數、土地脅迫指數和污染負荷指數等五個分指數,再由這五個分指數加權得到[26-27]。本研究采用熵權法對指標權重進行賦值,可有效減少主觀因素干擾[28],具體計算過程參見文獻[8]。

表1 城市水生態承載力評價體系

1.3 TOPSIS模型

Yoon和Hwang[30]提出逼近于理想解的排序法即TOPSIS模型,該模型旨在對多維度、多項指標進行比較。依據評價對象到最優解和最劣解的距離進行排序,其計算步驟為：

Vij=Wi·Xij

(1)

V+={maxVij|i=1,2,…,m;j=1,2,…,n}

(2)

V-={minVij|i=1,2,…,m;j=1,2,…,n}

(3)

(4)

(5)

(6)

1.4 障礙度診斷模型

利用障礙度診斷模型可以診斷和測算影響城市水生態承載力的障礙因素及障礙度[31-32]。某項指標的障礙度越小,說明城市水生態承載力受該項指標的阻礙作用越弱,反之亦然。障礙度計算涉及因子貢獻度和指標偏離度兩個衡量指標[33-34]。計算步驟為：

Fij=wij·wi

(7)

Iij=1-Yij

(8)

(9)

式中,wij為第i個準則層第j個指標的權重；wi為第i個準則層的權重；Fij為因子貢獻度；Iij為指標偏離度；Yij為無量綱化后的指標值；Pij為障礙度。

2 研究區概況與數據來源

2.1 研究區概況

武漢地處長江中游、江漢平原東部,長江及其最大支流漢江在城中交匯,市內江河縱橫、湖港交織,水域面積占全市總面積四分之一[35],如圖2所示。氣候類型主要為亞熱帶季風性(濕潤)氣候,常年雨量豐沛、熱量充足、雨熱同季。根據《湖北省2020年統計年鑒》顯示,截止2019年武漢市土地面積8569 km2,人口、經濟總量分別占湖北省的21.37%和35.36%。武漢市社會經濟快速發展對資源環境以及生態安全造成了較大壓力,尤其在水生態方面較突出。1987—2016年,武漢主城區湖泊水域面積共縮減 82 km2,減少幅度達56.9%[36]。武漢濕地面積由2000年第一次普查時的3358.35 km2,減少到2010年的3196 km2,凈減少162.5 km2[37]。2014年5月,武漢市被列入第二批59個全國水生態文明城市建設試點,建設期為2015年至2017年。

圖2 研究區示意圖Fig.2 Map of study area

2.2 數據來源

D1、D2、D3、D3、D4、I2、I3、R1、R2、R4指標數據來源于2008—2020年《湖北統計年鑒》、《武漢統計年鑒》和《武漢市經濟與發展公報》；P1、P2、P3、P4、P5、S1、S2、S3、S4、S5、I5、I6、I7、I8指標數據取自2008—2019年《湖北省水資源公報》和《武漢市水資源公報》；P6和R3指標數據來自于2008—2019年《湖北省水土保持公報》、《武漢市水土保持公報》和《湖北農村統計年鑒》；I1和I4指標數據來源于2008—2019年《湖北省生態環境公報》。

3 結果與討論

3.1 指標權重

通過熵權法對武漢市2008—2019年28項指標進行處理,得到各指標權重及綜合權重結果如表2所示。

表2 指標權重

在28項指標中,權重不小于0.04的指標有6項,其中驅動力準則層有兩項,分別為D1和D3；壓力準則層有兩項,分別為P1和P2；狀態準則層有一項,為S1,且其權重為0.0927,遠高于其他指標的權重；影響準則層有1項,為I1。響應準則層的權重值最低(0.1131)且遠低于其他4個準則層,一定程度上說明武漢市整體的水生態修復效果欠佳。影響準則層的權重(0.2886)最大,說明驅動力和壓力的變化對狀態產生了強大影響,而這種影響直接反映到了城市水生態的變化上,其中生態環境狀況指數(I1)獲得了最大權重(0.0423),這是因為I1是通過生物豐度指數、植被覆蓋指數、水網密度指數、土地脅迫指數和污染負荷指數綜合計算得出,是對城市水生態變化反應最敏感的影響指標。上述結果表明降水對城市的水資源利用上限有決定性作用,影響準則層的指標對城市水生態承載力評價有著重要意義,武漢市的水生態文明城市建設通過提高城市綠化率、用水效率、水質等措施來促進水生態承載力提升。另一方面,響應指標層的權重較低,則反映出在整個研究的時間段內,盡管對城市水生態健康的重視程度不斷增強,但是政策及工程措施的實施效果還不夠理想。

3.2 武漢市水生態承載力評價

3.2.1總體評價結果

武漢市2008—2019年的水生態承載力得分通過貼近度的結果來反映,如表3所示。將研究時段分為3個階段：水生態文明城市建設前(2008—2014)；水生態文明城市試點建設期(2015—2017)；水生態文明城市試點建設結束后(2018—2019)。

表3 武漢市城市水生態承載力評價體系評價結果

由圖3和圖4可以看出準則層和綜合評價結果在2008—2019年間的整體變化趨勢,整體呈現“M”態勢,水生態文明城市試點建設期間的武漢市水生態承載力平均水平(0.552)高于建設前(0.361)和建設后(0.438)。

圖3 準則層評價結果Fig.3 Evaluation results of the rule layer

3.2.2水生態文明城市建設前(2008—2014)

武漢市的水生態承載力在2008—2014年間整體保持在較低水平,僅2010年有一個小高峰(0.483分),得益于該年降水豐沛導致的自然稟賦提升,該年的驅動力、狀態和響應準則層的貼近度都達到了水生態文明城市建設前的最高水平。且在2009年頒布《武漢市水土保持條例》和《武漢市濕地自然區保護條例》等條例之后,2010年是實施的第一年,而這也很明顯的反映在了水土流失治理面積的增加和生態投資的提升上。然而在2011—2013年武漢市的整體水生態承載力出現了大幅度下降,降水量依舊對武漢市水生態承載力有著決定性作用,尤其是2011年的年降水量僅為82.42億m3,遠低于其他年份,加上水生態保護措施力度不夠和人口不斷增長,從而使得2011年的綜合得分僅為0.312。這種情況在2012年武漢市頒布《武漢市水資源綜合規劃(2010—2030 年)》和《武漢市城市供水用水條例》之后有所改善,但是2013年武漢市水生態承載力再次降至2011年以來最低水平,2014年武漢市開始了海綿城市試點建設,因而2014年的城市水生態承載力有所回升,而這主要體現在了影響準則層得分的大幅提高上。

圖4 2008—2019年武漢市水生態承載力綜合貼近度評價結果Fig.4 Evaluation results of comprehensive closeness of water ecological carrying capacity in Wuhan City from 2008 to 2019

3.2.3水生態文明城市建設期(2015—2017)

在水生態文明城市試點建設的2015—2017年期間,城市水生態承載力大幅提升,并在2016年達到峰值(0.672分),是2011和2013年得分的兩倍有余。觀察降雨量數據會發現2015—2017年的年均降雨量要遠遠高于其余年份,雖然降雨的主要影響因素是自然氣候變化,但是人類活動也會對降雨量產生一定影響,通過水生態文明城市建設和水文化普及,越來越多居民建立了水生態保護意識,綠色出行、節約用水等行為更普遍。盡管在建設的這段時間里人口密度和城市化率不斷提高,但是產業結構的優化升級,用水效率的大幅提高致使生產耗水量持續減少,城市水生態壓力減低,也使得酸雨率大幅降低,這些因素結合起來導致了生態環境狀況指數的持續增長,水生態文明城市建設對城市的水生態承載力的提升是顯著的。

3.2.4水生態文明城市建設后(2018—2019)

圖5 武漢市水生態承載力綜合評價正負理想解的距離變化Fig.5 Change in the distance of Ideal and non-ideal Solutions for Comprehensive Evaluation of Water Ecological Carrying Capacity in Wuhan City

試點建設結束后,2018—2019年武漢市水生態承載力出現了小幅下降,但總體上仍高于建設前的水平,這主要是因為人口密度大幅增長導致了生活耗水量快速增加,經濟快速發展也使生產耗水量相較試點建設期間的水平有所提高。城市水生態承載力的壓力增大,而應對措施卻沒有跟上,水生態文明城市建設的成果沒有很好繼承下來。由圖5可以看出,武漢市的正理想解和負理想解的變化大體呈對稱分布,在2008—2016年波動下降,并于2016年達到最低值(0.0455)即最接近正理想解, 此后又逐漸偏離正理想解。而在2008—2016年波動上升,并于2016年達到最高值(0.0934)即最遠離負理想解,此后雖然有所降低,但是整體還是高于2008—2015水生態文明城市建設之前的水平。這說明了武漢市水生態承載力在水生態文明城市建設之后有了很大提升,但是社會經濟發展與水生態保護的協調度不夠。

陳威等[38]認為武漢市2008—2020年水資源承載力呈持續增長趨勢,而本研究顯示武漢市水生態承載力在2008—2014年保持較低水平,在2015—2017年大幅提升,并在2018—2019年小幅降低。這主要與陳威等[38]的研究是在水生態文明城市建設之前,采用的是2008—2012年武漢市相關數據有關。水生態文明城市建設期間的評價結果與楊康煜等[39]一致,均認為承載力在2015—2017年大幅提升,并在2018年增速大幅降低甚至為負；但楊康煜等認為 2016—2017武漢市水資源承載力持續大幅提高,而本文結果則反映出大幅降低趨勢,這主要與楊康煜等采用的是PSR模型及指標數量偏少有關。另外,萬炳彤等[40]認為武漢市水環境承載力在2015—2018年持續提高,主要是因為其指標體系未考慮降雨量和水生態指標。

3.3 武漢市水生態承載力障礙因素

3.3.1指標層障礙度

運用障礙度診斷模型計算出2008—2019年阻礙武漢市水生態承載力提升的主要障礙因子以及其障礙度,選取所占比重排前五的指標,如表4所示。

2008—2019年武漢市水生態承載力的主要障礙因子全部來源于影響準則層,盡管排名有微小變化但排名前五的一直是I1,I2,I8,I4和I5(表4)。由于I1是由生物豐度、植被覆蓋、水網密度、土地脅迫和污染負荷指數綜合計算而來,而這也是受人類活動影響最大的生態指標,會對不同的政策導向、城市規劃產生應激響應。觀察年際變化會發現生物豐度指、植被覆蓋和水網密度指數是在不斷降低的,這是由于武漢城市化發展導致了河流湖面水域面積快速縮小,棲息地大范圍減少對水生態系統造成不利影響。土地脅迫和污染負荷指數則呈現逐漸提升趨勢,說明水生態文明城市建設、污水處理技術提高以及污水處理廠增多使得環境質量整體有所改善。I2的障礙度主要體現在綠化覆蓋率直接影響到了水生態循環,這種影響也導致了I1障礙度的提高。2012—2013年是水生態文明建設前I8值最低的兩年,而2016—2017年是整個時間序列中I8值最低兩年,其余年份的I8都表現出了波動上升趨勢。I4的障礙度主要在于酸雨對生態系統會產生很大危害,這主要表現在植物葉片受到直接損害和土壤理化性質的惡化上,而I5的障礙度則直接和水質安全掛鉤。

表4 2008—2019年武漢市水生態承載力主要障礙因子及障礙度

3.3.2準則層障礙度

進一步計算DPSIR五個子系統的障礙度,結果如圖6所示。

2008—2019年,武漢市水生態承載力子系統障礙度盡管有一定波動但保持相對穩定,這與李少朋等[41]的結論相同。分類障礙度的總體情況表現為影響準則層>壓力準則層>驅動力準則層>狀態準則層>響應準則層,其中影響準則層對整個水生態承載力的障礙度超過50%,說明了驅動力—壓力—狀態的共同作用直接體現在了影響上。可見,為提升武漢市水生態承載力,必須重視影響準則層的指標。

3.4 提升武漢市水生態承載力的對策

武漢市水生態文明城市建設促進了壓力和影響準則層指標的改善以及響應準則層指標的大幅提升；但值得注意的是,用水效率和酸雨率指標在武漢市試點結束之后均出現了一定程度惡化趨勢,且城市綠化、水資源利用效率、污染控制依舊是維持武漢市水生態承載力的重點指標。因此,從以下三方面提出相應對策。

3.4.1改善城市綠化水平,提升水域生態空間

生態環境狀況指數和建成區綠化覆蓋率是武漢市水生態承載力提高的最主要障礙因素,這與張歡等[42]的結論吻合。根據《城市園林綠化評價標準(GB50563—2010)》,2008—2019年武漢市的建成區綠化覆蓋率僅在2019年達到一級水平(40.0%),其余年份均未達到一級水平。然而,Nathwani等[43]認為綠化覆蓋率的對生態系統安全的作用并不重要,這是由于其研究對象為沿海城市。從水域面積上看,謝啟姣等[36]發現武漢主城區湖泊水域面積在1987—2016年共縮減 82km2,減少了56.9%,且越靠近城市建成區,湖泊面積縮減越明顯。因此,仍需改善城市綠化水平,修復河湖生態；建議劃定湖泊“三線”鎖定其水生態空間,采取“一河一策”、“一湖一策”,優化、保護和恢復河湖水域等水生態空間。

3.4.2落實最嚴格水資源管理制度,提高水資源利用效率

農田畝均用水量和引用水源地水質達標率作為障礙度排名靠前的指標,反映了用水效率和用水安全對武漢市水生態承載力的顯著影響。試點建設結束后,武漢市萬元GDP用水量和農田畝均用水量均較建設期的最低值提高了16.7%和35.1%,說明水生態文明城市建設成果沒有很好地延續。該結論與楊康煜等[39]的結果不同,其認為2015—2018年武漢市的用水效率不斷提高,這一差異與楊康煜等的指標數量不足且僅使用單一評價方法有關。最嚴格水資源管理制度已被證明對農業[44]和工業用水效率[45]有顯著提升作用。建議武漢市深化總量強度雙控制的最嚴格水資源管理制度,以健全水生態空間開發保護制度為抓手,以水資源資產產權、水資源有償使用和生態補償制度為重點,以制度引導、規范和約束各類開發利用水資源的行為。

3.4.3引導產業結構轉型,源頭控制污染排放

酸雨率是阻礙武漢市水生態承載力提高的主要指標之一,而王苗等[46]認為武漢市2007—2014年間的酸雨率趨于改善,這種差異主要是因為本文的研究時段是2008—2019年。武漢市的酸雨率在2009—2017年間持續減少,尤其于水生態文明城市試點建設期間大幅降低,且在2017年一度降至2.7%。但是試點結束后,武漢市酸雨率快速反彈至7.2%。在產業能源結構上,武漢市煤炭等能源使用比例較大,造成大量廢水廢渣及氮氧化合物的排放,對水生態和大氣環境造成了破壞[37]。因此,須優化能源結構,積極拓展清潔能源和可再生能源；大力支持利用新能源的產業項目,圍繞武漢市水生態優勢領域積極培育生態和綠色產業,重點發展節能、環保項目,并將武漢市水生態保護與海綿城市和園林城市建設結合起來。

4 結論

本文創新性地將水生態文明城市建設與城市水生態承載力相結合,并基于DPSIR框架構建了多維度城市水生態承載力綜合評價指標體系,分析了2008—2019年武漢市水生態承載力時空格局以及水生態文明城市建設對其水生態承載力的定量影響,主要結論為：

(1)2008—2019年武漢市城市水生態承載力呈“M”型走勢,水生態文明城市試點建設期間的武漢市水生態承載力平均水平(0.552)高于建設前(0.361)和建設后(0.438),表明水生態文明城市建設對武漢市水生態承載力有著顯著積極影響。

(2)在水生態文明城市建設期間,除了驅動力子系統的貼近度上升幅度較小外,其他子系統的貼近度均提升很大。表明武漢市經濟社會快速發展同時,面臨的水生態壓力也逐步增加,而武漢市水生態環境變化又對生產生活造成一定影響,水環境政策制定、水環境執法的響應性仍需提升。

(3)武漢市水生態承載力前5大障礙因素為生態環境狀況指數、建成區綠化覆蓋率、農田灌溉畝均用水量、酸雨量、引用水源地水質達標率。

(4)提出改善城市綠化水平,提升水域生態空間,落實最嚴格水資源管理制度、提高水資源利用效率,引導產業結構轉型、源頭控制污染排放等提升武漢市水生態承載力的建議。