朱悅

遼寧省生態(tài)環(huán)境保護科技中心

一個地區(qū)的水環(huán)境承載力是服務(wù)和助推經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)文明建設(shè)的重要方面。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，人類對于水環(huán)境的高質(zhì)量需求越來越高。水資源分配不平衡、環(huán)境保護與經(jīng)濟社會發(fā)展沖突、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理等諸多問題導致流域水生態(tài)惡化、水環(huán)境承載力超載。而水環(huán)境承載力的超載又制約著經(jīng)濟社會進一步的發(fā)展。因此，科學開展水環(huán)境承載力研究是經(jīng)濟社會發(fā)展和水環(huán)境保護之間建立量化關(guān)系的關(guān)鍵，也是科學制定流域水環(huán)境管理方案的抓手。而隨著《水污染防治行動計劃》(簡稱“水十條”)對建立水環(huán)境承載能力監(jiān)測評價體系要求的提出，“十三五”階段開展水環(huán)境承載力評估預(yù)警研究成為“以水定城、以水定地、以水定人、以水定產(chǎn)”的重要依據(jù)之一，有效促進流域污染減排、產(chǎn)業(yè)布局優(yōu)化、經(jīng)濟社會與環(huán)境保護協(xié)同發(fā)展。

遼河流域水污染“摘帽”(摘掉重污染流域帽子)后，流域水環(huán)境污染治理正由集中治理階段向改善階段邁進。因此，科學辨析水環(huán)境承載力概念內(nèi)涵，開展水環(huán)境承載力指標體系構(gòu)建研究對科學、深入地開展遼河流域水環(huán)境承載力評估，實現(xiàn)遼河流域水環(huán)境保護目標，緩解遼寧省水環(huán)境壓力，促進遼寧省可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 水環(huán)境承載力的發(fā)展與概念辨析

承載力一詞最早出自生態(tài)學[1]。20世紀中后期，隨著工業(yè)經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人類開始意識到自然資源是有限的，國外學者率先針對資源環(huán)境問題進行了探索。福格特[2]在《生存之路》一書中針對資源環(huán)境過渡開發(fā)現(xiàn)象提出了區(qū)域承載力概念。1985年，聯(lián)合國糧農(nóng)與教科文等組織提出資源承載力概念[3]。由此，資源承載力成為承載力研究的主要發(fā)展方向。在人類面臨資源短缺的同時，環(huán)境問題也日趨突出。隨著人類對環(huán)境問題認識的不斷深入，環(huán)境承載力概念被提出。中國的人均水資源量僅為世界平均水平的14，水作為支撐人類社會發(fā)展的關(guān)鍵要素，有關(guān)其承載力的研究備受關(guān)注[4-6]。根據(jù)指標體系的設(shè)置方向，我國對水環(huán)境承載力的前期研究大致可分為3個階段：水資源承載力階段、水環(huán)境承載力階段和水生態(tài)承載力階段。

1.1 水資源承載力

20世紀80—90年代，我國集中對水資源承載力進行研究，早期研究對象多為干旱或半干旱地區(qū)。其定義可以概括為在不破壞社會和生態(tài)系統(tǒng)時最大可承載的農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城市規(guī)模和人口水平[7]，即水資源最大開發(fā)容量，在這個容量下水資源可以自然循環(huán)和更新，同時不會造成環(huán)境的惡化[8]。后期研究于2004年引入可持續(xù)發(fā)展理論。

1.2 水環(huán)境承載力

20世紀90年代，學者們將研究重點轉(zhuǎn)移到水環(huán)境承載力。水環(huán)境承載力分為廣義承載力和狹義承載力。廣義承載力是指以可持續(xù)發(fā)展為原則，以維護生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展為條件，在水資源得到合理的開發(fā)利用下，能支持該地區(qū)人口增長與經(jīng)濟發(fā)展的最大能力[9]，主要指能承受的社會經(jīng)濟發(fā)展的最大能力；狹義承載力是指水體在滿足人類社會和生態(tài)環(huán)境用水功能、水環(huán)境功能不朝惡性方向轉(zhuǎn)變的前提下所能容納的各種污染物的閾值[10-11]，主要強調(diào)水體的納污能力。目前廣義水環(huán)境承載力的概念為多數(shù)學者所認可。

1.3 水生態(tài)承載力

21世紀初期，水生態(tài)承載力和水環(huán)境容量開始得到人們的廣泛關(guān)注。水生態(tài)承載力可以定義為水生態(tài)系統(tǒng)在滿足自身健康發(fā)展和水生態(tài)功能區(qū)水質(zhì)目標的前提下，生態(tài)子系統(tǒng)所能持續(xù)支撐人類社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模的閾值[12-13]。董飛等[14]提出了流域水環(huán)境容量計算方法，并以太子河流域為例進行實例研究。隨著研究的深入，眾多學者逐漸認識到水環(huán)境承載力如果仍停留在單純考慮水資源、水環(huán)境、水生態(tài)某單一方向指標的階段，已經(jīng)不足以支撐流域區(qū)域水環(huán)境管理應(yīng)用。十八大報告的生態(tài)文明建設(shè)戰(zhàn)略[15]部分對水環(huán)境承載力提出了新的要求，推動水環(huán)境承載力研究向更綜合、更系統(tǒng)、更科學的方向發(fā)展。

2 基于“三水”內(nèi)涵的水環(huán)境承載力提出

許多學者都對水環(huán)境承載力進行了研究。水環(huán)境承載力涉及的要素包括水資源、水環(huán)境、水生態(tài)3個方面，三者的概念不統(tǒng)一，研究方法也不盡相同。每位研究者僅針對自己所研究的流域進行定義，導致不同流域水環(huán)境承載力的概念內(nèi)涵不同，水環(huán)境系統(tǒng)的功能特性以及區(qū)域特性并不能同時充分體現(xiàn)。此外，即使在相同的概念中，承載力的量化標準也有所不同，當前主要以可支撐人口、經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模閾值、科學技術(shù)水平等進行表征，沒有全面科學地量化承載力。因此需要重新界定水環(huán)境承載力的概念。

目前，我國水環(huán)境管理已從水質(zhì)目標為主轉(zhuǎn)向水量、水質(zhì)、水生態(tài)的綜合管理，因此，對水環(huán)境承載力提出了更為明確和綜合的要求?！吨攸c流域水生態(tài)保護“十四五”規(guī)劃》[16]提出要堅持目標導向，突出水資源、水生態(tài)、水環(huán)境(“三水”)統(tǒng)籌，分別以保障生態(tài)流量、維護河流生態(tài)功能需要和有針對性地改善水環(huán)境質(zhì)量為重點進行突破?！八畻l”也提出以改善水環(huán)境質(zhì)量為核心，對江河湖海實施分流域、分區(qū)域、分階段的科學治理，系統(tǒng)推進水污染防治、水生態(tài)保護和水資源管理，建立水環(huán)境承載能力監(jiān)測評價體系，實施承載能力監(jiān)測預(yù)警的要求。

以“水資源、水環(huán)境、水生態(tài)”復合關(guān)系為基礎(chǔ)，將水環(huán)境承載力內(nèi)涵進行統(tǒng)籌考慮，以水環(huán)境質(zhì)量為核心，兼顧水資源利用、水生態(tài)影響。最終界定統(tǒng)籌“三水”的水環(huán)境承載力定義為：水體在同時滿足水資源承載力、水環(huán)境承載力與水生態(tài)承載力的條件下，能夠承載的社會、經(jīng)濟、人口發(fā)展規(guī)模的閾值。

基于“三水”內(nèi)涵的水環(huán)境承載力主要包括：水資源承載方面，考慮某一地區(qū)的地表和地下水資源在保證正常的社會物質(zhì)生活水平下，供給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境保護等用水的最大能力，以及水資源所能持續(xù)供養(yǎng)的人口數(shù)量，其內(nèi)涵主要包括水資源稟賦、水資源利用；水環(huán)境承載方面，考慮在某一時期、某一環(huán)境質(zhì)量要求、某種狀態(tài)或條件下，某流域區(qū)域水環(huán)境在自我維持、自我調(diào)節(jié)的能力和水環(huán)境功能可持續(xù)正常發(fā)揮的前提下，所支撐的人口、經(jīng)濟及社會可持續(xù)發(fā)展的最大規(guī)模，也就是通常所說的水環(huán)境容量，其內(nèi)涵主要包括水環(huán)境納污和水環(huán)境凈化；水生態(tài)承載方面，考慮在一定歷史階段，特定流域自然水生態(tài)系統(tǒng)健康不受損害的前提下，根據(jù)該階段的經(jīng)濟效率和社會配置，復合水生態(tài)系統(tǒng)所能承載的人類社會最大經(jīng)濟總量和人口數(shù)量，其內(nèi)涵主要包括水體生境提供和水生生物棲息。

圖1 水環(huán)境承載力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure for water environmental carrying capacity system

3 遼河流域水環(huán)境承載力指標體系構(gòu)建

3.1 遼河流域概況

遼河流域有兩大水系。遼河水系由東、西遼河于福德店匯流成遼河干流，經(jīng)雙臺子河由盤山入海,干流長516 km；大遼河水系由渾河、太子河于三岔河匯合而成，由營口入海，干流長94 km。遼河流域主要有鐵嶺、沈陽、鞍山、盤錦、撫順、阜新和錦州等7市的21個縣(市、區(qū))。流域內(nèi)資源豐富、人口密集、城市集中、工業(yè)發(fā)達、交通方便，是我國重要的工業(yè)、裝備制造業(yè)、能源和商品糧基地，在東北乃至全國的經(jīng)濟建設(shè)中占有極為重要的地位。

遼河流域地處中緯度地區(qū)，四季寒暖干濕分明。流域多年平均降水量為300～1 000 mm，人均水資源量低于全省平均水平。遼河流域多年平均總用水量中，城市和農(nóng)村生活用水、工業(yè)用水、農(nóng)林牧漁業(yè)用水分別占總用水量的10.40%、23.38%和66.22%。值得注意的是，在總的用水量中幾乎沒有生態(tài)環(huán)境用水量。2018年，遼河水系21個國控斷面中，全指標考核斷面達標率僅為52.38%。遼河干流斷面生物多樣性指數(shù)介于中污染和重污染之間。遼河流域斷面檢出藻類140余種，以硅藻門居多，檢出底棲動物140余種，以節(jié)肢動物最多。

3.2 指標體系構(gòu)建流程

圖2 遼河流域水環(huán)境承載力指標體系構(gòu)建流程Fig.2 Construction process of water environmental carrying capacity index system in Liaohe River Basin

指標體系構(gòu)建是水環(huán)境承載力評估與預(yù)警技術(shù)的關(guān)鍵。根據(jù)水環(huán)境承載力最新內(nèi)涵，圍繞水資源承載力、水環(huán)境承載力與水生態(tài)承載力關(guān)系服務(wù)功能特性，統(tǒng)籌考慮水資源稟賦和利用、水環(huán)境納污和凈化、水體生境提供和水生生物棲息等水環(huán)境承載力內(nèi)部相互作用關(guān)系，構(gòu)建相應(yīng)的指標體系，以期為未來水環(huán)境承載力量化評估和分級預(yù)警奠定基礎(chǔ)。具體構(gòu)建流程如圖2所示。

3.2.1基礎(chǔ)調(diào)研

通過文獻調(diào)研、實地調(diào)查、與相關(guān)管理部門對接相結(jié)合的方式，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。1)文獻調(diào)研：系統(tǒng)查閱了1993—2017年的311篇承載力相關(guān)期刊文獻，其中水資源承載力相關(guān)文獻占74.6%，水環(huán)境承載力相關(guān)文獻占21.9%，而水生態(tài)承載力相關(guān)文獻僅占3.5%。2)實地調(diào)查：赴鐵嶺、沈陽、鞍山、盤錦、撫順、阜新和錦州等市，針對社會經(jīng)濟、水資源、污染源、水文數(shù)據(jù)、土地覆蓋等類型數(shù)據(jù)開展實地調(diào)查。3)與管理部門對接：與省、市級水環(huán)境管理部門召開座談會，針對現(xiàn)有水環(huán)境管理需求進行對接，獲取水域納污率、水質(zhì)斷面達標率、生態(tài)流量保證率等指標。通過基礎(chǔ)調(diào)研，收集了413個備選指標，形成基礎(chǔ)資料指標庫。

3.2.2依據(jù)原則

基于基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)庫，遵循全面性、科學性、區(qū)域性、可比性、易量化性等原則[17]構(gòu)建指標體系。1)全面性原則。水環(huán)境承載力是人類—社會—水環(huán)境的復雜系統(tǒng)，其評價的指標體系要全面地反映水環(huán)境承載力的內(nèi)涵，不能片面強調(diào)評價某一方面。只有遵循全面性原則，才能使評價工作更科學、準確。2)科學性原則。構(gòu)建科學的指標體系，在正確的理論依據(jù)指導下，選取的指標要既能正確表達基本概念，又能嚴謹、合理地表達評價對象的客觀性質(zhì)。只有保證指標的科學性，才能將水環(huán)境承載力的客觀實際描述得更清楚、更符合實際。3)區(qū)域性原則。不同區(qū)域之間水環(huán)境承載力在不同空間、時間上具有較大的差異性，這種差異很大程度上決定了區(qū)域之間在水環(huán)境承載力上的不同，建立指標體系時應(yīng)包含反映這種區(qū)域特色的指標，盡可能反映區(qū)域間的差距。只有保證區(qū)域性，才能在衡量區(qū)域之間水環(huán)境承載力時充分體現(xiàn)各地優(yōu)勢，達到對環(huán)境有效保護的目的。4)可比性原則。水環(huán)境承載力指標應(yīng)適合在不同時間、不同空間使用。因此，指標體系選擇時，應(yīng)盡量使用在時間、空間上都能直接做比較的指標，以利于潛在結(jié)果的發(fā)現(xiàn)。5)易量化性原則。無法定量的指標缺少具體細致的評價標準，在實際評估操作中存在困難。因此，選擇的指標要清晰、簡單，在一定的時期內(nèi)穩(wěn)定，可操作性強，易評估。保證指標的易量化性，是進行水環(huán)境承載力評價的關(guān)鍵。

3.2.3框架設(shè)計

承載力指標框架多采用多層級形式，依據(jù)文獻調(diào)研，主要分為目標—準則—指標層級框架[18-19]、驅(qū)動力—壓力—狀態(tài)—影響—響應(yīng)(DPSIR)概念框架[20-21]。綜合考慮2種指標框架的優(yōu)缺點、實用性以及文獻所占比重，選用目標—準則—指標層級關(guān)系框架建立水環(huán)境承載力指標體系。其中，目標層為水環(huán)境承載力；準則層為水環(huán)境、水生態(tài)、水資源承載力3個方面，分別用水環(huán)境納污、水環(huán)境凈化、水體生境、水生生物、水資源稟賦、水資源利用6個子項表征。

3.2.4指標初選

在確定的準則層框架下，圍繞水環(huán)境納污、水環(huán)境凈化、水生生境、水生生物、水資源稟賦、水資源利用6個方面，對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)指標庫進行篩選，獲取相應(yīng)初選指標。為避免出現(xiàn)重復指標或指標間出現(xiàn)重復信息，利用Excel中countif函數(shù)與Pearson進行分析，對413個備選指標進行頻度分析及冗余剔除處理，將篩選后得到的指標作為構(gòu)建指標體系的初選指標。其中頻數(shù)大于2的指標如表1所示。頻數(shù)分析后，去掉35個重復指標，備選指標數(shù)減為378個。

以工業(yè)增加值排污強度指標為例做的指標相關(guān)冗余分析如表2所示。由表2可知，備選指標中工業(yè)GDP、工業(yè)GDP增加值、工業(yè)GDP增加率、單位工業(yè)GDP的COD排放量、城鎮(zhèn)人口、地表水供水量、地下水供水量、萬元工業(yè)增加值用水量均與工業(yè)增加值排污強度存在顯著的相關(guān)性。因此，表2中指標只保留工業(yè)增加值排污強度入選初選指標。

依據(jù)頻度和冗余分析結(jié)果，最終保留了44個指標作為初選指標，其中水環(huán)境納污相關(guān)指標包括工業(yè)增加值排污強度、農(nóng)業(yè)增加值排污強度、第三產(chǎn)業(yè)排污強度、水域納污率、固定源排放量允許排放量達標比率、萬元GDP排污強度、固定源在線監(jiān)測達標率、農(nóng)田徑流COD入河量、工業(yè)COD總排放量、工業(yè)污水直排COD排放量等；水環(huán)境凈化相關(guān)指標包括斷面水質(zhì)達標率、優(yōu)良水質(zhì)(GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》Ⅲ類及以上)比例、枯水期斷面水質(zhì)達標率、重要水功能區(qū)水質(zhì)達標率、斷面水質(zhì)年達標率、斷面水質(zhì)在線數(shù)據(jù)達標率等；水體生境相關(guān)指標包括植被覆蓋率、生態(tài)流量保證率、河岸帶植被覆蓋率、水域面積指數(shù)、林草植被覆蓋率、河流縱向連通性指數(shù)等，水生生物相關(guān)指標包括生物多樣性指數(shù)、魚類完整性指數(shù)、大型底棲動物BI指數(shù)等；水資源稟賦相關(guān)指標包括人均水資源量、水資源模數(shù)、年降水量、枯水期水資源模數(shù)差異率、水資源開發(fā)利用率、水資源可利用量、地表水資源量、地下水資源量、地表水開發(fā)程度等；水資源利用相關(guān)指標包括萬元工業(yè)增加值用水量、萬元農(nóng)業(yè)增加值用水量、農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)、枯水期徑流量比率、萬元GDP用水量、人均用水量、單位面積灌溉用水量、降水變異系數(shù)、水資源開發(fā)利用率、用水總量控制紅線達標率等。

表1 遼河流域水環(huán)境承載力部分指標頻數(shù)

表2 遼河流域工業(yè)增加值排污強度指標相關(guān)冗余分析

3.2.5指標體系

基于初選指標，兼顧指標科學性、可比性、易量化性等選取原則，結(jié)合國家“三線一單”(生態(tài)保護紅線、環(huán)境質(zhì)量底線、資源利用上線和生態(tài)環(huán)境準入清單)管控需求，國家水環(huán)境承載力試點方案要求，地方應(yīng)用驗證以及生態(tài)、水利、環(huán)境多領(lǐng)域?qū)＜医?jīng)驗判斷，精選得到17個水環(huán)境承載力推薦指標。最終構(gòu)建提出遼河流域水環(huán)境承載力推薦指標體系，包括6個水環(huán)境類指標、6個水生態(tài)類指標和5個水資源類指標(表3)。

表3 遼河流域水環(huán)境承載力推薦指標體系

后續(xù)研究將結(jié)合遼河流域各控制單元差異性和特點，對指標體系的指標進行適當調(diào)整，并計劃選擇不同特點的控制單元(如以點源為主的控制單元、以面源為主的控制單元、飲用水功能區(qū)控制單元)進行水環(huán)境承載力計算。

4 展望

4.1 遼河流域水環(huán)境承載力理論體系亟待完善

長期以來由于對水環(huán)境承載力概念內(nèi)涵認識不清、量化標準不一，導致水環(huán)境承載力研究缺乏統(tǒng)一的科學基礎(chǔ)。考慮水環(huán)境承載力的系統(tǒng)性、科學性、實用性等特征，未來急需完善并搭建科學統(tǒng)一的“水環(huán)境承載力內(nèi)涵—指標體系—量化評估—分級預(yù)警—情景調(diào)控”遼河流域水環(huán)境承載力理論體系，用以開展水環(huán)境服務(wù)與人類社會活動間相互作用機制研究。

4.2 遼河流域水環(huán)境承載力評估預(yù)警體系尚待建立

水環(huán)境承載力評估預(yù)警對轉(zhuǎn)變流域污染控制管理方式、指導制定遼河流域水環(huán)境管理中長期戰(zhàn)略具有重要應(yīng)用價值。未來需要針對遼河流域典型優(yōu)控單元污染治理模式需求，在理論方法探索和實用技術(shù)研發(fā)的基礎(chǔ)上，建立典型優(yōu)控單元的水環(huán)境承載力評估預(yù)警模型，確定典型優(yōu)控單元的預(yù)警線和響應(yīng)線，與管理部門業(yè)務(wù)進行有機銜接，為政府決策提供科學依據(jù)。

5 結(jié)語

回顧了水環(huán)境承載力的歷史發(fā)展進程，開展了水環(huán)境承載力的概念辨析；根據(jù)新時期對水環(huán)境承載力的要求，提出了基于“三水”內(nèi)涵的水環(huán)境承載力概念，并以遼河流域為例構(gòu)建了圍繞“三水”內(nèi)涵的水環(huán)境承載力指標體系。研究成果夯實了遼河流域水環(huán)境承載力理論基礎(chǔ)，有望為遼河流域水環(huán)境承載力的定量評估提供支撐，推動遼河流域水環(huán)境承載力分級預(yù)警的建立。在后續(xù)研究中，應(yīng)緊密結(jié)合流域水環(huán)境管理工作的實際需求，繼續(xù)探尋遼河流域控制單元水環(huán)境承載力的優(yōu)化途徑，有效支撐流域水環(huán)境管理方案制定，促進經(jīng)濟社會與水資源、水生態(tài)、水環(huán)境相協(xié)調(diào)，最終實現(xiàn)流域的可持續(xù)發(fā)展。