基于页岩气开发的威远县水环境承载力评价

张 琦，李 翔，李绍康，杨津津，周继红

(1.河北工程大学能源与环境工程学院，邯郸 056000；2.中国环境科学研究院地下水污染模拟与控制重点实验室，北京 100012)

页岩气是一种产量高、用途广泛、清洁且高效的新型能源和化工原料[1]，作为非常规天然气中的绿色能源代表被广泛关注，近几年被用于汽车等机动车的燃料、发电厂生产发电、城市供暖供热、居民燃气和化工生产等[2]。美国2018年开采页岩气约为5 932.4×109m3，占天然气总产量的比重高达68.5%，其能源布局因页岩气的成功开发发生了明显改变。从美国成功开发页岩气的案例来看，开采页岩气对于加速调整中国能源消费结构，缓解中国未来可能面临的能源短缺压力有巨大帮助[3]。最新的联合国贸易和发展会议发布的一份报告中显示，中国的页岩气储量排世界第一[4-5]，而从中国自然资源部发布的《中国矿产资源报告2019》的统计数据来看，页岩气的探明储量在2018年突破1×1013m3，探明率仅有4.79%。目前国内已有一些学者对页岩气开采的环境影响展开了研究，姜孟等[6]运用系统动力学对区域页岩气开发水资源承载力进行研究；邢文婷等[7]运用“压力-状态-相应”概念模型对页岩气开发生态环境影响进行评价；沈泽锋等[8]运用主成分分析法寻找页岩气开发地区水资源承载力影响主因及变化趋势。关于页岩气对承载力的研究，学者大多集中在水资源承载力方面，相对而言，对水环境承载力的研究相对较少。

水环境承载力一般定义为特定时期、特定空间范围内，在区域环境功能维持稳态效应的前提下，区域水环境系统所能承受人类社会经济活动的能力[9]，水环境系统内部各组成要素间相互作用、相互联系，形成一个复杂的大系统[10]。因此，采用何种指标体系来反映复杂系统的协调发展程度成为水环境承载力评价的关键。水环境承载力研究目前主要集中在评价方法、评价指标体系的确立以及评价模型等[11]，主要方法有指标体系综合评价法、系统动力学法和背景分析方法。系统动力学方法较为复杂，可操作性不强；背景分析方法割裂了水环境系统内部各因素之间的相互作用联系；对比各方法的优缺点，指标体系综合评价法可操作性强且简单易行[12]。常见的指标体系构建方法为两种，一种是基于自然-社会-经济的复合系统视角建立指标体系[13]，另一种为基于压力-状态-响应(pressure-state-response，PSR)理论，从压力、状态、响应三方面选取指标[14]。国内学者对水环境承载力也做了较多研究，如杨海燕等[15]建立系统动力学模型，通过建立可达型和规划型情景模拟和预测了泰安市水资源和水环境系统；马楠等[16]运用层次分析法和向量模法，对江苏省2004—2015年数据进行统计处理和分析；柏义生等[17]采用模糊综合评价法，对信阳市水环境承载力进行评价。

为掌握威远县在页岩气开采情况下的水环境承载力现状，以有限的水环境承载力实现社会经济协调发展的目标，现对威远县水环境承载力进行综合评价，基于复合系统理论构建水环境承载力指标体系，通过模糊分析评价模型，以威远县为例，从社会经济、水资源和水环境三方面分析，定量评价页岩气开发水环境承载力，旨在对研究区页岩气开发对水环境承载力进行科学评价，对有效提升威远县水环境承载力提出针对性的优化和建议。

1 研究区概况与评价方法

1.1 研究区概况

研究选取四川省内江市威远县为研究区。威远县地处内江市西北部，位于四川盆地中南部，行政面积1 289 km2。威远县整体地势西北高、东南低，由于受气候与地形地貌影响，威远县降水时空分布不均，年平均水资源总量4.7×109m3，降雨主要集中在6—9月，表现为冬春干旱而夏秋多雨，典型的亚热带暖湿季风气候，多年平均降雨量约为1 000 mm。根据内江市2019年统计年鉴，2018年末全县总人口70.616 9 万人，城镇化率50.4%。随着威远县社会经济的发展，人口数量的增加，城镇化率的提高等多方面因素影响，年均用水总量从2009年的12 383.16×109m3增加到2018年的15 111.65×109m3，大量的水资源消耗，废水及污染物的排放给水环境带来了压力。

1.2 水环境承载力综合评价体系

1.2.1 评价指标

页岩气开发水环境承载力评价指标体系的确立直接影响到评价结果的合理性，因此在评价指标确立过程中应从各个方面加以衡量，力争以最少的指标对其进行最全面的评价，因此借鉴中外前人的研究成果以及相关法律文件，并结合威远县的社会、经济、环境特征，以及综合考虑数据的可获得性，结合页岩气开发整个过程中可能带来的水环境问题，将评价指标分为共性指标和个性指标。

依据统计学原理，通过统计和分析近几年相关水环境承载力评价文献中相关指标，结合国家和地方现行的各种标准和规范及规划类文件，通过频度统计和相关性分析，剔除相关程度比较大的指标，来降低评价指标的重复性，从而选出19个共性指标。

由于中国页岩气开发仍然处于起步阶段，关于页岩气开发对水环境影响未制订行业相关的标准和规范，所以通过查阅相关行业的文献、实地考察以及分析页岩气开发整个过程中可能存在的会对研究区水环境产生影响的环节或因素，对其可能带来的水环境问题的范围、程度进行初步的估计分析，最终筛选出能够反映页岩气开发过程中对水环境承载力影响的4个个性评价指标，分别为单井需水量、井群规模、压裂液返排率和返排液回用率。依据层次分析法的概念构建评价指标体系，具体指标体系如表1所示。

1.2.2 指标的权重

水环境承载力评价过程具有兼具主观性和客观性的特点，为使指标权重更为科学、合理，采用组合权重的确定方法测算不同指标的权重，其中主观权重综合考虑各因素重要性，客观权重则利用熵信息的概念即根据数值本身意义来确定权重，即运用层次分析法(the analytic hierarchy process，AHP)和熵权法计算各指标权重，并通过式(1)得到组合权重，即为最终的指标权重不受评价数据是否线性相关的影响。

(1)

由于选取的各指标单位之间存在差异，为了便于计算，运用式(2)和式(3)分别消除正向指标和负向指标的量纲差异，进行规范化处理。

(2)

(3)

式中：Xij为第i个样本的第j个指标值;Yij为规范化后第i个样本的第j个指标值;maxxij和minxij分别为不同样本在同一指标下的最大值和最小值。

熵权法可根据各指标的变异程度确定权重，消除在确定权重时候的人为主观影响，根据各指标中所含信息的有序度确定的权重，可以更科学合理地计算出反映样本数据变化速率信息熵，信息熵越高，系统越均衡，指标变化越慢；反之，则变化越快。熵权法的计算步骤为：①无量纲处理：对原始数据进行标准化处理；②贡献度计算：计算第j个指标下，第i个指标的贡献度；③熵值计算：计算第j项指标的信息熵值；④熵值修正：根据水环境评价的实际意义，为了使计算得出第i个指标下第j个对象占该指标的比重pij有意义，使得pijlnpij能满足熵所反映的无序化程度，需结合实际，对pij加以修正；⑤权重计算：确定评价指标的权重。

层次分析法是一种定性与定量相结合的，系统化、层次化的分析方法将研究对象看作一个系统，按照分解、比较判断、综合的思维方式进行分析，可以将多目标、多准则而又难以全部量化的问题转化为多层次单目标的问题。层次分析法的计算步骤为：①构造判断矩阵：通过相互比较构建区域经济、水资源和水环境三个子系统的判断矩阵；②计算判断矩阵的最大特征值λmax，进行指标层的一致性检验；③计算得出各指标的权重。

运用上述步骤对威远县页岩气开发水环境承载力各评价指标进行计算，得出各指标的综合权重值，结果如表2所示。

表2 威远县水环境承载力指标权重

1.2.3 分级标准

中外对于水环境承载力的评价的标准尚未完全统一，依据以下原则确定分级标准：①国家和国际标准优先采用；②相近行业标准的转化；③对于没有参照的指标，采用了寻求专家经验和等间距法。依据上述原则以及《页岩气发展规划(2016—2020)》《城市居民生活用水量标准》(GB/T 50331—2002)等国家标准或规划文本，将各指标对水环境承载力的影响分为5个等级，为了方便区分研究区水环境承载力状态，以“理想承载状态”“适宜承载状态”“临界承载状态”“轻度超载状态”和“严重超载状态”分别表示，各个指标对应的分级标准如图3所示。其中水环境承载力指数为[0，0.15)表明水环境承载力处于严重超载状态，水环境已经被破坏，无法支撑社会经济发展；[0.15，0.30)表明水环境承载力处于轻度超载状态，表明区域水环境问题较为突出，水环境已经阻碍了经济社会发展的发展，需要大力保护水环境；[0.30，0.70)表明水环境承载力处在临界承载状态，社会经济发展受到水环境的影响，需要保护水环境和优化资源分配以达到可持续发展的目的；[0.70，0.85)表明区域水环境承载力处在适宜承载状态，经济社会发展与水环境承载力之间的关系较为协调；[0.85，1.00]表明水环境承载力处于的理想承载状态，可以适当加大经济社会发展力度，具体评价分级如表4所示。

表3 研究区水环境承载力指标分级标准

表4 页岩气开发水环境承载力评价等价划分

1.3 模糊综合评价模型

模糊综合评价法基于模糊数学的隶属度理论，用定量化的方法描述复杂的定性问题，该方法系统性强，可将结果清晰明确表达出来，在难以用精确方法解决的复杂模糊问题上有很大的优越性。模糊综合评价模型能够更加全面地对水环境承载力做出综合性评价。其具体步骤为：①将每一年的评价指标都设为一个集合U，即U={u1，u2，ui，…，u23}，评价等级设为V={V1，V2，V3，V4，V5}={Vk}；②根据隶属函数确定隶属度，得到判断矩阵R；③确定评判结果B；④计算综合评分值A。

(4)

Bi=WiRj=(b1，b2，b3，b4，b5)

(5)

(6)

式中：ui为第i项指标的实际值；Ym1Ym2Ym3为ui对评价等级Vk的隶属度，k为评价等级数，k=1，2，3，4，5；W=(ω1，ω2，…，ωn)为权重向量；bk为评价等级Vk对综合评判结果B的隶属度；A=(a1，a2，a3，a4，a5)为量化赋分向量。

运用上述步骤对威远县页岩气开发水环境承载力各个评价指标进行计算，得出综合评判结果B的隶属度和量化后的页岩气开发水环境承载力，结果如表5和表6所示。

表5 2009—2018年威远县页岩气开发水环境承载力隶属度

表6 2009—2018年威远县承载力评价指标值

2 结果与讨论

2.1 水环境承载力综合评价

根据模糊综合评价法对威远县2009—2018年的水环境承载力进行计算，结果如图1所示。由图1可见，威远县水环境承载力水平整体处于上升趋势，综合评分值从2009年的0.384 3上升到2018年的0.738 1，整体处于临界承载状态，2011年的评分值最低(0.246 6)，处于轻度超载状态，2017年和2018年的评分值分别为0.764 0和0.738 1，达到研究期间最高的评分值，处于适宜承载状态。这主要得益于一系列环保法规和政策规则的发布实施，包括2015年实施的《中华人民共和国环境保护法》，2016年发布的《内江市“十三五”生态建设与环境保护规划》，2016年发布的《水污染防治行动计划内江市实施方案》，2016年发布的《内江市城市生态修复规划(2017—2030)》，2018年发布的《威远县生态环境保护规划(2018—2020)》等，这些政策着力解决了威远县在城镇化、区域经济发展的同时产生的水环境问题，从源头控制和节能减排等方面破解水环境问题，有效地促进了威远县水环境承载力的提升。

图1 研究区地理位置图

2.2 子系统评价

进一步计算了社会经济子系统、水资源子系统、水环境子系统的综合评分值，结果如图2所示。由图2可见：2009—2018年社会经济子系统评分值先下降后持续上升，在2011年的评分值达到最低(0.052 4)，2016年又略有降低，总体上升速率较大，2009—2013年整体处于轻度超载状态；水环境子系统呈现先降低后上升的趋势，2011年的评分值最低(0.245 8)，2018年的评分值略有降低，总体增幅低于社会经济子系统，整体处于临界承载状态；水资源子系统的评分值处于波动状态，整体处于下降趋势，2011年的评分值最高(0.776 1)，2015年的评分值最低(0.497 0)，但研究期内的平均评分值达0.622 2，总体处于中等水平，表明威远县水资源的供求矛盾尚未解决，如按现状继续发展，将无法支撑威远县页岩气的持续开采，会成为制约威远县社会经济发展的主要因素。

图2 2009—2018年威远县页岩气开发水环境承载力评价值

2.3 指标评价

通过模糊综合评价模型对各指标的评分值进行计算，结果如图3所示，得到评价指标2009—2018年的发展情况，并据此分析威远县页岩气开发水环境承载力变化的主要原因。

图3 2009—2018年威远县页岩气开发水环境子系统承载力评价值

2.3.1 社会经济子系统

由图3可见，人口密度评分值最低，自然增长率评分值处于波动状态，城镇化率和人均GDP呈递增态势。2009—2018年人口密度处于548～580 人/km2；自然增长率在2011年为3.7‰，在2018年为-5.89‰；城镇化水平从37.5%提升到50.4%；人均GDP从1.87×104元提升到4.96×104元。威远县城镇化进程加快，经济实力在稳步提升，人口自然增长率正在控制，使得社会经济子系统评分值呈持续增长的趋势，但是人口密度成为社会经济子系统最突出的问题。

2.3.2 水资源子系统

由图3可见，水资源开发利用率、年均用水总量和人均水资源占有量三项指标的评分值逐年降低，其余6项指标呈良好发展态势。威远县2011年降雨量仅有519.4 mm，其余年份降水量均高于850 mm，2013年高达1 144.1 mm；水资源开发利用率从20%逐年增高，2017年高达77%；年均用水总量从12 383.16×109m3增长到1 955.13×109m3；人均水资源占有量不足850 m3，低于全国人均水资源占有量的1/2，并且呈现逐年减少的趋势；人均综合用水量从152.487 0 m3增长到243.298 6 m3，虽然用水量逐年增加，但低于全国水平；单位工业增加值用水量和单位GDP用水量随着经济实力的稳步提升，呈现逐年降低的趋势；单井需水量随着页岩气开采技术的不断改进，呈现逐年降低的趋势；由于2009年出现了第一口页岩气评价井，但是中国的页岩气开采处于起步阶段，井群规模较小，并且增长的速度较慢，直到2018年才实行大规模的钻井，导致评分值较低。威远县在社会经济发展的同时，也不可避免地带来了水资源的消耗，水资源的需求矛盾日益突出，特别是页岩气在钻井、压裂阶段会消耗大量的水资源，会过度消耗当地水资源，给水资源子系统带来较大压力。

图4 2009—2018年威远县页岩气开发水环境承载力评价指标评分值

2.3.3 水环境子系统

由图3可见，近年来除了压裂液返排率指标，其余各项指标的评分值呈现逐年升高的趋势，但单位GDP化学需氧量排放强度和单位GDP氨氮排放强度的评分值一直低于0.7。具体来看，2009—2018年森林覆盖率从36.1%增加到40.2%；城镇污水处理率从39.87%升至90.14%；水质功能区达标率在2009年为82%，2010年降至57.1%，随后逐年提升至84.8%；废水排放总量从4 277×104t降至1 899.574×104t；单位GDP废水排放量从30.588 0 t降至5.413 0 t；单位GDP化学需氧量排放强度和单位GDP氨氮排放强度分别下降了51%和36%；压裂液返排率由于受到页岩气开采技术的限制，没有太大变化；返排液回用率则由80%提升至90%。威远县近年积极开展水环境污染治理，降耗减排的工程效果也尤为明显，在发展社会经济的同时，仍然关注水环境，积极进行技术更新，使得城镇污水处理率大幅度提高，废水排放总量明显减少但是关于化学需氧量和氨氮的治理目前需要重要关注的问题，虽然单位GDP化学需氧量排放强度和单位GDP氨氮排放强度在逐年减少，但是仍然处于较高水平。

3 结论

(1)从“社会经济-水资源-水环境”复合系统角度出发，充分考虑页岩气开发对区域水环境承载力的影响，增添页岩气开发个性评价指标，构建适合页岩气开发区域的水环境承载力评价体系，采用熵权法和层次分析法相结合的方法确定指标权重，运用模糊综合评价模型进行评价，降低了人为主观因素的影响，通过模糊概念分析使评价结果更客观，符合实际情况。

(2)研究区水环境承载力总体处于上升趋势，在2009—2016年水环境承载力处于临界承载状态，水环境与经济社会、水资源和页岩气发展处于相对平衡状态，通过保护水环境和优化资源分配可以持续发展；2017年和2018年研究区水环境承载力处于适宜承载状态，研究区页岩气井群规模的不断扩大造成水资源子系统承载力的下降，但社会经济子系统和水环境子系统承载力的提升减缓了水环境承载力的下降，使得综合水环境承载力未剧烈下降。

(3)研究区人均GDP、单位GDP用水量、单井需水量、压裂返排液回用率等指标持续好转，侧面缓解了页岩气大规模开发对水环境带来的压力。因此，威远县可以在构建节水型社会的同时，强化用水总量的控制，提高区域社会经济发展过程中的综合用水效率，进一步优化水资源分配结构，提高重复用水效率，推动社会经济和水环境承载力的协调发展。