水生态文明城市建设对城市水生态承载力的影响——以武汉市为例

岳启蒙,文 倩,贺 奕,田 培,*,王纤阳,鱼京善, 朱占亮

1 华中师范大学 地理过程分析与模拟湖北省重点实验室/城市与环境科学学院,武汉 430079 2 北京师范大学 水科学研究院,北京 100875

城市作为人类活动的高度集中地,其内部“社会-经济-自然”系统存在复杂变化特征[1-3]。快速城镇化引发了资源短缺与低效利用、环境污染、生态失衡与承载力下降等问题,严重威胁城市宜居性与经济社会可持续发展[4]；另外,城市水污染、水生态退化等问题亦逐步凸显。水是生态系统控制性要素[5],水利部自2013年开始在全国范围内先后选择了105个基础条件较好、代表性和典型性较强的城市,开展水生态文明城市试点建设工作,并于2019年完成了所有试点城市的验收。水生态文明城市建设对城市水生态系统具有多方面影响,学者们从不同角度建立评价指标体系对水生态文明城市建设成果进行了评价,如灰色粗糙集[6]、层次分析法和BP神经网络[7]、熵权法[8]、 DPSRIM模型[9]等。

水生态承载力是一个以生态承载力、水资源承载力和水环境承载力为基础上发展而来的,具有复合性和动态性的承载力概念；城市水生态承载力是衡量城市水生态系统健康的重要维度[10],可作为评价经济社会发展与生态环境保护是否相协调的重要依据。城市水生态系统是水生态文明城市建设的重要组成部分,城市水生态承载力也是国家《生态文明体制改革总体方案》[11]和“三线一单”的主要关注对象之一,城市水生态承载力在水生态文明城市建设前后的定量变化可以直观反映水生态文明城市建设的成果。国内外学者开展的水生态承载力评价研究具有不同侧重点。国外少有单纯的水生态承载力研究,倾向于将其作为生态承载力和环境承载力评价的一部分进行探讨[12]。而国内学者多是基于流域和区域进行整体评价,如任晓庆等[13]运用主成分分析法和专家打分法从“水资源-水环境-水生态-水安全”4 个维度对滦河流域的水生态承载力进行了评价；Zhang等[14]结合层次分析法和系统动力学方法,设置了6种情景对吉林省四平区域的水生态承载力进行了模拟预测分析；Rong等[15]使用ISFCCMIP模型对新丰江水库的水生态承载力进行模拟与评价,为决策者对该区域农业结构和人口规模调整提供参考。总体而言,目前水生态承载力的研究以流域和大区域尺度为主,以单个城市为对象的研究相对较少,尤其是评价水生态文明城市建设对城市水生态承载力定量影响的研究鲜见报道。因此,将水生态承载力与生态文明建设相结合,通过对比分析水生态文明城市建设前后的水生态承载力定量变化及其驱动因素,可为城市生态建设与管理提供重要基础数据和科技支撑。

综上所述,本文以水生态文明城市试点建设为背景,以“社会-经济-自然”复合生态理论为指导,充分考虑人类活动与城市水生态系统的响应关系,基于DPSIR框架构建考虑水生态文明城市建设效应的城市水生态承载力评价指标体系,采用TOPSIS和障碍度诊断模型定量评价城市水生态承载力并识别其制约因子,以期为促进城市可持续发展与水生态保护相协调提供科学依据；并以武汉市为例开展应用研究,研究结果可为武汉市水生态规划、管理和保护提供决策参考,也可为评价水生态文明城市建设成果及其制约因素提供参考。

1 城市水生态承载力评价方法

1.1 城市水生态承载力内涵

城市水生态系统是由水系统和人文系统两个子系统中各影响因素组成,且不同因素之间存在相互作用和制约[16]。国内外学者对水生态承载力的定义和内涵进行了研究,如谭红武等[17]将水生态承载力定义为:在维持河湖生态子系统自身结构、功能的稳定及其所支持的社会经济子系统可持续运行的前提下,社会经济河湖复合生态系统所能支撑的一定技术、生活水平下的社会经济规模阈值；张远等[18]认为水生态承载力是在一定发展阶段,一定技术水平条件下,某空间范围内的水生态系统在维持自身结构功能长期稳定、水生态过程可持续运转的础上,具有为人类社会活动提供生态服务产品的能力；Zhang等[14]认为水生态承载力是基于承载力理论与响应机制探索人类活动与水生态环境之间的矛盾,它可以合理评估维持区域水生态环境健康的社会经济规模阈值。总体而言,水生态承载力相比于水资源承载力和水环境承载力更加强调研究“水生态—人类社会”复杂系统间互馈关系,具有巨系统、多要素、动态互馈等特性[19]。本文认为水生态承载力是水资源-水环境-水生态-经济社会复合系统间多要素互馈关系,如图1所示(实线、虚线箭头分别表示正向、负向作用)。

图1 城市水生态系统不同要素正负互馈关系Fig.1 Mutual feedback relationship reflected by urban water ecological carrying capacity

城市发展驱动因素如人口规模扩大、经济社会发展等对水资源、水环境和水生态系统造成压力(图1),引起城市水生态系统失衡,并间接影响城市用水效率。虽然影响反馈到社会经济各部门的方式不一,但最终都会导致水资源的供需矛盾突出、水体污染加剧,进而影响城市水生态健康；另一方面会激发对水资源、水生态环境保护及管理体制的改革,而这些变化又会对经济、社会、水生态系统产生进一步影响。所以建立城市水生态承载力评价体系时需要综合考率社会、经济和自然的多项指标。

1.2 城市水生态承载力评价指标体系构建

驱动力-压力-状态-影响-响应(DPSIR)概念模型是1993年欧洲环境局在压力-状态-响应(PSR)模型基础上发展而来,其涵盖社会、经济、政治和生态等多种元素,主要反映人类社会经济活动对生态的影响[20]。本研究参考DPSIR模型构建城市水生态承载力评价指标体系,该模型中“驱动力”是促使水生态承载力发生变化的各种经济、社会驱动因素；“压力”是生产及生活活动对水生态承载力造成的影响；“状态”是指水生态承载力在驱动力和压力共同作用下的表现；“影响”是当水生态承载力发生变化时所产生的一系列效应；“响应”是人类针对水生态承载力变化所采取的措施和对策。按照选取指标具备代表性和可获得性原则,综合已有研究成果[21-25],结合现有水生态文明城市和城市水生态承载力内涵[13-19],确定指标体系,如表1所示。其中生态环境状况指数(EI)是通过土地利用类型、水土流失、水资源量、降水量、主要污染物排放量和植被覆盖度等数据,分别处理得到生物丰度指数、植被覆盖指数、水网密度指数、土地胁迫指数和污染负荷指数等五个分指数,再由这五个分指数加权得到[26-27]。本研究采用熵权法对指标权重进行赋值,可有效减少主观因素干扰[28],具体计算过程参见文献[8]。

表1 城市水生态承载力评价体系

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,该模型旨在对多维度、多项指标进行比较。依据评价对象到最优解和最劣解的距离进行排序,其计算步骤为：

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 障碍度诊断模型

利用障碍度诊断模型可以诊断和测算影响城市水生态承载力的障碍因素及障碍度[31-32]。某项指标的障碍度越小,说明城市水生态承载力受该项指标的阻碍作用越弱,反之亦然。障碍度计算涉及因子贡献度和指标偏离度两个衡量指标[33-34]。计算步骤为：

Fij=wij·wi

(7)

Iij=1-Yij

(8)

(9)

式中,wij为第i个准则层第j个指标的权重；wi为第i个准则层的权重；Fij为因子贡献度；Iij为指标偏离度；Yij为无量纲化后的指标值；Pij为障碍度。

2 研究区概况与数据来源

2.1 研究区概况

武汉地处长江中游、江汉平原东部,长江及其最大支流汉江在城中交汇,市内江河纵横、湖港交织,水域面积占全市总面积四分之一[35],如图2所示。气候类型主要为亚热带季风性(湿润)气候,常年雨量丰沛、热量充足、雨热同季。根据《湖北省2020年统计年鉴》显示,截止2019年武汉市土地面积8569 km2,人口、经济总量分别占湖北省的21.37%和35.36%。武汉市社会经济快速发展对资源环境以及生态安全造成了较大压力,尤其在水生态方面较突出。1987—2016年,武汉主城区湖泊水域面积共缩减 82 km2,减少幅度达56.9%[36]。武汉湿地面积由2000年第一次普查时的3358.35 km2,减少到2010年的3196 km2,净减少162.5 km2[37]。2014年5月,武汉市被列入第二批59个全国水生态文明城市建设试点,建设期为2015年至2017年。

图2 研究区示意图Fig.2 Map of study area

2.2 数据来源

D1、D2、D3、D3、D4、I2、I3、R1、R2、R4指标数据来源于2008—2020年《湖北统计年鉴》、《武汉统计年鉴》和《武汉市经济与发展公报》；P1、P2、P3、P4、P5、S1、S2、S3、S4、S5、I5、I6、I7、I8指标数据取自2008—2019年《湖北省水资源公报》和《武汉市水资源公报》；P6和R3指标数据来自于2008—2019年《湖北省水土保持公报》、《武汉市水土保持公报》和《湖北农村统计年鉴》；I1和I4指标数据来源于2008—2019年《湖北省生态环境公报》。

3 结果与讨论

3.1 指标权重

通过熵权法对武汉市2008—2019年28项指标进行处理,得到各指标权重及综合权重结果如表2所示。

表2 指标权重

在28项指标中,权重不小于0.04的指标有6项,其中驱动力准则层有两项,分别为D1和D3；压力准则层有两项,分别为P1和P2；状态准则层有一项,为S1,且其权重为0.0927,远高于其他指标的权重；影响准则层有1项,为I1。响应准则层的权重值最低(0.1131)且远低于其他4个准则层,一定程度上说明武汉市整体的水生态修复效果欠佳。影响准则层的权重(0.2886)最大,说明驱动力和压力的变化对状态产生了强大影响,而这种影响直接反映到了城市水生态的变化上,其中生态环境状况指数(I1)获得了最大权重(0.0423),这是因为I1是通过生物丰度指数、植被覆盖指数、水网密度指数、土地胁迫指数和污染负荷指数综合计算得出,是对城市水生态变化反应最敏感的影响指标。上述结果表明降水对城市的水资源利用上限有决定性作用,影响准则层的指标对城市水生态承载力评价有着重要意义,武汉市的水生态文明城市建设通过提高城市绿化率、用水效率、水质等措施来促进水生态承载力提升。另一方面,响应指标层的权重较低,则反映出在整个研究的时间段内,尽管对城市水生态健康的重视程度不断增强,但是政策及工程措施的实施效果还不够理想。

3.2 武汉市水生态承载力评价

3.2.1总体评价结果

武汉市2008—2019年的水生态承载力得分通过贴近度的结果来反映,如表3所示。将研究时段分为3个阶段：水生态文明城市建设前(2008—2014)；水生态文明城市试点建设期(2015—2017)；水生态文明城市试点建设结束后(2018—2019)。

表3 武汉市城市水生态承载力评价体系评价结果

由图3和图4可以看出准则层和综合评价结果在2008—2019年间的整体变化趋势,整体呈现“M”态势,水生态文明城市试点建设期间的武汉市水生态承载力平均水平(0.552)高于建设前(0.361)和建设后(0.438)。

图3 准则层评价结果Fig.3 Evaluation results of the rule layer

3.2.2水生态文明城市建设前(2008—2014)

武汉市的水生态承载力在2008—2014年间整体保持在较低水平,仅2010年有一个小高峰(0.483分),得益于该年降水丰沛导致的自然禀赋提升,该年的驱动力、状态和响应准则层的贴近度都达到了水生态文明城市建设前的最高水平。且在2009年颁布《武汉市水土保持条例》和《武汉市湿地自然区保护条例》等条例之后,2010年是实施的第一年,而这也很明显的反映在了水土流失治理面积的增加和生态投资的提升上。然而在2011—2013年武汉市的整体水生态承载力出现了大幅度下降,降水量依旧对武汉市水生态承载力有着决定性作用,尤其是2011年的年降水量仅为82.42亿m3,远低于其他年份,加上水生态保护措施力度不够和人口不断增长,从而使得2011年的综合得分仅为0.312。这种情况在2012年武汉市颁布《武汉市水资源综合规划(2010—2030 年)》和《武汉市城市供水用水条例》之后有所改善,但是2013年武汉市水生态承载力再次降至2011年以来最低水平,2014年武汉市开始了海绵城市试点建设,因而2014年的城市水生态承载力有所回升,而这主要体现在了影响准则层得分的大幅提高上。

图4 2008—2019年武汉市水生态承载力综合贴近度评价结果Fig.4 Evaluation results of comprehensive closeness of water ecological carrying capacity in Wuhan City from 2008 to 2019

3.2.3水生态文明城市建设期(2015—2017)

在水生态文明城市试点建设的2015—2017年期间,城市水生态承载力大幅提升,并在2016年达到峰值(0.672分),是2011和2013年得分的两倍有余。观察降雨量数据会发现2015—2017年的年均降雨量要远远高于其余年份,虽然降雨的主要影响因素是自然气候变化,但是人类活动也会对降雨量产生一定影响,通过水生态文明城市建设和水文化普及,越来越多居民建立了水生态保护意识,绿色出行、节约用水等行为更普遍。尽管在建设的这段时间里人口密度和城市化率不断提高,但是产业结构的优化升级,用水效率的大幅提高致使生产耗水量持续减少,城市水生态压力减低,也使得酸雨率大幅降低,这些因素结合起来导致了生态环境状况指数的持续增长,水生态文明城市建设对城市的水生态承载力的提升是显著的。

3.2.4水生态文明城市建设后(2018—2019)

图5 武汉市水生态承载力综合评价正负理想解的距离变化Fig.5 Change in the distance of Ideal and non-ideal Solutions for Comprehensive Evaluation of Water Ecological Carrying Capacity in Wuhan City

试点建设结束后,2018—2019年武汉市水生态承载力出现了小幅下降,但总体上仍高于建设前的水平,这主要是因为人口密度大幅增长导致了生活耗水量快速增加,经济快速发展也使生产耗水量相较试点建设期间的水平有所提高。城市水生态承载力的压力增大,而应对措施却没有跟上,水生态文明城市建设的成果没有很好继承下来。由图5可以看出,武汉市的正理想解和负理想解的变化大体呈对称分布,在2008—2016年波动下降,并于2016年达到最低值(0.0455)即最接近正理想解, 此后又逐渐偏离正理想解。而在2008—2016年波动上升,并于2016年达到最高值(0.0934)即最远离负理想解,此后虽然有所降低,但是整体还是高于2008—2015水生态文明城市建设之前的水平。这说明了武汉市水生态承载力在水生态文明城市建设之后有了很大提升,但是社会经济发展与水生态保护的协调度不够。

陈威等[38]认为武汉市2008—2020年水资源承载力呈持续增长趋势,而本研究显示武汉市水生态承载力在2008—2014年保持较低水平,在2015—2017年大幅提升,并在2018—2019年小幅降低。这主要与陈威等[38]的研究是在水生态文明城市建设之前,采用的是2008—2012年武汉市相关数据有关。水生态文明城市建设期间的评价结果与杨康煜等[39]一致,均认为承载力在2015—2017年大幅提升,并在2018年增速大幅降低甚至为负；但杨康煜等认为 2016—2017武汉市水资源承载力持续大幅提高,而本文结果则反映出大幅降低趋势,这主要与杨康煜等采用的是PSR模型及指标数量偏少有关。另外,万炳彤等[40]认为武汉市水环境承载力在2015—2018年持续提高,主要是因为其指标体系未考虑降雨量和水生态指标。

3.3 武汉市水生态承载力障碍因素

3.3.1指标层障碍度

运用障碍度诊断模型计算出2008—2019年阻碍武汉市水生态承载力提升的主要障碍因子以及其障碍度,选取所占比重排前五的指标,如表4所示。

2008—2019年武汉市水生态承载力的主要障碍因子全部来源于影响准则层,尽管排名有微小变化但排名前五的一直是I1,I2,I8,I4和I5(表4)。由于I1是由生物丰度、植被覆盖、水网密度、土地胁迫和污染负荷指数综合计算而来,而这也是受人类活动影响最大的生态指标,会对不同的政策导向、城市规划产生应激响应。观察年际变化会发现生物丰度指、植被覆盖和水网密度指数是在不断降低的,这是由于武汉城市化发展导致了河流湖面水域面积快速缩小,栖息地大范围减少对水生态系统造成不利影响。土地胁迫和污染负荷指数则呈现逐渐提升趋势,说明水生态文明城市建设、污水处理技术提高以及污水处理厂增多使得环境质量整体有所改善。I2的障碍度主要体现在绿化覆盖率直接影响到了水生态循环,这种影响也导致了I1障碍度的提高。2012—2013年是水生态文明建设前I8值最低的两年,而2016—2017年是整个时间序列中I8值最低两年,其余年份的I8都表现出了波动上升趋势。I4的障碍度主要在于酸雨对生态系统会产生很大危害,这主要表现在植物叶片受到直接损害和土壤理化性质的恶化上,而I5的障碍度则直接和水质安全挂钩。

表4 2008—2019年武汉市水生态承载力主要障碍因子及障碍度

3.3.2准则层障碍度

进一步计算DPSIR五个子系统的障碍度,结果如图6所示。

2008—2019年,武汉市水生态承载力子系统障碍度尽管有一定波动但保持相对稳定,这与李少朋等[41]的结论相同。分类障碍度的总体情况表现为影响准则层>压力准则层>驱动力准则层>状态准则层>响应准则层,其中影响准则层对整个水生态承载力的障碍度超过50%,说明了驱动力—压力—状态的共同作用直接体现在了影响上。可见,为提升武汉市水生态承载力,必须重视影响准则层的指标。

3.4 提升武汉市水生态承载力的对策

武汉市水生态文明城市建设促进了压力和影响准则层指标的改善以及响应准则层指标的大幅提升；但值得注意的是,用水效率和酸雨率指标在武汉市试点结束之后均出现了一定程度恶化趋势,且城市绿化、水资源利用效率、污染控制依旧是维持武汉市水生态承载力的重点指标。因此,从以下三方面提出相应对策。

3.4.1改善城市绿化水平,提升水域生态空间

生态环境状况指数和建成区绿化覆盖率是武汉市水生态承载力提高的最主要障碍因素,这与张欢等[42]的结论吻合。根据《城市园林绿化评价标准(GB50563—2010)》,2008—2019年武汉市的建成区绿化覆盖率仅在2019年达到一级水平(40.0%),其余年份均未达到一级水平。然而,Nathwani等[43]认为绿化覆盖率的对生态系统安全的作用并不重要,这是由于其研究对象为沿海城市。从水域面积上看,谢启姣等[36]发现武汉主城区湖泊水域面积在1987—2016年共缩减 82km2,减少了56.9%,且越靠近城市建成区,湖泊面积缩减越明显。因此,仍需改善城市绿化水平,修复河湖生态；建议划定湖泊“三线”锁定其水生态空间,采取“一河一策”、“一湖一策”,优化、保护和恢复河湖水域等水生态空间。

3.4.2落实最严格水资源管理制度,提高水资源利用效率

农田亩均用水量和引用水源地水质达标率作为障碍度排名靠前的指标,反映了用水效率和用水安全对武汉市水生态承载力的显著影响。试点建设结束后,武汉市万元GDP用水量和农田亩均用水量均较建设期的最低值提高了16.7%和35.1%,说明水生态文明城市建设成果没有很好地延续。该结论与杨康煜等[39]的结果不同,其认为2015—2018年武汉市的用水效率不断提高,这一差异与杨康煜等的指标数量不足且仅使用单一评价方法有关。最严格水资源管理制度已被证明对农业[44]和工业用水效率[45]有显著提升作用。建议武汉市深化总量强度双控制的最严格水资源管理制度,以健全水生态空间开发保护制度为抓手,以水资源资产产权、水资源有偿使用和生态补偿制度为重点,以制度引导、规范和约束各类开发利用水资源的行为。

3.4.3引导产业结构转型,源头控制污染排放

酸雨率是阻碍武汉市水生态承载力提高的主要指标之一,而王苗等[46]认为武汉市2007—2014年间的酸雨率趋于改善,这种差异主要是因为本文的研究时段是2008—2019年。武汉市的酸雨率在2009—2017年间持续减少,尤其于水生态文明城市试点建设期间大幅降低,且在2017年一度降至2.7%。但是试点结束后,武汉市酸雨率快速反弹至7.2%。在产业能源结构上,武汉市煤炭等能源使用比例较大,造成大量废水废渣及氮氧化合物的排放,对水生态和大气环境造成了破坏[37]。因此,须优化能源结构,积极拓展清洁能源和可再生能源；大力支持利用新能源的产业项目,围绕武汉市水生态优势领域积极培育生态和绿色产业,重点发展节能、环保项目,并将武汉市水生态保护与海绵城市和园林城市建设结合起来。

4 结论

本文创新性地将水生态文明城市建设与城市水生态承载力相结合,并基于DPSIR框架构建了多维度城市水生态承载力综合评价指标体系,分析了2008—2019年武汉市水生态承载力时空格局以及水生态文明城市建设对其水生态承载力的定量影响,主要结论为：

(1)2008—2019年武汉市城市水生态承载力呈“M”型走势,水生态文明城市试点建设期间的武汉市水生态承载力平均水平(0.552)高于建设前(0.361)和建设后(0.438),表明水生态文明城市建设对武汉市水生态承载力有着显著积极影响。

(2)在水生态文明城市建设期间,除了驱动力子系统的贴近度上升幅度较小外,其他子系统的贴近度均提升很大。表明武汉市经济社会快速发展同时,面临的水生态压力也逐步增加,而武汉市水生态环境变化又对生产生活造成一定影响,水环境政策制定、水环境执法的响应性仍需提升。

(3)武汉市水生态承载力前5大障碍因素为生态环境状况指数、建成区绿化覆盖率、农田灌溉亩均用水量、酸雨量、引用水源地水质达标率。

(4)提出改善城市绿化水平,提升水域生态空间,落实最严格水资源管理制度、提高水资源利用效率,引导产业结构转型、源头控制污染排放等提升武汉市水生态承载力的建议。