基于指标权重法的湖州市内区县水环境承载力评比研究

2022-03-08李中华秦顺兴赵银玲

环境保护科学 2022年1期

吴波，李中华，秦顺兴，王冠，赵银玲，陈岩

（1. 生态环境部环境规划院，北京 100012；2. 长江经济带生态环境联合研究中心，北京 100012；3. 辽宁天益达环境工程技术有限公司，辽宁沈阳 110011；4. 沈阳经济技术开发区开发集团有限公司，辽宁沈阳 110011）

湖州市地处“长三角”的核心腹地之内，是全国首个地市级生态文明先行示范区，经济发展和生态环境治理上做出了很多重要的贡献。但是，几十年的快速发展导致当地资源的索取和环境的影响不断加大，造成水资源和水环境的承载能力不断降低。虽然各地区实施了有效的生态环境保护和污染治理措施，但成效如何仍需判断。习总书记的生态文明思想中指出：要把水环境承载力作为刚性约束，贯彻落实到改革发展稳定的各项工作中。可见水环境承载力的评估是地区发展和环境管理的重要依据，可成为各地区环境治理成效检验的重要工具。

目前，水环境承载力评价方法多样，BU et al[1-3]使用的指标体系评价法、余晓玲等[4-5]使用的系统动力学法、JIA et al[6-8]使用的多目标最优化法以及 LU et al[9-10]使用的人工神经网络法等多种量化方法，需要涉及社会经济、水资源、水环境、水生态和技术管理等多方面指标，但是，这些方法存在部分指标可获得性不强、实际应用中难于操作、指标选取单一、未从管理实际出发、没有统筹考虑“三水共治”和“一点两线”的需求等问题。本文针对这些情况，设计一套简单、易于地方操作的基于指标权重的水环境承载力评比管控方法。该方法简单、易于地方操作，无需大量计算，只需要利用各类指标的查询或简单计算出的结果进行权重计算，再累加得出每个研究对象的水环境承载力结果，可初步评判不同尺度、多种研究对象综合的水环境承载力情况，以此评估湖州市内三区两县的环境治理和保护成效，为地方的领导干部考核及水环境保护工作的研究与实施提供参考依据。

1 研究区概况

湖州市位于浙江省北部、太湖西南侧，东与江苏省吴江市、嘉兴桐乡市接壤，南与杭州市余杭区相接，西与安徽省广德县、宁国市相邻，北滨太湖与江苏省宜兴市交界，与苏州市、无锡两市隔湖相望。辖德清、长兴和安吉三县和吴兴、南浔两区，总面积 5 818 km2。2019 年户籍人口 267.57 万人，地区生产总值3 122.4亿元。湖州市河流水系属长江下游太湖流域水系，境内有三大水系，包括苕溪水系、杭嘉湖平原水系和长兴水系，境内流域面积分别为 3 090、1 445 和 1 283 km2。多年平均气温12.2～17.3 ℃，年降水量 761～1 780 mm。水资源总量为 52.26 亿 m3，人均水资源占有量 1 726 m3。2019年，共有城镇污水处理厂45座，处理能力99.025万t/d，年污水处理量2.95亿t，平均负荷率82.9%。已累计建设农村生活污水处理设施6 107个，处理能力共计5.82万t/d，累计建设管网7 563 km，覆盖762个行政村，占湖州市全市行政村数量的70%。共有工业企业1 074家，化学需氧量、氨氮、总氮和总磷排放量分别为 3 514、180、496 和 76 t。共有规模化畜禽养殖场15个，化学需氧量、氨氮、总氮和总磷的排放量分别为7.7、1.6、5.0和 0.2 t。2019年，湖州市农作物播种总面积为15.61万hm2，农用化肥施用总量为3.88万t，单位农作物播种面积化肥施用强度为248.6 kg/hm2。农药使用量为3 271 t，农药的使用强度为 20.95 kg/hm2[11-12]。

2 研究方法

研究水环境承载力状况的指数评价等级划分法是基于层次分析法（AHP）中指标层次性建构的理论指导，分层次构建2个独立的一级评价指标体系和科学、典型的二级评价指标。

2.1 选取评价指标

以习近平生态文明思想为基础，评价指标的选取考虑绿色化发展程度、三水共治的效果、增容和减排的阶段等内容。利用层次法以3个一级指标和17个二级指标构建成指标体系,见表1。

表1 评价指标表

指标的构建充分考虑了是否存在关联性和重复性，存在的剔除不重要的，并考虑指标选择的公信力、易获取性、关键性、客观性，以及可量化和可比性[13-15]。

2.1.1 水环境指标体现的是研究区域社会经济发展的绿色化水平，以及各地区采取各种环境治理措施，减少污染物进入环境的效果。

（1）环境治理投资占GDP比例。环境治理投资占GDP比例是指一定经济规模下地区的环境保护投资力度，见式（1）。环境污染治理投资包含城镇环境基础设施建设投资、工业污染源治理投资和完成环保验收项目环保投资。

（2）六大高耗能行业产值占工业总产值比重。反映当地产业布局和发展方式。当地的高耗能行业所占比重的多少，对地区的资源消耗和排污都存在一定的影响，见式（2）。根据《2019年国民经济和社会发展统计报告》六大高耗能行业分别为：化学原料及化学制品制造业、非金属矿物制品业、黑色金属冶炼及压延加工业、有色金属冶炼及压延加工业、石油加工炼焦及核燃料加工业以及电力热力的生产和供应业。

（3）工业污染强度指数。反映地区工业生产过程中排放的污染物对水环境的压力，同时代表该地区的产业经济发展方式及绿色化水平。该值越大，说明产业绿色化水平越低。以工业生产过程中排放的污染物与工业生产总值的比值得出，见式（3～6）。其中每个地区工业排放的代表性污染物有所区别，根据COD、NH3-N、TN和TP 4个污染物指标的排放量与工业生产总值的比值之中，最大的结果作为该指标的最终结果。

（4）畜禽养殖业污染强度指数。反映地区畜禽养殖业中排放的污染物对水环境的压力和绿色化发展程度。该值越大，说明畜禽养殖业生产绿色化水平越低。以畜禽养殖业排放的污染物与畜禽养殖业生产总值的比值得出，见式（7～10）。同理选择最大的结果作为该指标的最终结果。

（5）农用化肥施用强度。体现的是农业生产绿色化水平，化肥的施用量越低，说明农业生产越注重降低化肥造成的污染，见式（11）。

（6）农药施用强度。体现的是农业生产绿色化水平，农药的施用量越低，说明农业生产越注重降低化肥造成的污染，见式（12）。

（7）城镇污水收集处理率。指县城及城镇建成区经过污水处理厂或其他污水处理设施（土地、湿地处理系统等）收集处理污水，达到排放标准的排水量占县城及城镇建成区污水排放总量的百分比，可直接从统计年鉴中获取该结果[16]。

（8）地表水达到或优于III类水比例。根据《地表水环境质量标准：GB3838—2002》，区域内主要地表水监测断面水质达到或优于Ⅲ类水的比例。可以了解一个国家或地区水环境质量状况的优良程度，可直接从生态环境状况公报中获取该结果[11]。

（9）地表水劣V类水比例。根据《地表水环境质量标准：GB3838—2002》，区域内主要地表水监测断面水质为劣V类水的比例。可以了解一个国家或地区水环境质量状况的优劣程度，可直接从生态环境状况公报中获取该结果[11]。

2.1.2 水资源指标（1）水资源开发利用率。反映研究区域人类用水对江河生态产生的压力，见式（13）。

（2）生态基流保障率。基础年月实际平均流量占最小生态基流百分比。生态基流量是指为保证河流生态服务功能，用以维持或恢复河流生态系统基本结构与功能所需的最小流量。生态基流保障率越高，河流生态系统服务功能越强，水环境承载力越大。其中最小生态基流流量可利用Tennant法计算，将江河多年平均流量的10%作为最小生态基流，可从水利局获取该数据资料[12]，见式（14）。

（3）非常规水源利用替代水资源比例。反映地区开发利用雨水和再生水等替代常规水源的能力，计算见式（15）。

（4）农田灌溉水有效利用系数。农田灌溉水有效利用系数是指某一时期灌入田间可被作物利用的水量与水源地灌溉取水总量的比值。它反映灌区渠系输水和田间用水状况，是衡量从水源取水到田间作物吸收利用过程中灌溉水利用程度的一个重要指标，能综合反映灌区灌溉工程状况、用水管理水平和灌溉技术水平，对农田灌溉的节水性能的评定有着重要意义，可从水利局获取该数据资料[12]。（5）工业用水重复利用率。反映工业再生水利用技术的提高对于减少水资源的使用带来的作用，可从水利局获取该数据资料[12]。

2.1.3 水生态指标（1）湿地面积比例。研究区域湿地面积占该地区总面积的比率。湿地面积越大，说明该地区的水生生态环境越多，对于生物生存的环境越有利，同时对于该地区的径流的调节以及水质的改善都有很大作用。因此湿地面积比例越高，水环境承载力越大，计算见式（16）。

（2）建成区绿地率。指在城市建成区的各类绿地面积占建成区面积的比率。城市各类绿地包括公共绿地、居住区绿地、单位附属绿地、防护绿地、生产绿地和风景林地等6类，见式（17）。

（3）森林覆盖率。亦称森林覆被率，指一个国家或地区森林面积占土地面积的百分比，是反映一个国家或地区森林面积占有情况或森林资源丰富程度及实现绿化程度的指标，又是确定森林经营和开发利用方针的重要依据之一。可直接从统计年鉴上获取[16]，或者通过森林面积与地区国土面积的比值得出。

2.2 评价方法

指标体系的权重选取熵值法进行计算。熵值法是判断指标离散程度的数学方法，能客观的得到各项指标的权重系数。

（1）指标数据标准化归一处理

指标分为两类：一类是正向指标，表示数据越大指标越好；另一类是逆向指标，表示数据越小指标越好。

正向指标标准化归一，见式（18）。

逆向指标标准化归一，见式（19）。

（2）计算第i个研究对象第j项指标值的比重，见式（20）。

式（20）中， Yij表示第i个研究对象第j项指标值比重，m表示研究对象数量。

（3）计算指标信息熵，见式（21）。

式（21）中，ej为信息熵，而k=1/lnm。

（4）计算信息熵冗余度，见式（22）。

式（22）中，dj为信息熵冗余度。

（5）计算指标权重，见式（23）。

式（23）中，Wj为第j项指标的权重值，n为指标数量。

（6）计算第i个研究对象评价总得分，见式（24）。

式（24）中，Si为第i个研究对象评价总得分。

评价指标共分为两级，首先按照以上公式计算第二级指标从公式（1～17）的值，再按照一级指标的类别计算权重,式（18～23）以及一级指标的得分（式24），得到三类一级指标的最终结果。

2.3 水环境承载力状况的综合评估结果评比方法

在计算指数评价结果之后，由于每个指标结果都是越大代表该项结果越好，综合所有的指标结果，汇总成水环境承载力综合评估指数，见式（25）。

3 结果和讨论

根据所选择的指标，在各区县以及湖州市的统计年鉴、水文年鉴和环境质量状况公报中查找数据[16]后汇总于表2。经过指标结果和权重的计算，得到三县两区的水环境承载力综合评估，见表3。

表2 湖州市三县两区各指标数据计算结果

表3 湖州市三县两区水环境承载力综合指数计算结果

表3可知，三县两区的水环境承载力排序情况由高到低为长兴县、吴兴区、安吉县、南浔区和德清县。其中，长兴县的水环境承载力综合指数远高于其他区县，其他4个区县的水环境承载力综合指数相差较小。

从分项指标上看，长兴县在城镇污水收集处理率、生态基流保证率、非常规水源利用替代水资源比例和工业用水重复利用率4个指标上分别达到60.6%、708.6%、5.3%和83.5%，是其他区县指标最低值的0.49倍、1.7倍、5.3倍和0.04倍，特别是再生水、雨水等其他水源的再利用上，远高出其他区县5倍以上，表明长兴县在水资源有效利用和水环境治理上投入了更多的工作。同时，长兴县的农业畜禽养殖污染排放相对较少，其农用化肥和农药的施用强度分别为205.9和13.9 kg/hm2，均小于其他区县。长兴县在水环境治理和水资源节约上所做的工作和成效，以及自然资源禀赋较好的天然优势，使其水环境承载能力综合指标远高于其他区县。

水环境承载力综合指数排在第二位的吴兴区，其工业污染排放较少，工业污染强度指数为0.55 kg/万元，低于其他区县该类指标。此外，在环保治理投入和湿地建设面积所占比例上分别达到5.7%和78.3%，是其他区县环保投入和湿地建设指标最低值的13.6倍和6.2倍，表明其在污染治理设施建设和水生态修复上开展了很多工作，使其水环境承载力综合指数较高。

南浔区、安吉县和德清县水环境承载力综合指数相近，其中德清县的指数值最低，主要是：德清县施用的化肥和农药量远高于其他区县，环保投入相对较低，导致治理水平和治理效果相比其他县区略差。虽然相比其他区县其水资源较丰富、自然禀赋较好，但是大量非点源污染的存在和工业、生活点源治理效果相对较低，也拉低了整体水环境承载力的综合指数。