基于水量-水质耦合过程的流域水生态承载力优化方法与例证

水质与水量是影响水生态系统健康的重要因子,开展以生态需水和功能区水质达标为核心的水生态承载力研究对改善流域生态用水不足和水污染具有重要意义.当前流域水生态承载力优化方法将水量和水质作为独立系统处理,忽视了其耦合关系.基于河流水质模型和水资源模型,建立了流域水环境容量与环境流量的函数关系,并作为水生态承载力优化模型的约束条件,构建了以人口与产业规模最大化为目标的水生态承载力的优化模型.最后,对水污染严重且水资源短缺的盘龙江流域进行了实证研究.结果表明:建立的水生态承载力模型能够反映水量与水质的耦合作用,从而提高了流域水生态承载力决策的科学性;盘龙江流域的水生态承载力为20.56万人和119.24亿元GDP,2014年的流域现状值超载了234%;流域水生态承载力与环境流量比例具有显著的补偿关系,呈现倒V型非线性变化过程;当外流域调水的水质高于或等于受水区水质时,受水区的水生态承载力可得到一定程度的提高.     

北运河北京段水生态承载力研究及关键控制要素识别

北运河水系一直存在水资源缺乏、水环境污染、水生态功能不足等问题,未来北京市副中心高标准建设的加速还会增加流域的生态环境负担.因此需明确北运河北京段水生态承载力的时空变化特征,识别其关键控制要素,提升水生态承载力以满足区域发展需求.本文从水资源、水环境、水生态3个方面构建区域水生态承载力评价指标体系,收集1995-2018年北运河北京段的评价指标数据,运用熵权法确定指标权重,分析北运河北京段的水生态承载力状况及关键控制要素.结果表明:1995-2015年,北运河北京段整体处于超载或临界超载状态,2018年水生态承载力有所提升,达到安全承载状态;各子流域间水生态承载力差异显著,其中,位于北运河上游的沙河子流域在1995-2000年处于安全承载状态,在2005-2018年处于临界超载状态,水生态承载状态相对较好,但仍有改善的空间;1995-2018年,清河、温榆河和凉水河等子流域水生态承载状态处于超载状态,水生态承载状态相对较差,需加大水生态承载力提升力度;影响区域水生态承载力的关键要素为河岸带林草覆盖率,其次水环境质量也对水生态承载力具有重要影响.研究显示,北运河北京段水生态承载力的提升需在改善区域生态环境状况的同时加强对水资源的综合利用.      

陕北生态脆弱区小尺度生态恢复的生态经济承载力研究

为了研究生态恢复过程中复合承载力变化,以陕北县南沟小流域的生态恢复试验为例,应用能值方法揭示了该流域的动态可持续性.同时,应用情景模拟方法研究了在不同能值生活标准下的承载力变化,探讨了生态恢复对承载力的影响.结果显示,2002~2005年流域环境负载率（ELR）总体上有所下降,持续性指数（ESI）有所增加.流域可更新资源承载力、中国1996年生活标准下以及全球1999年生活标准下的人口承载力分别为938人（下限）、10853人和3020人（上限）.根据基于面积的承载力计算方法,流域可更新资源承载力和中国1996年生活标准下承载力分别为17844hm2和6572hm2,分别为流域面积的3倍和1.1倍.上述结果表明,生态恢复提高了流域资源利用和转换效率,环境负载率下降,流域现有人口及其生产规模基本在其承载力范围内,但已经接近上限.鉴于当前较低的生活标准,流域的承载力有待进一步提高.     

滇池流域水环境承载力及其动态变化特征研究

为了定量分析人口增长、经济发展、资源短缺和环境污染等因素对流域水环境的综合影响,建立了湖泊水环境承载力多目标优化模型.同时,选取人口、灌溉面积、国民生产总值(GDP)、化学需氧量(COD)、总氮(TN)、总磷(TP)作为水资源和水质量承载力指标,运用层次分析法(AHP)确定各指标对湖区水环境承载力的权重,并运用指标体系评价法分别计算了2003—2010年滇池流域水环境承载力.结果表明,流域内人口承载度超标,经济承载压力显著增长,富营养化指标——TP、TN呈高负荷波动状态.滇池流域水环境承载力为负承载,水质量承载力影响程度更大.研究结果可为滇池流域的社会经济发展规划、生态环境保护和水资源可持续利用提供科学依据.     

三峡库区生态承载力探讨

为更好地保障水生态安全,基于生态承载力内涵,尝试性提出了流域生态承载力分析思路。结合三峡库区特征,以资源承载力计算为主,以环境承载力对比分析为辅,探讨了库区生态承载力现状,并回顾分析了库区生态承载力变化趋势。研究结果表明:三峡库区目前所能承载的适宜人口规模为1 530.6~1 590.7万人。空间分布上,资源承载力在重点发展区最大,其次是优化发展区,限制发展区最小。1999-2011年三峡库区生态承载力稳中有升,但库区一直呈超载状态,土地资源承载力和经济资源承载力的反方向变化一定程度上反映出库区资源消耗型的粗放经营模式。因当前方法学的不完善,三峡库区生态承载力的合理范围需要进一步论证,但总体上认为三峡库区需要实施积极的人口减载措施、提高资源与环境承载效率,以确保库区水环境安全。     

可持续性约束下开放流域系统氮磷环境承载力研究

随着我国有机污染物控制力度不断加大,氮磷营养盐逐步凸显为流域环境质量改善与经济社会发展的重要约束因子.如何以流域氮磷环境承载力为约束,实现经济社会优化发展已成为我国流域环境管理面临的主要难题.传统的环境承载力研究局限于流域内部的自然资源约束和经济社会优化,忽略了流域内外物质交换对承载力的影响,结果往往以牺牲外部可持续性为代价.基于开放系统视角,本研究提出可持续性约束下的流域氮磷环境承载力概念与测度方法,认为流域氮磷环境承载力是指在流域内外氮磷营养盐交换平衡的前提下,流域水环境氮磷含量达标情况下所能承载的最大人口规模.以氮磷污染严重的滇池流域为例,构建了氮磷环境承载力优化模型,得到滇池湖体氮磷达标和流域内外氮磷交换平衡约束下流域的最大人口承载能力为538万人,相对于现状2010年可提升32%;此外,外流域调水、氮磷循环利用率和污水外排等措施对承载力有显著影响.     

基于物元分析的表层岩溶带“二元”水生态承载力评价

针对目前水生态承载力评价中信息屏蔽和主观性问题,该文以喀斯特典型分布区贵州省为例,在阐述表层岩溶带"二元"水生态承载力概念的基础上,构建表层岩溶带"二元"水生态承载力评价指标体系,结合物元分析法,对贵州省2007—2010年的表层岩溶带"二元"水生态承载力进行定量评价.研究结果表明:2007—2010年贵州省表层岩溶带"二元"水生态承载力等级都为"可承载",整体呈现出比较稳定的发展趋势,但是"可承载"水平并不稳定,不完全符合No2的标准."可承载"水平不稳定.贵州省表层岩溶带"二元"水生态承载力的主要提升因子是地表产流率、输沙模数、森林覆盖率、水资源利用率等8个,而单位面积地表水资源量、生态用水率、工业废水排放达标率、工业固体废物综合利用率以及城镇化率等9个成为制约贵州省表层岩溶带"二元"水生态承载力等级提升的因子.贵州省的表层岩溶带"二元"水生态承载力不仅关系到自身的社会、经济和生态安全也关系到下游的长江流域和珠江流域的水资源安全、生态安全以及环境建设.因此,应制定区域生态补偿措施,经济发达地区反哺经济落后地区,形成联动的共同保护生态环境脆弱区的水生态承载力的机制.为促进贵州省的水土资源开发利用和生态环境建设提供理论借鉴,并为类似地区的水生态承载力评价提供了一种新方法.     

生态文明视角下多规合一的“合”与“分”

基于多规合一中"合"与"分"的分析,构建了基于生态文明的多规合一框架体系;指出生态规划在多规合一源头、过程与末端三个层面的地位,应首先基于科学划定生态保护红线,其次通过资源环境承载力实现生态与其他规划在人口规模上限、产业及其布局与城市开发边界的融合,最后编制污染的治理规划。从管理角度,提出建立发展规划委员会、统一信息平台与技术标准等建议。     

特大城市水资源承载力政策响应的动态模拟

基于系统动力学方法,建立一套集成政策、水量和经济人口指标的水资源承载力Stella动态模型,以北京市为案例,模拟有无政策干预下水资源承载力的响应特征.结果表明:以南水北调为主的政策调水使北京市水资源提前20年以上达到安全承载状态,反映出特大城市资源盈缺受人为影响强烈的特点;调水量在16亿m3左右时达到最适点,之后盲目增加调水量收效渐微;干旱年调水贡献更为突出.评价结果可为南北方水资源优化、保障城市水安全提供参考依据.     

安徽省主体功能区环境政策框架设计

基本思路 资源环境承载能力是进行主体功能区规划所考虑的主要因素,其中环境承载力,即自然生态环境不受危害并维系良好的生态系统服务功能前提下,特定区域的环境容量所能承载的经济规模和人口规模.主要包括:水、大气环境容量,水土流失、生物多样性保护等的生态敏感性,洪水调蓄、水源涵养等生态服务功能的重要性等.按照这个基本思路,并根据"十一五"规划纲要和安徽省<实施意见>的要求,不同区域环境政策的基本取向可以确定为四类.     

流域横向生态补偿政策的水环境效益评估

基于2000~2019年浙江和安徽26个地级市的面板数据,使用合成控制法定量分析新安江3轮横向生态补偿试点政策对其水环境效益的总体性和结构性影响结果表明:政策效果在时间上存在异质性。第1、2轮政策试点显著的提升了新安江流域整体的水环境,但第3轮试点对上游水环境的影响是负的。政策效果在空间上存在异质性。流域横向生态补偿政策使下游的生物多样性价值平均提高了0.068亿元,但使上游生物多样性价值平均降低了0.015亿元。政策效果在结构上存在异质性。通过对水环境效益的结构性分解,发现横向生态补偿政策使新安江流域的水质净化能力价值平均提高了31.874亿元,但使其产品供给价值平均下降了13.402亿元。政策效果存在预期效益。流域横向生态补偿的政策效果在政策正式实施前2年已经出现。     

辽河流域水污染治理历程与“十四五”控制策略

为明晰辽河流域水污染治理“十四五”需求,进一步科学合理地推进辽河流域治理与保护进程,通过调研历史监测数据、统计年鉴等资料,回顾辽河流域水环境演化和治理历程.将辽河流域的治理分为3个阶段:第1阶段（1991—1999年）,该阶段流域水环境呈重度污染并持续恶化,环境治理逐渐起步;第2阶段（2000—2006年）,该阶段辽河流域水质恶化趋势基本得到遏制,控源治污初显成效;第3阶段（2007—2019年）,该阶段辽河流域水质优良比例整体持续提升,国家水体污染控制与治理科技重大专项有力支撑流域综合调控.辽河流域水污染治理颇显成效,但仍存在以下主要问题:①辽河流域水污染治理经历了从单一的控源治污向河流综合治理转变,污染程度由重度转为轻度,但流域水污染控制依然不容乐观;②辽河流域属寒冷地区缺水型河流,生态流量不足;③水质改善及水生态恢复成果不稳定;④流域管理机制体制有待完善.“十四五”应针对性增设分水期考核方式和水生态考核指标,完善水环境标准;坚持水资源、水环境、水生态“三水”统筹科学施治,构建减排和增容相结合的水污染控制模式,推动水量、水质、水功能良性循环发展;建立流域统筹管理、垂直领导的管理体制,制定辽河流域河流空间管控的长效机制,促进环保技术产业化,发展流域循环经济,缓解经济社会发展与水环境保护矛盾,最终实现流域经济社会可持续健康发展.      

基于空间优化的九洲江流域畜禽养殖生态补偿

以生态补偿试点区九洲江流域为例,基于调研数据和相关资料,以最小的政府生态补偿金额为目标,以水环境容量、耕地承载力、养殖户经济收益为主要约束,建立基于畜禽养殖模式转变的生态补偿空间优化模型.结果表明,九洲江流域生猪养殖最小生态补偿金为5.83亿元,其中2.92亿元用于55.47万头的生猪禁养,1.94亿元用于补助适养区内新建47.99万头高架网床模式养殖,0.97亿元用于18.57万头的养殖模式升级改造.优化后全流域养殖总规模为121.18万头,比现状减少约4万头.可实现污染物削减率73.66%,COD、总氮、总磷分别削减13980,2545,995t.其中,传统养殖模式全部被禁养或升级改造,高架网床养殖模式为流域最主要养殖模式,占比达到81.19%.10个镇的补偿资金及污染物削减情况存在显著差异,补偿金占比较高的是文地、良田、古城镇,合计占总补偿资金的56.78%,COD削减量占总削减量的55.35%.通过优化后的补偿方案,同时实现环境效益和经济效益的双赢.     

流域主体功能优化与黄河水资源再分配

立足流域主体功能优化概念内涵,系统性解析流域各类主体功能目标,基于流域主体功能评价指标体系建立以主体功能优化为目标导向的流域主体功能水资源分配机制,通过遗传算法求解多目标优化模型得到2017年黄河流域9省、自治区的四类水资源分配方案。研究结果表明：（1）流域主体功能实现水资源分配机制,使黄河流域最大可能节水23.01亿m³。（2）流域主体功能水资源分配机制给黄河流域主体功能实现分别带来4344.48亿元的生产功能增量、991.35亿元的生态功能价值增量,可多承载8194.84万人口。（3）减少宁夏和山东的农业用水及内蒙古工业用水分配对黄河流域水资源优化分配至关重要。     

碳中和目标下黄河流域产业结构对生态环境的影响及展望

黄河流域生态环境本底脆弱,长期以来面临着水资源短缺、土地荒漠化、水土流失等诸多严峻的生态环境问题。黄河流域以矿业、能源和重化工业粗放式开发为主的低端产业结构,对水资源消耗巨大,产生的污染较为严重,对流域生态环境影响大。在碳中和战略目标下,进行产业结构低碳转型和产业升级、加强水资源保护和合理利用、调整农业农村发展模式、平衡区域发展差距已成为黄河流域产业结构调整的重要方向,也是实现黄河流域生态保护和高质量发展战略的必由之路。     

平原河网地区双向生态补偿机制与核算方法

针对平原河网地区地势平坦、水流流向不定、上下游关系不明确的特点,以太湖流域为例,根据“十二五”期间流域内各区域COD和NH₃-N两种污染物的削减量和削减成本,运用非线性回归获得各区域的污染物削减成本函数.根据污染物削减成本函数,以流域污染物削减总成本最小为规划目标,以区域间污染物转移量不超过30%为约束条件,构建基于单目标非线性规划方程组的流域污染物削减总成本最小化模型,求解模型获得太湖流域各区域间的污染物削减成本优化配额方案,计算行政指令配额方案与成本优化配额方案下各区域污染物削减成本的差额,以此为依据,核算生态补偿金额并确定生态补偿方向.核算结果表明,相比行政指令配额方案,太湖流域的成本优化配额方案能够节省9 897.03×104元的污染物削减总成本,根据成本优化配额方案,江苏省需要向浙江省和上海市提供10 577.86×104元的生态补偿费用,浙江省和上海市可分别获得8 909.12×104和1 668.74×104元的生态补偿费用.这种基于流域污染物削减成本最小化的生态补偿机制,根据污染物削减成本函数核算生态补偿金额并确定补偿方向,由于污染物削减成本函数有一定的变动性,因此,允许两个区域间根据成本变动情况改变补偿方向,是一种双向生态补偿机制.      

沁河流域水环境约束分区与景观格局优化

以沁河流域(山西省晋城市段)为例,将流域划分为2个一级评价单元和14个二级评价单元,从自然环境因素和社会经济因素选择相应指标进行评价;在此基础上,基于GIS技术和生态因子叠置法,从水环境敏感性和水环境压力2个方面综合考虑了流域水环境现状,根据水环境敏感性和水环境压力的等级划分,将流域水环境划分为低压低敏感区域、低压高敏感区域、高压低敏感区域和高压高敏感区域4类区域,针对各类区域的现状提出了相应的景观格局调整方案并提出了全流域的景观格局布置思路.山地生态系统和平原生态系统有机结合的生态网络格局,将有力改善沁河流域的水环境现状.      

基于不同利益相关方认知的水源地生态补偿探讨——以上海市水源地和用水区居民问卷调查为例

采用实地问卷调查和条件价值法评估上海市饮用水源保护的利益相关方认知,探讨黄浦江上游水源地生态补偿机制。研究结果表明,当前水源保护相关政策认知比例普遍较低,水源地部分居民福利受到一定影响,对政府补偿政策的期望较为一致,用水区多数居民愿意分担部分水源保护的责任和义务;水源地WTA和用水区WTP分别为1526元/(月•户)和306元/(月•户),相应未来5年的总受偿意愿和总支付意愿为759.48×10⁸元和465.08×10⁸元;生态补偿方案的合理设计以及不同利益相关方的良好沟通是解决水源地环境冲突的关键。     

赣江流域生态足迹计算与分析

应用生态足迹理论及模型,根据赣江流域2007年出版的统计数据,对赣江流域2006年的生态足迹和生态承载力进行了定量计算,结果表明:2006年赣江流域的人圴生态足迹为0.9327hm2/cap,而当年实际上可以提供的人均生态承载力为0.9474hm2/cap,人均生态盈余为0.0147hm2/cap,生态需求与生态供给之比为1:1.02,表明人们对赣江流域生态经济系统的影响还未超出其生态承载力的阈值,赣江流域生态系统是安全的,流域发展表现为可持续状态;该流域中赣州、吉安2地市出现生态盈余,分别是0.3488hm2/cap,0.2108hm2/cap;而南昌、九江、宜春3地市出现生态赤字,分别是0.2397hm2/cap,0.1328hm2/cap,0.1696hm2/cap,其中南昌市生态赤字最大。