基于多目标模型的大凌河流域水环境承载力研究

曹 虎

(辽宁省铁岭水文局，辽宁 铁岭 112000)

大凌河流域位于我国辽宁省西部，该流域水土流失严重，泥沙含量较大，约为57kg/m3。流域大小支干交错，全长398km，占地面积约2.35万km2。大凌河流域四季分明，年降水量约450～600mm且在时空分布上极不均衡，6—9月为降雨汛期，占全年降水65%以上，年径流量约16.67亿m3。该流域人均水资源占有量不及我国平均水平的1/3，属于重度缺水区[1]。水环境承载力作为人类活动最大支持能力评价指标和区域协调可持续发展的重要依据，对促进区域经济健康发展具有重要意义[2]。当前，针对环境承载力的研究主要集中在指标选取、评价体系构建以及方法量化层次，各子目标层主要考虑资源、经济、生态、环境等方面，不同指标和要素之间的关联性较弱；而针对水环境的评价指标主要有城市污水处理以及工业废水排放达标率等方面，此类指标数据提取难度大、准确性较低并且与水环境的关联性不大；指标量化法通常是对量化结果的等级分类不够详细和深入，主要有承载率间接表征法、指标评价法等[3]。据此，本文通过将水环境承载力划分为社会环境和自然环境两大方面，对自然环境方面的承载力利用河道污染物入河量进行表征，然后结合大凌河流域水环境实际状况和承载力特征选取典型的评价指标并建立对数函数模型，利用模型评价结果对该流域承载力发展趋势进行预测，以期对大凌河流域自然与社会系统发展质量与规模提供一定的决策依据和理论支持[4]。

1 研究方法

1.1 水资源承载力多目标模型

评价指标的优选是影响预测结果准确性与可靠性的关键因素，因此本文结合相关文献和指标选择基本原则分别对多目标模型评价指标进行优选。为反映大凌河流域有机或无机氮、磷的承载状况，本研究结合区域自然与环境特征分别选取了COD化学需氧量、总氮、总磷入河量指标；选取了水资源开发利用率指标，反映自然水资源对开发利用程度的承载现状，并且结合该流域社会实际现状如生活供水保证率、产业结构布局以及城市化进程等，分别选取了城镇居民生活用水定额、农田灌溉有效用水系数、工业用水重复率、万元GDP以及万元工业增加值用水量、常驻人口城镇化率等指标，表征大凌河流域社会环境对水环境的承载现状。

将大凌河流域水环境承载力模型按照各层次指标基本内涵和特征划分为三个层级即目标层、子目标层和指标层，其中水环境承载力A即为目标层，它概括了各子目标以及评价指标内涵的综合情况，可反映自然与社会环境对水承载力的综合影响。根据各评价指标的内涵和特征可将其划分为正向与负向指标，其中正向指标越大或负向指标值越小则代表承载力越低，各评价指标见表1。表中B1、B2分别代表自然与社会环境承载力；C1～C4分别为COD、TP、TN入河量和水资源开发利用率；C5～C10分别为人口城镇化率、万元GDP、万元工业增加值用水量、工业重复用水率、农田灌溉用水有效利用率和城镇居民生活用水定额。

表1 大凌河流域水环境承载力评价指标体系及权重值

1.2 指标权重的确定

AHP层次分析法是通过对各因素的相对重要性利用两两对比分析，进而确定并实现复杂问题的阶梯结构转化的方法[5]。本研究根据如下数据资料进行专家重要性打分：大凌河流域常规水质达标检测率不足18.6%，该流域有机污染严重[6]；人均水资源量普查结果低于辽宁省平均水平和其他相近流域[7]；流域内生活用水备用水源不足，存在较大的供水风险[8]；流域内产业结构呈现出高能耗、高水耗的变化趋势[9]；各评价指标的专家赋分权重结果见表1。

1.3 单项指标承载力度模型

利用对数函数数值模型法对指标层中各单项指标的承载度求解，具有对评价结果按照等级进行定量化判定的优势；利用标准值参数对承载度模型率定，其评价结果具有更加准确、直观[10]。单项指标承载度详细步骤为：按照最优、良好、及格和最差标准可将评价等级划分为四大类，相应的取值约为1.0、0.8、0.6、0.0；利用模型对正向指标承载度进行求解，变量与函数值具有明显的正相关性，然而其变化趋势随着值的增大趋于平缓；采用模型对负向指标承载度进行求解，变量与函数值呈现出负相关性，并且的降低幅度逐渐增大。结合辽宁省水环境综合治理规划以及生态城市建设相关标准、技术文件和考核办法等要求，分别针对最优、良好、及格、最差级别求得函数值的标准值，并对各参数率定从而得到各单项指标的承载度，结果见表2。

表2 水环境承载力各单项指标承载度模型

1.4 综合评价方法

对水环境综合承载力采用向量模法进行评价。该方法是以各指标构成的向量作为水环境承载力，并假定在此期间存在m个水平年，采用Ej代表m个水平年的评价值，各个评价值存在n个分量其相应的权重为Wi，因此可得到向量Ej=(E1j，E2j，…，Enj)。采用归一化处理后，得到第j个水体承载力的大小，表达式如下：

(1)

2 计算与分析

2.1 大凌河流域水资源承载力

首先对大凌河流域在2012—2016年的各个区域及农业灌溉区的农田、养殖、农村和城市生活以及工业污染物入河量进行求解，得到研究期间各年的TN、TP和COD的入河量和排放量；然后结合大凌河流域工业GDP增长率、人口预测数据、种植作物和化肥施用量等数据，对2025年的TN、TP、COD新增污染物入河量进行预测，并得到各指标的承载力压力值；结合辽宁省统计年鉴和水资源综合规划相关资料，求解该流域在2012—2016年社会环境各指标承载力压力值，并对相关指标预测。

对大凌河流域在2025和2012—2016年的各指标承载度利用单项指标承载度模型进行确定，通过将各指标压力值带入模型，并结合表2指标权重结果可求解自然和社会环境对水环境的承载力数值，最终利用向量模法可对该流域综合承载力进行量化评价，计算和评价结果见表3和图1。

表3 大凌河流域水环境单项指标承载度及综合承载力

图1 各单项指标趋势

2.2 承载力演变趋势

由表3计算结果及图1可以看出，自然环境各指标C1～C4对水环境承载力整体表现出下降趋势，而水资源开发利用率指标的承载度均在0.8以上并且发展趋势较为稳定，该指标承载力状态良好；在2012—2016年TN、TP和COD入河量水质指标的整体变化趋势不大，并且在合格等级下水质指标均降低了0.1～0.2，结合2025年预测结果可知在2016—2025年的水质指标承载度具有较大幅度的降低，等级标准处于及格以下，此期间加剧了环境超载水平；社会环境指标C5～C10对承载力的变化趋势存在较大差异，其中万元工业和GDP用水量的承载度呈现出逐渐上升的最优趋势，并且历年值均大于1；在2012—2016年C8指标取值区间为0.015～0.738，并呈现出快速增长趋势，因此在2025年该指标值很可能接近良好等级；在研究期间人口城镇化率指标实现了从不及格等级提升至最优等级的较大改善，该指标C5在2012—2016年呈现出较大幅度的提升；农田灌溉水有效利用率指标在2016年达到最大值为0.655，在研究期间该指标呈现出稳步增长趋势，预测在2025年可达到0.901趋近良好水平；城镇居民生活用水定额指标由2012年的良好等级逐渐下降至2016年的及格水平，该指标整体为下降趋势，并在2025年预测为0.486处于不及格水平[11]。

大凌河流域水环境承载力变化趋势预测结果如图2所示。研究表明：自然环境对大凌河流域水环境承载力呈现出缓慢下降的过程，并且由之前的良好等级下降至及格区间，预测结果显示在2025年可下降至0.55左右，处于及格水平以下；而社会环境对承载力的作用呈现出上升趋势，并且对未来预测结果显示该指标仍具有较快的增长趋势。大凌河流域水环境综合承载力在上述两大因素的共同作用下整体保持基本平衡状态，水环境承载力在2012—2016年缓慢增加了约0.052，并在2025年稍微降低了0.013。研究表明，自然环境不仅是引起未来综合承载力下降的直接因素，而且是延缓水环境承载力的主要驱动力，社会环境各指标对于提升承载力的作用仍具有较大空间。

图2 水环境承载力趋势

3 提升承载力措施

本文结合预测分析结果，分别从污水总量收集、控制、运输和处理四个方向对水体TN、TP和COD入河量进行外源污染过程控制。严格按照排放标准对大凌河流域采矿、印染、医化、砂洗等行业进行排查，对高污染、高能耗行业进行转降整治；针对小散养殖场，深入推广使用天然有机化肥并从根本上控制污染物总量的排放；对污水收集系统进行改善，主要是针对该区域村庄已建三级管网、主干管进行排查并确保各端口链接的匹配性；完善污水处理和输送系统，对于具有侵蚀性的工业污水应严格排查和完善，建议对污水处理能力与污水排放量不匹配的行业进行规模升级和校核。

大凌河流域主干流连通整体通畅，但次级与支流河道的结构从横交错，因此在主干河网引排的格局上提升支干与主干河网之间的连通能力和水平，从而提升河网的匹配程度和河道环境容量。

根据生活用水定额指标呈现出快速下降且低于及格线以下的实际状况，可分别从加快备用水源选址、加快水源管网改造及降低水资源的漏损等方面入手，加快推进政府水价改革，促进企业节水工程改造。

4 结论

自然环境各指标对水环境承载力整体表现出下降趋势，而水资源开发利用率指标的承载度均在0.8以上并且发展趋势较为稳定，该指标承载力状态良好；社会环境指标对承载力的变化趋势存在较大差异。自然环境不仅是引起未来综合承载力下降的直接因素，而且是延缓水环境承载力的主要驱动力，社会环境各指标对于提升承载力的作用仍具有较大空间。