基于水環境容量和綜合指標體系的區域水環境承載力評價

王富強， 李鑫， 趙衡， 楊東明

(1.華北水利水電大學 水資源學院，河南 鄭州 450046；2.河南省黃河流域水資源節約集約利用重點實驗室，河南 鄭州 450046)

人口擴張、資源短缺和環境污染是當今世界面臨的三大問題和挑戰，而其中水環境污染及其防治問題近些年在我國更是引起了廣泛關注，國家特別設立了水體污染控制與治理科技重大專項來應對水環境污染問題[1]。水環境承載力是指一定時期內，區域具有特定功能的水體在其生態系統和環境質量不遭受威脅時所能支撐人口和經濟社會發展的最大規模。解決我國水環境污染問題的關鍵就是要把握好區域水環境承載力，使區域水環境在一定限度內保持自身的可調節性[2]。水環境承載力具有動態性和區域性等特征，結合區域實際情況，開展水環境承載力實用評價和方法研究對協調好區域經濟社會、水資源、水環境等的可持續發展具有重要的現實意義[3]。

國外針對資源環境承載力的研究最早可以追溯到1964年，不少發達國家在還未遭受資源枯竭和環境破壞的威脅之前已經做好了資源環境的保護措施，目前資源環境承載力在國外已經納入可持續發展的研究范疇[4]。國內的相關研究起步較晚，環境承載力的概念更是直到1991年才正式提出。從提出至今，水環境承載力一直是資源環境領域的研究熱點[5-6]。學者們根據對水環境承載力研究主客體關注點的不同，將其概念分為狹義和廣義兩種[7-8]。狹義的水環境承載力是指在既定目標下，水體能夠接納的最大污染物排放量，即水域納污能力，其承載對象為排入水體的各項污染物；廣義的水環境承載力是指一定時期內，具有特定功能的區域水體在其本身生態系統和環境質量不遭受威脅時所能支撐人口和經濟社會發展的最大規模。隨著研究不斷深入，水環境承載力評價也逐漸由單純的考慮區域水體個別污染物的限排量(即水環境容量)到目前的選取多指標的綜合評價?，F有基于綜合指標的研究方法主要有多目標分析法[9]、系統動力學法[10]、綜合指標體系法[11]等。相關的研究成果也在不斷取得新的進展，鄧紅衛等[12]采用離差平方和組合賦權法并基于地理信息系統對恩施地區水環境承載力進行了評價；萬炳彤等[13]基于 DPSIRM 模型建立了多維度評價指標體系；俞錦辰等[14]通過神經網絡模型對海州灣區域水環境承載力進行了評價研究，得出了該海域水環境承載力受季節變化影響的結論；徐志青等[15]基于系統動力學模型模擬了南京市6種發展情境，并采用優化的投影尋蹤法預測了不同情境下水環境承載力的變化趨勢。以上學者的研究方法和指標體系均是在水環境承載力廣義概念上建立的，很少有學者在定量研究中將廣義概念下的評價結果同狹義概念下的評價結果進行對比分析。本文以魯山縣為研究區域，基于兩種概念分別計算魯山縣水環境承載力指數，對比分析兩種評價方法的特點及評價結果，并討論兩種概念下評價結果的異同性以及現實意義。

1 水環境承載力評價方法

1.1 基于水環境容量的水環境承載力評價

水環境容量是指區域水體所能接受某一項污染物的最大排放量，狹義概念下水環境承載力評價多采用水環境容量法。本文采用現有水環境容量法研究成果中改進的一維模型來計算水環境容量[16]，該模型相比原有計算方法考慮了水體的自凈能力和初始污染物入河量對水環境容量的影響，計算結果更加貼合實際情況，改進后的計算方法見式(1)：

(1)

式中：M為水域納污能力，g/s；cs為水質目標濃度值，mg/L；Q為初始斷面入流流量，m3/s；Qp為廢污水排放流量，m3/s；c0為初始斷面污染物濃度，mg/L；K為污染物衰減系數，s-1；u為河道斷面平均流速，m/s；L為計算河段長度，m；m為污染物入河速率，g/s。

在計算得出水環境容量后，根據各項污染物實際排放量Mp與水環境容量M的比值來確定是否超載。以單指標評價標準即各控制單元中最差指標評價值作為評價結果，結果僅以超載與不超載界定。

1.2 基于綜合指標體系的水環境承載力評價

1.2.1 評價指標體系構建

在水環境承載力研究進程中，學者們所構建的指標體系在不斷改進，所考慮的因素由之前單純的水量和水質因素增加至全面考慮水在自然與社會循環中所涉及的各個環節的相關因素，所遵循的原則由之前的科學性、完整性和可獲取性完善至更多考慮指標的層次性、動態性[17-18]。本文認為廣義概念下的水環境承載力取決于經濟社會、水資源、水環境、水生態系統間的耦合程度[19]，各子系統均與其他系統之間存在著要素的流動及因果關系，如圖1所示?？紤]各子系統之間相互耦合的關鍵要素，經過篩選，確定了本次評價指標體系，見表1。

圖1 經濟社會、水資源、水環境與水生態耦合關系

表1 魯山縣水環境承載力綜合評價指標體系

表1中：經濟社會子系統考慮區域人口壓力、人口素質和經濟整體水平；水資源子系統考慮人類用水對區域水資源的壓力及區域水資源稟賦條件；水環境子系統細化考慮各類產業所排放的各項污染物對水環境的壓力；水生態子系統考慮區域河流生態系統服務功能及空間連通性。由于目前沒有相關指標標準值的確切而科學的確定方法，本文采用參照同類型區域已有水環境承載力研究中的相關指標標準值，并結合研究區域魯山縣的經濟社會實際發展狀況綜合確定各項指標標準值[20]。

1.2.2 評價指標權重確定

本文選用層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)來確定各項指標權重。層次分析法是一種通過對比指標間相對重要程度進行打分的主觀賦權法[21]。根據評價指標體系，對準則層分別進行兩兩比較，得出各子系統的權重；然后在各準則層下，將指標層的各評價指標兩兩判斷比較，得出各準則層下指標的權重；最后將準則層與指標權重對應相乘，從而計算出各個評價指標的最終權重。具體的計算步驟如下：

1)同一層次各評價指標之間進行重要性比較判斷，采用9位標度法衡量兩兩指標間的相對重要程度，劃分標準見表2。得出指標i與指標j的相對重要程度數值Ci∶Cj=aij，構建相應判斷矩陣A。

A=(aij)n×n；aij=1,2,…,9。

(2)

2)運用行和法進行歸一化，計算得出權重，并計算A的最大特征值和特征向量。

3)一致性判斷：

CI=(λmax-n)/(n-1)；

(3)

CR=CI/RI。

(4)

式中：λmax為最大特征根；n為研究變量個數；RI代表平均隨機一致性；CI為一致性指標；CR為一致性比例，僅當CR<0.1時才可通過檢驗。

表2 9位標度法劃分標準

1.2.3 水環境承載力綜合指數計算

為消除量綱影響，本文選用標準值法，參照表1中各項指標的標準值，將各指標數據進行標準化處理。正向指標采用公式(5)，負向指標采用公式(6)，以指標數據標準化和組合賦權為基礎，依據公式(7)計算水環境承載力[22]。

(5)

(6)

(7)

式中：Xij為指標值；i為控制單元序號;j為指標個數；XB為指標標準值；X′ij為指標標準化值；SWECC為綜合評價指數；ωj為指標j的權重。

SWECC取值范圍是0～1，值越大表明區域水環境承壓能力越強。為定性分析評價結果，將綜合評價值劃分為高、較高、中、較低、低5個等級，并賦以相應的承載狀態。等級劃分具體見表3。

表3 水環境承載力等級劃分

2 實例應用

2.1 區域概況與數據來源

魯山縣屬于河南省平頂山市，位于淮河支流沙河上游，地處112°14′E～113°14′E、33°34′N～34°00′N，如圖2所示。整體地勢西高東低，縣域總面積2 432.32 km2，年平均氣溫14.8 ℃，年平均降水量827.8 mm?？h境內河流眾多，絕大部分屬潁河水系，其中大型河流1條(沙河)，中型河流7條?？h轄7個鎮、13個鄉、4個街道、1個辦事處。2017年全縣總人口94.64萬人。根據魯山縣水環境質量調查評價及水污染物排放調查評價結果：彭河新孔莊橋、冷水河田莊橋市控斷面出現斷流現象，沙河下游流域生態流量無法得到保證；城區以外的城鎮污水處理廠鎮接管率均較低；農村生活面源COD、氨氮入河量較大，農業污染亟待解決。

根據河南省水污染防治“十三五”規劃對河南省水環境控制單元的劃分成果，魯山縣以昭平臺水庫為分界點被劃分為兩個國控單元。結合“十三五”流域水環境管理控制單元劃分方法和研究區實際情況，將魯山縣區域劃分成6個縣級控制單元[23-24]，劃分結果見表4和如圖3所示。根據2017—2019年各控制單元實測數據，將相河控制單元入沙河前監測斷面和冷水河控制單元田莊橋監測斷面的COD、氨氮、TP和TN總體達標率存在超標情況，其余控制單元監測斷面存在年內部分月份超標情況，但總體達標率皆為達標。

筆者收集了魯山縣2017年社會經濟、水資源及水環境等方面的數據，其中人口和GDP等數據來源于《平頂山市統計年鑒》，水資源量、工農業及城鎮生活用水量及污染物排放量等數據來自《平頂山市水資源公報》，工農業及第三產業污染物排放量來自魯山縣環保局在線監測數據及水環境質量調查評價。部分指標數據需要根據基礎數據進一步推算得出，具體計算方法見表1。

圖2 魯山縣地理位置及行政區劃

表4 魯山縣水環境控制單元劃分信息

圖3 魯山縣水環境縣級控制單元劃分結果

2.2 基于綜合指標體系的水環境承載力評價結果

根據AHP法確定指標權重步驟，參照式(2)—(4)計算得出各項指標權重，根據式(5)—(7)以及表1中各指標標準值，計算得出各控制單元C1—C21指標標準化值，得到表5所示結果。

根據式(7)計算魯山縣各控制單元各準則層評價指數以及水環境承載力綜合指數，計算結果見表6。根據綜合指標體系評價結果可知，6個控制單元中將相河控制單元與冷水河控制單元處于輕度超載，其余控制單元均為瀕臨超載。為分析超載單元的超載原因，繪制將相河控制單元和冷水河控制單元的水環境承載力指標雷達圖，分別如圖4與圖5所示。

表5 魯山縣2017年各控制單元指標標準化值

圖4 將相河控制單元指標雷達圖

圖5 冷水河控制單元指標雷達圖

2.3 結果分析與討論

基于水環境容量法，結合式(1)計算得出各控制單元的水環境容量M，得到基于狹義概念下的評價結果，見表7。

對比兩種評價結果，基于水環境容量的評價結果與基于綜合指標體系的評價結果整體相近，均為將相河控制單元與冷水河控制單元處于超載狀態，其余控制單元為不超載狀態。但分析超載原因可以發現：基于水環境容量的評價結果中，將相河控制單元與冷水河控制單元超載的原因為COD、氨氮和TP超出了對應的水環境容量；基于綜合指標體系的評價結果中，將相河控制單元超載主要受人口密度、水資源開發利用率、水域面積占比和水環境容量利用率等指標的影響，冷水河控制單元超載主要受城鎮化率、萬元工業生產總值用水量、水域面積占比、生態基流保證率和農業TN排放指數等指標影響。由此可見，基于水環境容量的評價結果凸顯了水環境承載力超載的直接因素，而基于綜合指標體系的評價結果更能體現造成水環境超載的經濟社會和區域資源環境稟賦條件等根本原因，有助于識別水環境承載力的驅動因素。

表7 基于水環境容量的水環境承載力評價結果

基于水環境容量的評價結果顯示，將相河控制單元與冷水河控制單元污染物超出水環境容量限值較多，超載情況嚴重，而其余控制單元承載情況良好。因此，基于水環境容量的評價結果為區域水環境治理提出了明確的要求，即將污染物控制或削減到水環境容量限值之內。相比之下，綜合指標體系評價法評價結果為，將相河控制單元與冷水河控制單元均處于輕度超載狀態，而其余4個控制單元為瀕臨超載狀態?？梢?，相比水環境容量法，綜合指標體系評價法通過構建多指標以及劃分評價等級的方式使得各控制單元評價值更趨于平均，且對控制單元承載狀況的描述更加精確。因此，基于水環境容量的評價結果可為區域水域納污能力和相關紅線的制定提供參考，而基于綜合指標體系的評價結果更有助于為區域從整體上把握水環境狀況及多方面采取措施提升水環境承載力提供重要參考。

根據水環境容量的評價結果，將相河控制單元與冷水河控制單元迫切需要削減COD、氨氮、TP等污染物的排放量及入河量。根據綜合指標體系的評價結果，將相河控制單元超載主要受人口密度、水資源開發利用率、水域面積占比、水環境容量利用率等指標的影響。將相河控制單元所控制的范圍屬于魯山縣中心城區，存在人口密度大、水資源需求量高、污染物排放量大等問題。雖然經濟總量的提升使得各類污染物排放指數(kg/萬元)相對較低，但由于中心城區水域面積及水資源量十分有限，當污染物集中排放時，極易超出水環境容量，因此采取總量控制的方案十分必要。另外，應對中心城區優化產業結構，淘汰過剩、落后產能，杜絕高耗水、高污染項目，從源頭減少污染物的產生以及排放，引導企業將一些生產和生活服務業分布到郊區。冷水河控制單元超載主要受城鎮化率、萬元工業生產總值用水量、水域面積占比和農業TN排放指數等指標影響。冷水河控制單元內的居民主要為農戶，工業和第三產業產值較低，且該控制單元為當地主要糧食生產區，化肥和農藥產生的農業面源污染對TN、TP等污染物入河貢獻量較大。根據2018年冷水河田莊橋斷面實際監測數據，26次監測中有19次斷流，斷流率達73%以上，生態流量難以保障。因此，提升冷水河控制單元水環境承載力，一方面要控制農業面源污染，切實控制農藥和化肥的使用量；另一方面需要實施河流水生態修復措施和生態基流保障工程，杜絕灘地開墾農田、河道隨意占用等破壞河流水生態環境的現象。

結合兩種概念下的評價結果，要提升魯山縣各控制單元的水環境承載力，在進行污染物總量控制的基礎上，必須通過多種途徑綜合作用。在農業、工業、居民生活等方面減少污染物排放，從調整產業結構、優化產業布局等方面實現經濟轉型；在水資源開發利用中要合理配置和調度各類用水，推行節水型社會建設，從河湖濕地河道治理、水源涵養、底泥疏浚等方面改善生態空間。

3 結語

1)基于水環境承載力的概念，分別采用綜合指標體系法和水環境容量法對魯山縣水環境承載力進行評價分析，發現兩種方法整體評價結果較為相近，但二者的現實意義存在差別：基于水環境容量法的水環境承載力評價結果更加凸顯水體環境質量的直接問題，可為區域污染物排放紅線的制定提供一定參考；基于綜合指標體系法的水環境承載力評價更能夠表現各種因素作用下的水環境承載力綜合水平，能夠識別水環境承載力狀況的驅動要素，可以從根源上提供水環境承載力的提升方案和措施。

2)為提升超載單元水環境承載狀態，魯山縣將相河控制單元與冷水河控制單元均需要對COD、氨氮、TP等污染物排放量進行削減。將相河控制單元需要調整區域內產業結構，嚴格控制污水排放總量，對將相河進行綜合整治，在提升水環境容量的同時提高水資源利用效率；冷水河控制單元需要控制農業化肥和農藥的使用，減少農業面源污染，實施河道水生態修復和生態基流保障工程。提升魯山縣水環境承載力整體水平需要在污染物總量控制的基礎上，同時兼顧“增容”與“減排”。結合實際觀測數據，基于兩種方法所得評價結果與魯山縣實際情況較為貼近。

3)綜合指標體系的構建考慮了經濟社會、水資源、水環境和水生態4個子系統的相互耦合關系，指標體系相對完善，但在考慮水環境承載力影響因素的復雜性和動態性方面，今后的研究中可結合研究區域和研究方法對此進一步優化和完善。由于現有資料有限，本文僅對魯山縣水環境承載力年內空間分布特征進行了評價，未評價各控制單元水環境承載力隨時間的變化特征，今后的相關研究可分別從時間和空間的角度進行綜合評價，為區域水環境承載力提升提供更加科學有效的參考。