蟒河济源段水环境承载力评价研究

王 寒，王富强，潘礼德，任立新

（1．华北水利水电大学水利学院，河南郑州450046；2．黄河水利委员会上游水文水资源局，甘肃兰州730030）

近年来随着社会经济的发展，水资源短缺以及日益严峻的江河湖库污染问题已成为限制区域社会经济可持续发展的重要因素。在人们对社会可持续发展与水环境的相互关系有了较深刻认识的基础上，提出了水环境承载力（Water Environmental Carrying Capacity）的概念。水环境承载力的大小直接影响人类社会发展的速度与规模，无论是研究层面还是管理层面都得到了普遍重视和广泛应用。

李清龙等［1］指出，水环境承载力是指在某一时期，在一定环境质量要求下，在某种状态或者条件下，某流域（区域）水环境在自我维持、自我调节能力和水环境功能可持续正常发挥前提下，所支撑的人口、经济及社会可持续发展的最大规模。钱华等［2］认为，水环境承载力是指水环境系统的自我维持、自我调节能力正常的情况下，水环境系统的承纳能力、可维持的社会经济活动强度和具有一定生活水平的人口数量。对水环境承载力的定义虽然在形式上有所不同，但都侧重于强调水环境系统的可持续利用以及功能完整。随着对水环境承载力研究的深入，研究人员从水环境承载力的定性研究转向了定量研究。蒋晓辉等［3］以陕西关中地区为例，建立了水环境承载力的多目标分析评价核心模型，得到了不同方案下关中地区的水环境承载力；李如忠等［4］指出了常规矢量模法的不足，建立了基于欧氏贴近度的区域水环境承载力评价模糊物元分析模型；王俭等［5］将基于人工神经网络的区域水环境承载力评价模型应用于辽宁省水环境承载力评价中，指出该模型具有结构简单、建模方便的特点，评价结果可以直观反映区域水环境承载力的状态；李新等［6］建立了水环境承载力的多目标优化模型，并结合层次分析法和指标体系评价法对洱海流域水环境承载力进行了评价；汪嘉杨等［7］构建“DPSIRM”评价指标模型，并运用变异系数法确定各指标权重，分析得到了太湖流域水环境承载力评价指数。

当前我国面临的主要水生态环境问题包括水质恶化、富营养化严重、水资源短缺等，水质污染造成的水资源紧缺已成为我国流域社会经济发展的重大瓶颈，也是影响水环境承载力的关键因素。笔者以典型水环境承载力概念模型［1］为依据，基于层次分析法构建流域水环境承载力多目标优化模型以及指标体系，分析和评价蟒河流域济源段水环境承载社会经济发展能力，以期为该流域社会经济发展和水资源可持续利用提供科学依据。

1 研究区概况与数据来源

1．1 研究区概况

蟒河发源于山西省阳城县蟒河镇，流经河南省济源市，焦作市沁阳市、孟县、温县和武陟县。蟒河地处暖温带大陆性季风气候区，年平均气温14．3℃；1月气温最低，平均气温为-0．2℃；7月气温最高，平均气温为27．4℃。年平均降水量669．2 mm，降水集中在5—9月。2017年蟒河流域总人口约72．2万，国民生产总值（GDP）600．1 亿元，耕地面积 33 801 hm2。

目前蟒河部分河道淤积严重，河道泄流能力小。部分河道在欠管理状态下有生活污水、生活垃圾等污染物排入。2015年蟒河流域生活废水排放量达327．35万t，工业废水排放量达309．35万t，农业和混合废水排放量达72．68万t。根据2017年《济源市水资源公报》，蟒河上游水质满足农业用水水质要求，达到Ⅲ类水标准；蟒河济源市区段水质污染比较严重，全部为Ⅳ类水，达到景观娱乐用水Ⅳ类水标准；蟒河排污控制区和过渡区全年为劣Ⅴ类水，该水功能区水质汛期、非汛期、年均值均不达标。

1．2 数据来源

根据水环境承载力评价要求，收集了2012—2017年蟒河流域济源段相关资料。由于水环境承载力评价指标的取值直接影响评价结果的准确性、客观性和实用性，因此资料的主要来源包括《全国生态示范区建设试点考核验收指标》《济源统计年鉴》《济源市水资源公报》《济源市环境状况公报》等。基于收集的资料并通过专家咨询，得到2012—2017年主要评价指标值。

2 水环境承载力评价方法

2．1 水环境承载力评价指标体系

水环境承载力是指水体在环境功能正常发挥的情况下能够承受人口社会经济活动的最大能力。水环境承载力由水资源承载力和水质量承载力构成，其中水资源承载力（Water Resources Carrying Capacity）是指水环境在保证流域需水量的条件下所能维持社会可持续发展的能力，水质量承载力（Water Quality Carrying Capacity）是指流域在接纳污染物后仍能维持水体自净能力和满足水质要求的承载能力［6］。流域水环境承载力评价可以构建一个具有三层结构的评价指标体系。其中，第一层为目标层（G），设为水环境承载力综合评价；第二层是准则层（T），包括水资源承载力和水质量承载力；第三层是指标层（I），包括8个指标。

（1）水资源承载力（T1）。在社会发展过程中，人类、社会、经济是影响可利用水资源量的重要因素，因此水资源承载力指标选择人口数据和相关社会经济活动数据。人口（I1）表征流域人口负荷状态；城镇化率（I2）表征城市化对水资源的压力，是衡量流域社会化程度和管理水平的重要标志；灌溉面积（I3）表征农业用水量；国民生产总值 GDP（I4）表征区域经济发展水平。

（2）水质量承载力（T2）。在社会经济以及人类活动影响下，流域水生态系统发生变化，水质量承载力以蟒河流域历年水质状态来表示。化学需氧量COD（I5）表征水体受还原性物质污染程度，也是水中有机质含量的综合指标；氨氮NH3（I6）是水体中主要的耗氧有机物，也是纳污能力计算的重要控制因子；总氮TN、总磷TP（I7、I8）是反映水体富营养化程度的重要指标。

2．2 指标权重的确定

采用层次分析法计算水环境承载力指标体系中各指标权重。该方法是美国数学家Satty．T．L．在20世纪80年代提出的，是一种结合定量方法和定性方法来处理复杂问题的方法［8］。各指标权重见表1～表3。

表1 准则层T指标对目标层G的判断矩阵

各指标对水环境承载力的影响程度由大到小进行排序：TN＝TP＞人口＞COD＞GDP＞氨氮＞城镇化率＞灌溉面积。

表2 指标层元素对准则层T1的判断矩阵

表3 指标层元素对准则层T2的判断矩阵

2．3 水环境承载力评价模型

（1）单项指标评价分数的确定。在水环境承载力评价中，由于每个评价指标的单位和数量都不同，无法统一进行计算，因此需要对指标数据进行标准化处理。本文采用极差标准化的方法使模型中每个指标都介于0～1之间。越大越优的指标：

越小越优的指标：

式中：Ii为第i个指标的分数值；i分别表示人口、城镇化率、灌溉面积、GDP、COD、NH3、TN、TP 等指标；xi为第i个指标的实测值或调查值；xi，max和xi，min分别为第i个指标设置的最大值和最小值。

对于越大越优的指标，若xi大于最大值，指标分数值取1；若Xi小于最小值，指标分数值取0。对于越小越优的指标，若Xi大于最大值，指标分数值取0；若Xi小于最小值，指标分数值取1。

（2）水环境承载力评价模型。水资源承载力：

式中：WRCC为水资源承载力；i分别表示人口、城镇化率、灌溉面积、GDP；Wi为第i个指标的权重。

水质量承载力：

式中：WQCC为水质量承载力；i分别表示 COD、NH3、TN、TP。

水环境承载力：

式中：WR和WQ分别为水资源承载力和水质量承载力的权重。

由于模型中各指标对承载力的影响程度不同，因此各指标在水环境承载力计算中占有不同的权重。在对每个指标进行标准化处理时，模型中每一个指标分数值都介于0～1之间，可以把这个值称为指标的承载度。水环境承载力综合评价值也介于0～1之间，而且水环境承载力综合评价值越大，说明水环境承载状况满足流域承载能力越大。

3 评价结果与讨论

根据收集的2012—2017年蟒河济源段评价指标的相关数据，整理得到蟒河济源段水环境承载力变量值，见表4。

表4 水环境承载力变量值

灌溉定额、单位GDP耗水指标最优值和最差值分别采用《全国生态示范区建设试点考核验收指标》的Ⅰ类和Ⅲ类指标；人口、城镇化率指标通过专家咨询和参考相关文献确定［9］；COD、NH3、TN、TP 指标最优值和最差值分别采用《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）的Ⅰ类和Ⅲ类指标。按照近5 a济源市水资源总量2．83亿m3计算承载能力。根据水环境承载力评价模型及指标权重的计算方法，终得到水环境承载力标准值及权重，见表5。

表5 水环境承载力标准值及权重

应用式（1）、式（2）计算 2012—2017年水环境承载力各指标标准化值，应用式（3）～式（5）计算2012—2017年水资源承载力、水质量承载力和水环境承载力，计算结果见图1。

图1 2012—2017年水资源、水质量和水环境承载力

由2012—2017年蟒河济源段水资源、水质量和水环境承载力变化趋势可知，蟒河济源段水资源承载力2012—2013年略有升高，之后一直保持平稳状态。计算结果说明人口、社会经济状况发展相对稳定，蟒河济源段近年来水资源情况相对稳定。相比于水资源承载力而言，水质量承载力处于波动状态，2012—2013年水质量承载力大幅度上升，之后呈逐渐下降趋势。根据《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002），化学需氧量（COD）除了在2012年处于Ⅲ类水质标准外，其余年份都达到Ⅰ类水质标准；氨氮（NH3）指标基本处于Ⅱ、Ⅲ类水质标准；总氮（TN）指标基本没有改善，2012—2017 年在 0．75 ～ 0．96 mg／L 之间波动；总磷（TP）指标除了在2013—2014年达到Ⅰ类水质标准外，其他年份均处于Ⅲ类水质标准。

水环境承载力的变化趋势与水质量承载力相似，这表明水质量承载力对水环境承载力影响更大。水环境承载力从2012年的0．396增加到2013年的0．684，随后开始持续下降，一直下降到2016年的0．464。水环境承载人口、社会与经济发展能力的评价结果与实际相符。

蟒河流域设有济源水文站，水文测流断面在南、北蟒河汇合点下游约500 m，流域控制面积480 km2。1959—2015年蟒河多年平均地表水径流总量为1．003亿m3／a，20世纪70年代引沁济蟒渠建成引水后径流量变大，年平均地表径流总量增长为1．074亿m3／a。另外，尽管近几年人口数量和城镇化率有所增大，但济源市政府积极响应国务院《关于实行最严格水资源管理制度的意见》，积极推进节水型社会建设，对水资源管理不断加强，水资源开发利用进入以量定需、严格管控的新时期，以有限的水资源支撑社会经济的全面发展，因此蟒河济源段水资源承载力状况良好。

相较于水资源承载力，水质量承载力相对较低。蟒河南官庄断面为省控断面，是济源蟒河的出境断面，通过2011—2015年蟒河南官庄断面水质长期监测数据分析得到，蟒河南官庄水质普遍较差，均为劣Ⅴ类，主要污染指标为氨氮、化学需氧量和总磷等。其中：氨氮指标历年超标最为严重，超标倍数为1．31～3．32倍；总磷从劣Ⅴ类转化为Ⅴ类，总体而言超标较为严重；化学需氧量较为平稳，超标倍数在1．2倍左右。根据蟒河水质二级水功能区水质达标评价结果，水功能区蟒河济源过渡区和蟒河济源排污控制区水质汛期、非汛期、年均值均不达标。大量生活污水、工业废水排放和农业面源污染是导致蟒河济源段水污染的主要原因，总氮和总磷是造成水体富营养化最重要的指标。随着社会经济的发展，人们对水环境和生态环境的要求越来越高，迫切需要加快河湖水系的综合整治，加强水源地保护和水功能区管理，建立完善的水生态环境安全保障体系。

4 结 语

通过层次分析法对各指标权重分析表明：富营养化指标（TN、TP）对水环境承载力影响最为显著，其次是人口指标、COD指标。对水环境承载力影响最大的指标中，大部分都是水质量承载力指标，说明水质量子系统对水环境承载力影响更显著。蟒河济源段水资源承载力2012—2013年略有升高，之后保持平稳状态。说明蟒河济源段人口、社会经济状况发展相对稳定，近年来水资源情况相对稳定。相较于水资源承载力而言，水质量承载力处于波动变化状态，2012—2013年水质量承载力大幅度上升，之后呈逐渐下降趋势。水环境承载力从 2012年的 0．396增加到 2013年的0．684，之后开始持续下降到2016年的0．464。 蟒河济源段水环境承载人口、社会与经济发展能力的评价结果与实际相符。

加强蟒河流域水资源管理和水环境质量的保护，是有效提高水环境承载力的关键。对于蟒河济源段水资源利用和水环境保护建议如下：科学高效地配置水资源，建立健全水资源产权制度，完善水价形成机制，提高水资源利用效率与效益；进一步探索灌区节水技术改造的有效方式，建立先进的灌溉用水制度，推广节水技术；严格管理排污口，控制生活污水和工业废水的排放总量，建立纳污能力监测预警机制，对排污量已达到或者超标的地区，暂停排污；控制农业化肥的施用，减少农业面源污染造成的水体氮、磷污染物超标。