基于環(huán)境容量的水環(huán)境承載力評價與總量控制研究

白 輝 高 偉 陳 巖# 吳悅穎

(1.環(huán)境保護部環(huán)境規(guī)劃院，北京 100012；2.云南大學生態(tài)學與環(huán)境學院，云南 昆明 650091)

在大氣環(huán)境受到嚴重挑戰(zhàn)的今天，水環(huán)境污染問題同樣不能輕視，其仍是目前我國面臨的主要環(huán)境問題之一。造成目前這些環(huán)境問題的根本原因是部分有限的地理空間上承載了過量的能源消費、工業(yè)生產及其他各種人類活動等，社會經濟承載現(xiàn)狀已達到或遠超環(huán)境承載能力。面對如此嚴峻的形勢，黨中央和國務院高度重視，相繼出臺相關文件要求摸清水資源、水環(huán)境承載力現(xiàn)狀，建立監(jiān)測預警機制。國務院印發(fā)的《水污染防治行動計劃》提出要充分考慮水資源、水環(huán)境承載能力，以水定城、以水定地、以水定人、以水定產；建立水資源、水環(huán)境承載能力監(jiān)測評價體系，實行承載能力監(jiān)測預警，已超過承載能力的地區(qū)要實施水污染物削減方案，加快調整發(fā)展規(guī)劃和產業(yè)結構；到2020年，組織完成市、縣域水資源、水環(huán)境承載能力現(xiàn)狀評價[1]。水環(huán)境承載力的計算及管理是區(qū)域水環(huán)境保護規(guī)劃工作的一個重要基礎，通過研究社會經濟發(fā)展的“環(huán)境承載上限”，以環(huán)境容量為約束，科學評估水環(huán)境承載力，不僅可為區(qū)域項目環(huán)境影響評價和環(huán)境基礎設施建設提供參考數(shù)據(jù)，為地區(qū)經濟發(fā)展模式、產業(yè)結構調整與轉型、優(yōu)化空間布局等提供環(huán)境保護基礎數(shù)據(jù)支持，還可為流域、區(qū)域間實施污染物排放總量控制、排污許可證制度和排污權交易等現(xiàn)代環(huán)境管理制度提供重要的科學依據(jù)。因此，從環(huán)境質量管理的實際需求出發(fā)，亟需開展水環(huán)境承載力評價研究，為社會經濟發(fā)展和環(huán)境管理提供決策依據(jù)與科學支撐。

1 水環(huán)境承載力研究理論

近年來，我國學者在水環(huán)境承載力的理論與實踐方面積極探索并取得了很大進展。目前，在學術界，水環(huán)境承載力的概念尚未達成統(tǒng)一，尚無公認、統(tǒng)一的界定，與水資源承載力、生態(tài)承載力和水生態(tài)承載力等概念存在較大的交叉，使得承載力評估缺乏固定標準[2-3]。目前，關于水環(huán)境承載力的概念主要分為3類：第1類主要闡述水環(huán)境能夠支撐的社會經濟和人口的規(guī)模，如賈振邦[4]在1995年給出的定義——“在一定的自然環(huán)境條件和特定的社會經濟發(fā)展模式下，區(qū)域水環(huán)境對社會發(fā)展的支撐能力”；第2類主要闡述水環(huán)境能夠接納的污水和污染物的含量，如前水利部部長汪恕誠[5]在2003年給出的定義——“一定的水域，在其水體能夠繼續(xù)使用并能保持良好的生態(tài)系統(tǒng)的前提下，所能容納污水和污染物的最大能力”；第3類主要闡述水環(huán)境能夠接納的污水和污染物的含量、能夠支撐的社會經濟和人口的規(guī)模，如崔寧等[6]在2010年給出的定義——“在某一水域(包括自然環(huán)境條件和社會經濟發(fā)展模式)，其水環(huán)境系統(tǒng)功能在持續(xù)正常發(fā)揮的前提下，所能夠容納污染物的最大限量及對人類社會、經濟活動可持續(xù)發(fā)展的最大支撐能力”。

在水環(huán)境承載力評價方法研究方面，學者們嘗試采取多種方法對水環(huán)境承載力進行定性與定量的研究[7]。應用于水環(huán)境承載力評價的方法主要有綜合指標體系評價法、多目標決策優(yōu)化法、系統(tǒng)動力學方法、人工神經網絡法等[8-20]。這些研究大多處于探索階段，學術界未形成公認的量化評價方法。

結合水環(huán)境承載力的基本理念和本研究的實際需求，本研究認為水環(huán)境承載力是指在一定的水文條件和水質目標約束下，區(qū)域水體可支撐的一定結構、布局和技術水平下經濟社會發(fā)展規(guī)模。為了科學評價水環(huán)境承載力，本研究在現(xiàn)有水環(huán)境承載力研究的基礎上，提出了一種基于環(huán)境容量的水環(huán)境承載力評價方法，并且結合目前水環(huán)境管理需求，提出了一種根據(jù)水環(huán)境承載力結果進行總量控制的方法，以期解決目前水環(huán)境管理面臨的問題。

2 水環(huán)境承載力評價方法構建

水環(huán)境承載力評價的主要目的是判斷區(qū)域經濟社會活動對水環(huán)境的壓力是否超過承載力水平。因此，水環(huán)境承載力評價的基本內容包括壓力計算、承載力計算和承載力評估3個方面。在本研究中，重點關注的是人類活動對水環(huán)境質量的壓力，特別是水體中的COD和氨氮兩項指標。在水環(huán)境承載力評估的計算中，一定水文條件和水質目標約束可表達為某種特征污染物的水環(huán)境容量；一定結構、布局和技術水平下經濟社會發(fā)展規(guī)模難以用單一指標直接表述，但考慮在水環(huán)境承載力系統(tǒng)中，經濟社會發(fā)展是通過污染物排放作用于水環(huán)境系統(tǒng)的，因此可用污染物進入水體的量(入河(湖)量)間接表達經濟社會的壓力強度。綜上，本研究的水環(huán)境承載力評估涉及3個方面內容：水環(huán)境容量計算、污染物入河(湖)量計算和基于環(huán)境容量的水環(huán)境承載力評估。

水環(huán)境容量和污染物入河(湖)量計算方法已較成熟，本研究中不對其計算方法進行描述，只對基于其計算結果的水環(huán)境承載力評價方法進行研究。

水環(huán)境承載力評估主要包括3個步驟：(1)計算基于承載率的單要素(污染物)的水環(huán)境承載力；(2)計算綜合的水環(huán)境承載力；(3)根據(jù)水環(huán)境承載力的等級劃分結果，確定水環(huán)境承載力的狀態(tài)。本研究主要針對水環(huán)境中的污染物COD和氨氮進行水環(huán)境承載力的評估。

2.1 基于承載率的單要素水環(huán)境承載力計算方法

由于水污染物種類較多，表征水環(huán)境質量的指標較多，每個指標對應的環(huán)境容量和排放量存在差異，因此有必要針對單個指標進行單要素的評估。本研究采用承載率指標表征各污染物的承載力狀況。承載率是指區(qū)域或流域環(huán)境承載量(各環(huán)境要素指標的現(xiàn)狀值)與該區(qū)域或流域環(huán)境承載量閾值(各環(huán)境要素指標上限值)的比值。應用承載率指標進行評價，可以清晰地看出某地區(qū)或流域環(huán)境發(fā)展現(xiàn)狀與理想值的差距，評價其環(huán)境承載的壓力現(xiàn)狀。承載率的計算公式如下：

(1)

式中：CI為承載率；PD為污染物入河(湖)量，t/a；EC為水環(huán)境容量，t/a。

承載率的取值為大于0的實數(shù)，在進行指標解釋時不便使用，為此本研究選擇極差法把各項指標進行歸一化處理。歸一化的結果為所有的指標均在0～100取值，數(shù)值越大表示指標所反映的承載狀態(tài)越好。

(2)

式中：Zi為第i個污染物指標的歸一化承載率；CImin、CImax、CIvalue分別為承載率的最小值、最大值和當前值。

2.2 水環(huán)境承載力的計算方法

承載率無法反映水環(huán)境系統(tǒng)的整體承載水平，水環(huán)境承載力評估要求將不同指標綜合起來，獲得綜合評估值。本研究借助綜合評估模型將各個指標的承載率數(shù)值進行加權綜合，獲得研究區(qū)的綜合水環(huán)境承載力，公式如下：

(3)

式中：ECIr為第r個行政區(qū)的水環(huán)境承載力指數(shù)；n為污染物指標總數(shù)；ωi為第i個污染物指標的權重。

指標賦權是根據(jù)各個指標重要性分別賦予相應權重的過程。目前，指標賦權方法有主觀賦權和客觀賦權兩種方法，其中主觀賦權法以層次分析法為主，該方法以專家打分為基礎，根據(jù)打分結果對指標進行賦權；客觀賦權法以熵權法為典型代表，主要根據(jù)指標自身的熵值進行賦權，以反映指標信息量的重要性。兩種賦權法各有利弊，但共同的特點是權重一旦確定，即為恒定值，在整個評價過程中與評價指標的取值無關[21-22]。在現(xiàn)實中，同一系統(tǒng)的不同指標往往具有互補性，在可持續(xù)發(fā)展理論中被表述為“弱可持續(xù)性”，即系統(tǒng)的不同屬性之間在一定程度上是可以相互補償?shù)?。此外，木桶原理也表明，系統(tǒng)的狀態(tài)常受制于處于最差狀態(tài)的變量。因此，系統(tǒng)中各個指標的權重應當是與指標自身取值相關的，對于取值較差的指標，應當賦予更高的權重。為體現(xiàn)不同指標取值變化對評價結果的影響，本研究使用變權法對各個指標進行賦權。該方法以等權法為基礎，考慮指標與評價標準的偏離度，偏離度越大，其權重越高，體現(xiàn)了極端變化指標對評價結果的重要影響。變權法的計算公式為：

(4)

式中：Zbest為評價標準的最優(yōu)值，在本研究中Zbest=1。

2.3 水環(huán)境承載力等級劃分方法

目前，采用指數(shù)評價的模型一般將指數(shù)等分為不同等級，從而便于評價結果的分析。本研究將水環(huán)境承載力指數(shù)按20組距劃分為5等級，按優(yōu)承載、可承載、輕超載、中超載、重超載命名，并分配5種不同顏色(見表1)。優(yōu)承載說明地區(qū)的水環(huán)境面臨的經濟社會壓力較小，尚有較大的開發(fā)空間；重超載表示研究區(qū)當前的經濟社會發(fā)展已嚴重超出水環(huán)境的支撐能力，其他等級按線性內插方式設定。

表1 水環(huán)境承載力等級標準

3 基于水環(huán)境承載力的總量控制體系構建

污染物總量控制是從管理上實現(xiàn)提出的環(huán)境目標，但與水質和環(huán)境改善之間缺乏直接的聯(lián)系。在區(qū)域污染物排放總量目標確定的情況下，如何實現(xiàn)區(qū)域污染物排放的最優(yōu)配置是總量控制中必須首先解決的重要問題。目前，總量分配常用的方法有等比例分配法、貢獻率分配法、基尼系數(shù)法和博弈法等[23-24]。這些方法均從經濟社會發(fā)展程度或污染貢獻的角度進行總量分配，難以有效兼顧環(huán)境和人類活動的綜合因素，本研究提出一種基于區(qū)域水環(huán)境承載力的總量分配方法。該方法以各區(qū)域的水環(huán)境承載力為基礎進行排放量的分配，在水環(huán)境承載力較高的區(qū)域，應分配較高允許排放量；反之，在水環(huán)境承載力較低的區(qū)域，應減少允許排放量，降低區(qū)域人類活動的壓力。在該方法體系中，總量分配是通過二次分配實現(xiàn)的。在第1層次分配時，根據(jù)研究區(qū)總的污染物總量控制目標，計算總削減率，采用等比例削減原則將削減目標分配到各行政區(qū)，該步驟主要體現(xiàn)分配的公平性原則；在此基礎上，從管理、工程和結構減排3個角度計算各行政區(qū)的最大削減能力，進而估算最小的可能排放量，以此作為等比例分配的約束，該步驟主要考慮分配結果的可行性；經過最大削減能力的校正，可能會出現(xiàn)所有行政區(qū)的排放量加和高于允許排放量的情況，此時需要進一步增加部分區(qū)域的削減量，即二次分配的問題。在本研究中，二次分配的主要考慮因素是水環(huán)境承載能力，以現(xiàn)狀評價的水環(huán)境承載力為基數(shù)，對存在削減余量的區(qū)域進一步分配削減指標。基于水環(huán)境承載力的污染物總量分配技術具體見圖1。

總量分配的具體計算過程分為兩個部分，即第1層次分配和第2層次分配。第1層次分配主要考慮公平性和可行性問題，計算公式如下：

FPrj=Max(EPrj,APrj-PPrj)

(5)

(6)

AWCrjm

(7)

式中：r、j、k、m分別為研究區(qū)內的行政區(qū)、污染物種類、行業(yè)類型、可關閉行業(yè)類型的序號；FPrj、EPrj、APrj、PPrj分別為第r個行政區(qū)第j種污染物第1層次分配的排放量、等比例削減原則下分配的排放量、實際排放量、削減最大潛力，mg；TCPj、TAPj分別為區(qū)域第j種污染物實際排放總量和總量控制目標，mg；WTVrk為第r個行政區(qū)第k種行業(yè)的污水排放量，L；WRMArk、WRMIrk分別為第r個行政區(qū)第k種行業(yè)的污水最大、實際處理率，%；PCIrjk、PCOrjk分別為第r個行政區(qū)第j種污染物第k種行業(yè)的污水處理設備入水、出水質量濃度，mg/L；SDRrk、ADRrk分別為第r個行政區(qū)第k種行業(yè)的污水最大、實際達標排放率，%；SDCrjk、ADCrjk分別為第r個行政區(qū)第j種污染物第k種行業(yè)的污水達標、實際排放質量濃度，mg/L；WTVrm為第r個行政區(qū)第m種可關閉行業(yè)的污水排放量，L；AWCrjm為第r個行政區(qū)第j種污染物第m種可關閉行業(yè)的污水排放質量濃度，mg/L。

圖1 基于水環(huán)境承載力的污染物總量分配技術示意圖Fig.1 The waste load allocation technology roadmap based on water environmental carrying capacity

第2層次分配是在第1層次分配的基礎上進行的，主要考慮各地區(qū)的水環(huán)境承載力水平，計算公式如下：

(8)

式中：OPrj為第r個行政區(qū)第j種污染物最終分配的排放量，mg。

4 結 語

本研究提出的基于環(huán)境容量的水環(huán)境承載力評價方法，方法科學合理，可操作性強，比較符合現(xiàn)實需求，具有一定的實踐意義，能對全國水環(huán)境承載力現(xiàn)狀評價起一定的指導作用。基于水環(huán)境承載力的總量控制方法是對目前總量控制制度的改進，能將現(xiàn)有總量控制與地方實際水環(huán)境承載力現(xiàn)狀很好地結合起來，能為“十三五”總量控制管理提供科學技術方法和思路。

本研究從環(huán)境管理的實際需求出發(fā)，重點關注的是水環(huán)境承載力中人類活動對水環(huán)境質量的壓力，而對水環(huán)境承載力中的人口和社會經濟規(guī)模的研究將會在后期的優(yōu)化調控研究中進行，以總的水環(huán)境承載力為約束，兼顧不同區(qū)域環(huán)境容量利用情況，實現(xiàn)區(qū)域的最大承載能力和水環(huán)境目標，以達到不同區(qū)域之間水環(huán)境承載能力的優(yōu)化配置。

[1] 國務院.水污染防治行動計劃[M].北京：人民出版社，2015.

[2] 侯麗敏，岳強，王彤.我國水環(huán)境承載力研究進展與展望[J].環(huán)境保護科學，2015，41(4)：104-108.

[3] 郭懷成，唐劍武.城市水環(huán)境與社會經濟可持續(xù)發(fā)展對策研究[J].環(huán)境科學學報，1995，15(3)：363-369.

[4] 賈振邦.本溪市水環(huán)境承載力及指標體系[J].環(huán)境保護科學，1995，21(2)：8-12.

[5] 汪恕誠.水環(huán)境承載能力分析與調控[J].水利發(fā)展研究，2002(2)：2-6.

[6] 崔寧，梁冬梅.水環(huán)境承載力評述[J].山西水利，2010，21(12)：113-114.

[7] 李川.水環(huán)境承載力量化方法的研究進展[J].環(huán)境科學與管理，2008，33(8)：66-70.

[8] 來雪慧，王小文，徐杰峰，等.基于向量模法的陜南地區(qū)水環(huán)境承載力評價[J].水土保持通報，2010，30(2)：56-59.

[9] 耿雅妮.基于向量模法的西安市水環(huán)境承載力研究[J].中國農學通報，2013，29(11)：168-172.

[10] 孟繁宇，樊慶鋅，李穎.哈爾濱水環(huán)境承載力評價指標體系的構建[J].黑龍江水利科技，2012，40(3)：1-4.

[11] 高偉.湖州市水環(huán)境承載力評價[J].水利科技與經濟，2009，15(11)：947-949.

[12] 江明峰，馬太玲，孫晶.呼和浩特市水環(huán)境承載力綜合評價[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2010，24(9)：60-63.

[13] 王莉芳，陳春雪.濟南市水環(huán)境承載力評價研究[J].環(huán)境科學與技術，2011，34(5)：199-202.

[14] 曾現(xiàn)進，李天宏，溫曉玲.基于AHP和向量模法的宜昌市水環(huán)境承載力研究[J].環(huán)境科學與技術，2013，36(6)：200-205.

[15] 李美榮，鄭欽玉，劉娟，等.基于AHP法的重慶市水環(huán)境承載力研究[J].水利科技與經濟，2012，18(5)：1-6.

[16] 朱銀銀，柴磊.基于系統(tǒng)動力學的某市水環(huán)境承載力動態(tài)變化研究[J].水利科技與經濟，2010，16(9)：1039-1041.

[17] 邢有凱，余紅，肖楊，等.基于向量模法的北京市水環(huán)境承載力評價[J].水資源保護，2008，24(4)：1-4.

[18] 張軍.基于向量模法的陜西省水環(huán)境承載力評價[J].河南科學，2012，30(11)：1634-1637.

[19] 王儉，孫鐵珩，李培軍，等.基于人工神經網絡的區(qū)域水環(huán)境承載力評價模型及其應用[J].生態(tài)學雜志，2007，26(1)：139-144.

[20] 趙衛(wèi)，劉景雙，蘇偉，等.遼寧省遼河流域水環(huán)境承載力的多目標規(guī)劃研究[J].中國環(huán)境科學，2008，28(1)：73-77.

[21] 李如忠.基于指標體系的區(qū)域水環(huán)境動態(tài)承載力評價研究[J].中國農村水利水電，2006(9)：42-46.

[22] 張祥娟，李新，李秀霞，等.用層次分析法建立京杭大運河蘇州高新區(qū)段水環(huán)境承載力指標體系研究[J].環(huán)境保護與循環(huán)經濟，2011(2)：42-44.

[23] 王秀蘭，李紅亮.河北省水環(huán)境承載力及污染物總量控制方案研究[J].海河水利，2004(4)：31-33.

[24] 趙然航，曹升樂，高輝國.城市水環(huán)境承載力與可持續(xù)發(fā)展策略研究[J].山東大學學報，2005，35(2)：90-94.