李 云, 張紫瑤, 周維博
(1.長(zhǎng)安大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院, 陜西 西安 710054; 2.長(zhǎng)安大學(xué) 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710054)
作為“一帶一路”核心區(qū)的西安市,在城市建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大的同時(shí),水資源供需矛盾也日益嚴(yán)重[1]。近年來(lái),隨著“八水繞西安” “引漢濟(jì)渭”等水利工程的建設(shè),大量的水資源被引入并形成了眾多的人工水景觀,與此同時(shí)引發(fā)了一系列水生態(tài)、水環(huán)境等問(wèn)題[2-3]。這些問(wèn)題極有可能導(dǎo)致城市水生態(tài)系統(tǒng)受損,受損的水生態(tài)系統(tǒng)又會(huì)制約城市的發(fā)展。因此,在城市建設(shè)快速發(fā)展的前提下,開(kāi)展西安市水生態(tài)承載力的研究與評(píng)價(jià),揭示其變化規(guī)律,探究城市建設(shè)如何與水生態(tài)系統(tǒng)和諧發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
以往對(duì)于西安市承載力的研究往往都是偏向于水資源[4]或水環(huán)境[5]的某一方面,而將水環(huán)境、水資源、水安全、水生態(tài)聯(lián)系起來(lái),綜合分析城市水生態(tài)系統(tǒng)健康問(wèn)題的研究尚少見(jiàn)報(bào)道。西安市位于西北內(nèi)陸,其城市水生態(tài)承載力特點(diǎn)不同于流域水生態(tài)承載力[6-7];獨(dú)特的氣候分區(qū)也使其與干旱缺水地區(qū)[8]有所不同;復(fù)合的水生態(tài)系統(tǒng)特征使得對(duì)其研究方向不同于水資源充足且水環(huán)境污染嚴(yán)重的南方地區(qū)[9]。
綜上所述,本文結(jié)合西安地區(qū)實(shí)際情況,以水資源、水生態(tài)、水環(huán)境、水安全為研究主體[10-16],與城市水生態(tài)系統(tǒng)自身屬性緊密相連的24項(xiàng)指標(biāo)為研究客體,構(gòu)建了水生態(tài)承載力評(píng)價(jià)體系。在評(píng)價(jià)方法的選取上,常見(jiàn)的評(píng)價(jià)方法有水生態(tài)足跡法、主客觀賦權(quán)法、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)模型、主成分分析法、投影尋蹤評(píng)價(jià)模型、模糊評(píng)價(jià)法等[17]?;谖靼彩兴鷳B(tài)系統(tǒng)的基本特征,采用主成分分析法,對(duì)西安市2010-2018年水生態(tài)承載力進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析,并結(jié)合水生態(tài)文明城市建設(shè)背景,分析2013和2016年西安市各區(qū)(縣)水生態(tài)承載力變化情況。本次研究旨在探尋西安市水生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)情況,為后續(xù)城市水生態(tài)系統(tǒng)治理修復(fù)及向健康良好方向的發(fā)展提供參考。
西安市地處關(guān)中地區(qū),位于渭河流域中部,北臨黃土高原,南臨秦嶺。在氣候分區(qū)上屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候,冬季冷夏季熱,降雨多集中在夏、秋兩季[18]。全市境內(nèi)水系眾多,河網(wǎng)密集,共有11個(gè)市轄區(qū)和2個(gè)縣,全市總面積為10 108 km2。西安市行政區(qū)(縣)劃分見(jiàn)圖1。
圖1 西安市行政區(qū)(縣)劃分
本研究所采用的2010-2018年西安市及其所轄縣的人口、水資源量、區(qū)域面積等相關(guān)資料,均來(lái)源于《陜西省水資源公報(bào)》《陜西省統(tǒng)計(jì)年鑒》《西安市水資源公報(bào)》和《西安市統(tǒng)計(jì)年鑒》。
3.2.1 評(píng)價(jià)體系 本文考慮水生態(tài)承載力與城市水資源、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、之間的相互關(guān)系,參考國(guó)家最嚴(yán)格水資源管理制度的“三條紅線”和《水生態(tài)文明城市建設(shè)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》,同時(shí)根據(jù)西北地區(qū)的地域特性,在綜合各種指標(biāo)框架的優(yōu)缺點(diǎn)后[19-22],從系統(tǒng)角度出發(fā),建立了西安市水生態(tài)承載力評(píng)價(jià)體系,如圖2所示。在能夠充分反映水生態(tài)系統(tǒng)承載力狀態(tài)且針對(duì)性較強(qiáng)的24個(gè)指標(biāo)中,C1、C2、C8、C9、C10、C16、C17、C19、C20、C23、C24為正向指標(biāo),其余均為負(fù)向指標(biāo)。
3.2.2 PCA模型 本文利用主成分分析法(PCA)進(jìn)行評(píng)價(jià)[23]。具體模型構(gòu)建步驟如下:
(1)消除原始數(shù)據(jù)Xij量綱。
(1)
(2)計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣及其特征值和對(duì)應(yīng)的特征向量。
R=[rij]p×p
(2)
(3)
|λI-R|=0
(4)
(3)通過(guò)計(jì)算主成分貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率確定主成分。
(5)
(6)
式中:pt為主成分貢獻(xiàn)率;P為累積貢獻(xiàn)率;λt為累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)85%以上時(shí)前m項(xiàng)主成分對(duì)應(yīng)的特征值。
(4)計(jì)算水生態(tài)承載力綜合得分值。
(7)
(8)
式中:Z為水生態(tài)承載力綜合得分值;zt為主成分;atj為主成分荷載,是特征向量aj的第t個(gè)分量。
根據(jù)綜合得分值高低來(lái)判斷城市水生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況,當(dāng)綜合得分值越高時(shí),城市水生態(tài)系統(tǒng)越健康,反之,綜合得分值越低,城市水生態(tài)系統(tǒng)狀況越差。
3.2.3 評(píng)價(jià)結(jié)果分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) 評(píng)價(jià)結(jié)果分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是衡量評(píng)價(jià)結(jié)果等級(jí)的重要內(nèi)容。本文查閱文獻(xiàn)[24]、[25]并結(jié)合西安市具體情況,選定各項(xiàng)指標(biāo)等級(jí)分界值,將其代入主成分分析模型,得出分界點(diǎn)綜合得分值,以此將西安市水生態(tài)承載力評(píng)價(jià)結(jié)果劃分為5個(gè)等級(jí),具體情況如表1。
圖2 西安市水生態(tài)承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系
表1 西安市水生態(tài)承載力評(píng)價(jià)結(jié)果等級(jí)表
根據(jù)上文構(gòu)建的西安市水生態(tài)承載力評(píng)價(jià)體系,利用主成分分析法得到2010-2018年西安市水生態(tài)承載力綜合得分值,結(jié)果如圖3所示。
圖3 2010-2018年西安市水生態(tài)承載力綜合得分值
由圖3可知,西安市2010-2018年水生態(tài)承載力總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。在2010和2011年,西安市水生態(tài)承載力不容樂(lè)觀,為Ⅳ級(jí)(超載),但從2012年開(kāi)始有所改善。與2011年相比,2012年的綜合得分值增加了2.07,水生態(tài)承載力狀態(tài)由Ⅳ級(jí)變?yōu)棰蠹?jí)(臨界);2013-2015年,水生態(tài)承載力在2012年的基礎(chǔ)上繼續(xù)增長(zhǎng),但其表現(xiàn)狀態(tài)仍為Ⅲ級(jí);2016綜合得分值有顯著提高,與2015年相比,增長(zhǎng)幅度高達(dá)6.91,承載力狀態(tài)也轉(zhuǎn)為Ⅱ級(jí)(良好);2017年與2016年相比得分值有小幅下降,變?yōu)棰蠹?jí);但在2018年水生態(tài)承載力綜合得分值有所恢復(fù),達(dá)到研究時(shí)段內(nèi)最大值8.96,水生態(tài)承載力狀態(tài)表現(xiàn)為Ⅱ級(jí)(良好)。
歷年的水生態(tài)承載力綜合得分值可以體現(xiàn)出水生態(tài)承載力變化情況。為進(jìn)一步分析2010-2018年西安市水生態(tài)承載力變化的影響因素,對(duì)圖2中城市水生態(tài)承載力評(píng)價(jià)體系的4項(xiàng)準(zhǔn)則(B1~B4)進(jìn)行主成分分析,結(jié)果如圖4所示。
圖4 西安市水生態(tài)承載力評(píng)價(jià)體系準(zhǔn)則層得分
根據(jù)圖4可得,水生態(tài)、水環(huán)境與水安全和水生態(tài)承載力的變化趨勢(shì)相近,整體呈上升狀態(tài);而水資源和水生態(tài)承載力變化趨勢(shì)相反,且水資源波動(dòng)變化最大。對(duì)于各項(xiàng)準(zhǔn)則變化的具體分析如下:
(1)由于降水等相關(guān)因素的不穩(wěn)定性,水資源準(zhǔn)則中人均水資源量和降水量,并無(wú)太大明顯變化,但各行業(yè)用水比例和萬(wàn)元GDP用水量因?yàn)槿藗児?jié)水意識(shí)的增強(qiáng)以及大量節(jié)水、用水新技術(shù)的投入使用反而有所降低。在用水總量控制指標(biāo)下,各行業(yè)用水效率有了明顯提升,經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和社會(huì)發(fā)展更加迅速。
(2)與水生態(tài)承載力波動(dòng)相接近的水生態(tài)、水安全準(zhǔn)則中,生態(tài)補(bǔ)水比例、水域面積指數(shù)、飲用水水質(zhì)達(dá)標(biāo)率等各正向指標(biāo)的提升,使得這兩項(xiàng)準(zhǔn)則綜合得分值呈現(xiàn)出上升趨勢(shì),為水生態(tài)系統(tǒng)健康的恢復(fù)創(chuàng)造了條件。2010年西安市生態(tài)補(bǔ)水比例以及園林綠化覆蓋率僅為3.09%和1.20%,而在2018年增長(zhǎng)為13.80%和3.14%,這兩項(xiàng)指標(biāo)的提高使得水生態(tài)系統(tǒng)儲(chǔ)水能力增強(qiáng),在維護(hù)水生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí),保證了水資源量的增加。同時(shí),水域面積指數(shù)和河流斷面水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率不斷攀升,分別增加了0.135和23.73%,使得用水安全也得到了保證。
(3)水環(huán)境準(zhǔn)則作為影響水生態(tài)承載力變化的又一重要因素,其負(fù)向指標(biāo)的不斷減小以及正向指標(biāo)的增加,直接反映出人類活動(dòng)對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的影響。2010-2018年間,西安市加大了對(duì)水環(huán)境保護(hù)治理的力度。第二產(chǎn)業(yè)污水污染強(qiáng)度指數(shù)、城鎮(zhèn)生活污水排放強(qiáng)度指數(shù)分別下降了7.59和7.74,污水處理廠處理能力、再生水處理能力有了很大的提高,分別增加了163×104t/d和27.84×104m3/d,同時(shí),水環(huán)境治理投資比例也逐年增加。這些指標(biāo)的變化,使得排入水體中的污染物有所減少,水環(huán)境的污染有所改善。
綜上所述,對(duì)于受損的水生態(tài)系統(tǒng),西安市在不斷加大對(duì)其恢復(fù)力度。與2011年相比,2012年西安市水域面積、園林覆蓋率在積極的治理保護(hù)后均有所增加。同時(shí)各行業(yè)用水比例減少和用水效率均有明顯提高,再生水利用量和污水處理廠處理能力也有所提高,排入水環(huán)境中的工業(yè)污染物、生活污水、農(nóng)藥化肥殘留物有所減少。此外,西安加大了生態(tài)補(bǔ)水比例和水環(huán)境保護(hù)治理投資,此舉極大地改善了城市水生態(tài)系統(tǒng)狀況,2012年西安市水生態(tài)承載力由Ⅳ級(jí)(超載)轉(zhuǎn)為Ⅲ級(jí)(臨界)。
2015年后西安市加大了對(duì)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)的推進(jìn),在農(nóng)業(yè)灌溉和工業(yè)生產(chǎn)用水領(lǐng)域注重新技術(shù)的應(yīng)用,對(duì)水環(huán)境保護(hù)的投資額也達(dá)到了歷年最大。在長(zhǎng)期有效的治理建設(shè)后,2016年,西安市水生態(tài)承載力由Ⅲ級(jí)增長(zhǎng)為Ⅱ級(jí)(良好),水生態(tài)系統(tǒng)狀況明顯好轉(zhuǎn)。但由于2016年對(duì)水環(huán)境保護(hù)力度大,治理力度強(qiáng),2017年西安市水生態(tài)系統(tǒng)水環(huán)境治理方面達(dá)到了暫時(shí)性的飽和,雖然該年水生態(tài)承載力綜合得分值相比2016年有所下降,但除去水環(huán)境治理保護(hù)投資額占比,其他各項(xiàng)指標(biāo)均向有利的方向發(fā)展。并且經(jīng)過(guò)2016年和2017年的治理保護(hù),2018年水生態(tài)承載力達(dá)到綜合得分值最大值。2010-2018年以來(lái)西安市多管齊下,從節(jié)水、用水、污水處理等各方面深化水生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和修復(fù)工作,并取得了顯著成效,使原本受損的水生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)為支撐城市發(fā)展的基石。
西安市于2013年開(kāi)展了水生態(tài)文明城市建設(shè)工作。根據(jù)西安市整體水生態(tài)承載力評(píng)價(jià)結(jié)果, 以及對(duì)試點(diǎn)開(kāi)始年2013年和試點(diǎn)期末年2016年西安市各區(qū)(縣)(西安市行政分區(qū)中蓮湖區(qū)、新城區(qū)、碑林區(qū)合稱城3區(qū))水生態(tài)承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)分析,結(jié)果如圖5所示。
圖5 2013和2016西安市各區(qū)(縣)水生態(tài)承載力狀態(tài)
分析圖5可知,2016年各區(qū)(縣)水生態(tài)承載力綜合得分較2013相比均有所好轉(zhuǎn),其中,灞橋區(qū)、雁塔區(qū)、臨潼區(qū)變化最大,出現(xiàn)了明顯的等級(jí)變化。2013年西安市各區(qū)(縣)水生態(tài)承載力除去閻良區(qū)、周至縣、鄠邑區(qū)、高陵區(qū)外,大多處于Ⅲ~Ⅳ級(jí),承載力較低。而2016年,在水生態(tài)文明城市建設(shè)持續(xù)開(kāi)展下,原本位于Ⅳ級(jí)(超載)的灞橋區(qū)轉(zhuǎn)為Ⅱ級(jí)(良好);未央?yún)^(qū)則轉(zhuǎn)為Ⅲ級(jí)(臨界);位于Ⅲ級(jí)的臨潼區(qū)則轉(zhuǎn)為Ⅱ級(jí),其余各區(qū)(縣)水生態(tài)承載力均有所提高,但無(wú)明顯等級(jí)變化。
兩年內(nèi)水生態(tài)承載力狀態(tài)持續(xù)位于各區(qū)(縣)最低(Ⅳ級(jí))的城3區(qū)、雁塔區(qū)、藍(lán)田縣,作為早期成立的區(qū)(縣),歷史悠久,人口密度大,第二、三產(chǎn)業(yè)較為集中,各產(chǎn)業(yè)用水量、污水排放量明顯高于其他區(qū)(縣)。此外,當(dāng)?shù)厮Y源過(guò)度開(kāi)發(fā)利用,部分地區(qū)地下水超采比例嚴(yán)重,水環(huán)境保護(hù)治理程度相對(duì)于其他區(qū)(縣)來(lái)說(shuō)也較少,水生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)受損嚴(yán)重。因此,應(yīng)對(duì)上述區(qū)(縣)現(xiàn)有水資源做出評(píng)價(jià),確定開(kāi)發(fā)保護(hù)比例,增加水環(huán)境保護(hù)投入,以促進(jìn)水生態(tài)承載力恢復(fù);同時(shí)應(yīng)進(jìn)一步調(diào)整、優(yōu)化用水方式,促進(jìn)節(jié)水新技術(shù)的發(fā)展,減少污水排放量,提高再生水利用率。
灞橋區(qū)、未央?yún)^(qū)、臨潼區(qū)三區(qū)在水生態(tài)文明城市建設(shè)過(guò)程中恢復(fù)效果最明顯。灞橋區(qū)、未央?yún)^(qū)位于西安市東北部,作為老市區(qū)和老工業(yè)基地,其第二、三產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá),產(chǎn)業(yè)用水量大。但對(duì)比2013年與2016年相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)可得,其萬(wàn)元GDP用水量下降,工業(yè)重復(fù)用水利用率上升,污水排放量減少,各項(xiàng)指標(biāo)均朝著對(duì)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)有利的方向發(fā)展;以農(nóng)業(yè)為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的臨潼區(qū),作為西安水資源最短缺的區(qū)(縣)之一,在水生態(tài)文明城市建設(shè)中促進(jìn)節(jié)水型社會(huì)建設(shè),倡導(dǎo)節(jié)水農(nóng)業(yè),在實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高產(chǎn)的同時(shí),水生態(tài)系統(tǒng)受到了極大的保護(hù)。
閻良區(qū)、周至縣、鄠邑區(qū)、高陵區(qū)、長(zhǎng)安區(qū)2016年水生態(tài)承載力等級(jí)與2013年相比并未發(fā)生變化,閻良區(qū)、周至縣、鄠邑區(qū)、高陵區(qū)處于Ⅱ級(jí)(良好),長(zhǎng)安區(qū)處于Ⅲ級(jí)(臨界),雖然水生態(tài)承載力相比于其他區(qū)(縣)較好,但其用水效率低,工業(yè)污水過(guò)度排放以及農(nóng)藥化肥大量使用對(duì)水生態(tài)環(huán)境的影響仍然不容忽視。因此,在滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求下要更加合理地對(duì)水資源進(jìn)行配置利用,推廣節(jié)水新技術(shù)的發(fā)展,及時(shí)解決由于生產(chǎn)生活所帶來(lái)的水環(huán)境問(wèn)題。
本文結(jié)合2013-2016年西安市水生態(tài)文明城市建設(shè)背景,選取試點(diǎn)建設(shè)前2010年到試點(diǎn)建設(shè)后2018年相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù),對(duì)西安市總體水生態(tài)承載力、水生態(tài)承載力評(píng)價(jià)體系中四項(xiàng)準(zhǔn)則及試點(diǎn)起始年份2013年和試點(diǎn)末期2016年西安市各區(qū)(縣)水生態(tài)承載力進(jìn)行了評(píng)價(jià),根據(jù)承載力評(píng)價(jià)結(jié)果(圖3、4、5),西安市2010-2018年水生態(tài)承載力總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì),水生態(tài)系統(tǒng)健康逐漸恢復(fù)。根據(jù)前人研究,西安市在2005-2012年城市化建設(shè)進(jìn)程中,水資源、水環(huán)境、水生態(tài)處在滯后階段,劉姝芳等[26]提出在試點(diǎn)建設(shè)前(2013年),西安市水生態(tài)文明綜合指數(shù)屬于中等水平。而2013年以后,西安市加強(qiáng)了城市水生態(tài)系統(tǒng)健康恢復(fù)工作,在試點(diǎn)期末(2016年)水生態(tài)文明綜合指數(shù)達(dá)到優(yōu)良水平,城市水生態(tài)系統(tǒng)健康處于超前階段[27-28]。但隨著城市化進(jìn)程的加快,諸如水資源過(guò)度開(kāi)發(fā)利用、再生水利用率不高、農(nóng)藥化肥大量使用、水環(huán)境保護(hù)治理程度低等問(wèn)題依然制約著西安市的發(fā)展。因此,對(duì)于水生態(tài)系統(tǒng)健康保護(hù)恢復(fù)工作,需從當(dāng)下出發(fā),以過(guò)往為借鑒,著眼于長(zhǎng)期,力求城市建設(shè)與水生態(tài)系統(tǒng)和諧發(fā)展。
(1)本文利用PCA模型,根據(jù)水資源、水生態(tài)、水環(huán)境、水安全及24項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,對(duì)西安市2010-2018年水生態(tài)承載力進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析,揭示了城市化進(jìn)程下,西安市水生態(tài)承載力的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明,西安市2010-2018年水生態(tài)承載力總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì),由2010年的Ⅳ級(jí)(超載),最終恢復(fù)為2018年Ⅱ級(jí)(良好)。9年時(shí)間里,原本受損的西安市水生態(tài)系統(tǒng)明顯好轉(zhuǎn)。
(2)結(jié)合水生態(tài)文明城市建設(shè),對(duì)試點(diǎn)成立年2013年和試點(diǎn)期末年2016年西安市水生態(tài)承載力進(jìn)行分區(qū)評(píng)價(jià)。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果分析可得,2016年西安市各區(qū)(縣)水生態(tài)承載力與2013年相比均有明顯提高。其中,原本處于Ⅳ級(jí)(超載)的灞橋區(qū)轉(zhuǎn)為Ⅱ級(jí)(良好);未央?yún)^(qū)由Ⅳ級(jí)轉(zhuǎn)為Ⅲ級(jí)(臨界);臨潼區(qū)由Ⅲ級(jí)轉(zhuǎn)為Ⅱ級(jí);閻良區(qū)、周至縣、鄠邑區(qū)、高陵區(qū)兩年內(nèi)水生態(tài)承載力均最高,為Ⅱ級(jí);承載力為Ⅳ級(jí)的城3區(qū)、雁塔區(qū)、藍(lán)田縣以及處于Ⅲ級(jí)的長(zhǎng)安區(qū)雖等級(jí)無(wú)變化,但水生態(tài)系統(tǒng)均有所恢復(fù),各區(qū)(縣)的水生態(tài)文明城市建設(shè)均取得顯著成效。
(3)隨著城市化進(jìn)程的加快,在水生態(tài)文明城市建設(shè)積極開(kāi)展下,西安市及其區(qū)(縣)水生態(tài)系統(tǒng)會(huì)逐漸恢復(fù),但由城市建設(shè)、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)等帶來(lái)的水生態(tài)問(wèn)題還在所難免。因此,必須根據(jù)原有的水生態(tài)系統(tǒng)特點(diǎn),合理調(diào)整水資源配置,發(fā)展節(jié)水、用水新技術(shù),減少污水排放量,加強(qiáng)對(duì)再生水的使用,減少對(duì)水環(huán)境的污染,為西安市的水生態(tài)、水安全提供重要保障。