曹 虎

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

大凌河流域位于我國遼寧省西部，該流域水土流失嚴重，泥沙含量較大，約為57kg/m3。流域大小支干交錯，全長398km，占地面積約2.35萬km2。大凌河流域四季分明，年降水量約450～600mm且在時空分布上極不均衡，6—9月為降雨汛期，占全年降水65%以上，年徑流量約16.67億m3。該流域人均水資源占有量不及我國平均水平的1/3，屬于重度缺水區(qū)[1]。水環(huán)境承載力作為人類活動最大支持能力評價指標和區(qū)域協(xié)調可持續(xù)發(fā)展的重要依據(jù)，對促進區(qū)域經(jīng)濟健康發(fā)展具有重要意義[2]。當前，針對環(huán)境承載力的研究主要集中在指標選取、評價體系構建以及方法量化層次，各子目標層主要考慮資源、經(jīng)濟、生態(tài)、環(huán)境等方面，不同指標和要素之間的關聯(lián)性較弱；而針對水環(huán)境的評價指標主要有城市污水處理以及工業(yè)廢水排放達標率等方面，此類指標數(shù)據(jù)提取難度大、準確性較低并且與水環(huán)境的關聯(lián)性不大；指標量化法通常是對量化結果的等級分類不夠詳細和深入，主要有承載率間接表征法、指標評價法等[3]。據(jù)此，本文通過將水環(huán)境承載力劃分為社會環(huán)境和自然環(huán)境兩大方面，對自然環(huán)境方面的承載力利用河道污染物入河量進行表征，然后結合大凌河流域水環(huán)境實際狀況和承載力特征選取典型的評價指標并建立對數(shù)函數(shù)模型，利用模型評價結果對該流域承載力發(fā)展趨勢進行預測，以期對大凌河流域自然與社會系統(tǒng)發(fā)展質量與規(guī)模提供一定的決策依據(jù)和理論支持[4]。

1 研究方法

1.1 水資源承載力多目標模型

評價指標的優(yōu)選是影響預測結果準確性與可靠性的關鍵因素，因此本文結合相關文獻和指標選擇基本原則分別對多目標模型評價指標進行優(yōu)選。為反映大凌河流域有機或無機氮、磷的承載狀況，本研究結合區(qū)域自然與環(huán)境特征分別選取了COD化學需氧量、總氮、總磷入河量指標；選取了水資源開發(fā)利用率指標，反映自然水資源對開發(fā)利用程度的承載現(xiàn)狀，并且結合該流域社會實際現(xiàn)狀如生活供水保證率、產(chǎn)業(yè)結構布局以及城市化進程等，分別選取了城鎮(zhèn)居民生活用水定額、農(nóng)田灌溉有效用水系數(shù)、工業(yè)用水重復率、萬元GDP以及萬元工業(yè)增加值用水量、常駐人口城鎮(zhèn)化率等指標，表征大凌河流域社會環(huán)境對水環(huán)境的承載現(xiàn)狀。

將大凌河流域水環(huán)境承載力模型按照各層次指標基本內涵和特征劃分為三個層級即目標層、子目標層和指標層，其中水環(huán)境承載力A即為目標層，它概括了各子目標以及評價指標內涵的綜合情況，可反映自然與社會環(huán)境對水承載力的綜合影響。根據(jù)各評價指標的內涵和特征可將其劃分為正向與負向指標，其中正向指標越大或負向指標值越小則代表承載力越低，各評價指標見表1。表中B1、B2分別代表自然與社會環(huán)境承載力；C1～C4分別為COD、TP、TN入河量和水資源開發(fā)利用率；C5～C10分別為人口城鎮(zhèn)化率、萬元GDP、萬元工業(yè)增加值用水量、工業(yè)重復用水率、農(nóng)田灌溉用水有效利用率和城鎮(zhèn)居民生活用水定額。

表1 大凌河流域水環(huán)境承載力評價指標體系及權重值

1.2 指標權重的確定

AHP層次分析法是通過對各因素的相對重要性利用兩兩對比分析，進而確定并實現(xiàn)復雜問題的階梯結構轉化的方法[5]。本研究根據(jù)如下數(shù)據(jù)資料進行專家重要性打分：大凌河流域常規(guī)水質達標檢測率不足18.6%，該流域有機污染嚴重[6]；人均水資源量普查結果低于遼寧省平均水平和其他相近流域[7]；流域內生活用水備用水源不足，存在較大的供水風險[8]；流域內產(chǎn)業(yè)結構呈現(xiàn)出高能耗、高水耗的變化趨勢[9]；各評價指標的專家賦分權重結果見表1。

1.3 單項指標承載力度模型

利用對數(shù)函數(shù)數(shù)值模型法對指標層中各單項指標的承載度求解，具有對評價結果按照等級進行定量化判定的優(yōu)勢；利用標準值參數(shù)對承載度模型率定，其評價結果具有更加準確、直觀[10]。單項指標承載度詳細步驟為：按照最優(yōu)、良好、及格和最差標準可將評價等級劃分為四大類，相應的取值約為1.0、0.8、0.6、0.0；利用模型對正向指標承載度進行求解，變量與函數(shù)值具有明顯的正相關性，然而其變化趨勢隨著值的增大趨于平緩；采用模型對負向指標承載度進行求解，變量與函數(shù)值呈現(xiàn)出負相關性，并且的降低幅度逐漸增大。結合遼寧省水環(huán)境綜合治理規(guī)劃以及生態(tài)城市建設相關標準、技術文件和考核辦法等要求，分別針對最優(yōu)、良好、及格、最差級別求得函數(shù)值的標準值，并對各參數(shù)率定從而得到各單項指標的承載度，結果見表2。

表2 水環(huán)境承載力各單項指標承載度模型

1.4 綜合評價方法

對水環(huán)境綜合承載力采用向量模法進行評價。該方法是以各指標構成的向量作為水環(huán)境承載力，并假定在此期間存在m個水平年，采用Ej代表m個水平年的評價值，各個評價值存在n個分量其相應的權重為Wi，因此可得到向量Ej=(E1j，E2j，…，Enj)。采用歸一化處理后，得到第j個水體承載力的大小，表達式如下：

(1)

2 計算與分析

2.1 大凌河流域水資源承載力

首先對大凌河流域在2012—2016年的各個區(qū)域及農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)的農(nóng)田、養(yǎng)殖、農(nóng)村和城市生活以及工業(yè)污染物入河量進行求解，得到研究期間各年的TN、TP和COD的入河量和排放量；然后結合大凌河流域工業(yè)GDP增長率、人口預測數(shù)據(jù)、種植作物和化肥施用量等數(shù)據(jù)，對2025年的TN、TP、COD新增污染物入河量進行預測，并得到各指標的承載力壓力值；結合遼寧省統(tǒng)計年鑒和水資源綜合規(guī)劃相關資料，求解該流域在2012—2016年社會環(huán)境各指標承載力壓力值，并對相關指標預測。

對大凌河流域在2025和2012—2016年的各指標承載度利用單項指標承載度模型進行確定，通過將各指標壓力值帶入模型，并結合表2指標權重結果可求解自然和社會環(huán)境對水環(huán)境的承載力數(shù)值，最終利用向量模法可對該流域綜合承載力進行量化評價，計算和評價結果見表3和圖1。

表3 大凌河流域水環(huán)境單項指標承載度及綜合承載力

圖1 各單項指標趨勢

2.2 承載力演變趨勢

由表3計算結果及圖1可以看出，自然環(huán)境各指標C1～C4對水環(huán)境承載力整體表現(xiàn)出下降趨勢，而水資源開發(fā)利用率指標的承載度均在0.8以上并且發(fā)展趨勢較為穩(wěn)定，該指標承載力狀態(tài)良好；在2012—2016年TN、TP和COD入河量水質指標的整體變化趨勢不大，并且在合格等級下水質指標均降低了0.1～0.2，結合2025年預測結果可知在2016—2025年的水質指標承載度具有較大幅度的降低，等級標準處于及格以下，此期間加劇了環(huán)境超載水平；社會環(huán)境指標C5～C10對承載力的變化趨勢存在較大差異，其中萬元工業(yè)和GDP用水量的承載度呈現(xiàn)出逐漸上升的最優(yōu)趨勢，并且歷年值均大于1；在2012—2016年C8指標取值區(qū)間為0.015～0.738，并呈現(xiàn)出快速增長趨勢，因此在2025年該指標值很可能接近良好等級；在研究期間人口城鎮(zhèn)化率指標實現(xiàn)了從不及格等級提升至最優(yōu)等級的較大改善，該指標C5在2012—2016年呈現(xiàn)出較大幅度的提升；農(nóng)田灌溉水有效利用率指標在2016年達到最大值為0.655，在研究期間該指標呈現(xiàn)出穩(wěn)步增長趨勢，預測在2025年可達到0.901趨近良好水平；城鎮(zhèn)居民生活用水定額指標由2012年的良好等級逐漸下降至2016年的及格水平，該指標整體為下降趨勢，并在2025年預測為0.486處于不及格水平[11]。

大凌河流域水環(huán)境承載力變化趨勢預測結果如圖2所示。研究表明：自然環(huán)境對大凌河流域水環(huán)境承載力呈現(xiàn)出緩慢下降的過程，并且由之前的良好等級下降至及格區(qū)間，預測結果顯示在2025年可下降至0.55左右，處于及格水平以下；而社會環(huán)境對承載力的作用呈現(xiàn)出上升趨勢，并且對未來預測結果顯示該指標仍具有較快的增長趨勢。大凌河流域水環(huán)境綜合承載力在上述兩大因素的共同作用下整體保持基本平衡狀態(tài)，水環(huán)境承載力在2012—2016年緩慢增加了約0.052，并在2025年稍微降低了0.013。研究表明，自然環(huán)境不僅是引起未來綜合承載力下降的直接因素，而且是延緩水環(huán)境承載力的主要驅動力，社會環(huán)境各指標對于提升承載力的作用仍具有較大空間。

圖2 水環(huán)境承載力趨勢

3 提升承載力措施

本文結合預測分析結果，分別從污水總量收集、控制、運輸和處理四個方向對水體TN、TP和COD入河量進行外源污染過程控制。嚴格按照排放標準對大凌河流域采礦、印染、醫(yī)化、砂洗等行業(yè)進行排查，對高污染、高能耗行業(yè)進行轉降整治；針對小散養(yǎng)殖場，深入推廣使用天然有機化肥并從根本上控制污染物總量的排放；對污水收集系統(tǒng)進行改善，主要是針對該區(qū)域村莊已建三級管網(wǎng)、主干管進行排查并確保各端口鏈接的匹配性；完善污水處理和輸送系統(tǒng)，對于具有侵蝕性的工業(yè)污水應嚴格排查和完善，建議對污水處理能力與污水排放量不匹配的行業(yè)進行規(guī)模升級和校核。

大凌河流域主干流連通整體通暢，但次級與支流河道的結構從橫交錯，因此在主干河網(wǎng)引排的格局上提升支干與主干河網(wǎng)之間的連通能力和水平，從而提升河網(wǎng)的匹配程度和河道環(huán)境容量。

根據(jù)生活用水定額指標呈現(xiàn)出快速下降且低于及格線以下的實際狀況，可分別從加快備用水源選址、加快水源管網(wǎng)改造及降低水資源的漏損等方面入手，加快推進政府水價改革，促進企業(yè)節(jié)水工程改造。

4 結論

自然環(huán)境各指標對水環(huán)境承載力整體表現(xiàn)出下降趨勢，而水資源開發(fā)利用率指標的承載度均在0.8以上并且發(fā)展趨勢較為穩(wěn)定，該指標承載力狀態(tài)良好；社會環(huán)境指標對承載力的變化趨勢存在較大差異。自然環(huán)境不僅是引起未來綜合承載力下降的直接因素，而且是延緩水環(huán)境承載力的主要驅動力，社會環(huán)境各指標對于提升承載力的作用仍具有較大空間。