浑河流域细河水环境承载力评估预警研究

李艳 范超 朱悦 王留锁 韩德昌

（1. 沈阳理工大学环境与化学工程学院，辽宁沈阳 110159；2. 辽宁省生态环境保护科技中心，辽宁沈阳 110161）

1 引言

细河多年来一直为劣Ⅴ类水质，控制单元内工业点源数量多，且超标排放现象严重。为更好地解决细河水环境问题，相关学者对河流污染成因、特征等方面进行了研究［1-2］，但较少对细河生态环境承载力开展研究，因而不能从根本上解决细河水环境问题。本文基于水环境承载力理论，开展细河控制单元水环境承载力评估预警研究。

水环境承载力是承载力概念与水环境领域的结合。国外学者大多在可持续发展相关研究中提及水环境承载力，对水环境承载力专门的研究较少。国内学者如曾维华［3］、唐剑武等［4］采用不同形式对水环境承载力进行了定义，主要包括纳污能力、支撑能力、外部作用和社会经济规模等。但目前国内外学者对水环境承载力的表述尚未达成共识，水环境承载力目前仍然是一个模糊的概念。本文将水环境承载力的定义归纳为：在某一时期某一区域内，水环境系统对人类社会经济的支撑能力和水环境纳污与自净、水资源供给与利用、水生生境与生物的协调程度［5］。

2 研究方法

目前研究水环境承载力评估预警的方法很多，包括系统动力学法、多目标决策分析法、模糊综合评价法、层次分析法等［6-9］，但各类方法在应用方面有诸多局限。系统动力学法对长期发展情况进行模拟时由于参变量不好掌握，有时会导致不合理的结论。多目标决策分析法要求数据量大，在模型求解时存在一定难度。模糊综合评价法在运算时会造成信息遗失，存在误判的可能性。层次分析法属于主观赋权法，是在对复杂问题的本质、影响因素及其内在关系等进行深入分析的基础上，利用较少的定量信息使决策的思维过程数学化，为多目标、多准则或无结构特性的复杂决策问题提供简便的决策方法。在水环境承载力评估预警方面，层次分析法思路清晰，可将承载力问题系统化、数学化，因而受到众多学者的青睐。本文选用层次分析法作为水环境承载力评估预警方法，以指标权重和指标数值计算评估预警指数，对细河水环境承载力开展评估预警研究。

3 细河水环境承载力评估预警

3.1 研究区域概况

浑河流域细河控制单元位于122°55′14.52″～123°25′1.56″E，41°30′26.28″～41°50′8.16″N 之间，地处辽宁省省会沈阳市南部，单元内包含沈阳市铁西区、于洪区、和平区、皇姑区、辽中区部分区域，共29 个乡（镇、街道），总面积303 km2。2018 年细河控制单元内总人口167.6 万人，地区生产总值1 231.44 亿元，其中，农业增加值52.49 亿元，工业增加值305.88 亿元，第三产业增加值758.07 亿元。控制单元内工业企业数量占沈阳市总数量的41.02%，其中超标排放企业占直排企业总数量的48.98%。2015—2018 年细河未达到Ⅴ类水质目标，其中化学需氧量在2016 年枯水期（超标0.15 倍）和平水期（超标0.02 倍）出现超标现象。

3.2 评估预警指标体系

相关学者主要从压力、状态、响应三方面建立流域承载力指标体系，亦有文献从自然、社会、经济三方面建立指标体系［10-12］。本文在前人研究成果的基础上［13］，从水环境系统自身组成要素关系出发，以生态保护红线、水环境质量底线、水资源利用上线为依据，构建反映水资源的禀赋和供给能力、水环境的纳污与净化能力、水生生物与物理生境健康等与人类社会经济发展协调程度的指标体系。构建的指标体系见表1。

表1 水环境承载力评估预警指标体系

细河水环境承载力评估预警指标的具体数据见 表2。

表2 细河水环境承载力评估预警指标数据

3.3 计算及评估预警结果

3.3.1 评估预警指标权重及标准化结果

采用层次分析法计算评估预警指标权重，采用离差标准化法将指标数据标准化。指标权重及标准化结果见表3。

表3 指标权重及标准化结果

3.3.2 评估预警指数

采用综合指数法计算水环境承载力评估预警指数，公式为：

式中，Ej为水环境承载力评估预警指数；Wi为第i 个指标权重；a¯i为指标标准化值。水环境承载力评估预警指数越大，表明水环境承载力状况越好。计算得到的2013—2018 年细河水环境承载力评估预警指数见表4。

表4 2013—2018 年细河水环境承载力评估预警指数

3.3.3 评估预警结果

根据相关水环境承载力研究成果，将水环境承载状态分为超载、临界超载和不超载3 个等级，并将超载等级分为红色和橙色2 个预警等级、临界超载等级分为黄色和蓝色2 个预警等级、不超载等级确定为绿色无警等级。5 个预警等级从高到低依次为红色、橙色、黄色、蓝色、绿色，对应的水环境承载力评估预警指数区间见表5。

表5 水环境承载力的承载状态和预警等级划分

根据2013—2018 年细河水环境承载力评估预警指数可知，细河水环境承载力2013 年、2014 年临界超载（黄色预警），2015—2018 年超载（橙色预警）；水环境子系统2013 年、2014 年、2016 年、2018 年临界超载（黄色预警），2015 年、2017 年超载（橙色预警）；水生态子系统2013 年、2014 年超载（橙色预警），2015—2018 年超载（红色预警）；水资源子系统2013—2015 年、2017 年、2018 年临界超载（黄色预警），2016 年超载（橙色预警）。

4 结论

通过对细河水环境承载力评估预警的研究分析可以看出，细河水环境承载力2013 年、2014 年临界超载（黄色预警），2015—2018 年超载（橙色预警）；水环境子系统2013 年、2014 年、2016 年、2018 年临界超载（黄色预警），2015 年、2017 年超载（橙色预警）；水生态子系统2013 年、2014 年超载（橙色预警），2015—2018 年超载（红色预警）；水资源子系统2013—2015 年、2017 年、2018 年临界超载（黄色预警），2016 年超载（橙色预警）。因此，建议适当控制当地社会经济发展速度，以保持生态环境的可持续发展。