基于水环境容量和综合指标体系的区域水环境承载力评价

王富强， 李鑫， 赵衡， 杨东明

(1.华北水利水电大学 水资源学院，河南 郑州 450046；2.河南省黄河流域水资源节约集约利用重点实验室，河南 郑州 450046)

人口扩张、资源短缺和环境污染是当今世界面临的三大问题和挑战，而其中水环境污染及其防治问题近些年在我国更是引起了广泛关注，国家特别设立了水体污染控制与治理科技重大专项来应对水环境污染问题[1]。水环境承载力是指一定时期内，区域具有特定功能的水体在其生态系统和环境质量不遭受威胁时所能支撑人口和经济社会发展的最大规模。解决我国水环境污染问题的关键就是要把握好区域水环境承载力，使区域水环境在一定限度内保持自身的可调节性[2]。水环境承载力具有动态性和区域性等特征，结合区域实际情况，开展水环境承载力实用评价和方法研究对协调好区域经济社会、水资源、水环境等的可持续发展具有重要的现实意义[3]。

国外针对资源环境承载力的研究最早可以追溯到1964年，不少发达国家在还未遭受资源枯竭和环境破坏的威胁之前已经做好了资源环境的保护措施，目前资源环境承载力在国外已经纳入可持续发展的研究范畴[4]。国内的相关研究起步较晚，环境承载力的概念更是直到1991年才正式提出。从提出至今，水环境承载力一直是资源环境领域的研究热点[5-6]。学者们根据对水环境承载力研究主客体关注点的不同，将其概念分为狭义和广义两种[7-8]。狭义的水环境承载力是指在既定目标下，水体能够接纳的最大污染物排放量，即水域纳污能力，其承载对象为排入水体的各项污染物；广义的水环境承载力是指一定时期内，具有特定功能的区域水体在其本身生态系统和环境质量不遭受威胁时所能支撑人口和经济社会发展的最大规模。随着研究不断深入，水环境承载力评价也逐渐由单纯的考虑区域水体个别污染物的限排量(即水环境容量)到目前的选取多指标的综合评价。现有基于综合指标的研究方法主要有多目标分析法[9]、系统动力学法[10]、综合指标体系法[11]等。相关的研究成果也在不断取得新的进展，邓红卫等[12]采用离差平方和组合赋权法并基于地理信息系统对恩施地区水环境承载力进行了评价；万炳彤等[13]基于 DPSIRM 模型建立了多维度评价指标体系；俞锦辰等[14]通过神经网络模型对海州湾区域水环境承载力进行了评价研究，得出了该海域水环境承载力受季节变化影响的结论；徐志青等[15]基于系统动力学模型模拟了南京市6种发展情境，并采用优化的投影寻踪法预测了不同情境下水环境承载力的变化趋势。以上学者的研究方法和指标体系均是在水环境承载力广义概念上建立的，很少有学者在定量研究中将广义概念下的评价结果同狭义概念下的评价结果进行对比分析。本文以鲁山县为研究区域，基于两种概念分别计算鲁山县水环境承载力指数，对比分析两种评价方法的特点及评价结果，并讨论两种概念下评价结果的异同性以及现实意义。

1 水环境承载力评价方法

1.1 基于水环境容量的水环境承载力评价

水环境容量是指区域水体所能接受某一项污染物的最大排放量，狭义概念下水环境承载力评价多采用水环境容量法。本文采用现有水环境容量法研究成果中改进的一维模型来计算水环境容量[16]，该模型相比原有计算方法考虑了水体的自净能力和初始污染物入河量对水环境容量的影响，计算结果更加贴合实际情况，改进后的计算方法见式(1)：

(1)

式中：M为水域纳污能力，g/s；cs为水质目标浓度值，mg/L；Q为初始断面入流流量，m3/s；Qp为废污水排放流量，m3/s；c0为初始断面污染物浓度，mg/L；K为污染物衰减系数，s-1；u为河道断面平均流速，m/s；L为计算河段长度，m；m为污染物入河速率，g/s。

在计算得出水环境容量后，根据各项污染物实际排放量Mp与水环境容量M的比值来确定是否超载。以单指标评价标准即各控制单元中最差指标评价值作为评价结果，结果仅以超载与不超载界定。

1.2 基于综合指标体系的水环境承载力评价

1.2.1 评价指标体系构建

在水环境承载力研究进程中，学者们所构建的指标体系在不断改进，所考虑的因素由之前单纯的水量和水质因素增加至全面考虑水在自然与社会循环中所涉及的各个环节的相关因素，所遵循的原则由之前的科学性、完整性和可获取性完善至更多考虑指标的层次性、动态性[17-18]。本文认为广义概念下的水环境承载力取决于经济社会、水资源、水环境、水生态系统间的耦合程度[19]，各子系统均与其他系统之间存在着要素的流动及因果关系，如图1所示。考虑各子系统之间相互耦合的关键要素，经过筛选，确定了本次评价指标体系，见表1。

图1 经济社会、水资源、水环境与水生态耦合关系

表1 鲁山县水环境承载力综合评价指标体系

表1中：经济社会子系统考虑区域人口压力、人口素质和经济整体水平；水资源子系统考虑人类用水对区域水资源的压力及区域水资源禀赋条件；水环境子系统细化考虑各类产业所排放的各项污染物对水环境的压力；水生态子系统考虑区域河流生态系统服务功能及空间连通性。由于目前没有相关指标标准值的确切而科学的确定方法，本文采用参照同类型区域已有水环境承载力研究中的相关指标标准值，并结合研究区域鲁山县的经济社会实际发展状况综合确定各项指标标准值[20]。

1.2.2 评价指标权重确定

本文选用层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)来确定各项指标权重。层次分析法是一种通过对比指标间相对重要程度进行打分的主观赋权法[21]。根据评价指标体系，对准则层分别进行两两比较，得出各子系统的权重；然后在各准则层下，将指标层的各评价指标两两判断比较，得出各准则层下指标的权重；最后将准则层与指标权重对应相乘，从而计算出各个评价指标的最终权重。具体的计算步骤如下：

1)同一层次各评价指标之间进行重要性比较判断，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。得出指标i与指标j的相对重要程度数值Ci∶Cj=aij，构建相应判断矩阵A。

A=(aij)n×n；aij=1,2,…,9。

(2)

2)运用行和法进行归一化，计算得出权重，并计算A的最大特征值和特征向量。

3)一致性判断：

CI=(λmax-n)/(n-1)；

(3)

CR=CI/RI。

(4)

式中：λmax为最大特征根；n为研究变量个数；RI代表平均随机一致性；CI为一致性指标；CR为一致性比例，仅当CR<0.1时才可通过检验。

表2 9位标度法划分标准

1.2.3 水环境承载力综合指数计算

为消除量纲影响，本文选用标准值法，参照表1中各项指标的标准值，将各指标数据进行标准化处理。正向指标采用公式(5)，负向指标采用公式(6)，以指标数据标准化和组合赋权为基础，依据公式(7)计算水环境承载力[22]。

(5)

(6)

(7)

式中：Xij为指标值；i为控制单元序号;j为指标个数；XB为指标标准值；X′ij为指标标准化值；SWECC为综合评价指数；ωj为指标j的权重。

SWECC取值范围是0～1，值越大表明区域水环境承压能力越强。为定性分析评价结果，将综合评价值划分为高、较高、中、较低、低5个等级，并赋以相应的承载状态。等级划分具体见表3。

表3 水环境承载力等级划分

2 实例应用

2.1 区域概况与数据来源

鲁山县属于河南省平顶山市，位于淮河支流沙河上游，地处112°14′E～113°14′E、33°34′N～34°00′N，如图2所示。整体地势西高东低，县域总面积2 432.32 km2，年平均气温14.8 ℃，年平均降水量827.8 mm。县境内河流众多，绝大部分属颍河水系，其中大型河流1条(沙河)，中型河流7条。县辖7个镇、13个乡、4个街道、1个办事处。2017年全县总人口94.64万人。根据鲁山县水环境质量调查评价及水污染物排放调查评价结果：彭河新孔庄桥、冷水河田庄桥市控断面出现断流现象，沙河下游流域生态流量无法得到保证；城区以外的城镇污水处理厂镇接管率均较低；农村生活面源COD、氨氮入河量较大，农业污染亟待解决。

根据河南省水污染防治“十三五”规划对河南省水环境控制单元的划分成果，鲁山县以昭平台水库为分界点被划分为两个国控单元。结合“十三五”流域水环境管理控制单元划分方法和研究区实际情况，将鲁山县区域划分成6个县级控制单元[23-24]，划分结果见表4和如图3所示。根据2017—2019年各控制单元实测数据，将相河控制单元入沙河前监测断面和冷水河控制单元田庄桥监测断面的COD、氨氮、TP和TN总体达标率存在超标情况，其余控制单元监测断面存在年内部分月份超标情况，但总体达标率皆为达标。

笔者收集了鲁山县2017年社会经济、水资源及水环境等方面的数据，其中人口和GDP等数据来源于《平顶山市统计年鉴》，水资源量、工农业及城镇生活用水量及污染物排放量等数据来自《平顶山市水资源公报》，工农业及第三产业污染物排放量来自鲁山县环保局在线监测数据及水环境质量调查评价。部分指标数据需要根据基础数据进一步推算得出，具体计算方法见表1。

图2 鲁山县地理位置及行政区划

表4 鲁山县水环境控制单元划分信息

图3 鲁山县水环境县级控制单元划分结果

2.2 基于综合指标体系的水环境承载力评价结果

根据AHP法确定指标权重步骤，参照式(2)—(4)计算得出各项指标权重，根据式(5)—(7)以及表1中各指标标准值，计算得出各控制单元C1—C21指标标准化值，得到表5所示结果。

根据式(7)计算鲁山县各控制单元各准则层评价指数以及水环境承载力综合指数，计算结果见表6。根据综合指标体系评价结果可知，6个控制单元中将相河控制单元与冷水河控制单元处于轻度超载，其余控制单元均为濒临超载。为分析超载单元的超载原因，绘制将相河控制单元和冷水河控制单元的水环境承载力指标雷达图，分别如图4与图5所示。

表5 鲁山县2017年各控制单元指标标准化值

图4 将相河控制单元指标雷达图

图5 冷水河控制单元指标雷达图

2.3 结果分析与讨论

基于水环境容量法，结合式(1)计算得出各控制单元的水环境容量M，得到基于狭义概念下的评价结果，见表7。

对比两种评价结果，基于水环境容量的评价结果与基于综合指标体系的评价结果整体相近，均为将相河控制单元与冷水河控制单元处于超载状态，其余控制单元为不超载状态。但分析超载原因可以发现：基于水环境容量的评价结果中，将相河控制单元与冷水河控制单元超载的原因为COD、氨氮和TP超出了对应的水环境容量；基于综合指标体系的评价结果中，将相河控制单元超载主要受人口密度、水资源开发利用率、水域面积占比和水环境容量利用率等指标的影响，冷水河控制单元超载主要受城镇化率、万元工业生产总值用水量、水域面积占比、生态基流保证率和农业TN排放指数等指标影响。由此可见，基于水环境容量的评价结果凸显了水环境承载力超载的直接因素，而基于综合指标体系的评价结果更能体现造成水环境超载的经济社会和区域资源环境禀赋条件等根本原因，有助于识别水环境承载力的驱动因素。

表7 基于水环境容量的水环境承载力评价结果

基于水环境容量的评价结果显示，将相河控制单元与冷水河控制单元污染物超出水环境容量限值较多，超载情况严重，而其余控制单元承载情况良好。因此，基于水环境容量的评价结果为区域水环境治理提出了明确的要求，即将污染物控制或削减到水环境容量限值之内。相比之下，综合指标体系评价法评价结果为，将相河控制单元与冷水河控制单元均处于轻度超载状态，而其余4个控制单元为濒临超载状态。可见，相比水环境容量法，综合指标体系评价法通过构建多指标以及划分评价等级的方式使得各控制单元评价值更趋于平均，且对控制单元承载状况的描述更加精确。因此，基于水环境容量的评价结果可为区域水域纳污能力和相关红线的制定提供参考，而基于综合指标体系的评价结果更有助于为区域从整体上把握水环境状况及多方面采取措施提升水环境承载力提供重要参考。

根据水环境容量的评价结果，将相河控制单元与冷水河控制单元迫切需要削减COD、氨氮、TP等污染物的排放量及入河量。根据综合指标体系的评价结果，将相河控制单元超载主要受人口密度、水资源开发利用率、水域面积占比、水环境容量利用率等指标的影响。将相河控制单元所控制的范围属于鲁山县中心城区，存在人口密度大、水资源需求量高、污染物排放量大等问题。虽然经济总量的提升使得各类污染物排放指数(kg/万元)相对较低，但由于中心城区水域面积及水资源量十分有限，当污染物集中排放时，极易超出水环境容量，因此采取总量控制的方案十分必要。另外，应对中心城区优化产业结构，淘汰过剩、落后产能，杜绝高耗水、高污染项目，从源头减少污染物的产生以及排放，引导企业将一些生产和生活服务业分布到郊区。冷水河控制单元超载主要受城镇化率、万元工业生产总值用水量、水域面积占比和农业TN排放指数等指标影响。冷水河控制单元内的居民主要为农户，工业和第三产业产值较低，且该控制单元为当地主要粮食生产区，化肥和农药产生的农业面源污染对TN、TP等污染物入河贡献量较大。根据2018年冷水河田庄桥断面实际监测数据，26次监测中有19次断流，断流率达73%以上，生态流量难以保障。因此，提升冷水河控制单元水环境承载力，一方面要控制农业面源污染，切实控制农药和化肥的使用量；另一方面需要实施河流水生态修复措施和生态基流保障工程，杜绝滩地开垦农田、河道随意占用等破坏河流水生态环境的现象。

结合两种概念下的评价结果，要提升鲁山县各控制单元的水环境承载力，在进行污染物总量控制的基础上，必须通过多种途径综合作用。在农业、工业、居民生活等方面减少污染物排放，从调整产业结构、优化产业布局等方面实现经济转型；在水资源开发利用中要合理配置和调度各类用水，推行节水型社会建设，从河湖湿地河道治理、水源涵养、底泥疏浚等方面改善生态空间。

3 结语

1)基于水环境承载力的概念，分别采用综合指标体系法和水环境容量法对鲁山县水环境承载力进行评价分析，发现两种方法整体评价结果较为相近，但二者的现实意义存在差别：基于水环境容量法的水环境承载力评价结果更加凸显水体环境质量的直接问题，可为区域污染物排放红线的制定提供一定参考；基于综合指标体系法的水环境承载力评价更能够表现各种因素作用下的水环境承载力综合水平，能够识别水环境承载力状况的驱动要素，可以从根源上提供水环境承载力的提升方案和措施。

2)为提升超载单元水环境承载状态，鲁山县将相河控制单元与冷水河控制单元均需要对COD、氨氮、TP等污染物排放量进行削减。将相河控制单元需要调整区域内产业结构，严格控制污水排放总量，对将相河进行综合整治，在提升水环境容量的同时提高水资源利用效率；冷水河控制单元需要控制农业化肥和农药的使用，减少农业面源污染，实施河道水生态修复和生态基流保障工程。提升鲁山县水环境承载力整体水平需要在污染物总量控制的基础上，同时兼顾“增容”与“减排”。结合实际观测数据，基于两种方法所得评价结果与鲁山县实际情况较为贴近。

3)综合指标体系的构建考虑了经济社会、水资源、水环境和水生态4个子系统的相互耦合关系，指标体系相对完善，但在考虑水环境承载力影响因素的复杂性和动态性方面，今后的研究中可结合研究区域和研究方法对此进一步优化和完善。由于现有资料有限，本文仅对鲁山县水环境承载力年内空间分布特征进行了评价，未评价各控制单元水环境承载力随时间的变化特征，今后的相关研究可分别从时间和空间的角度进行综合评价，为区域水环境承载力提升提供更加科学有效的参考。