阜新市水环境承载力评价研究

郗梓添

(辽宁省阜新水文局，辽宁 阜新 123000)

阜新市属于辽宁西北部的中心城市，现辖细河、太平、新邱、海州、清河门5个区和阜新蒙古族自治县、彰武县，总面积1.0445万km2。该区域为大陆季风气候，光照充足、雨热同季、冬冷干燥、平原风大，平均气温8.6℃，年日照时数2630h，年降水量565.6mm，6月降水少较干旱，7月下旬降雨明显较多。阜新地貌形态以低山丘陵为主，总体呈东北低、西南高，东南低、西北高的变化特征，境内主要有饶阳河、牤牛河、细河、养息牧河、柳河等支流，各河段长依次为41、86、17、114、77、188km，其中大多数河流存在面积小、比降陡、流程短等山区型河流特征，河流水质总体较好，部分河段水环境呈恶化趋势。随着工业产业的快速积聚和人口规模的不断增大，加之气候的变化和不合理的用水活动，使得水环境污染、河道断流和水资源短缺等事件频发，部分河段的水污染程度已远远超过水体的极限纳污能力，这在很大程度上限制了贫水区的经济发展和正常的生产生活[1- 7]。根据水资源可持续发展和水生态文明建设要求，为实现区域或城市人水和谐相处必须把水环境承载力作为主要对象，将生态环境作为首要考虑的问题。通过对水环境承载力的预测和评价，可为充分利用当地水资源，减少水环境污染和水资源浪费，协调区域经济发展与水资源空间分布提供理论依据，为充分发挥水资源价值及加快推进水生态文明建设提供科学指导。近年来，阜新地区依托其特有的地理优势和环境条件迅速发展经济，水环境研究侧重于水污染控制和水资源利用2个方面，因此预测和评价当地水环境极具必要性和现实性[8]。

1 研究方法

1.1 数据来源

设定水环境承载力现状水平年为2010—2018年，预测年为2025和2030年，现状水平年各指标数据来源于《阜新市经济社会发展公报》《阜新市水环境状况公报》《阜新市统计年鉴》和中国气象数据网等资料，结合区域发展实际情况和现状年各指标变化特征确定2025和2030年的承载力参数值，以此为基础确定承载力状况。

1.2 评价方法

经济的发展和人口的激增，不仅加剧了区域水体污染、用水短缺和水生态安全等问题，而且对居民饮水安全和区域经济持续发展构成严重的威胁。系统、科学地评价区域水环境状况可为水污染控制提供指导，为水环境治理和承载力的提升提供科学依据。鉴于此，本文结合相关资料和研究成果，根据下述2个分析线路和研究思路开展承载力评价：其一是结合承载力目标设计相应的方案，从整体性的角度考虑生态环境和经济社会系统，选用多个具体指标构建承载力评价体系和模型，以具体目标、各影响因素为结果和变量，求解不同方案、不同水平年的承载力最优解，由此实现承载力水平的预测分析；其二是采用多项因子描述参评样本。通过等级划分和单因素评价，综合考虑多项因子最终确定区域水环境承载水平。目前，应用于水环境承载力评价的方法有主成分分析、模糊综合、综合指数和投影寻踪法等，不同方法的优劣状况和使用范围存在一定差异。针对水资源开发方式和经济发展模式不同的城市，多目标模型和系统动力学法为常用的预测分析法，而动态模拟递推算法和背景分析法为获取某城市水环境承载力最值的适用方法[9- 12]。

2 水环境承载力评价过程

2.1 评价指标体系

当前，现有的水环境承载力评价体系还无法普遍适用于我国不同流域、不同地区，因此指标体系的构建应从研究区具体情况出发，综合考虑水环境状况及其变化特征、水资源开发利用程度、科技文化差异水平和区域经济发展的不平衡性，结合区域水资源特点及其实际状况选择合适的因子。

本文借鉴水环境评价标准和指标体系现有研究成果，综合考虑水系统各方面影响因子及阜新地区经济发展状况，遵循评价体系构建原则和指导思想，从社会经济、人类生活和水环境3个方面选择水环境承载力评价因子构建指标体系，见表1。

表1 区域水环境承载力评价体系及权重值

2.2 阜新市水环境承载力计算

根据阜新市水环境状况和经济发展模式，确定各评价因子核算标准及其权重值，结合相关文献资料构建承载度计算模型，并将上述9个指标实测数据输入模型获取相应的承载度值，对阜新市水环境承载力等级利用模加和法确定，最终评判区域承载力状况[13- 14]。

水环境承载力评价值和各参评因子值处于0～1范围，考虑到核算标准的不同各项因子均存在一个最优值1和一个最差值0。对于越大越优和越小越优型指标其取值均处于最优、最差值范围，因此所构造的函数符合单调变化特性。本文对阜新市水环境承载力水平采用模加和与变异系数相结合的方法评价，其数学模型如下：

(1)

构造指标承载度计算模型和确定各指标权重为最重要的环节，通过对各类权重计算方法适用范围和特点的分析，考虑选用变异系数法求解各因子权重并建立承载度模型。

2.3 评价指标权重

变异系数法为目前最为常用的水环境承载力权重计算方法，该方法依据各因子基础信息直接获取相应的权重值。一般条件下，不同指标的量级存在差异而无法直接用于比较，为消除各因子间的不可通透性需要对各个指标利用变异系数法处理，其表达式为：

Vi=ai/bi

(2)

式中，ai、bi—评价因子i的标准差和平均数；Vi—评价指标i的变异系数。

由此可确定各因子权重，计算式为：

(3)

采用上述公式可确定水环境承载力各项因子权重。

2.4 承载度计算模型

在水环境承载力评价过程中各指标承载度模型的确定存在一定的难度，所以本文参考了水安全度相关研究成果。其原因为随着因子值的增大各项指标的承载度呈现出如下变化趋势：从零开始评价指标值不断增大，所对应的承载度数值呈现出先增大后减少的变化特征。所以，对数函数的变化与这种趋势具有较好一致性，考虑选用对数函数构建承载度模型，其数学方程为：

Y=a+blgx

(4)

式中，a、b—参数值。

然后根据承载度模型确定各指标核算标准，该过程也是承载力评价的重要环节。结合阜新市人文、社会和自然环境，考虑我国颁布的小康生活水平基本标准、国际或我国公认的指标值设定指标最差、最优值。针对国内和国际公认的不属于最差、最优的指标值定义为及格值，所对应的承载度值取0.5。

人均水资源量反映了区域或城市的水环境状况且为正向指标，其值小于1700m3时国际上就认为处于用水紧张状态，因此设定及格值为1700m3。根据水资源和区域人口调查数据，水资源量人均最低值为90m3，为便于运算取最差值为100m3。水资源利用率反映了区域水资源开发潜力且属于逆向指标，国际公认水平不低于40%，因此取及格值和最差值为40%、10%。城镇污水处理率、工业重复用水率和工业废水达标率属于人类活动且均为正向指标，在水质评价中具有重要作用，所以设定最优值均为100%，最差值分别为30%、35%、40%。人均GDP体现了区域经济发展状况，依据世界银行划分标准确定高、上中等、下中等、低收入国家标准为大于9400、9400～3000、3000～760、小于760美元。人均100美元为国际上赤贫计算标准，因此该指标最小值取100美元。结合区域发展实际情况取城市化水平最优值和最差值为100%、20%。农民人均纯收入属于表征生活水平的重要参数，农民人均纯收入小康值按照小康生活水平基本标准确定为1200元，因此该指标最差值和及格值设定为760、1200元。统计分析以上结果，确定各指标核算标准，见表1。通过代入指标承载度核算模型反向求解参数a、b数值，最后获取各承载度运算模型，见表2。

2.5 阜新市水环境承载力综合评价

将模加和方法和变异系数法相耦合确定水环境承载力值，其计算式如下：

(5)

式中，|E|—阜新市水环境承载力绝对值；Ei、Wi—评价因子i的承载度和权重绝对数；m—参评因子数。

根据阜新市经济社会发展统计公报、水环境状况公报、统计年鉴和辽宁省水利厅相关资料获取现状水平年2010—2018年各评价因子初始值，结合区域发展情况合理设定预测年2025、2030年各因子值见表3。

表2 水环境承载度核算标准及其计算模型

表3 阜新市水环境承载力评价因子初始值

表4 水环境承载力综合评价值

根据所构建的承载度计算模型和以上各指标初始值，可计算得到阜新市各指标承载度值，然后运用模加和计算方法和承载度值计算结果，确定各年份综合承载力值，见表4。

3 评价结果分析

3.1 单指标承载度变化趋势

2010—2030年阜新市人均水资源量承载度预测值如图1所示。

图1 2010—2030年阜新市人均水资源量承载度预测值

根据图1变化特征，2010—2030年阜新市人均水资源量承载度总体上呈波动上升的变化趋势。依据设定的评价标准可认为该地区人均水资源量处于较低水平，2025年预测结果为0.425，2015年人均水资源量为725m3，不足全国平均的1/3，阜新市存在水环境污染、水资源浪费和用水短缺等问题，未来可在一定程度上缓解用水短缺的现状。

2010—2030年阜新市水资源利用率承载度预测值如图2所示。

图2 2010—2030年阜新市水资源利用率承载度预测值

从图2可知，阜新市水资源利用率承载度总体呈现出不断减少的变化特征，且未来发展仍以下降为主，预测结果显示2030年下降至0.352。水资源利用率属于负向评价指标，其承载度不断减少表明阜新地区逐渐采取降低消耗、优化产业结构等工业措施，各项先进节水工艺和新能源等工作得到研究推广。

2010—2030年阜新市人均用水量承载度预测值如图3所示。

图3 2010—2030年阜新市人均用水量承载度预测值

从图3可以看出，研究期间阜新市的人均用水量表现出逐渐增加的变化规律，其原因为经济社会的快速发展和居民生活条件得到显著改善，使得用水量不断增大；另外，阜新境内的牤牛河、饶阳河、柳河等为当地生产生活用水提供了水源，当地存在较大的开发潜力。

2010—2030年阜新市工业废水达标率承载度预测值如图4所示。

图4 2010—2030年阜新市工业废水达标率承载度预测值

根据图4变化趋势可知，除2015、2018年外阜新市工业废水达标率承载度表现出不断上升的趋势。其原因为当时有些工业将废水直接排入河流、工业废水排放量大且发生了严重的苯污染事件，所以此期间的承载度有所下降。对此，各部门要加强对废水排放的监测力度，严格要求企业废水达标排放及降低污染事件发生概率。

2010—2030年阜新市工业重复用水率承载度预测值如图5所示。

图5 2010—2030年阜新市工业重复用水率承载度预测值

从图5可知，2010—2030年期间阜新市的工业重复用水率呈波动上升的变化趋势，承载度从2010年的0.915逐渐增大至2014年的0.966，随后波动上升至2030年的0.995，该指标具有良好的发展前景。2014、2015年呈下降趋势，这主要与阜新市加大了工业生产量和石油管道泄露事件等相关，而对于环境治理和保护较为滞后。随后，各部门加强对企业的管理并不断引进先进的三废处理技术，使得人们节水意识和工业重复用水率逐渐提升。

2010—2030年阜新市城镇污水处理率承载度预测值如图6所示。

图6 2010—2030年阜新市城镇污水处理率承载度预测值

结合图6变化特征，阜新市城镇污水处理率从2010年的0.833不断增大至2018年的0.902，变化幅度较为显著。这主要与人们水生态保护意识和对居住环境要求的提升等相关。同时，阜新市许多企业扩建了污水处理厂并引入了先进的污水处理技术。所以，城镇污水处理率承载度总体处于较高水平，且具有上升趋势。

2010—2030年阜新市人均GDP承载度预测值如图7所示。

图7 2010—2030年阜新市人均GDP承载度预测值

水生态环境在一定程度上受到经济发展的影响，而经济的发展状况可通过人均GDP指标反映。从图7变化趋势可知，2010—2018年的阜新市人均GDP得到显著提升，从最初的0.688不断增大至0.847，预测结果显示该承载度最大值可达到0.885，可见阜新市仍存在较大的发展潜力，同时需要加强水环境的保护。

2010—2030年阜新市城市化水平承载度预测值如图8所示。

图8 2010—2030年阜新市城市化水平承载度预测值

图8预测结果表明，阜新市2010—2030年城市化承载度呈现出不断上升趋势，但后期的增大幅度有所下降。其原因为人们对健康意识和生存环境要求的逐渐提升，使得贴近自然、回归乡村的愿望不断强烈，这在一定程度上限制了城市化的发展。研究期间该承载度均超过0.85，总体达到较高水平，然而城市化水平越高人们依赖于水资源的程度越大，水环境保护和水资源浪费等依旧面临着巨大压力。

2010—2030年阜新市农民人均纯收入承载度预测值如图9所示。

图9 2010—2030年阜新市农民人均纯收入承载度预测值

根据图9预测值可知，阜新市2010—2018年的农民人均纯收入承载度总体不断上升，从2010年的0.755逐渐提高至2018年的0.794，这可能与当地政府制定实施了一些切实可行的新型农业发展道路相关，基础设施条件、人们生活水平、农业产业结构得到全面的改善和优化提升。

3.2 承载力变化特征

2010—2030年阜新市水环境承载力预测值如图10所示。

图10 2010—2030年阜新市水环境承载力预测值

根据图10变化趋势，现状年和预测年阜新市水环境承载力均呈不断上升趋势，承载力评价值从初始的0.296逐渐增大至0.437，可见阜新市可持续发展能力呈逐年增强趋势，这对于促进当地经济发展和水环境保护具有重要作用，与此同时还应不断提升和维持水生态功能。

3.3 对策建议

针对阜新市水资源短缺和人均水资源量较少的问题，应将区域发展和水资源相结合构建适合当地的水资源配置格局，以水环境承载力为依据打造高效节水型社会，在保证经济社会发展的同时不断提升区域水环境承载力。另外，要积极探索节水技术措施，加强宏观调控和产业结构调整，制定完善的供水、用水管理体系及定额指标，提高节水意识和水资源实时监测能力，通过转变水资源利用方式做好充分用水和废水处理工作；建立完善的排水、供水管道和污水集中处理体系，逐步实现高收益、低能耗目标的实现[15]。

近年来，随着阜新市社会经济的发展和城镇化建设的快速推进，各行业对水资源的需求量急剧增大并导致用水短缺矛盾日趋突出。新型节水技术的研究和科技的发展，在一定程度上降低了水资源浪费，另外人均用水量的增大还与人口的增长、经济发展等因素相关[16- 17]。水资源作为维持生态环境和人类生存发展的基础，在不断促进城市化发展的同时仍要注重水环境问题，实现阜新市经济社会可持续发展的前提是不断提升水环境承载力和生态环境保护力度。

4 结论

(1)研究期间，阜新市的农民人均纯收入、人均GDP、城市化水平和城镇污水处理能力不断提升，这与当地政府出台环保建设奖励政策、重视水资源管理和提升人们生活水平等相关，通过科技创新和三大产业优化调整，促进水资源的合理配置和经济健康发展，同时环保问题越来越引起人们的重视。工业重复用水率、废水达标率和人均水资源量总体呈波动上升趋势，但是2015年存在低落点，这是当年水污染、水浪费和用水短缺等因素引起的。

(2)现状年和预测年阜新市水环境承载力均呈不断上升趋势，最终的承载力评价值从初始的0.296逐渐增大至0.437，可见阜新地区可持续发展能力呈逐年增强趋势，这对于促进当地经济发展和水环境保护具有重要作用，与此同时还应不断提升和维持水生态功能。

(3)阜新市水环境承载力在未来十几年中仍存在较大的发展潜力，随着人们生态保护意识的增强将在一定程度上改善水污染现状，这对于促进当地经济发展和水生态文明建设具有重要作用。然而，在具体实施时仍需要采取一系列的有效措施，不断提升和维持水生态健康。