基于量-质耦合协调发展的城市水环境承载力评价

杨东明， 卢韵竹， 王富强,3， 侯新丽

(1.华北水利水电大学，河南 郑州 450046； 2.西安理工大学，陕西 西安 710048；3.河南省水环境模拟与治理重点实验室，河南 郑州 450046)

1987年，可持续发展的理念被推上学术舞台，资源环境与社会经济共生关系成为可持续发展的焦点。为了满足当代人的生存发展和后代人的需求，人与社会、经济、资源环境必须相互协调、和谐发展[1]。在社会经济和资源环境的协调过程中，水环境承载力一词也逐渐崭露头角。在社会经济发展和水环境变化的要求下，开展科学有效的水环境承载力评价成为社会发展的重要课题[2-3]。

关于资源环境承载力这一问题，国外学者早有研究，且多数发达国家在经济发展的同时已提前做好了水环境问题的应对措施。因此，国外学者针对水环境这一问题研究较少[4-6]，关注较多的是资源承载力的研究[7-9]。国内学者对此相关研究始于1990年。关于水环境承载力的概念，目前可以分为狭义和广义之说，根据对水环境自身功能和状态与人口社会经济发展水平关注点的不同[10-11]，狭义之说认为水环境承载力是指区域水体能够接纳的最大污染物排放量，而广义之说则认为水环境承载力是指区域水体所能支撑人口与社会经济发展的最大规模。随着对水环境重视程度的不断提高，水环境承载力问题的研究也在不断补充新的模型与方法，目前研究的焦点集中于如何能够合理准确地进行量化评价并提供现实指导意义。崔凤军利用系统动力学模型对某城市发展策略做出了预测优化判断[12]；王俭等利用人工神经网络分析了辽宁省水环境承载力并得出承载力较弱的结论[13]；贺瑞敏等采用集对分析模型对广东省水环境承载力改善提出了建议[14]；郑毅等从广义水环境承载力角度出发，基于向量模法发现排污量是抑制南宁市水环境承载力提升的主要因素[15];万炳彤等基于DPSIRM和SVR模型发现长江流域水环境承载力较之前有了较大提升[16]。

综合来看，水环境承载力涉及社会经济、水资源、水环境、水生态等各项系统。根据耦合协调发展理论，结合水环境承载力所表征的实际含义，本文将水环境承载力概括为它是水量系统和水质系统在社会经济载体上相互耦合作用的动态结果。水量系统中“量”的大小、使用方式及使用效率影响着“质”；水质系统影响着社会经济活动中“量”的分配、使用和排放限值。二者的耦合关系不仅存在于人类社会经济活动中，同时也存在于水体的自然循环过程中。因此，水量与水质的耦合关系贯穿于二元水循环的整个过程[17]。基于此，本文将水量系统与水质系统间的协调发展度作为水环境承载力评价的综合指数，并以郑州市为评价单元，分析2009—2018年郑州市水量系统和水质系统协调发展度与水环境承载力的变化特征及其影响因素。对比以往的计算方式，该评价方法可为水环境承载力评价提供新的思路。

1 评价方法

1.1 评价指标体系构建

从系统论和耦合协调发展理论的角度出发，将水环境承载力系统划分至水量和水质两个维度的子系统中[18]。水量维度即为水资源数量维度，表征区域在取用水资源进行社会经济及生活、农业等各项活动中“量”的上限及使用效率。该维度受两方面因素的限制：一是区域水资源禀赋条件以及水资源的循环能力和再生能力；二是区域人口及社会经济对水资源的开采强度及使用效率。水质维度即为水资源质量维度，它是一个区域或水体允许开发利用的水环境容量的上限，即允许排放的污染量阈值。它取决于区域或水体在特定的水循环状态和水质保护目标下的水自净能力[19]。通过分析水量维度和水质维度的系统要素和限制因素，构建了水量维度和水质维度的综合指标体系，见表1，其中“+”表示该指标为正向发展类指标，“-”表示该指标为负向限制类指标。

表1 水环境承载力综合评价指标体系

水量维度中，人均水资源量及产水模数反映了区域水资源禀赋条件，人均用水量、人均耗水量及万元GDP用水量反映区域用水整体水平及效率，各产业万元生产总值用水量反映了用水结构及各行业用水效率；水质维度中，水环境容量利用率反映了区域水环境容量压力，各产业COD及氨氮排放指数反映了污染源结构及各污染源对水环境产生的压力，生态基流保证率反映了河湖生态系统服务功能[20-21]。由于目前没有严谨而科学的方法确定水环境承载力指标的标准值，本文参照同类型区域已有的水环境承载力相关指标标准值，并结合该研究区域的社会经济实际发展状况综合确定各项指标标准值[22-23]。

1.2 评价指标权重确定

为避免主观赋权中的主观认识偏差以及客观赋权中数据信息不足对赋权结果的不利影响，采用层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)和熵权法组合赋权的方法对水环境承载力各项指标进行赋权[24-25]。

1.2.1 层次分析法赋权

1)同一层次各评价指标之间进行重要性比较和判断，采用9位标度法衡量两两指标间的相对重要程度，划分标准见表2。得出相对重要程度数值Ci∶Cj=aij，相应的判断矩阵为：

A=(aij)n×n,aij=1,2,…,9。

(1)

式中n为研究变量的个数。

2)运用行和法进行归一化，得到权重，求出特征向量和最大特征值。

3)一致性判断为：

CI=(λmax-n)/(n-1)；

(2)

CR=CI/RI。

(3)

式中：λmax为最大特征根；RI为平均随机一致性指标；CI为一致性指标；CR为一致性比例。当CR<0.1时，通过检验。

表2 9位标度法划分标准

1.2.2 熵权法赋权

因不同量级和量纲指标无法直接进行组合运算，本文通过标准值法将数据进行标准化，参照表1中各项指标的标准值，正向指标与负向指标分别采用如下的式(4)和式(5)进行计算：

(4)

(5)

式中：Xij为第i项指标第j年的实际值；Si为指标标准值；X′ij为指标标准化值。

1)计算第i项指标熵值ei，

(6)

(7)

式中：qij为第i项指标在第j年中的比重；k=1/(lnm)。

2)计算第i项指标差异性系数di，

(8)

根据主、客观权重计算结果，采用加法组合法计算组合权重，参考相关研究选取层次分析法和熵权法各占0.5的比例求解组合权重。

1.3 协调度测度模型

协调度测度是利用数理统计中变异系数和协调系数的概念和性质求两个子系统之间协调关系的模型。根据协调度的定义，水量系统综合指数L(x)与水质系统综合指数Z(x)的协调关系表现为两者的离差。要使区域水量系统与水质系统达到稳定的协调关系，就要使L(x)与Z(x)的离差尽可能小，即Cv=2S/(L(x)+Z(x))越小，协调性越高，其中S为标准差。经过推导可知，只需式(11)中C值越大即可，因此,将C值定义为协调度测度值。根据协调度C的计算结果，可将其分为表3所示的5类等级[26-27]。

(9)

(10)

(11)

式中：αi与βi分别为水量系统与水质系统各指标权重；xi为各系统中指标的标准化值；L(x)为水量系统综合指数；Z(x)为水质系统综合指数；C为水量系统与水质系统间的协调度。

表3 协调度等级分类

1.4 协调发展度模型

协调度虽然能够表示水量系统与水质系统之间的协调关系，但是较大的协调度可能是低水平的协调发展，也可能是高水平的协调发展，也就是说协调度无法反映出水量系统与水质系统之间协调的统一发展水平。协调发展度是在协调度的基础上增加两个综合发展指数的子系统，可通过指数关系分析水量系统与水质系统的综合演化过程[28]。因此，可采用协调发展度来对水量系统与水质系统的整体发展水平进行度量。

W=aL(x)+bZ(x)，

(12)

(13)

式中：W为水环境承载力综合指数；a、b为待定系数；D为协调发展水平，即协调发展度。

根据水环境承载力和协调发展度计算所得的综合指数值，可以将二者分别划分为5个等级。另外，结合水量系统和水质系统综合指数的大小关系，可将计算结果进行归类分析，以便在分析协调发展程度的同时，比较水量系统和水质系统协调发展的领先或滞后关系。水环境承载力等级、协调发展度等级和类型判别标准见表4。

表4 协调发展度与水环境承载力等级及类型判别标准

2 实例分析

2.1 研究区概况

郑州市是河南省政治、经济、文化中心，是我国重要的中心城市和交通枢纽。地处东经112°42′～114°14′，北纬34°16′～34°58′，属温带大陆性季风气候，四季分明，夏季多雨，冬季少雨，降水量从南向北逐渐递减，多年平均降雨量635.6 mm。地跨淮河、黄河两大流域，大小河流共计124条。郑州市按流域分为6个四级流域水资源区划，包括淮河流域3个区，黄河流域3个区。郑州市多年平均水资源总量13.23亿m3，多年人均水资源量178 m3，属于严重缺水地区。2018年末全市总人口1 013.6万人，其中城镇人口743.8万人，乡村人口269.8万人，全年完成生产总值10 143.3亿元。

2.2 数据来源

本文收集了郑州市人口、GDP、水资源量、供水量、耗水量、污水排放量、各产业COD排放总量和氨氮排放总量等数据，数据来源于《郑州市统计年鉴》《郑州市环境质量状况公报》《郑州市水资源公报》等。

2.3 计算结果

根据收集的基础数据源，采用表1中各指标计算方法得出各指标数据，结合各指标标准值，通过式(4)和式(5)计算得到各指标标准化值，见表5。根据AHP法采用式(1)—(3)计算各指标的AHP权重，再根据熵权法采用式(4)—(8)计算各指标的熵权，采用加法组合法确定最终权重，结果见表6。

表5 2009—2018年郑州市各指标标准化值

表6 指标权重计算结果

根据协调度测度模型采用式(9)—(11)计算水量系统与水质系统综合指数及二者的协调度，再根据协调发展度模型采用式(12)和式(13)计算水环境承载力综合指数和协调发展度。根据各项指标计算结果，参照协调发展类型判别标准对各年份协调发展类型进行判断，各项指标计算结果及判断结果见表7和表8。水量系统与水质系统综合指数随时间的变化关系如图1所示，二者间协调度、协调发展度和水环境承载力综合指数随时间的变化关系如图2所示。

根据表7、表8的计算结果及图1、图2中各指数变化关系可知：2009—2108年郑州市水量系统与水质系统综合指数整体呈现逐年上升趋势，水质系统综合指数在2016年超过了水量系统，二者间的协调关系由2009年综合指数为0.686的中度协调提升至2018年综合指数为0.986的良好协调；水量系统与水质系统的协调发展度呈现了先波动后稳定上升的变化趋势，由2009年综合指数为0.462的勉强协调发展水质系统滞后型提升至2018年综合指数为0.876的良好协调发展水量系统滞后型；郑州市水环境承载力水平基本处于稳步升高状态，由2009年综合指数为0.311的轻度超载状态提升至2018年综合指数为0.778的承载适宜状态；协调发展度综合指数略高于水环境承载力综合指数，且二者变化趋势相似，当水量系统与水质系统为勉强协调发展时，水环境承载力处于轻度超载状态；当水量系统与水质系统为中度协调发展时，水环境承载力处于濒临超载状态；当水量系统与水质系统处于良好协调发展状态时，水环境承载力处于承载适宜状态。

表7 协调度与水环境承载力计算结果

表8 水环境承载力承载等级及协调发展类型判别

图1 2009—2018年郑州市水量系统和水质系统综合指数

图2 2009—2018年郑州市水量系统和水质系统协调度、协调发展度及水环境承载力

2.4 讨论与分析

从郑州市现状来看，水量系统综合指数呈稳步增长的趋势，与郑州市加大各产业用水量和用水效率的管控密不可分。从评价指标来看，万元GDP用水量、万元工业生产总值用水量、人均耗水量和万元第三产业生产总值用水量是水量系统综合指数逐渐提升的主要影响因素。

2011年，郑州市水质系统综合指数出现近10年来的最低值，主要原因是各产业COD和氨氮这两项污染物排放总量达到近10年来的最大值。2015年以后，水质系统综合指数出现了断层式升高，从郑州市规划及相关政策来看，郑州市在2014—2016年期间水生态文明城市建设和最严格水资源管理制度实施对水质系统综合指数的大幅度提升起到了关键作用。另外，自2015年南水北调中线通水并且郑州市获得5.4亿m3/a的引水指标，使得郑州市多项用水更换为南水北调水之后，其他水源对生态用水的补给更加充分，生态基流保证率得以提升，这也是水质系统综合指数提升的关键因素之一。从评价指标来看，水质系统综合指数的提升主要是受工业COD排放指数、农业COD排放指数和农业氨氮排放指数的影响。

郑州市水环境承载力水平近10年逐渐升高。2016—2018年水量系统与水质系统综合指数的离差逐渐缩小并达到了良好协调状态，水环境承载力水平由轻度超载状态过渡到承载适宜状态；但仍存在提升空间，需结合郑州市水资源、水环境现状做好水量维度和水质维度同步稳定提升的相关工作。一方面，要继续强化产业结构调整，着力解决高耗水、低产值及高污染行业对水量系统和水质系统产生的压力；另一方面，要加大污水处理配套设施建设，减少河道污染源的同时为城市提供更多中水水源，应继续推进贾鲁河、双洎河和丈八沟等河流的生态治理；此外，应在充分利用引黄水与南水北调中线工程外调水源的基础上加大中水回用力度，合理配置各项水资源，在提升水资源利用效率的同时降低水环境压力，以此同步提升水量系统与水质系统的综合指数。

2011年郑州市水量系统与水质系统处于良好协调状态，但协调发展度仍处于勉强协调发展状态，由此也验证了模型中子系统间的协调程度C不能表现整体的发展水平D的说法。从水量系统与水质系统的综合指数对比结果可以看出，社会经济对于“质”的关注远滞后于对“量”的关注，以致在2009—2015年水质系统与水量系统综合指数之间一直存在较大差距，但通过一系列措施的实施和政策的落实，“质”的综合指数可以快速提高甚至超过“量”的，而在此过程中水环境承载力也处于快速升高的状态。由此可见，人类社会与水环境之间可以达到和谐共处的状态。由水环境承载力与协调发展度评价结果等级的对比可知：当水量系统与水质系统处于勉强协调发展水平时，水环境承载力为轻度超载；当二者已经达到中度协调发展的相对良好水平时，水环境承载力为濒临超载。由此可见，相比协调发展度，水环境承载力是对水量系统与水质系统发展水平评价更加严苛的指数，即欲保证水环境承载力水平处于承载力盈余状态，至少需要水量系统与水质系统达到良好协调发展水平，若二者之间仅仅达到中等协调发展水平，则水环境承载力可能已经处于超载的边缘。

3 结论

1)基于水环境承载力评价的目的和耦合协调发展理论，构建了以水量系统和水质系统间的协调发展度来表征水环境承载力的评价模型。依据水量系统与水质系统的要素和限制性影响因素，建立了包含16项指标的评价指标体系，采用主、客观组合赋权的方法对指标体系进行了赋权，得到了水环境承载力综合评价值和水量系统与水质系统的协调度及协调发展度。

2)郑州市水环境承载力在2009—2018年期间整体稳定升高，综合指数由0.311提升至0.778，承载力水平由轻度超载过渡至承载适宜；水量系统与水质系统的协调发展度也整体呈现升高趋势，综合指数由0.462提升至0.876，协调发展水平由勉强协调发展过渡至良好协调发展。协调发展度与水环境承载力综合指数变化趋势类似，但水环境承载力综合指数平均值比协调发展综合指数平均值低0.15。保持良好的协调发展水平是保障水环境承载力处于承载盈余状态的必要条件。结合研究区现状，提出了保持水环境承载力水平持续增长的建议和措施。

3)基于耦合协调发展理论的水环境承载力评价符合水环境承载力的内涵和其评价的意义。在今后的研究中，可以将水环境承载力的要素细化为多个维度，得到多维系统耦合下的协调发展度，这样使得评价结果更加精确并且能够为水环境承载力提升提供更加具体、有效的建议。