生态环境承载力的一种量化方法研究——以海河流域为例（夏军王中根左其亭） 时间：2007-04-06 15:37:43 来源：《自然资源学报》放大缩小打印摘要：在可持续发展原则的指导下，基于多因素关联分析理论，提出一种生态环境承载力的定量分析方法。
内容包括：（1）建立指标体系和多级关联评价模型，量化社会、经济、生态环境的发展质量（2）提出可持续发展的综合测度函数，量化研究区可持续发展质量（3）建立生态环境承载力量化分析模型。
通过模型调整人口数量和GDP，在保持一定生态环境质量前提下，在满足水资源量供需平衡和可持续发展的要求下，得到适宜研究区生态环境的人口数量和GDP。
将模型应用到海河流域，以1998年为现状年，考虑到南水北调工程、生态环境的修复和用水效率的提高，设计出6种情景方案。
结果表明，提高海河流域的可供水能力（如南水北调工程等）和用水效率，是解决海河流域水生态环境危机的一个重要途径。
关键词：生态环境；承载力；水资源；海河流域中图分类号：X171.1 文献标识码：A 文章编号：1000-3037（2004）06-0786-091 引言生态环境承载力是指在满足一定的生态环境保护准则和标准下，在一定的经济、技术水平条件下，在保证一定的社会福利水平要求下，利用当地（和调入）的水资源和流域“社会—经济—生态环境”系统其他资源与环境条件，维系良好生态环境所能够支撑的最大人口数量及社会经济规模。
生态环境承载力决定着一个流域（或区域）经济社会发展的速度和规模。
如果在一定社会福利和经济技术水平条件下，流域（或区域）的人口和经济规模超出其生态环境所能承载的范围，将会导致生态环境的恶化和资源的匮竭，严重时会引起经济社会不可持续发展。
当前海河流域所面临的水生态环境危机[1-3]，正是生态环境超载的反映。
海河流域作为我国的政治、经济、文化中心，具有举足轻重的地位。
如何恢复海河流域生态环境？如何实现海河流域社会、经济、生态环境可持续协调发展？其中关键的一步是要定量研究海河流域生态环境承载力的大小，分析产生问题的根本原因，寻找治理的措施。
在生态环境可承载的约束下，筛选出最优化的发展方案，拟定出适宜海河流域的人口数量和合理的经济结构与发展规模。
承载力概念最早源自生态学，其特定含义是指在一定环境条件下某种生物个体可存活的最大数量[4]。
Irmi Seidl和Clem A.Tisdell 对承载力概念的起源进行了探索，认为在人类生态学和生物生态学领域承载力概念最早可追溯到马尔萨斯的“人口理论”[5]。
后来，有很多人从不同方面进行研究[6、7]。
随着资源短缺和环境污染问题的日益加重，生态环境的安全被提到人类生存与发展的战略高度。
探讨资源与环境承载力同人口、经济发展相协调的问题，成为可持续发展的支撑理论。
但是，以往关于承载力的研究，多数局限于生态环境中的某一资源要素上，如水资源承载力、土地资源承载力、水环境承载力等等[8-10]。
随着社会经济发展和对人类生存环境提出的要求，目前迫切需要从“社会—经济—生态环境”更宏观的系统层面上，探讨流域（或区域）生态环境的承载力，实现“人与自然”协调发展。
本文研究正是以实现可持续发展为主要目标，提出生态环境承载力的量化方法，最终为流域（或区域）发展拟定出一套合理的人口数量与经济发展规模。
2 生态环境承载力的量化方法生态环境承载力的研究，需要在“社会—经济—生态环境”复合系统中，在可持续发展原则的指导下进行。
具体的量化方法包括: 部分内容：（1）量化社会、经济、生态环境各个子系统的发展质量，包括建立各部分评估指标体系和确定量化方法。
（2）提出“社会—经济—生态环境”复合系统可持续发展的综合测度函数，量化流域（或区域）可持续发展的质量。
（3）建立生态环境承载力量化分析模型，通过模型调整人口数量和经济规模，在保持一定生态环境质量前提下，使得“社会—经济—生态环境”复合系统具有较高的发展质量。
此时对应的人口数量和经济规模，便是研究区生态环境承载能力。
2.1 社会、经济和生态环境发展质量的量化2.1.1 量化指标量化社会、经济、生态环境的发展质量，是定量分析流域（或区域）生态环境承载力的第一步。
社会系统的发展质量用“社会福利”综合性指标来表示，“社会福利”又是由众多的可以量化的指标来衡量。
在以水资源短缺为制约的流域生态环境承载力分析中，评估“社会福利”的具体指标，分别从反映生活质量和人均水土资源占有量的指标中筛选。
同理，经济系统的发展质量用“经济技术水平”综合指标来表示，评估“经济技术水平”的具体指标来自反映经济结构和生产技术与用水效率等方面。
“生态环境质量”表示生态环境系统的发展质量状态，针对研究区的生态环境问题，筛选出评估“生态环境质量”的指标。
具体指标体系如下：（1）社会福利：人均GDP、饮用水水质、人均水资源量、人均耕地面积等。
（2）经济技术水平：单方水GDP、单位粮食产量、单位GDP排污量、第三产业比重、城镇化率等。
（3）生态环境质量：河道断流长度、湿地面积比、地下水开采系数、河流水质级别、土壤侵蚀模数、森林植被覆盖率等。
2.1.2 量化方法社会福利、经济技术水平、生态环境质量均属于综合性指标，本文采用多极关联分析方法进行定量评估。
该方法由夏军等发展和完善[9]，最早应用于水环境质量多目标综合分析中，后来被成功应用于生态环境质量等复杂系统的定量评价[11]。
多极关联分析方法具有以下特点：（1）研究的对象可以是一个多层结构的动态系统；（2）指标标准的级别可以用连续函数表达，也可以采用在标准区间内做离散分级；（3）方法本身具有很强的可操作性，易与现行方法对比。
多极关联分析方法的基本原理如下：依据评价样本与质量标准序列间的几何相似分析和关联测度的计算来度量评价样本中多个序列相对某一标准级别质量序列的关联性。
关联度愈高，说明该样本序列愈贴近参照级别，这就是多级关联综合评价的信息和依据。
2.2 复合系统可持续发展质量的度量社会福利、经济技术水平和生态环境质量综合在一起反映了社会—经济—生态环境复合系统可持续发展的程度，引入可持续发展测度的概念来描述[12]。
可持续发展测度SDD（T），定义为：式中，W(T)为社会福利；E(T)为经济技术水平；S(T)为生态环境质量；β1、β2、β3为权重系数，均权时取值为1/3；T为时段，一般为年。
W（T）、E（T）、S（T）取值在[0，1]之间，越大表明相应系统的发展质量越高。
只有W(T)、E(T)和S(T)都达到最大值时，SDD(T)才能达到最大值。
实际上，社会、经济、生态环境既相互促进又互相制约，只有在可承载范围内，才表现为互相促进。
什么是可承载？可以认为生态环境质量S(T)能维持在某个值（如0.8）时，此时经济社会发展是在可承载条件下进行的，SDD(T)处于持续增长状态。
2.3 生态环境承载力量化分析模型及求解方法2.3.1 量化分析模型生态环境承载力表现为在满足一定生态环境质量前提下，研究区生态环境所能承载的人口数量和经济规模。
本文建立的生态环境承载力量化分析模型由4部分组成（图1）。
分别评估社会、经济、生态环境和研究区可持续发展的质量，计算生活、生产、生态用水量，并进行水量平衡计算。
2.3.2 模型的计算分析过程模型的运转采用人机交互的方式进行，分析的原则是：通过人口和GDP的调整，改变相应的指标值，使社会、经济、生态环境的发展质量达到预定值。
计算此时的生活、生产、生态用水量，并与本地水资源量和外调水量进行水量平衡计算。
如果水量平衡误差在可接受范围内，进行研究区可持续发展测度的计算，输出相应的人口和GDP。
这便是当前经济技术水平和社会福利条件下的研究区生态环境承载能力。
模型具体求解过程如下：（1）根据评价标准和现状及各种预设的方案值，应用多极关联分析方法，得到生态环境质量、社会福利和经济技术水平的指标值，在[0,1]内取值。
（2）判断生态环境质量、社会福利和经济技术水平是否达到预定的值（如0.8或0.6）。
如果达到要求，根据生态环境质量、预测人口数量和GDP及产业模式（决定单方GDP用水量），估算相应的生态、生活、生产用水量；如果达不到要求，需要调节人口数量和GDP及产业模式，改变相应的指标值，重新计算直至达到要求。
这样预定的方案才满足可持续发展的要求。
对于现状的评价或者对于方案不进行可持续性检验时，可以跳过这一步。
（3）将计算得到的生活、生产、生态用水量与本流域水资源量和相应方案下外调水量，做水量平衡计算。
如果误差在可以接受的范围内，利用式（1）进行可持续发展测度的计算，输出可持续发展测度、生态环境质量、人口数量、GDP与产业结构（由于产业结构决定用水效益，用“单方GDP用水量”间接反映）以及外调水量；如果误差超出可接受的范围，说明预设的方案不满足水量供需平衡的要求，需要重新调整方案的指标值进行新的计算。
经过上述3个步骤，筛选出的方案基本上满足可持续发展的要求及良好生态环境质量和水量供需平衡的要求。
在众多方案找出可持续发展测度最大的方案，此时，对应的人口数量和经济规模便是表征生态环境承载力的指标。
生活、生产、生态用水量的计算可以采用复杂的专业机理模型，也可以采用简单方法。
至于生态用水量的计算，由于其理论与计算方法在发展中，存在许多争议，本文采用的是专家经验评估法。
目前，专家普遍认为，研究区海河流域生态环境恢复到最佳状态（对应于生态环境质量S（T）为1），大概需要120×108m3的水。
若生态用水低于20×108m3，生态环境将遭到严重破坏。
在海河流域，生态用水是决定生态环境质量的关键性因素，因此+通过调节生态用水量能够提高生态环境质量，反之，根据生态环境质量也能估算生态用水量。
生活用水量通过人口数量乘以生活用水定额得到。
生产用水由GDP除以单方水GDP得到。
单方水GDP反映用水效率，受技术进步、产业结构比例、城镇化率等因素影响。
在不同时期或不同方案下，其取值是不同的。
每套方案（除现状分析外）都预设有相应的人口数量和经济规模指标，并通过模型计算进行优化调整。
3 实例研究3.1 海河流域概况海河流域是中国七大流域之一，流域面积31.8×104km2。
位于东经112度-120度，北纬35度-43度之间，流域内有北京、天津、石家庄等25座大中城市，是中国政治、经济、文化的中心。
1998年流域总人口1.22×108人，占全国的近10%，其中城镇人口3365×104人，城镇化率28%。
1998年流域国内生产总值（GDP）9578×108元，占全国的!+/，人均GDP为7850元，高出全国平均水平的1/4。
海河流域由海河、滦河、徒骇马颊河三大水系组成6多年平均降水量539mm(1956-1998年），多年平均水资源总量为372×108m3，其中地表水资源量为220×108m3。