基于DPSR模型的区域水环境承载力评价研究

Evaluation of Regional Water Environment Carrying Capacity Based on DPSR Model

摘要: 针对传统PSR模型难以表征水环境承载力评价中存在的驱动力Driving-压力Pressure-状态State-响应Response (DPSR)逻辑关系的问题，采用水资源驱动、水环境压力、水生态状态和土地生态功能响应的DPSR模型构建区域水环境承载力评价指标体系，用以评估北京市朝阳区2019年水环境承载力。结果表明：2019年朝阳区水环境承载力指数达0.64，属于高承载水平。其中，三产水污染强度指数、城市面源污染强度指数和万元GDP耗水量的贡献率高达85.51%，尤其是城镇生活污水排放强度占比46.72%。由此推测出朝阳区的产业结构以第三产业为主，提高用水效率和加强生活污水处理力度，可显著提高水环境承载力指数。这也说明朝阳区水环境承载力评价结果与《朝阳区分区规划(2017年~2035年)》相吻合，可为北京市水污染防治工作提供科学依据。

Abstract: For the traditional PSR model, it is difficult to express the logic relationship of Driving-Pressure-State- Response (DPSR) in the assessment of water environment carrying capacity (WECC). Thus, aiming at evaluating WECC in Chaoyang District of Beijing in 2019, this study established the DPSR model of the evaluation index system on regional WECC, including water resource driving, water environment pres-sure, water ecological state and land ecological function response. The results showed that Chaoyang District’s WECC index reached 0.64 in 2019, which was a high load carrying level. Meanwhile, the contribution rates of water pollution intensity index of industry-agriculture-life, urban non-point source pollution intensity index and water consumption of 10 thousand RMB Gross domestic product (GDP) were as high as 85.51%, especially the urban sewage discharge intensity accounts for 46.72%. It could be inferred that the industrial structure of Chaoyang District was dominated by tertiary industry. Improving water use efficiency and enhancing sewage treatment could significantly improve the WECC index. These results were consistent with the policy called Chaoyang District Planning (2017~2035), which could provide a scientific basis for water pollution prevention and control in Beijing.

1. 引言

城市存在着不断地交换维持经济社会活动所需的物质能量，以及排泄废弃物到外部生态环境系统的代谢过程 [1]。如何既保障生态安全又维持人类活动，成为维持城市代谢过程可持续发展的关键所在 [2]。尤其面对水资源短缺与城镇化发展矛盾的缺水型城市，水资源短缺成为城市代谢过程的胁迫因素 [3]。因此，如何在城市代谢过程中协调好水域与陆域关系显得尤为迫切。

水环境承载力(Water Environment Carrying Capacity，以下简称WECC)用以衡量区域水环境对人口、经济的最大支撑能力，广泛应用于流域和城市等各个领域 [4] [5] [6]。在水环境承载力评价方面，常用方法有指标体系综合分析法 [6] [7] 和层次分析法 [5] 等。这些方法因可操作性强且重现性高而广泛应用。其中，影响水环境评价结果的可靠性和有效性主要体现在指标体系的构建。目前，PSR (压力–状态–响应)模型是这类代表性的水环境承载力评价模型 [7]。由于该模型评价结果局限于某一历史时段的水环境承载力状态，难以表征区域经济社会活动变化对水环境承载力驱动特征。基于此，DPSR (驱动力(Driving force)-压力(Pressure)-状态(Status)-响应(Responsive force))模型的应用，不仅融合了欧洲环境局提出的DPSIR模型在揭示环境与人类活动之间因果关系的优势，还能弥补PSR模型统计数据的不足 [8]。由此，DPSR模型能够评估或预测规划实施后的水环境承载力演变趋势，对指导区域水环境–经济–社会复合系统可持续协调发展具有重要意义。

据此，本研究选择人类干扰强烈且水资源问题突出的北京市朝阳区作为案例研究区。根据DPSR的逻辑关系，展开2019年的北京市朝阳区水环境承载力评价研究，从水域和陆域的统筹层面揭示朝阳区水环境–经济–社会复合系统特征，为构建朝阳区水环境承载力指标体系提供有力依据和技术支撑。

2. 研究区概况及数据来源

2.1. 研究区概况

北京市朝阳区位于北京城区东部，属于北运河水系，上游包括温榆河和通惠河等支流 [9]。其中，主要河流总长度为117.81 km，沿河植被覆盖岸线总长度为136.61 km及其自然岸线总长度10.17 km，闸坝94个，水域面积为8,567,205.46 m²，约占辖区面积(470.8 km²)的1.82%，如图1所示。

Figure 1. Water system distribution map of Chaoyang District

图1. 朝阳区水系分布图

朝阳区人均水资源量为43 m³，为全国平均水平的1/49，属于极度缺水地区 [10]。在此情况下，朝阳区经济结构主要以第三产业为主 [11]，用水结构也以占总用水量(5.62亿m³，2019年) 57.47%的生活用水量为主。此外，朝阳区作为中心城区，常住人口和常住外来人口，均排北京市前一 [11] [12]，导致2019年水资源开发率高达351.5%，属于资源性缺水地区。此外，生活污水排放量较其他地区多，导致大部分地表水处于V类水质 [13]。朝阳区还有可能还面临着水质性缺水。由此可见，研究朝阳区水环境承载力迫在眉睫。

2.2. 数据来源

以2019年北京市朝阳区相关数据为主。

经济社会数据：朝阳区2019年国民经济和社会发展统计公报；水文数据：中国气象数据网、2019年北京市水务统计年鉴；水资源数据：北京市水资源公报；水环境数据：2019年北京市生态环境状况公报；遥感数据：高分二号0.8米分辨率遥感影像数据解译。

3. 研究方法

3.1. 区域水环境承载力评价指标体系的构建

DPSR模型是衡量水环境–经济–社会复合系统可持续性发展的指标体系综合分析法，诠释水环境与经济社会系统的互动关系。本研究遵循科学性原则、全面性原则和可操作性原则，根据污染物排放–水环境系统净化过程，采用DPSR模型对水域和陆域相关因素进行统筹，从水资源消耗、水环境污染、水生态功能支撑、土地生态功能净化这四个维度，通过专家打分构建DPSR模型，构建朝阳区水环境承载力评价体系(如图2)。

Figure 2. Evaluation index system of WECC based on DPSR model

图2. 基于DPSR模型的水环境承载力评价指标体系

其中，驱动力层(D)指在城镇化进程中水资源消耗会对水生态服务功能和土地生态功能产生胁迫作用，例如水资源指数；压力层(P)代表人类活动对水环境承载力产生的直接压力作用，例如水环境指数；状态层(S)反映水生态功能支撑状态，例如本研究的水生态指数；响应层(R)从陆域层面表征土地生态功能对水环境系统的净化反馈作用，例如土地生态功能指数。

3.2. 区域水环境承载力评价指标等级划分标准

本研究根据高斯分布的四分位法(0.25/0.50/0.75) [14]，将各指标等级的赋予分值分别为低承载(0~0.25分)、中承载(0.25~0.50分)、高承载(0.50~0.75分)和极高承载(0.75~1.00分)。指数的赋予分值越高，表明该指数对区域水环境–经济–社会复合系统可持续性发展产生越好的影响。反之，则越差，如图3所示。

Figure 3. Classification standard of evaluation index of WECC

图3. 水环境承载力评价指标等级划分标准

3.3. 区域水环境承载力判定研究

3.3.1. 数据预处理

为规避指标量纲和数量级的不同所引起的难以评价问题，对数据归一化的预处理。对正向指标用式(1)进行处理，值越大，影响水环境承载力指数正效应越大；负向指标用式(2)进行处理，值越大，影响水环境承载力负效应越大。

对于正向指标：

$V_j=\frac{\left(b_j-B_{j\min }\right)\times \left(Q_{j\max }-Q_{j\min }\right)}{B_{j\max }-B_{j\min }}+Q_{j\min }$ (1)

对于负向指标：

$V_j=\frac{\left(B_{j\max }-b_j\right)\times \left(Q_{j\max }-Q_{j\min }\right)}{B_{j\max }-B_{j\min }}+Q_{j\min }$ (2)

式(1)和式(2)中：V_j为标准化指标值，V_j ≤ 1；b_j为第j项指标实际值；B_jmax为第j项指标实际值对应区间标准值的上限值；B_jmin第j项指标实际值对应区间标准值的下限值；Q_jmax为第j项指标实际值对应承载程度的上限值；Q_jmin为第j项指标实际值对应承载程度的下限值。其中，上限值和下限值请见图3。

3.3.2. 水环境承载力指数判定

采用加权求和方法得到表征区域水环境承载力相对大小的综合指数评价模型S_WECC，即：

$S_{WECC}={\displaystyle \underset{i=1}{\overset{m}{\sum }}{S}_i{\omega }_i}$ (3)

式(3)中：S_WECC为水环境承载力综合评价指数；S_i为指标层中第i个指标的分数值；ω_i为指标层中第i个指标的权重；m为指标的个数。其中，权重ω_i采用层次分析法确定 [15]。

由朝阳区水环境–经济–社会复合系统特征分析可知，在水资源开发利用情况方面，朝阳区属于资源性缺水地区；在水环境质量方面，2019年朝阳区地表水大部分处于V类水质，水环境质量较差；在生态保护红线区域方面，朝阳区不属于生态保护红线区域。所以，水资源指数和水环境指数较水生态指数来说，显得稍微重要。另外，朝阳区主要以城镇和城乡生活为主。在水环境指数的相对重要性排序中，依次为：城市面源污染强度指数 ≈ 城镇生活污染强度指数 > 工业污染强度指数 > 农业污染强度指数。

由式(3)可知，水环境承载力(S_WECC)的取值范围为[0,1]，值越大说明朝阳区的水环境–经济–社会复合系统可持续性发展越好，反之，越差。表1将水环境承载力的取值划分为不同等级，以此评价水环境承载力的大小程度。

Table 1. Classification of comprehensive evaluation of water environment carrying capacity

表1. 水环境承载力综合评价等级划分

4. 结果与分析

4.1. 朝阳区水环境承载力评价结果分析

由式(3)计算结果可知，2019年朝阳区水环境承载力值为0.64，处于高承载水平，如图4(a)。这说明朝阳区水环境–经济–社会复合系统可持续性发展较好。为了更清楚地揭示朝阳区水环境承载力现状的成因，需要根据DPSR的逻辑关系，进行水环境承载力贡献率分析。其中，负向指标和正向指标进行预处理，水环境承载力贡献率越大，表明该指标对提高水环境承载力指数越大。又由结果可知(如图4(b))，水环境承载力贡献率高的指标有：压力层的三产水污染强度指数(图4(b)-A)和城市面源污染强度指数(图4(b)-C)，以及驱动层的万元GDP耗水量(图4(b)-B)。可推测出水资源指数和水环境指数的影响贡献率占主要部分。这两个指数需要进行详细的现状成因解析。

(a) 朝阳区水环境承载力评价结果 (b) 朝阳区水环境承载力贡献率分析

Figure 4. Analysis of evaluation results of WECC in Chaoyang District

图4. 朝阳区水环境承载力评价结果分析图

4.2. 朝阳区水环境承载现状成因解析

4.2.1. 水资源指数影响分析

如图4(b)所示，严重超载的水资源开发利用率和低承载状态的人均水域面积对水环境承载力贡献率极低。显现出朝阳区水资源极为短缺，水资源量是水环境承载力的重要胁迫因子。而处于极高承载水平的万元GDP耗水量指标对水环境承载力贡献率占28.11%，说明朝阳区用水效率较高，节水较为明显，对水环境承载力提高有影响作用。例如，2019年朝阳区的万元GDP耗水量，相较于2015年和2018年，分别下降了23.69%和9.10%。这是因为2015年朝阳区出台了《关于实施综合治理加快推进水生态文明的意见》，对节水型区建设进行了部署，并于2017年启动和实施了节水区的创建工作。其中，2017年创建节水型单位、社区200家，推广高效节水器具5万套(件)，完成崔各庄雨水再生水利用工程等8项雨水利用工程，严格地超计划累进加价水费征收 [16]。到2018年，完成节水型区创建工作，建立了健全城市节水管理制度和长效机制。由此可推测，2019年以后，北京市朝阳区的万元GDP耗水量降低速率开始缓慢，若仅靠用水效率来提高水环境承载力，该方式有待商榷。

4.2.2. 水环境指数影响分析

因为朝阳区水污染主要以生活污水为主，所以城镇生活污水对水环境承载力贡献率最大，其次是城市面源污染强度指数(如图5)。在水污染防治工作上，2015年朝阳区根据《北京市水污染防治工作方案实施情况考核办法(试行)》，大力加强了生活污水处理力度。到了2019年，通惠河下段新八里桥东、坝河下段沙窝、清河下段沙子营、亮马河南岗子七棵树、通惠河上段高碑店5个国考、市考断面平均水质全部实现达标。其中，通惠河下段新八里桥东和清河下段沙子营断面平均水质达到III类。因此，水环境指数各分项指标处于极高承载或高承载状态。然而，朝阳区水功能区划基本上处于IV类或者V类水平 [17]，即使地表水水质基本上达标也大部分处于V类水平。不仅如此，朝阳区城镇生活用水量较大。其中，外来常住人口占全区常住人口的42.93% [12]，许多外来务工人员加剧城镇生活建设用水量的同时，也增加了生活污水处理难度。由此可见，朝阳区水环境质量还有很大的上升空间，还需改善区域水生态环境，从而提高朝阳区水环境承载力。

Figure 5. Analytical diagram of contribution rate of water environment index in pressure layer

图5. 压力层水环境指数贡献率解析图

5. 结论

本研究采用DPSR模型研究区域水环境承载力评价，解决了传统PSR模型难以反映区域经济社会活动变化对水环境承载力驱动特征的问题。通过北京市朝阳区案例研究分析可知，2019年朝阳区水环境指数达0.64。其中，驱动层的水资源指数和压力层的水环境指数对水环境承载力贡献率高达84.89%。这是因为朝阳区的产业结构以第三产业为主，所以第三产业用水量和城镇生活污水排放对水环境承载力影响最大。由于朝阳区用水效率较高以及加强生活污水处理力度，提高了驱动层和压力层的相关指标承载水平，从而2019年朝阳区属于高承载水平。这与《朝阳区分区规划(2017年~2035年)》相吻合，说明基于DPSR模型的区域水环境承载力评价研究具有可行性，可为区域水环境–经济–社会复合系统可持续性发展提供决策依据。

致谢

感谢国家科技基础条件平台——国家地球系统科学数据中心(http://www.geodata.cn)和国家青藏高原科学数据中心(http://data.tpdc.ac.cn)提供数据支撑。

基金项目

北京市自然科学基金青年项目(8214057)；北京市公益性科研院所改革与发展专项项目资助(2021G-15)；国家自然科学基金青年项目(52000181)；中国水科院基本科研业务费项目(WE110145B0062021)。

参考文献