海河流域生态环境承载能力计算

第１６卷第５期

２００５年９月水科学进展ＡＤＶＡＮＣＥＳＩＮ礴ｎ’ＩＥＲＳＣＩＥＮＣＥＶ０１．１６，Ｎｏ．５Ｓｅｐ．，２００５

海河流域生态环境承载能力计算

朱永华１，夏军２一，刘苏峡２，贾绍凤２，丰华丽４

１００１０ｌ；３．武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室（１．河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，水资源环境学院，江苏南京２１００９８；２．中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环与地表过程重点实验室，北京

湖北武汉４３００ｒ７２；４．南京水利科学研究院，江苏南京２１００２９）

摘要：利用多目标多阶段互动优化模型计算了海河流域生态环境承载力，确定了海河流域在南水北调、经济常规发

展、生态环境逐步改善情况下的承载能力过程变化，结果表明：①海河流域现状处于严重的生态环境不可承载状

态；②到２０３３年海河流域生态环境恢复到生态环境社会经济复合系统的良好状态；③海河流域生态环境临界可承

载年２０３３年，可承载人口为１５７３０万，比自然预测人口１５１００万多６３０万，工业、农业、生态及生活用水量占总用

水量的比例将分别是２８％、４３％、１８％、１１％。

关键词：生态环境；承载能力；多目标多阶段互动优化模型；海河流域

中图分类号：）（２２；ｗ２ｌ文献标识码：Ａ文章编号：１００１．６７９ｌ（２００５）０５一Ｏ“９—０６

生态环境承载能力指一个国家或地区，在可以预见的期间里，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“生态一社会。经济”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。进入２１世纪，全球“可持续发展”的共同理念是社会经济要发展，生态环境要保护，社会经济发展不能以牺牲生态环境为代价，而应是以生态环境为本、与生态环境共生与协调的发展［１“］。海河流域社会经济发展太快而当地可用水资源已不足以同时满足社会经济发展与生态环境需求，同时污水处理技术未跟上，人们环保意识淡薄，社会经济发展产生的工业废水和生活污水直接排入沟谷河流，已造成严重的与水相关的生态环境问题，使流域的发展不可持续。为了解决海河流域与水相关的生态环境问题并使其可持续发展，最根本的办法就是进行海河流域的与水相关的生态环境承载能力（简称生态环境承载能力）研究。为此本文利用多目标多阶段互动优化模型针对海河流域主要与水相关的生态环境问题及其成因确定了海河流域生态环境承载能力，研究了海河流域在南水北调（２０１０年起只东线调水，每年调７９．９亿ｍ３，２０３０年起东线、中线同时调水每年调１０８．４亿ｍ３），经济常规发展，生态环境逐步改善情况下生态环境承载能力的变化过程，得到了海河流域：①现状处在不可承载的状态；②到２０３３年生态环境可恢复达到可承载的良好状态；③生态环境临界可承载年２０３３年全流域可承载人口为１５７３０万，比自然预测人口１５１００万多６３０万；生产、生态及生活用水量占总用水量的比例将分别是７１％、１８％及１ｌ％。

１海河流域生态环境问题及其成因

海河流域社会经济的发展和水土资源大规模开发利用已经引起了较为严重的与水有关的生态环境问１．１生态环境问题题一“ｏＩ，具体体现在：

（１）河道断流、地下水位下降、湖泊干涸、湿地萎缩、人海水量减少、河口淤积。２０世纪６０年代末７０年收稿日期：２００４．０８．１６：修订日期：２００４．１０—２０

基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０２７９０４９）；中国科学院知识创新领域前沿项目（Ｃｘｌ０ＤＥ０１．０８）；海河水利委员会

生态修复规划科研专项资助作者简介：朱永华（１９７０一），女，甘肃镇原人，副教授，博士，主要从事生态水文学研究。Ｅ．ｍａｉｌ：Ｙｏｎｇｌｌｕａ３２１＠ｙａｈｏｏ．ｃ锄．ｃｎ

６５０水科学进展第１６卷代初，河道断流长度不到１０００ｋｍ，地下水埋深仅为３～１０ｍ，湖泊湿地面积有１５００ｋｍ２；而现在河道断流长度已超过４０００ｋｍ，地下水埋深变为５～３５ｍ，湖泊湿地面积已缩减为１２２ｋｍ２。２０世纪７０年代人海水量每年平均为１１６亿ｍ３，而现状每年为６９亿ｍ３；２０世纪７０年代枯水年人海水量为２５亿ｍ３（１９７２年），而现状枯水年人海水量仅１２亿ｍ３。

（２）水体污染，包括地表水、地下水。２０世纪６０年代末７０年代初，海河流域的水体水质基本为Ｉ～Ⅲ级，而现状７５％的河长水体水质不符合Ⅲ级标准；２／３井中的地下水达不到饮用水要求。海河流域水污染形势十分严峻。

（３）水土流失持续恶化造成耕地减少、河道水库淤积、沙尘暴肆虐。水土流失是海河流域自然灾害之一。海河流域与水相关的生态环境问题在山区和平原区表现不同，山区主要是水土流失问题，平原区生态环境问题最为严重，有水质污染、地下水超采、河道断流、湿地萎缩、人海水量减少等。

１．２生态环境问题的成因

直接从生态环境问题来看，河道断流、地下水超采、湖泊湿地面积缩小、人海水量减少主要是由于经济用水过多占用了生态用水造成的；水体污染是由于经济发展产生了大量的污染物，而污水处理率又不高造成的；水土流失是由于经济用地过多，乱砍乱伐，变林草地为耕地以及人为引水造成的。从海河流域的社会经济发展和人均水资源来看：２０世纪５０年代初，流域人口只有５５００万，而现状有１．２６亿，２０世纪５０年代初，流域城市化率只有１６％，而现状达３０％，２０世纪５０年代初，ＧＤＰ只有３００亿元，而现在为１００００亿元；２０世纪５０年代初，人均水资源量为７５０ｍ３，而现在只有３００ｍ３。可得出，海河流域生态环境问题是由于社会经济发展超过了生态环境承载能力产生的。

２海河流域生态环境承载能力多目标多阶段互动优化模型

２．１目标函数的构造

因为海河流域的生态环境承载能力是生态环境质量既要好，社会经济水平又要高时的人口和经济规模（用ＧＤＰ表示）。可见，我们的目标应是双重目标，第Ⅳ年该流域生态环境承载能力量化模型的目标函数记为

＿Ⅳｌ

曰吖：Ｍａｘ几（邯（ｒ））丙（１）

ｒ＝ｌ

式中邱（ｒ）为生态环境质量与社会经济发展水平的综合测度指标，表示ｒ时段生态环境质量一社会经济水平

邱（ｒ）的计算由下式表示

Ｅ．ｓ（ｒ）＝ＥＧ（ｒ）＾ｕ（ｒ）如（２）

Ｅｃ（ｒ）＝ＩＩ仉（ｒ）气（３）

ｆ＝ｌ

ｕ（ｒ）＝Ｉｌ马（ｒ）Ｉ（４）

，；１

ＥＧ（ｒ）、ｕ（ｒ）分别表示ｒ时段社会经济水平、生态环境质量的综合评价的量值，分别称为社会经济水

综合评价的量值，称为生态环境质量一社会经济水平综合测度。粥最大情况下的经济规模、人口数及对应的水资源配置模式、环境质量模式就是我们生态环境承载能力确定的目的。从发展角度来讲，生态环境质量、社会经济水平是衡量流域可持续发展的两个重要指标，生态环境质量越好，社会经济水平越高，这样的流域发展趋势正是流域的可持续发展趋势。因此Ｂ”称为可持续发展测度。式中平综合测度、生态环境质量综合测度，都通过引入隶属度进行标量化，表达为［０，１］区间的值。卢，、卢：分别表示社会经济水平、生态环境质量在综合测度中的权重。阢（ｒ）、日ｆ（ｒ）分别表示第ｆ个社会经济水平指标在ｒ时段的隶属度值、第＿『个生态环境质量指标在ｒ时段的隶属度值。ｍ、ｎ分别表示社会经济水平指标、生态环境质量指标的个数。口。表示第ｉ个社会经济水平指标在社会经济水平综合测度中占的权重，６，分别表示第＿『个生

第５期朱永华等：海河流域生态环境承载能力计算６５１态环境质量指标在生态环境质量综合测度中占的权重。权重均根据层次分析法确定。

海河流域生态环境质量的量化指标为：水土流失面积比、ｃＯＤ排放量、地下水开采系数、河道断流长度比、湿地面积比、城市河湖面积比、人海水量；社会经济水平的量化指标为：人均国内生产总值、可承载人口、第三产业产值的比重、人均粮食产量及城镇化率。

２．２约束条件的构成

（１）水土资源．生态环境．社会经济复合系统互动关系约束水土资源．生态环境．社会经济复合系统互动关系模型包括水量平衡模型、社会经济．水量关系模型、环境．水量关系模型，反映水土资源．生态环境．社会经济复合系统的内在动态联系。这样得出可承载的人口及ＧＤＰ的同时也可得出相应的用水配置、污水回用量，更有利于决策者决策。水土资源．生态环境．社会经济复合系统互动关系模型用肋Ｄ（麟）表示。

（２）水资源约束

式中形总可用≥形工＋形农＋形生态＋形生活（５）形工、形农、形生态及畦活分别指海河流域计算时段内的工业、农业、生态及生活用水量。形总可用指流域计算时段内的总可用水量，为该流域计算时段内地表水资源量、地下水资源量、调入或流人流域的水资源量、污水回用水量、利用的微咸水量、利用的海水淡化水量之和。

（３）与水相关的环境约束污水排放量

形工废＋形生活污≤日（６）

式中形工废、形生活污分别指海河流域计算时段内的工业废水及生活污水排放量，ｍ３；Ｂ指流域计算时段内允许

污染物（以水中化学需氧量ＣＯＤ为例）（７）排放的污水量，ｍ３，等于流域污水处理量与流域径流自净量之和。Ｑ工废＋Ｑ生活污≤曰ｌ

式中Ｑ工废、Ｑ生活污分别指海河流域计算时段内工业废水、生活污水中的ｃＯＤ量，ｔ；Ｂ１指允许排放的ＣＯＤ总量，ｔ，等于流域水体的纳污量和当地的污染物处理量之和。

地下水开采系数、常年河道断流长度比ｃＩ≤Ａｋ（七＝３，４）（８）Ｋ＝３时，Ｃ３、Ａ，分别指海河流域地下水开采系数及流域可承受的地下水开采系数（其计算见表２）；Ｋ＝４时，ｃ。、Ａ４分别指海河流域的常年河道断流长度比及流域许可的常年干枯河道长度比，计算河流为一至三级河流。

湿地面积比、城市河湖面积比、人海水量ＣＩ≥ＡＩ（局＝５，６，７）（９）Ｋ＝５时，Ｃ５、Ａ５分别指海河流域的湿地面积比及流域要求的湿地面积比；Ｋ＝６时，Ｃ６、Ａ６分别指海河流域的城市河湖面积比及流域要求的城市河湖面积比；后＝７时，Ｃ７、Ａ７分别指海河流域的人海水量及流域要求的人海水量，亿ｍ３。

（４）社会经济方面约束

人均ＧＤＰＧ＝ＤＰ，，≥ＡＧＤＰ（１０）式中ＣＤＰ小ＡｃＤＰ分别指海河流域的人均ＧＤＰ及流域人均ＧＤＰ的最小值，元。

人均粮食

式中Ｄ４≥Ａ粮食（１１）Ｄ４、Ａ粮食分别指海河流域的人均粮食产量及流域人均粮食的最低占有量，ｋｇ。

（５）可持续发展约束礤（ｒ）≥郡（ｒ一１）（１２）由于该模型｜｜｝时段的以后过程受其以前的演变过程所影响，显然不符合运筹学中动态规划的重要性质——无后效性，因此该模型不是一个动态规划模型，只能说成是一个多阶段优化模型。

３承载能力的计算

海河流域生态环境系统对社会经济系统可承载的判定决定于生态环境质量测度Ⅱ和自然预测人口（指自然增长和机械迁移人口［１０］）。当Ⅳ≥Ｏ．８且可承载人口不小于自然预测人口时生态环境系统对社会经济系统可承载，其它情况下均不可承载。口由各个生态环境质量指标来确定，当各个指标实际值均为人类可忍受的下限

６５２水科学进展第１６卷值时，口值为０．８。

３．１承载能力的计算方案及输入参数

承载力输入参数有两部分，一部分是进行量化可持续发展测度日刀的生态环境质量测度Ｕ、社会经济水平表１社会经济水平指标的可承载状态临界值、

完全承载状态临界值

１’ａｂｌｅ１Ｃｒｉｔｉｃａｌ测度ＥＧ的各个指标的可承载状态临界值（人类可忍受的指标的下限值）、完全承载状态临界值（生态环境系统社会经济ｖａｌｕ鹳ｉｎｂｅａｍＭｅｓｔａｔｅａｎｄ复合系统处于完全良好状态时指标的下限值）。海河流域的

量化可持续发展测度的输入参数见表１、表２。另一部分是

承载力模型计算方案中的参数。计算方案为南水北调下的经

济常规发展方案，此方案中南水北调指海河流域从２０１０年ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙｂｅａｒａｂＩｅｓ协ｔｅｏｆｖａ订。吣ｓＤｃｉｏ－ｅｃ佃０ｎｌｉｃａｌｌｅｖｄ砌ｅｘｅｓ

起每年可获得东线调水７９．９亿ｍ３，２０３０年起每年可获得东

线及中线同时调水１０８．４亿ｍ３，经济常规发展方案根据文献

［１０］确定。选１９９８年为计算起始年，方案输入数据见表３。

在１９９８年用实际用水量，在２０１０年、２０３０年用可用水量

注：人均ＧＤＰ、可承载人口的隶属度据文献［１１］计算。（不包括污水回用水）见表３。

表２生态环境指标的可承载状态临界值、完全承载状态临界值

ＴａＭｅ２ｏｒｉ廿ｃｍＶａｌｕ船ｉｌｌｂｅ啪Ｍｅｓ纽ｔｅａｎｄ咖ｐＩｅｔｅｌｙｂｅａｒａｂｋｓｔａｔｅｏｆＶ棚。吣ｅｃ０－训ｒ咖蚰ｔａｌｑｌｌａＩｉｔｙｉｌｌｄｅｘ鼯

表３海河流域生态环境承载能力计算输入参数

Ｔ劬Ｉｌｅ３ｌｎｐｕｔ瑚嘲蛆ｅｔｅ髓ｆｂｒ咖ｃｌｌｌａｔｉｌ喀ｅｃ伊蛐、，ｉｍｎｍｅｎｔａｌｃ盯ｒｙｉ呜∞阳ｃｉ锣ｏｆＨａｉｈｅ础Ｖｅｒｂａｓｉｎ

注：＊指可用水量中计算的南水北调水量；口、口－的确定方法见承载力量化模型中的与水相关的环境约束ｏ＃人均粮食占有量的２０ｌＯ、２０３０年

取值只限定范围，且其取值偏低，是因为考虑海河流域地处首都圈与京津唐经济区的特殊区位条件，粮食不必完全自给自足，可通过贸易或其它途径补充。

表３中各指标的来源：

用水定额、第三产业的比重、污水处理率、城镇化率表征社会经济发展以及技术水平，主要考虑由于调整产业结构、采用高科技、提高用水效率，节水力度提高引起经济技术水平变化的情景：认为１９９８年为低经济技术水平，则用水定额、城镇化率、第三产业的比重、污水处理率以１９９８年的为准；到２０１０年达到中经济技术水平，要求农业综合用水定额降低到现状的９０％，工业综合用水定额降低到现状的５０％，城镇化率达到４６．３％；到２０３０年达到高经济技术水平，要求农业综合用水定额降低到现状的８０％，工业综合用水定额降低到现状的３０％。４０％，城镇化率达到５４．４％。污水处理率的规划值据海河流域的环保投资占ＧＤＰ的比重确定，

第５期朱永华等：海河流埤生态环境承载能力计算６５３１９９８年海河流域全区约为１％，当环保投入占ＧＤＰ稳定达到２％时，污水处理率可达４０％～４５％；当稳定达２．５％时，污水处理率可达５０％左右；当稳定达到３％时，污水处理率可达６０％以上。第三产业比重根据美国著名经济学家Ｈ．钱纳里提出的地区经济发展各阶段所对应的产业结构关系理论，根据人均ＧＤＰ所对应的各地区所处的工业化阶段而求得。

其它数据来源于文献［９，１０］。

３．２海河流域生态环境承载能力的计算结果

根据表ｌ一表３的生态环境承载能力计算输入参数，并根据其计量模型计算可得出表４所示的结果。

表４海河流域生态环境逐步改善时。生态环境可承载的过程变化

Ｔ铀Ｉｅ４Ｙｅａｒｌｙｃｈａ厦唱ｅｏｆｅｃｏ．ｅ州ｒ咖ｅｎｂｒｅ舵ｌＩｉｎｇｔｏｔｈｅｂｅｒａ阳ｂＩｅｓｔａｔｅｕｎｄｅｒｔｈｅ∞ｏ．ｅｎｖｉ】●咖ｅｎｔｓ

Ｆ们眦ｕｙｐｅ—ｊ嚏ｔｉＩ喀ｏｆＨａｉｌ地磁Ｖｅｒｂａｓｉｎ

注：１９９８年的值等于表３中１９９８年的实际用水量与表中相应年份的回用水量之和；加ｌＯ、２０２０年的值等于表３中２０１０年的可用水量与表中相应

年份的回用水量之和；２０３０年及其以后年份的值等于表３中２０３０年的可用水量与表中相应年份的回用水量之和。

４结论

在生态环境逐步改善时即生态环境逐步恢复时，经济常规发展方案下，海河流域生态环境承载能力的过程变化的计量结果分析如下：

（１）海河流域现状处在不可承载的状态。这是因为现状生态环境质量测度仅为０．０７７２，而生态环境达到可承载时的生态环境质量测度最小值为０．８，可见，海河流域现状生态环境质量测度大大低于可承载临界值。

（２）海河流域从现在起逐步改善生态环境，通过南水北调工程实施以及其他措施让生态需水保障逐步提高（２０４０年达１２０亿ｍ３，接近最小生态需水量），社会经济水平提高，从２００３年算起，到２０３３年达到可承载，即海河流域的生态环境系统从２００３后开始算起还需３１年达到可承载。可见，海河流域的生态环境恢复需要一个比较长的时间，任务十分艰巨。

（３）海河流域可持续发展情况下，生态环境逐步恢复时，２０１０年人均ＧＤＰ为１７０００元时，可承载人口将为１３６２０万，ＧＤＰ将达到２３１５３亿元，工业、农业、生态及生活用水量占总用水量的比例将分别是２４％、５８％、８％及１０％；２０３０年人均ＧＤＰ为４ｌ９４０元时，可承载人口将为１５３２５万，ＧＤＰ将为６４２７４亿元。工业、农业、生态及生活用水量占总用水量的比例将分别是３０％、４４％、１６％及１０％；可承载年２０３３年人均ＧＤＰ将达到４３８７８元，可承载人口将为１５７３０万，ＧＤＰ将为６９０２２亿元，工业、农业、生态及生活用水量占总用水量的比例将分别是２８％、４３％、１８％及１１％；２０４０年人均ＧＤＰ是４８４００元，可承载人口将为１６７６９元，ＧＤＰ将为８ｌ１６０亿元，工业、农业、生态及生活用水量占总用水量的比例将分别是２４％、４５％、２０％及１１％。

（４）海河流域生态环境逐步改善时，生态用水占总用水量的比例将提高，现状（１９９８年）情况下，生态用水量只占总用水量的２％，而到可承载年２０３３年，生态用水量将占总用水量的１８％，生活用水量占总用水量的比例变化不大，而农业用水量占总用水量的比例将大大减小，工业用水量占总用水量的比例将渐渐增大，然后又略有减小。可见要实现海河的可持续发展，除通过南水北调增加总供水量之外，与合理的用水配置分不开。

６５４水科学进展第１６卷本文所得有关水资源承载能力的结论只是根据１９５９—１９９８年４０年平均状况下的结果，没考虑丰水年和枯水年的情况。

致谢：海河水利委员会和水资源保护局提供宝贵的资料和支持，在此表示衷心的感谢。

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ＣａｌｃＩｌｌａｔｉｏｎ０ｆｃａｒｒｙｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆｅｃｏ－ｅｎｖｉｒｏｍｎｅｎｔｓｉｎＨａｉｌｌｅＲｉＶｅｒ

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海河流域生态环境承载能力计算

作者：

作者单位：朱永华， 夏军， 刘苏峡， 贾绍凤， 丰华丽， ZHU Yong-hua， XIA Jun， LIU Su-xia， JIA Shao-feng， FENG Hua-li朱永华,ZHU Yong-hua(河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,水资源环境学

院,江苏,南京,210098)， 夏军,XIA Jun(中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环与地

表过程重点实验室,北京,100101;武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北,武

汉,430072)， 刘苏峡,贾绍凤,LIU Su-xia,JIA Shao-feng(中国科学院地理科学与资源研究

所陆地水循环与地表过程重点实验室,北京,100101)， 丰华丽,FENG Hua-li(南京水利科学

研究院,江苏,南京,210029)

水科学进展

ADVANCES IN WATER SCIENCE

2005,16(5)

6次刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

参考文献(11条)

1. 夏军;左其亭;邵民诚 博斯腾湖水资源可持续利用--理论、方法、实践 2003

2. 水利部海河水利委员会 海河流域水资源规划报告 2000

3. 水利部海河水利委员会 海河流域水生态恢复研究(初步报告) 2002

4. 王志民 恢复海河流域生态环境,全面建设小康社会[期刊论文]-海河水利 2003(01)

5. 王志民 面向21世纪的海河水利 2000

6. Bender M J;Simonovic S P Consensus as the measure of sustainability[外文期刊] 1997(04)

7. 刘昌明;何希吾 中国21世纪水问题方略 1996

8. 中国二十一世纪议程--中国21世纪人口、环境与发展白皮书 1994

9. 钱正英;张光斗 中国可持续发展水资源战略研究(综合报告及各专题报告 2001

10. 中国工程院"西北水资源"项目组 西北地区水资源配置、生态环境建设和可持续发展战略研究[期刊论文]-中国工程科学 2003(04)

11. 潘家华 持续发展途径的经济学分析 1997

引证文献(6条)

1. 窦明. 左其亭. 胡瑞. 李桂秋 淮河流域水环境综合承载能力[期刊论文]-水科学进展 2010(2)

2. 熊文. 黄思平. 杨轩 河流生态系统健康评价关键指标研究[期刊论文]-人民长江 2010(12)

3. 赵晓梅. 盖美 基于熵权模糊物元的辽宁省生态环境承载力研究[期刊论文]-环境科学与管理 2010(6)

4. 严子奇. 夏军. 左其亭. 张永勇 淮河流域水环境承载能力计算系统的构建[期刊论文]-资源科学 2009(7)

5. 吴光红. 刘德文. 丛黎明 海河流域水资源与水环境管理[期刊论文]-水资源保护 2007(6)

6. 夏军. 刘苏峡 国际科学院网络组织水计划研究进展[期刊论文]-水利水电技术 2007(1)

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