基于城市水生态系统健康的生态承载力理论探讨和评价研究.docx
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基于城市水生态系统健康的生态承载力理论探讨和评价研究
3收稿日期:
2006211220
作者简介:
刘武艺,博士研究生,从事生态水利规划与城市水务研
究;邵东国,教授,从事水资源系统分析研究。
基金项目:
教育部哲学社会科学研究重大课题攻关项目
（04JZD0011
文章编号:
100926094（20070220105204
基于城市水生态系统健康的生态承载力理论探讨和评价研究3
刘武艺,邵东国,唐 明
（武汉大学水资源与水电工程科学国家
重点实验室,武汉430072
摘 要:
城市水生态系统是城市生态系统的主要组成部分和关键因素。
通过城市水生态系统与人体自身健康机制的类比分析,将基于城市水生态系统健康的生态承载力定义为:
在一定社会经济条件下,城市水生态系统维持其服务功能（供水、防洪、生物保护、景观娱乐等及自身健康的潜在能力。
提出了“基于城市水生态系统健康的生态承载力2压力量化模型”,并根据理论模型设计了计算模型。
用承载力与压力所确定的城市水生态系统健康指数,描述了城市水生态系统的健康状态。
以郑州市为例,分别计算了该市1995—2004年城市水生态系统承载力及其压力,并得出相应的城市水生态系统健康指数。
结果表明,城市水生态系统承载力处于逐年上升趋势,但存在波动;健康指数亦逐步增加,对应健康状态为“病态—亚健康—健康”状态,特别是
1998关键词:
环境科学;;;;
郑州市
中图分类号:
X17111:
0 引 言
承载力一词源于自然生态学,从提出至今经历了种群承
载力、资源承载力（土地承载力和水资源承载力、环境承载力到生态承载力的这一发展过程[1]。
由于生态承载力较以往单要素承载力更加系统和完整,对生态系统评价更趋合理,近年来,国内外学者对其探讨较为活跃。
1992年,Rees提出了“生态足迹（ecologicalfootprint”理论,并将其应用于区域生态安全评价[2]。
1999年,王中根和夏军采用资源与人类需求差量法度量区域生态环境承载力。
2001年,高吉喜将生态承载力划分为资源承载力、环境承载力和生态弹性能力3部分,并运用承压指数、压力指数和承压度等指标以描述特定生态系统的承载状况。
余丹林和毛汉英[3,4]应用人类活动、资源、环境所构造的三维空间内的承载状态点描述区域（生态承载力。
2005年,杨志峰和隋欣[5]提出了基于生态系统健康的生态承
载力,将其分为资源与环境承载力、弹性力、人类活动潜力3部分,并建立了相应的评价指标体系以评价流域水电梯级开发对生态承载力的影响。
在城市水生态系统研究领域,对其从健康的角度探讨生态承载力并进行评价的研究目前尚未见报道。
本文将通过城市水生态系统与人体自身健康机制的类比分析,探讨基于城市水生态系统健康的生态承载力概念及内涵。
1 基于城市水生态系统健康的生态承载力概念框
架
111 城市水生态系统健康机制分析
城市水生态系统是城市生态系统的主要组成部分和关键因素。
严格意义上的城市水生态系统是指在城市这一特定区
域内,水体中生存着的所有生物与其环境之间相互作用、相互制约,通过物质循环和能量流动,共同构成具有一定结构和功能的动态平衡系统[6];但由于城市作为一高度人工化的复合生态系统,城市人群与水生态系统间的关系较自然状态下要密切得多,城市水生态系统健康状况在很大程度上受到人为因素影响。
因此,本文所探讨的城市水生态系统健康,除考虑城市河湖水体自身生态结构完整性外,还考虑了人类的福利要求[7]。
在内容上不仅包括城市河湖生态系统健康[8],还包括城市污（废水处理设施、城市供水设施、城市排水设施等的健康运行。
如同有机体一样,城市水生态系统在一定程度上。
因此,城市水见表1。
在健康运行时,、供水设施、污,—供—,。
与人体健康生理机能类似,对于城市水生态系统来说,人类的社会经济活动会带来水资源的大量消耗,污染物排放等潜在问题。
在一定的范围或时段内,系统本身具有的水资源恢复能力与水环境自净能力可将这些问题消灭于无形当中。
当两者的速度与强度能够达到平衡时,城市水生态系统便会维持健康状态,即自我平衡态[9]。
一旦前者在一定程度上超出后者,单靠系统的自身恢复仍无济于事,则必须通过人工手段维持系统的健康,包括污、废（雨水处理及回收,跨流域调水,水生态人工修复等。
这些极具有人类活动特征的经济能力（水利投资、人力能力、技术能力和水生态系统建设能力及人类的生态、环保意识所指导的行为能力可统称为人类社会经济活动的发展能力。
因此,城市水生态系统的健康,是通过自身固有的健康恢复能力与人类社会活动的发展能力共同维持的。
前者如同人体自身免疫力,只能在一定范围内维持自身的健康;后者为一辅助手段,好比人体通过外界药物治疗,是城市水生态系统的外在发展力。
对于城市水生态系统而言,在一定条件下,只有两者共同作用,才能够维系健康。
112 基于城市水生态系统健康的生态承载力定义、内涵
基于上述健康机制的城市水生态系统承载力可定义为:
在一定社会经济条件下,城市水生态系统维持其服务功能（供水、防洪、生物保护、景观娱乐等及自身健康的潜在能力,主要表现在:
1对破坏其自身健康状态的压力消失后的自然恢复力（弹性力;2人类社会活动的发展能力,即与生态承载力有关的人类影响因子,如城市通过废水（雨水资源化回用,水生态修复等人工措施实施后的社会再生承载力。
因此,探讨基于城市水生态系统健康的生态承载力的目的在于通过强调人类与城市水生态系统间相互胁迫与响应关系,研究满足人类一定程度的生活水平及水生态环境质量要求下维持城市水生态系统健康的复合能力。
人口剧增、经济低水平增长,导致水资源过量消耗短缺,水环境破坏,会使得城市水生态系统健康状态趋于恶化。
经济增长,人类生态、环保意识提高,通
5
01第7卷第2期2007年4月 安全与环境学报JournalofSafetyandEnvironment
Vol.7 No.2
Apr,2007
表1 城市水生态系统与人体健康机制类比分析
Table1 Comparativeanalysisbetweenurbanwaterecosystemandhumanbodyhealthmechanism城市水生态系统人体相似点
城市河湖水体（水源
供水设施
人工湿地、污（废水处理设施排水设施
自身生态修复
水利（市政投资心脏
血管
肾脏、肝脏
排泄系统
自身免疫
外界药物治疗
维持自身生理（生态机能的动力源———源输送养分供有机体循环运转———供清除有毒（害物质,以便机体吸收———汇排出废物———排
通过自我调节维持健康
通过外界辅助手段恢复健康
过技术手段等外部条件作用,可促使城市水生态系统趋向健康。
2 城市水生态系统健康测度的生态承载力阈值理论
基于城市水生态系统健康的生态承载力是由人类对生活质量的要求、对各种服务的需求及城市发展目标,以及不同健康等级状态所决定的,即在不同的健康状态范围内呈现相对应的阶段动态特征。
因此,基于城市水生态系统健康的生态承载力并不是一个绝对的固定值,而是存在一阈值。
在一定
旦超出这一范围,。
图1
。
当社会经济系统对城市水生态系统的压力小于水生态系统自动调控阈值时,城市水生态系统保持动态平衡（a-b段,处于健康状态;当社会经济系统对城市水生态系统的压力超过生态系统的自动调控阈值,城市水生态系统自身结构和功能会发生改变,健康会受到损害,系统生态质量不断下降,处于亚健康状态（b-c段,此时,通过自然恢复可以恢复系统健康（恢复曲线①;当不采取人工措施对生态系统修复或社会经济系统压力更进一步加大时,生态系统健康状态进一步恶化,系统处于病态（c-d段,此时,单纯依靠自然恢复难度较大,必须采取人为调控对城市水生态系统进行人工恢复,恢复可能性较大（恢复曲线②;当水生态系统健康状态越过d点时,如果任其恶化不加治理,会迫使系统退化或死亡,系统为极度病态（d-e段,此时,采取较强的人工修复手段尚可对其健康状态进行改善（恢复曲线③。
3 基于城市水生态系统健康的生态承载力量化模型与评价
根据基于城市水生态系统健康的生态承载力定义、内涵及其阈值理论,定量计算某一社会经济条件下城市水生态系统承载力及压力,并通过城市水生态系统健康指数判断城市水生态系统所处的健康状态,从而可确定城市水生态系统的可持续发展程度。
311 基于城市水生态系统健康的生态承载力计算模型
根据基于城市水生态系统健康的生态承载力理论模型,该承载力分为自然承载力和社会再生承载力两部分,相应的构建两部分的计量模型,并通过某种关系将两者耦合起来
。
图1
1Hstatewandthresholdof
1。
CN=Ra2sebs（1R=k1Aw2Pwlog2Aw
as=k2Qw/G
bs=
n
∑n
i=1
λ
i
Ki
式中 CN为城市水生态系统自然承载力指数;R为城市水生态系统自然恢复指数;as为城市水资源供给指数;bs为城市水体水环境容量指数;Aw为城市水面面积占城市面积的百分比;Pw为城市水生态系统恢复弹性指数;Qw为城市水资源供给量;G为国内生产总值;λi为城市水体污染物权重;Ki为水体污染物的排放标准;n为水体污染物种类;k1,k2为用来消去量纲的常数,在计算中无数值意义。
2城市水生态系统社会再生承载力计量模型。
CS=μδE（2式中 CS为城市水生态系统社会再生承载力指数;μ为技术指数,可用高新技术产业产值占工业总产值比例反映;δ为人力资源指数,可用劳动力占总人口比重表达;E为经济
能力指数,E=
ΔP/P,
ΔG/G为国内生产总值增长率,ΔP/P为人口增长率。
3基于城市水生态系统健康的生态承载力耦合模型。
CE=f（CN,CS=rCNeCs（3式中 CE为基于城市水生态系统健康的承载力;r为城市水生态系统发展特性因子,一般取1。
312 基于城市水生态系统健康的压力计算模型
基于城市水生态系统健康的压力,表现在城市社会经济发展过程中,为水资源消耗与水环境污染给水生态系统造成的损毁程度。
PE=au2ebu（4
601
Vol.7 No.2 安全与环境学报 第7卷第2期
au=k3（P珚Qw+GQu/G
bu=n∑n
i=1
λ
i
（P珚Qi+GQdi
式中 PE为城市水生态系统压力;au为水资源消耗指数;bu为水环境污染指数;P为人口规模;珚Qw为城市人均水资源使用量;G为国内生产总值;Qu为万元GDP水资源消耗量;λi为城市水体污染物权重;珚Qi为水体污染物i的人均排放量;Qdi为万元GDP污染物排放量;k3为用来消去量纲的常数;n为城市水体污染物种类。
313 城市水生态系统健康指数UWEH（UrbanWaterEcosys2temHealthIndex
为了度量城市水生态系统的健康状态,本文设计了一个0~110连续数值的城市水生态系统健康指数UWEH,通过承载力指标与压力指标间的比值反映[10]。
城市水生态系统健康指数与健康状态关系见表2。
UWEH=
PE
（54 实例研究
郑州市位于我国中部,,“期间,该市以实施,
设与保护,
城市”的发展目标。
1995—2004年郑州市城市发展规划的基础数据,运用“基于城市水生态系统健康的生态承载力-压力量化模型”,以1995年为基准年计算了城市水生态系统的生态承载力及压力的相对变化关系。
1基于城市水生态系统健康的生态承载力计算。
根据收集的郑州市城市发展规划的基础数据,代入式（3可得出该市1995—2004年城市水生态系统承载力变化趋势,见图2。
2城市水生态系统健康压力计算。
根据上述方法,将所得数据代入式（4可得出城市水生态系统压力变化趋势,见图2。
3城市水生态系统健康指数。
将1、2中得出的基于城市水生态系统健康的生态承载力、城市水生态系统压力,按式（5计算两者间的比值即为该地的城市水生态系统健康指数,结果见表3。
4成果分析。
根据以上计算结果可得,1995—2004年,郑州市城市水生态系统承载力呈逐年上升趋势,城市水生态系统压力呈现出上升趋势,但存在波动。
该市的城市水生态系统健康指数也呈现逐年升高的趋势,对应健康状态变化为:
病态—亚健康—健康状态。
特别是自1998年后,该市水生态系统健康状态出现明显好转。
这主要是因为自1998年来该市加大了城市河湖（东风渠、熊耳河等污染治理力度,取得了明显效果。
自2003年该市城市水生态系统处于亚健康———健康临界状态,这主要是由于该市开展了部分节水及治污工程。
随着郑东新区生态水系工程建设的逐步推进,该市水生态系统健康状态将得到显著改善。
表2 城市水生态系统健康指数与健康状态间的关系
Table2 Relationbetweenurbanwaterecosystemhealth
indexanditshealthstate
城市水生态系
统健康指数
健康状态症 状
0~0125极度病态
活力非常弱,结构被破坏,恢复力差,服务功能丧失
0125~015病态
活力较弱,结构不协调,恢复力、服务功能较差
015~0175亚健康活力、结构、恢复力、服务功能一般
0175~110健康
活力非常强,结构均衡,恢复力、服务功
能非常强
图2 郑州市城市水生态系统生态承载力及压力变化图
Fig.2 RelativevariationofCEandPEofurbanwater
ecosystemofZhengzhouCity
表3 郑州市城市水生态系统健康指数计算结果及健康状态Table3 Resultsofurbanwaterecosystemhealthindexof
ZhengzhouCityandit’shealthstate
年份城市水生态系统健康指数健康状态1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
—
0125
0146
01588
01636
01643
0170
01725
0175
—
病态
病态
亚健康
亚健康
亚健康
亚健康
亚健康
亚健康
5 讨 论
基于城市水生态系统健康的生态承载力是人类发展与生态保护相协调的高度整合性的概念,同以往探讨的单要素的水资源承载力与水环境承载力相比,更能从可持续发展的角度反映一定社会经济条件下城市水生态系统维持其服务功能（供水、防洪、生态景观、娱乐等及自身健康的整体潜在能力。
其研究意义在于:
1通过强调人类与城市水生态系统间的互动关系,运用系统论的观点,全面描述一定阶段城市水生态系统维持健康的潜在能力;2运用“基于城市水生态系统健康的生态承载力2压力量化模型”得出城市水生态系统生态承载力与压力的相对关系,并通过城市水生态系统健康指数评价701
2007年4月 刘武艺,等:
基于城市水生态系统健康的生态承载力理论探讨和评价研究 Apr,2007
不同时期城市水生态系统的健康状态,为城市生态与环境建设强度及投资方向提供了科学依据。
6 结 论
本文通过城市水生态系统与人体自身健康机制的类比分析,将基于城市水生态系统健康的生态承载力定义为:
在一定社会经济条件下,城市水生态系统维持其服务功能（供水、防洪、生物保护、景观娱乐等及自身健康的潜在能力。
提出了“基于城市水生态系统健康的生态承载力2压力量化模型”,并用承载力与压力所确定的城市水生态系统健康指数,描述了城市水生态系统的健康状态。
以郑州市为例,分别计算了该市1995—2004年城市水生态系统承载力及其压力,并得出相应的城市水生态系统健康指数。
结果表明,该地城市水生态系统承载力处于逐年上升趋势,但存在波动;健康指数亦逐步增加,对应健康状态为“病态—亚健康—健康”状态,特别是1998年后该地城市水生态系统健康状况有明显好转。
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1466214741Theoreticaldiscussionandassessmentofeco2bearingcapacitybasedonthehealthyurbanwaterecosystem
LIUWu2yi,SHAODong2guo,TANGMing
（StateKeyLaboratoryofWaterResourcesandHydropowerEngineer2ingScience,WuhanUniversity,Wuhan430072,China
Abstract:
ThepresentpaperisaimedatintroducingaquantitativemodelofUrbanWaterEco2bearingCapacity（UWEBC—thepres2sure,basedonwhichacorrespondingcalculatingmodelisdevis
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