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城市工农业生产、社会生活和基础设施建设占用了原本由当地及外部生态系统使用的水资源,污染了区域水环境,导致水生态服务功能的退化,制约了城市社会、经济和自然环境的协调持续发展。
本文在系统综述国内外水生态研究的基础上提出了生态占水的概念,并以北京、承德、淮北三个不同类型、不同规模城市生态占水的实证研究为例,探讨了城市人类活动对区域生态系统影响的动力学机制、控制论方法、规划建设和管理方法及调控对策。
论文的主要成果和创新点如下:
(1)生态占水体现了城市人类活动对自然生态系统用水的胁迫效应,同时也体现了城市内外区域之间在水因子上的相生相克关系。在生态占水动力学机制分析的基础上,提出了包括经济补偿、政策补偿和功能补偿的多属性水生态补偿和兼顾内部占水调控、外部水资源共生的复合生态管理方法,提出了基于水生态服务功能调控的水生态修复工程方法。
(2)北京市生态占水量由1999年的38.11亿m3减少到2009年的23.03亿m3,减少了40％左右,生态占水率在06年以后逐步降低至50-60%,但仍然高于国际公认的水资源利用率40%的警戒线。通过驱动因素分析得出入均消费水平因素对生态占水趋向增加的贡献率最大,人口与单位消费用水的协同作用影响远大于人口单因素的影响力,控制生态占水的关键在于控制消费用水结构和用水习惯。占水.水生态因子关联分析显示,地表取水和污水处理率与水生境因子变化的关联度最大,分别为0.642和0.6,说明控制地表取水和提高污水处理率能够有效保护水生境;退水和地下取水与水环境因子的关联度最大,分别为0.839和0.821,说明严格管理退水和地下取水是保护水环境的关键;地下水埋深、人口与水安全关联度最大,分别为0.887和0.733,说明保护水安全的关键因素是地下水位的维持和恢复以及人口的控制。占水.水生态服务功能量关系分析得出,北京市2006年以后水生态服务功能降低率在30%以下。对北京的占水调控对内要调整用水习惯、用水效率、水价调控、湿地恢复、地下水回补,对外要推进水资源的外部共生和区域合作,调整对上下游水、跨流域调水以及海水淡化水的生态补偿与权衡使用等。
(3)研究了保障首都水生态安全所需要的北京市水生态服务功能量和地表生态用水量。当地表水生态服务功能当量为28.2亿m3,即地表生态用水量22亿m3时,首都水生态安全指数为1,水生态处于安全状态;当地表水生态服务功能当量降低到5.6亿m3,即地表生态用水量低于4.4亿m3时,首都水生态安全指数为0.1,水生态极不安全,我们将地表生态用水4.4亿m3视为首都水生态安全的红色警戒值。当水生态服务功能量为11亿m3水当量时,北京市自然林地植被叶面积指数降低到6.1,若多年水生态服务功能当量低于11亿m3,北京自然林地将存在从乔灌混合型向灌木、草地退化的风险,首都市民享受的生态服务和生活质量将显著降低。
(4)承德市水资源对外服务量占本地可用水资源量的82%,为下游水生态服务得以保障作出了重大贡献。承德市应得到的水生态经济补偿结果为生态建设成本2.5亿元/a;生态公益林机会成本(OC1)为18.1亿元,单位输出水量附加生态补偿费(AEC1)为0.8元/m3;限制发展总补偿量为6.4亿元/a,单位输出水量附加限制发展生态补偿费(AEC2)为0.3元/m3;输出水量费用为21.92亿元,应分别由北京和唐山政府负担比例为1:3.6,唐山负责费用中的82%应由天津负担,即北京应负担水资源费4.77亿元,天津应负责水资源费14亿元,唐山应负责水资源费3.15亿元。对承德市水生态补偿要实施京津冀流域综合管理,应通过产业转型、京津承政府及各组织之间共同协作的政策补偿以及通过项目支持、基地建设、能力建设等的功能补偿。
(5)矿区开采不只是带来负面的生态效应,在一定条件下也会带来正面的生态效应。淮北市的煤矿开采在带来一定负面生态效应的同时也带来正面生态效应——水生态服务功能的增强,生态服务功能价值从上世纪80年代到2007年增加了7354万元。塌陷区湿地水生态服务功能评价结果显示,朔里湖、东湖和南湖的综合评价值分别为0.1858、0.1788和0.1913,三个湿地的水生态服务功能综合水平为南湖＞朔里湖＞东湖;根据三个湿地水生态服务功能长短边的评价,提出水生态修复管理方案包括土地复垦、自然湿地修复和公园湿地建设。利用矿山开采和水生态修复所获得的湿地生态服务功能增益去补偿受损生态系统生态服务功能的损耗,促使矿区生态朝着正效应方向演替。