基于人工神经网络的区域水环境承载力评价模型及其应用

在分析水环境承载力概念及人工神经网络技术基础之上,从阈值角度出发,建立了基于人工神经网络的区域水环境承载力评价模型,并将其应用于辽宁省水环境承载力评价,通过模型计算得到该省水环境承载能力指数。结果表明,2000—2004年,辽宁省水环境承载能力指数分别为0·29、0·36、0·32、0·37和0·43,整体上呈上升趋势,但承载力依然较弱。本文提出的水环境承载力评价模型具有结构简单、建模方便的特点,评价结果可以直观地反映区域水环境承载状态。     

基于ESEF的水生态承载力:理论、模型与应用

以流域综合管理为核心的水环境管理理念要求人们从更高的角度认识水生态系统相对于人类的承载能力.水生态承载力将水资源和水环境问题统一考虑,将社会经济发展与水生态系统联系起来,为实现流域综合管理提供了有力支撑.本文以基于生态系统服务的生态足迹(ESEF)方法为基础,提出了基于ESEF的水生态承载力评估方法,构建了基于ESEF的水生态足迹与承载力模型,实现了足迹方法对水生态系统承载能力的有效表征;并建立了太湖流域水生态足迹与承载力模型,以流域上游城市常州市为例,评估了现状发展水平下水生态系统所能承载的人口与经济规模.结果表明:常州市对水生态系统服务的消费需求超出了水生态系统的供给能力,需求与供给的显著差距对水生态系统的可持续性造成影响;综合考虑水产品供给、水量支撑和水质保障3方面因素,常州市水生态系统可承载的人口与经济规模仅为现状水平的54%.     

基于水环境承载力评价的产业选择——以扬州市北部沿湖地区为例

区域的产业发展与该区域的自然和社会经济因素密切相关,对于水网稠密地区,水环境承载力是影响产业结构和布局优化的重要自然因子之一。选择江苏省境内跨长江与淮河两大流域的典型水网密集区——扬州市北部沿湖(邵伯湖)地区为研究区,选取水网构成指数、水利设施调控指数和水质达标差距指数3个指标,评价研究区水环境承载能力,并探讨水环境承载力与不同产业结构的联系,为该地区产业结构布局和优化提供建议。结果表明研究区水环境承载力"高"、"较高"、"中等"、"较低"和"低"5个等级分别占研究区总面积的0.38%、21.74%、29.67%、13.65%和34.56%。根据研究区水环境承载力空间差异和水环境承载力与不同产业的联系,以选择生态涵养型产业为基本导向,以兼具开发适宜性和环境保护重要性为基本原则,提出应根据研究区水环境承载力水平不均衡的特点实施差别化的产业结构与布局方案,邵伯湖湖区及入湖河道下游等水环境承载力高和较高地区适宜发展特色水产与特色水禽的生态养殖业;沿湖、沿河及南部槐泗等水环境承载力中等地区适宜发展现代生态种植业及湖泊生态旅游业;河流中上游等水环境承载力低和较低地区适宜发展大宗农作物的种植。     

基于生态系统服务的广西水生态足迹分析

针对传统生态足迹对于水域仅考虑渔业生产功能的缺陷,研究者提出了水生态足迹.但当前水生态足迹基础理论与模型均存在较大不足.为此,提出了基于生态系统服务的水生态足迹概念和模型,并以2003-2010年的广西为例进行了计算与分析.结果表明:(1)水域-渔业账户中,淡水渔业生态足迹呈上升趋势,淡水渔业生物承载力较高且比较稳定,淡水渔业生态盈余较多同时淡水渔业生态压力较小;(2)水资源账户中,淡水生态足迹先较快上升随后缓慢下降,水资源承载力较高但2007-2010年波动幅度较大,水资源生态盈余较多同时水资源生态压力较小;(3)水环境账户中,水污染生态足迹先缓慢上升随后大幅下跌之后逐渐回升,水环境承载力变化趋势与水资源承载力相同,绝大多数年份表现为水环境生态赤字和水环境生态不安全;(4)淡水渔业生态压力＜水资源生态压力＜水环境生态压力,淡水生态系统基本已处于生态不安全状态.模型克服了传统模型的诸多缺陷与不足,是对广西近年来淡水生态系统服务供需及水生态安全状况的较客观全面的反映.     

基于生态系统净化与人为调控耦合作用的水环境承载力评估

针对目前水环境承载力相关研究中未突显生态系统净化作用和人为调控作用的问题,从生态系统污染净化功能和人为调控污染削减功能两个角度,提出基于生态系统净化-人为调控耦合作用的水环境承载力概念,并构建流域环境承载力评估模型。以滇池流域为例,计算了2015年滇池流域水环境承载力。研究结果表明:滇池流域2015年水环境承载力综合指数为1.16,处于超载状态;流域环境承载力分布呈现北高南低,北部限制因子化学需氧量,南部为总磷;调水工程调入水量出境携带污染物约为流域水环境承载力的16%,对流域水环境改善十分重要;人为调控污染削减能力在流域水环境承载力中所占比例已超过50%,成为不可忽视的一部分。     

中国人均生态足迹与生物承载力变化的EMD分析及情景预测

利用经验模态分解(EMD)方法分解并提取1961～2001年中国人均生态足迹与生物承载力变化的波动周期,建立具有周期性波动的非线性动力学预测模型,提出未来50a中国人均生态足迹和生物承载力变化的3种预测情景。结果表明:(1)40a来,中国人均生态足迹在波动中不断增加,具有明显的3.5a和8a两个波动周期;中国人均生物承载力在波动中不断减少,具有明显的2.7a和28a两个周期。(2)若一切照旧,即未来50a中国人均生态足迹与生物承载力保持过去40a的年均变化率不变,则人均生态足迹会持续上升,2050年达到3.391g.hm2;人均生物承载力持续下降,2050年降为0.490g.hm2;而人均生态赤字急剧拉大,2050年为3.024g.hm2,可持续发展形势非常严峻。(3)若缓慢变化,即未来20a中国人均生态足迹保持年均增长率1.195%、人均生物承载力年均减少率0.614%不变,则2025年人均生态足迹为1.849g.hm2、人均生物承载力为0.860g.hm2、人均赤字0.989g.hm2。(4)若人均生态足迹快速减少,即2025～2050年中国人均生态足迹年均减少率为0.996%、人均生物承载力年均减少率为0.614%不变,则2050年人均生态足迹为1.381g.hm2、人均生物承载力0.739g.hm2、人均生态赤字0.641g.hm2,但这需要中国经济发展和技术水平的极大提高、能源消费结构的多元化、居民消费意识和消费模式的快速转变、人民生活质量的极大改善。这样,中国的生态发展才有助于实现全球水平的生态可持续发展,在促进世界可持续发展的道路上起到积极的推动作用。     

基于RS和转移矩阵的泾河流域生态承载力时空动态评价

利用泾河流域1986、1995、2000、2008年4期遥感数据和转移矩阵分析方法,在GIS平台上,对该流域近23a的生态承载力时空变化进行了定量评价和空间化表达,结果表明,泾河流域生态承载力空间分布极不均匀,整体呈南高北低,并由东南向西北递减,由上游向下游递增的空间变化趋势,表现出与流域地貌特征,土地利用/覆被和环境禀赋相关联的地理特性和空间异质性;随着时间的推移,全流域生态承载力呈逐年降低趋势,尤其以2000年以后下降趋势明显,但流域内部不同区域的生态承载力及其各类土地生态承载力的变化幅度与趋势各有不同;3个时段内(1986-1995年、1995-2000年、2000-2008年)流域各类土地生态承载力转换频繁,转向趋势明显,且以2000年为拐点,前两时段以林地和草地生态承载力向耕地和建筑用地生态承载力转移为主,后一时段以耕地和建筑用地生态承载力向林地和草地生态承载力转移为主,导致近23a来泾河流域生态承载力及其内部组成变化均较大,说明土地利用/覆被的变化是流域生态承载力变化的主导因素,而1999年以后国家实施的退耕还林还草生态工程则是2000-2008年该流域生态承载力变化的主要驱动力。     

基于能值分析的辽宁省生态经济系统可持续发展评价

基于能值分析构建了包括能值流量、能值来源指标、社会亚系统评价指标、经济亚系统评价指标、自然亚系统评价指标和综合指数等的辽宁省生态经济系统评价体系,全面评估了2000—2010年辽宁省生态经济系统的发展趋势以及可持续性.结果表明:2000—2010年,辽宁省总能值用量从3440.12×1020sej增长到7636.33×1020sej,其中,2010年不可更新资源能值所占比重(68.6%)最大;人均能值从8.32×1015sej增长到17.96×1015sej;能值自给率虽然较高,却从2000年的91.1%下降到2010年的79.9%;环境负荷率从3.22提升到7.80;可持续发展指数由3.47降低到0.64;系统可持续发展性能由6.73降低到1.56.表明辽宁省生态经济系统呈现出不可持续发展的态势.2010年的辽宁省生态经济水平仅达到美国和日本20世纪80年代的水平.     

辽宁省及其沿海区域生态足迹的动态变化

利用生态足迹分析法方法计算了辽宁省及其沿海6市(葫芦岛、锦州、盘锦、营口、大连和丹东)2003-2005年的生态足迹,分析了生态足迹的变化规律及变化原因,并评价了该区域可持续发展状况.结果表明:2003-2005年辽宁省及其沿海6市的生态足迹均超过了其生态承载力,全省人均生态赤字有逐年增加的趋势;沿海6市中人均生态赤字最高的城市为盘锦市,然后依次为锦州市、葫芦岛市、营口市、丹东市和大连市.生态足迹供需结构表明,辽宁省及沿海生6市生态足迹需求主要以化石能源地为主,但均有较高的水域类生态盈余.3年间万元GDP生态足迹总体呈下降趋势,表明辽宁省及其沿海6市的资源利用率不断提高.最后提出了减少区域生态赤字的对策.     

甘南藏族自治州生态足迹与生态承载力分析

运用生态足迹的各种计算模型和评价指数, 对甘南藏族自治州2000-2015 年的生态足迹、生态承载力情况进行动态测算, 并且利用回归分析对2016-2025 年的生态足迹与生态承载力变化趋势进行预测。研究表明:2000-2015 年甘南州人均生态足迹由1.2 hm²·cap^–1 上升到2.2hm²·cap^–1, 万元GDP 生态足迹逐年下降, 人均生态承载力变化较小, 呈微减趋势; 整体上处于生态盈余状态, 但盈余在逐年递减; 生态足迹多样性指数在0.63-0.71 之间平稳波动, 生态经济系统发展能力指数呈快速上升趋势; 生态环境由2000 年的生态很安全强可持续性状态逐渐变为2015 年的较安全弱可持续性状态; 预测显示甘南州自2018 年开始出现生态赤字, 未来发展趋势不容乐观。若不采取有效措施, 其生态可持续发展状况将面临严峻的挑战。     

Dynamic successive assessment method of water environment carrying capacity and its application

Water environment carrying capacity (WECC) is an important foundation of sustainable socioeconomic development and may be affected by many factors such as water resources, water quality, economy, population and environmental protection. This article focuses on the temporal and spatial variability of WECC to explore a method of dynamic successive assessment. First, the Pressure-State-Response (PSR) framework is used to develop a systematic and causal indicator system representing the three aspects of water environment pressure carrying capacity (WEPCC), water environment state carrying capacity (WESCC) and water environment response carrying capacity (WERCC). The Variable Fuzzy Pattern Recognition (VFPR) model and an analytic hierarchy process (AHP) model are combined to successively and dynamically assess WEPCC, WESCC and WERCC, and after that the weighting method is used to calculate WECC. Furthermore, WECC is divided into 27 classes on the basis of WEPCC, WESCC and WERCC contributions. The proposed method is applied to the dynamic successive assessment of WECCs in China, including inter-province comparisons. The results show that the dynamic successive WECC assessment method is reasonable, and it can be used not only to accurately understand the changes of WECC through time but also to distinguish qualitative differences masked by similar WECC values.     

基于MFA和DEA的区域经济环境效率评价-以辽宁省为例

对经济与环境效率的科学评价是实现区域可持续发展的前提。运用物质流分析将辽宁省经济系统中数据进行物质化处理,再利用改进的数据包络分析模型对环境和经济效率进行综合评价。结果表明:辽宁省物资消费不主要依赖于进口,向其它地区物质输出量大;环境效率评价的综合效率主要受规模因素影响而显著低于纯技术效率,而整体经济的综合效率却主要受纯技术效率影响而下降。第二产业比重依然偏大的产业结构特征是导致上述结果的主因。进一步改造提升传统产业,发展战略性新兴产业,提高第三产业发展水平,扩大环保规模,促进居民生活质量水平全面提升,将是辽宁省以及与之相似的资源依赖型区域可持续发展的方向。     

水生态文明城市建设对城市水生态承载力的影响——以武汉市为例

城市水生态承载力能较好反映水资源-水环境-水生态-经济社会复合系统间多要素互馈关系，水生态文明城市建设对城市水生态系统具有多方面影响，对城市水生态承载力在水生态文明城市建设前后的变化进行定量研究具有重要意义。以城市"社会-经济-自然"复合生态理论为指导，充分考虑人类活动与城市水生态系统的响应关系，基于DPSIR框架构建城市水生态承载力评价指标体系，以水生态文明建设试点城市武汉市为例，综合运用熵权法、TOPSIS和障碍度诊断模型等方法，分析2008-2019年武汉市水生态承载力的变化趋势和影响因素。结果表明，水生态文明城市试点建设期间（2015-2017年）的水生态承载力平均水平（0.552）明显高于建设前（0.361）和建设后（0.438），建设成果主要体现在压力和影响指标的改善以及响应指标的大幅度提升上。阻碍武汉市水生态承载力提升的主要指标为生态环境状况指数、建成区绿化覆盖率、农田灌溉亩均用水量、酸雨量和饮用水源地水质达标率。根据评价结果提出水城共生共荣发展模式、引导产业结构转型等提升武汉市水生态承载力的建议。     

基于生态效率的辽宁省循环经济分析

生态效率与循环经济相辅相成。基于区域生态效率评价是考量区域循环经济的重要内容,又基于目前对于循环经济与生态效率结合的实证研究相对较少,因此,以生态效率理论为基础,对我国最早开展循环经济的试点省份——辽宁省的循环经济发展作以综合衡量。通过生态效率度量模型与循环经济度量模型,以辽宁省1990～2008年数据为基础,运用基于熵权的TOPSIS方法,分别计算了19a间辽宁省各年的资源效率、环境效率、生态效率,进而综合评价了辽宁省循环经济发展轨迹。研究表明：在19a间,辽宁省生态效率总体呈现波动上升态势,经历了传统经济发展模式——末端治理模式——循环经济模式的转变;19a间,辽宁省循环经济发展状态总体上处于循环性不断增强的状态,即经济发展的同时,环境压力不断减小。研究证明了辽宁省2002年实行循环经济以来取得了明显成效,对全国尤其是东北地区发展循环经济,走新型工业化道路具有重要的示范意义。     

GIS支持下的辽宁省地表水环境功能区划

辽宁省现执行的地表水环境功能区划存在着环境功能与实际情况的差别,对水功能区目标期望值过高,难以适应当前环境管理需要。在GIS技术支持下,对辽宁省地表水环境功能进行了调整、核定和重新划分。建议将辽宁省地表水主要水系共划分781个水环境功能区,其中源头水域15个,自然保护区7个,饮用水源保护区204个,渔业用水区287个,景观娱乐用水区54个,工业用水区35个,农业用水区179个;采用基于组件的GIS开发技术,设计实现了辽宁省地表水环境功能区划信息系统,从而为辽宁省水环境功能区划信息管理、水资源保护及科学制定水环境管理方案提供决策支持。     

玛纳斯河流域水资源可持续利用评价方法

水资源短缺是制约玛纳斯河流域水资源可持续发展的"瓶颈"因素,对流域水资源可持续发展水平进行综合评价对其国民经济可持续发展至关重要。从水资源、社会、经济、生态环境四个子系统出发,采用了熵值法和投影寻踪理论相结合的评价模型,对流域水资源可持续利用水平进行评价,并将两种方法的评价结果进行加权求和,得出流域水资源可持续利用变化趋势。评价结果表明,该模型方法可靠,分析结果合理,评价结果可以为水资源可持续开发利用提供科学依据,是评价水资源可持续利用水平的一种有效新方法。最后,提出了促进流域水资源可持续利用的建议,为实现水资源可持续开发利用提供借鉴和参考。     

辽宁省潜在蒸散时空变化特征与成因

潜在蒸散量是衡量变化环境下区域水热资源演变的重要参数,探究其历史变化规律及制约因素对预测农业用水走势乃至合理制定相关决策都至关重要。基于辽宁省23个气象站点1966—2015年的逐日气象数据,采用FAO推荐的Penman-Monteith模型与偏相关性检验法辨识辽宁省近50年潜在蒸散量的时空特征及其影响因素。结果表明:辽宁省各监测站年平均潜在蒸散量为453—1043 mm,多年变化趋势以1.43 mm/a的速度递减,并于2003年发生突变。此外,其时空差异性较为显著。在年代际尺度上表现为,辽西北至辽西南逐次降低;在季节尺度上表现为,夏季潜在蒸散量最高、春秋季节次之、冬季最低;日最高气温、日最低气温和日照时数的减少共同导致过去50年辽宁省潜在蒸散量在整体上表现出减少的趋势。该研究成果可以为水资源的优化配置,评价区域干湿程度等提供一定的理论支撑。     

长白山次生针阔混交林叶凋落物中有机物分解与碳、氮和磷释放的关系

采用分解袋法,研究了长白山次生针阔混交林内9种树种叶凋落物34个月的分解过程.结果表明:在次生针阔混交林中,不同树种叶凋落物的初始N和P浓度存在很大差异,叶凋落物分解速率(k)与初始N浓度和C/N显著相关.有机物剩余百分率与C剩余百分率呈显著的线性正相关关系,与N和P剩余百分率之间呈显著的二项式回归关系. N和P剩余百分率在初期阶段随有机物分解而增加,达到峰值后逐渐降低. 随着有机物剩余百分率的下降,C/N和C/P均呈逐渐降低趋势,各种叶凋落物之间C/N和C/P的差异逐渐减小,分解末期分别趋近于23和350. 随有机物剩余百分率的降低, N/P变化不明显,当有机物剩余百分率低于25%时,不同树种叶凋落物之间N/P差异显著下降. 有机物剩余百分率可用来预测C、N和P的剩余百分率.      

Could biofuel development stress China's water resources?

Concerns over energy shortages and global climate change have stimulated developments toward renewable energy. Biofuels have been developed to replace fossil fuels to reduce the emissions of greenhouse gases and other environmental impacts. However, food security and water scarcity are other growing concerns, and the increased production of biofuels may increase these problems. This study focuses on whether biofuel development would stress China's water resources. Cassava‐based fuel ethanol and sweet sorghum‐based fuel ethanol are the focus of this study because they are the most typical nongrain biofuels in China. The spatial distribution of the total water requirement of fuel ethanol over its life cycle process was simulated using a biophysical biogeochemical model and marginal land as one of the types of input data for the model to avoid impacts on food security. The total water requirement of fuel ethanol was then compared with the spatial distribution of water resources, and the influence of the development of fuel ethanol on water resources at the pixel and river basin region scales was analyzed. The result showed that the total water requirement of fuel ethanol ranges from 37.81 to 862.29 mm. However, considering water resource restrictions, not all of the marginal land is suitable for the development of fuel ethanol. Approximately 0.664 million km² of marginal land is suitable for the development of fuel ethanol, most of which is located in the south of China, where water resources are plentiful. For these areas, the value of fuel ethanol's water footprint ranges from 0.05 to 11.90 m³ MJ^?1. From the water point of view, Liaoning province, Guizhou province, Anhui province and Hunan province can be given priority for the development of fuel ethanol.