沁蟒河流域(河南段)位于太行山南麓, 河南省南太行地区山水林田湖草生态保护修复工程区的西南部。由图1可知, 研究区北靠山西, 东邻大沙河(卫河)流域, 西接小浪底— 西霞院水库汇水区, 流域内行政区包括济源市中东部、沁阳市等。流域东西长约107 km, 南北宽约56 km, 总面积约3 063 km²。沁蟒河流域承担着保护水资源、保障供水的重要任务, 同时也是国内重要的粮食产地。流域内有引沁灌区和广利灌区两大重要灌区, 是全省农作物生产的重要保障^[2]。

图1

Fig.1

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	图1 沁蟒河流域(河南段)区域位置示意图Fig.1 Schematic diagram of the location of Qinmang River Basin (Henan Section)

研究区内主要河流有黄河、沁河和蟒河(图1)。黄河呈近东西向从研究区南侧流过, 区内长约100 km。小浪底水库位于研究区上游15 km处, 小浪底水文站多年观测资料显示, 黄河多年平均流量约为1 038 m³/s^[3]。小浪底水库建成运行后, 稳定了下游河段流量, 对黄河水流量起到了均衡、调节作用, 有利于黄河水侧渗补给沿岸地下水。沁河发源于山西省沁源县, 河流长485 km, 在济源市流入冲积平原, 河床淤积, 为地上河。蟒河全长133 km, 是济源市工业污水和生活污水的主要纳污河。

根据水生态承载力评价要求, 收集了沁蟒河流域(河南段)历年的相关资料^[1], 并获得了2020年11月和2021年3月两个批次对沁蟒河流域(河南段)地表水水质取样点的检测数据13组, 地下水水质检测数据25组。从水质检测数据中提取 pH值、溶解氧、总氮、总磷、高锰酸盐指数、铁、硝酸盐等13个常用水质评价因子作为野外调查实际监测数据。

水生态系统是由多个子系统组成的, 对应沁蟒河流域(河南段)水生态系统的4个主要子系统, 包括水资源、水环境、社会、经济, 建立了基于这4个子系统的流域水生态承载力评价指标体系(表1), 进而构建基于驱动力(driving-force)-压力(pressure)-抵抗力(resistance)-状态(state)-响应(response)的流域水生态承载力评价DPRSR模型(图2)。“ 驱动力” 指环境变化的潜在原因; “ 压力” 是通过驱动力作用直接施加在环境系统上促使环境发生变化的各种因素, 是环境的直接压力因子; “ 抵抗力” 是自然系统内部能够抵抗压力带来的负面影响的能力; “ 状态” 是自然环境所呈现出来的物理、化学和生物状态; “ 响应” 是人类为预防、减轻或者消除不好的影响而采取的相关措施^[4]。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 流域水生态承载力评价指标体系 Tab.1 Water ecological carrying capacity index system 类别 指标名称 指标性质 对应子系统 驱动力 人均GDP - 社会、经济 人口增长率 - 城镇化率 - 人口密度 - 压力 万元GDP用水量 - 社会、经济、 水资源 单位耕地面积化肥施用量 - 单位灌溉面积用水量 - 土地胁迫指数 - 污染负荷指数 - 抵抗力 水资源总量 + 水资源、水环境 自然湿地面积比例 + 降雨量 + 水域面积比率 + 状态 植被覆盖率 + 水资源、水环境 人均水资源占有量 + 生境质量指数 + 响应 人工湿地面积比例 + 社会、经济 工业废水处理率 + 生活污水处理率 + 生态用水总量 + 环保投资GDP占比 + 注: 土地胁迫指数是评价区域内土地质量遭受胁迫的程度; 污染负荷指数指某区域或某环境要素对污染物的负载量; 生境质量指数用来评价区域内生物栖息地的质量; +代表正向指标, 指标值越大, 评价就越好; -代表负向指标, 指标值越大, 评价就越差。

表1 流域水生态承载力评价指标体系 Tab.1 Water ecological carrying capacity index system

图2

Fig.2

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	图2 流域水生态承载力评价DPRSR模型Fig.2 Framework diagram of DPRSR evaluation model for the water ecological carrying capacity

流域水生态系统构成复杂, 涉及面广, 水生态承载力的研究范围涉及社会、经济、环境等多学科、多领域, 各项指标之间又存在较大差异, 不宜采用单一的指标或标准进行评价^[5]。沁蟒河流域(河南段)水生态承载力研究的根本是探究水资源供需平衡和解决流域生态系统与经济发展之间的矛盾。为科学衡量沁蟒河流域(河南段)水生态承载力水平, 根据沁蟒河流域(河南段)社会经济发展特点和自然条件, 考虑各评价指标间的复杂关系, 在遵循科学性、系统性、易获取性、代表性、动态变化性等原则的基础上, 选择了21个典型指标, 构建基于社会、经济水资源、水环境(水生态系统的4个子系统)的DPRSR模型, 并根据指标因素对水生态承载力的影响, 分成正向指标(+)和负向指标(-)(表1, 图2)。

指标权重确定的方法可分为主观赋权法、客观赋权法以及组合赋权法3种。其中, 客观赋权法可分为熵权法和标准差法^[6]。熵权法能够有效避免人为因素的干扰, 更能反映评价对象的实际状况。为得到科学、严谨、合理的权重系数, 避免人为赋值带来的主观性影响, 本研究对各项指标进行标准化处理后, 采用熵权法确定指标权重。熵权法确定指标权重的具体步骤如下。

(1) 标准化处理。流域水生态承载力各评价指标具有不同的量纲, 为消除不同指标量纲单位差异带来的影响, 需进行评价指标的标准化, 将指标处理成无量纲量。标准化的计算公式为

X'ij=Xij-XiminXimax-Ximin, Xij∈[Ximin, Ximax],(1)

X'ij=Ximax-XijXimax-Ximin, Xij∈[Ximin, Ximax]。(2)

式中: i=1, 2, ···n, 表示第i项指标; j=1, 2, ···, m, 表示第 j 年; X'_ij为第i项指标第 j年指标值的标准化值; X_imax和X_imin分别为第 i项指标的最大值和最小值。

(2) 计算在第i项指标下第j年指标值的特征比重。设第i项指标第j年指标值的标准化值为X'_ij, 则第i项指标下第j年指标值的特征比重P_ij为

Pij=Xij∑j=1mXij 。(3)

算第i项指标的熵值E_i, 公式为

Ei=-k∑j=1mPijln(Pij) ,(4)

式中的k值由式(5)确定, k值计算公式为

k=1/ln(n) 。(5)

由式(3)— (5)可知: 第i项指标的观测值差异越大, 熵值则越小; 反之, 熵值则越大。

(3)计算第i项指标的差异系数D_i。公式为

Di=1-Ei 。(6)

由式(6)可知, 如果第i项指标的观测值越大, 则差异系数D_i就越大, 第i项指标也就越重要。

(4) 确定第i项指标的权重系数W_i。公式为

Wi=Di∑i=1nDi 。(7)

本文依据各项指标对沁蟒河流域(河南段)水生态系统的影响程度, 对济源市和沁阳市水生态承载力各评价指标进行标准化, 再运用熵权法计算权重, 接着计算各评价指标的特征比重, 最后计算得出的沁莽河流域(河南段)济源市和沁阳市水生态系统评价指标的熵值E_i、差异系数D_i和权重系数W_i, 结果如表2所示。

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 济源市和沁阳市2008— 2018年水生态承载力评价指标Ei、Di、Wi值 Tab.2 Ei, Di and Wi values of water ecological carrying capacity evaluation index for Jiyuan and Qinyang from 2008 to 2018 指标名称 济源市 沁阳市 熵值Ei 差异系数Di 权重系数Wi 熵值Ei 差异系数Di 权重系数Wi 人均GDP 0.75 0.25 0.030 0.61 0.39 0.007 人口增长率 0.65 0.35 0.043 0.76 0.24 0.014 城镇化率 0.64 0.36 0.044 0.68 0.32 0.022 人口密度 0.61 0.39 0.048 0.64 0.36 0.030 万元GDP用水量 0.70 0.30 0.037 0.75 0.25 0.038 单位耕地面积化肥施用量 0.60 0.40 0.049 0.60 0.40 0.046 单位灌溉面积用水量 0.56 0.44 0.054 0.67 0.33 0.055 土地胁迫指数 0.59 0.41 0.050 0.58 0.42 0.063 污染负荷指数 0.44 0.56 0.068 0.56 0.44 0.072 水资源总量 0.39 0.61 0.074 0.38 0.62 0.082 自然湿地面积比例 0.60 0.40 0.049 0.53 0.47 0.009 降雨量 0.64 0.36 0.044 0.46 0.54 0.011 水域面积比例 0.85 0.15 0.018 0.82 0.18 0.005 植被覆盖率 0.51 0.49 0.060 0.68 0.32 0.023 人均水资源占有量 0.39 0.61 0.074 0.37 0.63 0.044 生境质量指数 0.58 0.42 0.051 0.48 0.52 0.034 人工湿地面积比例 0.88 0.12 0.015 0.74 0.26 0.070 工业废水处理率 0.64 0.36 0.044 0.58 0.42 0.088 生活污水处理率 0.62 0.38 0.046 0.55 0.45 0.036 生态用水总量 0.52 0.48 0.058 0.62 0.38 0.118 环保投资GDP占比 0.63 0.37 0.045 0.66 0.34 0.134

表2 济源市和沁阳市2008— 2018年水生态承载力评价指标Ei、Di、Wi值 Tab.2 Ei, Di and Wi values of water ecological carrying capacity evaluation index for Jiyuan and Qinyang from 2008 to 2018

就水生态承载力而言, “ 可承载” 与“ 不可承载” 间的界限较为模糊, 若采取单一定性的描述, 可能会得到不符合实际的结果^[7]。因此, 根据沁蟒河流域(河南段)自然资源情况及水生态环境的实际情况, 对沁蟒河流域2008— 2018年不同的指标数据进行打分, 打分范围为0~100分, 作为计算水生态承载力的依据。具体打分方法如下。

设水生态承载力评价指标i共有n项(i=1, 2, ···, n), 参评年数为j年(j=1, 2, ···, m), 构建指标原始数据矩阵X=(X_ij)。正向和负向指标得分计算公式分别为

Aij=0+Aimax-AiminBimax-Bimin(Xij-Ximin), Xij∈[Ximin, Ximax](8)

Aij=100-Aimax-AiminBimax-BiminXij-Ximin, Xij∈[Ximin, Ximax](9)

式中: A_ij是评价指标i第j个年份的分数; A_imin是评价指标i的最低标准分数, 本次研究取0为最低标准分数, 即A_imin=0; A_imax是评价指标i的最高标准分数, 本次研究取100为最高标准分数, 即A_imax=100; X_ij是评价第i项指标第j年的原始数据; X_imax是原始数据X_ij中的最大值; X_imin是原始数据X_ij中的最小值; B_imax和B_imin是相应指标的上、下限值。

利用熵权法得到的权重结果和各单项指标的得分值A_ij, 按式(10)求出流域水生态承载力每年的评分值T_j, 公式为

Tj=∑i=1nWi·Aij 。(10)

根据得分值来确定水生态承载力等级, 实现水生态承载力评价结果定量与定性的转换。参考前人研究成果^[8], 将水生态承载力评价等级分为Ⅰ ~Ⅴ 级, 分别对应的评价标准为富裕承载、可承载、临界承载、超载、严重超载, 具体如表3所示。

表3

Tab.3

表3(Tab.3)

表3 水生态承载力评价分级 Tab.3 Evaluation classification of water ecological carrying capacity 评价等级 Ⅰ 级 Ⅱ 级 Ⅲ 级 Ⅳ 级 Ⅴ 级 承载力评分 [80, 100) [60, 80) [40, 60) [20, 40) [0, 20)

表3 水生态承载力评价分级 Tab.3 Evaluation classification of water ecological carrying capacity

水生态系统是一个复杂、非线性、多回路动态反馈的大系统, 系统内各要素间存在着非线性关系, 因果关系复杂。如果在城市化进程中区域开发强度突破生态承载力, 就会导致区域资源环境与生态系统无法发挥正常的服务功能, 甚至导致不可逆的损害^[9]。因此, 区域社会经济发展必须满足生态承载力的约束。本文在分析沁蟒河流域(河南段)水生态系统特征及其系统内部各因素间复杂关系的基础上, 按照系统动力学原理, 建立该地区水生态承载力系统动力学模型, 运用Vensim软件对其建模, 对城市化进程中的生态承载力进行预测模拟。

根据研究目的、系统因果关系及政策因素等多方面内容, 设计了如下3种发展模式。

(1)常规发展模式。在此发展模式中, 模型的模拟按照当前系统实际表现的发展趋势进行, 即人口增长率、GDP增长率、各行业用水定额、生态环境质量指数及污水排放处理率等指标值均维持现状。

(2)综合发展模式。在常规发展模式的基础上, 调整各参数取值, 将人均GDP下调至4%, 将万元GDP用水量下调7%, 将单位耕地面积化肥施用量和单位灌溉面积用水量下调4%, 污染负荷指数和土地胁迫指数等下调5%, 水资源总量上调13%, 工业废水处理率和生活污水处理率设置成100%, 环保投资GDP占比增幅设置为0.4%。

(3)生态优先发展模式。此发展模式强调水资源和环境保护的重要性, 减少各行业用水定额, 大力推行节约用水和循环用水。在常规发展模式的基础上, 调整各参数取值, 将人均GDP下调至 2%, 将万元GDP用水量下调5%, 将单位耕地面积化肥施用量和单位灌溉面积用水量下调20%, 污染负荷指数和土地胁迫指数等下调5%, 水资源总量上调13%, 工业废水处理率和生活污水处理率设置成100%, 环保投资GDP占比增幅设置为1%。

将上述各发展模式的参数值输入SD模型, 得到不同发展模式下沁蟒河流域(河南段)水生态承载力预测结果。不同发展模式下, 沁蟒河流域(河南段)济源市和沁阳市水生态承载力得分变化趋势如图4、图5所示。

图4

Fig.4

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	图4 济源市水生态承载力得分变化趋势Fig.4 Change trend of water ecological carrying capacity scores in Jiyuan

图5

Fig.5

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	图5 沁阳市水生态承载力得分变化趋势Fig.5 Change trend of water ecological carrying capacity scores in Qinyang

(1)常规发展模式。假设沁蟒河流域(河南段)未来5年内的人口增长率、经济增长率、消费模式、土地利用和贸易状况仍保持2008— 2018年间的发展态势, 根据SD模型的预测, 2025年沁蟒河流域的水生态承载力得分值为45左右, 此后逐年降低, 直至2030年时跌破40分, 水生态承载力将达到超载水平。可见, 必须采取一系列举措, 改变现有的经济发展模式, 否则, 流域内水生态承载力将会进一步恶化。

(2)综合发展模式。在对产业结构进行调整的综合发展情况下, 沁蟒河流域(河南段)的水生态承载力得分值稳定保持在40~60之间, 各项指标按照此模式进行发展, 生态承载力表现出向更好的方向发展的趋势。

(3)生态优先发展模式。此模式以水生态环境保护作为优先考虑因素, 通过预测水生态承载力得分值及其变化趋势, 可以看出, 这种模式下的水生态承载力可达到最优状态。但此模式对经济发展具有一定的抑制作用。

生态优先发展模式下的水生态承载力得分值最高, 但其对应的GDP值是3种发展模式中最低的, 并且从各指标的预测值变化趋势来看, 对单位灌溉面积用水量及单位面积化肥使用量的控制要求较高, 同时对与农业相关的产业技术提高和改革也有较高的要求。

对比3种发展模式, 综合发展模式下的水生态承载力得分值处于临界可承载范围, 该发展模式可全面考虑经济发展、节水、治污、减排及水生态环境保护, 既能保持一定的经济发展能力, 又能有效减少水资源量消耗, 减少社会发展对河流水体环境造成的负面影响, 实现水资源的可持续利用和城市经济与生态的良性发展。

因此, 本文推荐综合发展模式作为沁蟒河流域(河南段)水生态与经济社会可持续健康发展的最优方案。