基于多目標(biāo)模型的大凌河流域水環(huán)境承載力研究

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(yán)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(jià)指標(biāo)和區(qū)域協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的重要依據(jù)，對促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展具有重要意義[2]。當(dāng)前，針對環(huán)境承載力的研究主要集中在指標(biāo)選取、評價(jià)體系構(gòu)建以及方法量化層次，各子目標(biāo)層主要考慮資源、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、環(huán)境等方面，不同指標(biāo)和要素之間的關(guān)聯(lián)性較弱；而針對水環(huán)境的評價(jià)指標(biāo)主要有城市污水處理以及工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)率等方面，此類指標(biāo)數(shù)據(jù)提取難度大、準(zhǔn)確性較低并且與水環(huán)境的關(guān)聯(lián)性不大；指標(biāo)量化法通常是對量化結(jié)果的等級分類不夠詳細(xì)和深入，主要有承載率間接表征法、指標(biāo)評價(jià)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(jìn)行表征，然后結(jié)合大凌河流域水環(huán)境實(shí)際狀況和承載力特征選取典型的評價(jià)指標(biāo)并建立對數(shù)函數(shù)模型，利用模型評價(jià)結(jié)果對該流域承載力發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測，以期對大凌河流域自然與社會系統(tǒng)發(fā)展質(zhì)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(biāo)模型

評價(jià)指標(biāo)的優(yōu)選是影響預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確性與可靠性的關(guān)鍵因素，因此本文結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)和指標(biāo)選擇基本原則分別對多目標(biāo)模型評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)選。為反映大凌河流域有機(jī)或無機(jī)氮、磷的承載狀況，本研究結(jié)合區(qū)域自然與環(huán)境特征分別選取了COD化學(xué)需氧量、總氮、總磷入河量指標(biāo)；選取了水資源開發(fā)利用率指標(biāo)，反映自然水資源對開發(fā)利用程度的承載現(xiàn)狀，并且結(jié)合該流域社會實(shí)際現(xiàn)狀如生活供水保證率、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局以及城市化進(jìn)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(fù)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(biāo)，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(biāo)基本內(nèi)涵和特征劃分為三個層級即目標(biāo)層、子目標(biāo)層和指標(biāo)層，其中水環(huán)境承載力A即為目標(biāo)層，它概括了各子目標(biāo)以及評價(jià)指標(biāo)內(nèi)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(jià)指標(biāo)的內(nèi)涵和特征可將其劃分為正向與負(fù)向指標(biāo)，其中正向指標(biāo)越大或負(fù)向指標(biāo)值越小則代表承載力越低，各評價(jià)指標(biāo)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(fù)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(jià)指標(biāo)體系及權(quán)重值

1.2 指標(biāo)權(quán)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(jìn)而確定并實(shí)現(xiàn)復(fù)雜問題的階梯結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的方法[5]。本研究根據(jù)如下數(shù)據(jù)資料進(jìn)行專家重要性打分：大凌河流域常規(guī)水質(zhì)達(dá)標(biāo)檢測率不足18.6%，該流域有機(jī)污染嚴(yán)重[6]；人均水資源量普查結(jié)果低于遼寧省平均水平和其他相近流域[7]；流域內(nèi)生活用水備用水源不足，存在較大的供水風(fēng)險(xiǎn)[8]；流域內(nèi)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出高能耗、高水耗的變化趨勢[9]；各評價(jià)指標(biāo)的專家賦分權(quán)重結(jié)果見表1。

1.3 單項(xiàng)指標(biāo)承載力度模型

利用對數(shù)函數(shù)數(shù)值模型法對指標(biāo)層中各單項(xiàng)指標(biāo)的承載度求解，具有對評價(jià)結(jié)果按照等級進(jìn)行定量化判定的優(yōu)勢；利用標(biāo)準(zhǔn)值參數(shù)對承載度模型率定，其評價(jià)結(jié)果具有更加準(zhǔn)確、直觀[10]。單項(xiàng)指標(biāo)承載度詳細(xì)步驟為：按照最優(yōu)、良好、及格和最差標(biāo)準(zhǔn)可將評價(jià)等級劃分為四大類，相應(yīng)的取值約為1.0、0.8、0.6、0.0；利用模型對正向指標(biāo)承載度進(jìn)行求解，變量與函數(shù)值具有明顯的正相關(guān)性，然而其變化趨勢隨著值的增大趨于平緩；采用模型對負(fù)向指標(biāo)承載度進(jìn)行求解，變量與函數(shù)值呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性，并且的降低幅度逐漸增大。結(jié)合遼寧省水環(huán)境綜合治理規(guī)劃以及生態(tài)城市建設(shè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)值，并對各參數(shù)率定從而得到各單項(xiàng)指標(biāo)的承載度，結(jié)果見表2。

表2 水環(huán)境承載力各單項(xiàng)指標(biāo)承載度模型

1.4 綜合評價(jià)方法

對水環(huán)境綜合承載力采用向量模法進(jìn)行評價(jià)。該方法是以各指標(biāo)構(gòu)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(jià)值，各個評價(jià)值存在n個分量其相應(yīng)的權(quán)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(dá)式如下：

(1)

2 計(jì)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(jìn)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(jié)合大凌河流域工業(yè)GDP增長率、人口預(yù)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(jìn)行預(yù)測，并得到各指標(biāo)的承載力壓力值；結(jié)合遼寧省統(tǒng)計(jì)年鑒和水資源綜合規(guī)劃相關(guān)資料，求解該流域在2012—2016年社會環(huán)境各指標(biāo)承載力壓力值，并對相關(guān)指標(biāo)預(yù)測。

對大凌河流域在2025和2012—2016年的各指標(biāo)承載度利用單項(xiàng)指標(biāo)承載度模型進(jìn)行確定，通過將各指標(biāo)壓力值帶入模型，并結(jié)合表2指標(biāo)權(quán)重結(jié)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(jìn)行量化評價(jià)，計(jì)算和評價(jià)結(jié)果見表3和圖1。

表3 大凌河流域水環(huán)境單項(xiàng)指標(biāo)承載度及綜合承載力

圖1 各單項(xiàng)指標(biāo)趨勢

2.2 承載力演變趨勢

由表3計(jì)算結(jié)果及圖1可以看出，自然環(huán)境各指標(biāo)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(biāo)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(biāo)承載力狀態(tài)良好；在2012—2016年TN、TP和COD入河量水質(zhì)指標(biāo)的整體變化趨勢不大，并且在合格等級下水質(zhì)指標(biāo)均降低了0.1～0.2，結(jié)合2025年預(yù)測結(jié)果可知在2016—2025年的水質(zhì)指標(biāo)承載度具有較大幅度的降低，等級標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(biāo)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(biāo)值很可能接近良好等級；在研究期間人口城鎮(zhèn)化率指標(biāo)實(shí)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(biāo)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(biāo)在2016年達(dá)到最大值為0.655，在研究期間該指標(biāo)呈現(xiàn)出穩(wěn)步增長趨勢，預(yù)測在2025年可達(dá)到0.901趨近良好水平；城鎮(zhèn)居民生活用水定額指標(biāo)由2012年的良好等級逐漸下降至2016年的及格水平，該指標(biāo)整體為下降趨勢，并在2025年預(yù)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(yù)測結(jié)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(yù)測結(jié)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(yù)測結(jié)果顯示該指標(biāo)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(qū)動力，社會環(huán)境各指標(biāo)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(jié)合預(yù)測分析結(jié)果，分別從污水總量收集、控制、運(yùn)輸和處理四個方向?qū)λwTN、TP和COD入河量進(jìn)行外源污染過程控制。嚴(yán)格按照排放標(biāo)準(zhǔn)對大凌河流域采礦、印染、醫(yī)化、砂洗等行業(yè)進(jìn)行排查，對高污染、高能耗行業(yè)進(jìn)行轉(zhuǎn)降整治；針對小散養(yǎng)殖場，深入推廣使用天然有機(jī)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(jìn)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(jìn)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(yīng)嚴(yán)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(jìn)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(jié)構(gòu)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(biāo)呈現(xiàn)出快速下降且低于及格線以下的實(shí)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(jìn)政府水價(jià)改革，促進(jìn)企業(yè)節(jié)水工程改造。

4 結(jié)論

自然環(huán)境各指標(biāo)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(biāo)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(biāo)承載力狀態(tài)良好；社會環(huán)境指標(biāo)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(qū)動力，社會環(huán)境各指標(biāo)對于提升承載力的作用仍具有較大空間。