河南省水環(huán)境承載力動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)分析

張浩然，鄭志宏,2，王徐洋

(1.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，鄭州 450046； 2.河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，鄭州 450046)

水環(huán)境是構(gòu)成環(huán)境的基本要素之一。它不僅是支持社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)發(fā)展的物質(zhì)資源，也是支持生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)的環(huán)境資源。雖然地球上的水資源總量非常豐富，但人類可用的水資源卻非常有限。同時(shí)，水資源緊缺和水污染等水環(huán)境問(wèn)題日益突出，已成為制約各地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要瓶頸。

河南省作為我國(guó)的人口大省、農(nóng)業(yè)大省和經(jīng)濟(jì)大省，近年來(lái)隨著工業(yè)的快速發(fā)展，人口的增加和城區(qū)面積的不斷擴(kuò)大，對(duì)水資源的需求量也在逐年增加，供需矛盾日益突出。根據(jù)2016年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，河南省的水污染問(wèn)題較為嚴(yán)重：河流長(zhǎng)度監(jiān)測(cè)評(píng)估4 838.8 km，其中水質(zhì)達(dá)到并超過(guò)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的河流長(zhǎng)度占河流總長(zhǎng)度的49.1%。水質(zhì)為劣Ⅴ類的河長(zhǎng)占總河長(zhǎng)的26.8%，斷流河長(zhǎng)132.7 km，占總河長(zhǎng)的2.7%。全省164個(gè)水功能區(qū)中只有101個(gè)符合標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)標(biāo)率為66%。地下水的水質(zhì)更令人擔(dān)憂。全省227眼地下水監(jiān)測(cè)井，只有29眼井達(dá)到地下水質(zhì)量Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，占監(jiān)測(cè)總數(shù)的12.8%。河南省的水環(huán)境問(wèn)題已成為制約其經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的重要因素，且隨著污染類型和數(shù)量的不斷增加，這種制約將越來(lái)越明顯。因此，開(kāi)展水環(huán)境承載力研究具有現(xiàn)實(shí)的必要性和緊迫性，對(duì)于協(xié)調(diào)河南省經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展與水環(huán)境保護(hù)的關(guān)系具有重大意義。

1 水環(huán)境承載力

水環(huán)境承載力是水環(huán)境和承載能力的自然組合。但截至目前，關(guān)于水環(huán)境承載力含義的研究尚未在學(xué)術(shù)界達(dá)成普遍共識(shí)[9]。綜合學(xué)者們的研究，將水環(huán)境承載力的定義歸納為以下幾種類型：①汪怒誠(chéng)、申獻(xiàn)辰等認(rèn)為水環(huán)境承載力是指在一定的水域內(nèi)，所能容納污水和污染物的最大容量，且不影響水體繼續(xù)被使用并保持良好生態(tài)系統(tǒng)。該定義著重于水體的納污能力，更加注重水質(zhì)[10]；②崔鳳軍認(rèn)為水環(huán)境承載能力可以理解為某一地區(qū)的水環(huán)境在某一時(shí)期或某種狀態(tài)下可以承受的人類活動(dòng)的閾值[11]。該定義側(cè)重于人類在大規(guī)模、高強(qiáng)度和快速發(fā)展經(jīng)濟(jì)的過(guò)程中，對(duì)環(huán)境造成的壓力；③賀瑞敏從狹義和廣義兩個(gè)角度對(duì)水環(huán)境承載力的定義進(jìn)行闡述：狹義的水環(huán)境承載力即水體納污能力；廣義的水環(huán)境承載力是指在一定的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與技術(shù)條件下，某一區(qū)域水環(huán)境對(duì)人類活動(dòng)的支持能力[12]。

本文的水環(huán)境承載力是指區(qū)域水環(huán)境在某一時(shí)期或某種狀態(tài)下，能夠具有自我維持和自我調(diào)節(jié)的能力，并保證水體功能的正常發(fā)揮。同時(shí)，還可以保持持續(xù)健康的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支撐能力。

2 研究方法及模型構(gòu)建

2.1 研究方法

水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)的量化方法主要包括綜合指標(biāo)體系評(píng)價(jià)法、多目標(biāo)模型分析法和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法。

綜合指標(biāo)體系評(píng)價(jià)方法是通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法選擇單個(gè)或多個(gè)指標(biāo)，進(jìn)而反映區(qū)域水環(huán)境承載力現(xiàn)狀和閾值，主要包括模糊綜合評(píng)價(jià)法和向量模法等[13]。本研究采用向量模法對(duì)河南省的水環(huán)境承載力進(jìn)行分析計(jì)算。

2.2 水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)的關(guān)鍵是建立合理的水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。指標(biāo)體系中各個(gè)指標(biāo)的合理組合是準(zhǔn)確表達(dá)和定量描述水環(huán)境承載力的基礎(chǔ)，指標(biāo)體系的合理性對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果有著直接的影響。因此，在評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇上，應(yīng)當(dāng)盡量遵循區(qū)域性原則、層次性原則、動(dòng)態(tài)性原則、可操作性原則和相對(duì)獨(dú)立性原則。基于以上原則，本研究中設(shè)定河南省水環(huán)境承載力準(zhǔn)則層包括水資源、水生態(tài)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)3個(gè)方面。考慮到數(shù)據(jù)的可獲取性，本研究最終選取11項(xiàng)指標(biāo)建立評(píng)價(jià)體系(表1)。所選指標(biāo)涉及河南省水資源狀況、經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r、污水處理狀況、用水情況和環(huán)境情況等方面，符合區(qū)域性、層次性、動(dòng)態(tài)性等原則。另外，根據(jù)對(duì)水環(huán)境承載力產(chǎn)生的影響，可把指標(biāo)分為以下兩類：第一類正影響指標(biāo)，指標(biāo)值的提高將對(duì)改善水環(huán)境承載力產(chǎn)生積極影響；第二類負(fù)影響指標(biāo)，指標(biāo)值的提高將降低水環(huán)境的承載能力。運(yùn)用層次分析法計(jì)算各指標(biāo)值的權(quán)重，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 水環(huán)境承載力指標(biāo)權(quán)重Tab.1 Water environment carrying capacity indicator weights

2.3 水環(huán)境單項(xiàng)指標(biāo)承載度模型

采用對(duì)數(shù)函數(shù)對(duì)水環(huán)境單項(xiàng)指標(biāo)承載度進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于正影響指標(biāo)，計(jì)算模型為y=a+blgx，式中a和b為模型中的參數(shù)，函數(shù)值y隨著x的增大而增大，當(dāng)指標(biāo)值增加到一定程度后，承載度的增加變緩；對(duì)于負(fù)影響指標(biāo)，計(jì)算模型為y=blg(a-x)，函數(shù)值y隨著x的增大而減小。各單項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和承載度模型見(jiàn)表2。

表2 單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及承載度模型Tab.2 Single index evaluation standard and carrying degree model

2.4 水環(huán)境綜合承載力模型

本文采用向量模法計(jì)算水環(huán)境綜合承載力。向量模法數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)扎實(shí)，人為因素較小，原理、形式和運(yùn)算相對(duì)簡(jiǎn)單，并逐漸得到廣泛應(yīng)用。向量模法是通過(guò)一定的定量過(guò)程分析建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，最終得到0～1的無(wú)量綱值。評(píng)價(jià)值可以反映水環(huán)境承載力的相對(duì)大小，評(píng)價(jià)值越接近1表明水環(huán)境承載力水平越高，即水環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展協(xié)調(diào)性越好。本研究即采用向量模法對(duì)河南省的水環(huán)境承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

假設(shè)有m個(gè)不同的水平年，設(shè)m個(gè)評(píng)價(jià)值為Ej(j=1,2,...,m)，再設(shè)每個(gè)評(píng)價(jià)值Ej包括n個(gè)具體指標(biāo)確定的分量，每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重為Wi(i=1,2,...,n)，即有Ej=(E1j,E2j,…,Enj)。這樣，第j個(gè)水體承載力的大小可用歸一化后的矢量的模表示，即:

(1)

(2)

3 水環(huán)境綜合承載力評(píng)價(jià)

3.1 單項(xiàng)指標(biāo)承載度計(jì)算

根據(jù)歷年《河南統(tǒng)計(jì)年鑒》、河南省《統(tǒng)計(jì)公報(bào)》、《水資源公報(bào)》和《環(huán)境統(tǒng)計(jì)年報(bào)》等資料，得到2007-2016年的水環(huán)境承載力指標(biāo)值(表3)。

依據(jù)表3列出的各項(xiàng)水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)值，再應(yīng)用表2所建立的各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的承載度模型，計(jì)算得到2007-2016年河南省水環(huán)境承載力各評(píng)價(jià)指標(biāo)的承載度。具體指標(biāo)承載度見(jiàn)表4。

表3 水環(huán)境承載力指標(biāo)值Tab.3 Water environment carrying capacity indexes value

表4 單項(xiàng)指標(biāo)承載度Tab.4 Degree of single index

3.2 水環(huán)境承載力計(jì)算

根據(jù)表4列出的河南省水環(huán)境承載力各評(píng)價(jià)指標(biāo)的承載度值，以及各評(píng)價(jià)指標(biāo)在相應(yīng)準(zhǔn)則層上，運(yùn)用層次分析法計(jì)算得到的權(quán)重，計(jì)算出河南省水資源、水生態(tài)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的分承載力，最后應(yīng)用向量模法計(jì)算得到河南省水環(huán)境綜合承載力。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5-表8。

表5 河南省水環(huán)境水資源分承載力Tab.5 Water environment carrying capacity of water resources in Henan province

表6 河南省水環(huán)境水生態(tài)分承載力Tab.6 Water environment carrying capacity of water ecological in Henan province

表7 河南省水環(huán)境社會(huì)經(jīng)濟(jì)分承載力Tab.7 Water environment carrying capacity of social economic in Henan province

表8 河南省水環(huán)境承載力Tab.8 Water environment carrying capacity in Henan province

3.3 水環(huán)境承載力分析

根據(jù)表8，將計(jì)算得出的河南省水環(huán)境承載力數(shù)值繪制成折線圖，以便更好地觀察近十年河南省水環(huán)境承載力的變化趨勢(shì)(圖1)。

圖1 河南省水環(huán)境承載力Fig.1 Water environment carrying capacity in Henan province

由圖1可知，河南省水環(huán)境承載力經(jīng)歷了兩個(gè)增長(zhǎng)階段，從2007-2010年，承載力數(shù)值由0.341增長(zhǎng)至0.394；2011年略有下降，主要原因是人均水資源量的減少和萬(wàn)元GDP化學(xué)需氧量排放的增多；2012-2016年，水環(huán)境承載力逐年上升，從0.338增長(zhǎng)至0.413，主要原因是萬(wàn)元GDP用水量的減少和人均GDP的逐年增長(zhǎng)。

2007-2016年，水生態(tài)分承載力數(shù)值從0.643增長(zhǎng)至0.829，其變化趨勢(shì)與水環(huán)境綜合承載力的變化趨勢(shì)相一致，表明萬(wàn)元GDP化學(xué)需氧量排放的增多對(duì)水環(huán)境綜合承載力產(chǎn)生的顯著影響；2007-2016年，水資源分承載力數(shù)值在0.4～0.5之間波動(dòng)，但人均水資源量卻幾乎逐年減少，表明河南省近年來(lái)水資源的緊缺，形勢(shì)不容樂(lè)觀；2007-2016年，社會(huì)經(jīng)濟(jì)分承載力逐年增長(zhǎng)，從0.468增長(zhǎng)至0.725，人均GDP和農(nóng)民人均純收入增幅明顯，表明河南省近年來(lái)快速推進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展取得的顯著成果。

4 結(jié) 論

1) 河南省近十年水環(huán)境承載力整體上屬于中低水平，但總體而言，水環(huán)境承載力狀況呈逐年改善的趨勢(shì)。

2) 河南省水環(huán)境承載力處于中低水平的主要原因是河南省水資源的短缺限制了河南省水環(huán)境承載力的整體水平，具體表現(xiàn)在2011年由于河南省人均水資源量的大幅減少，使得河南省水環(huán)境承載力的評(píng)價(jià)值發(fā)生明顯下降。

3) 河南省近十年水環(huán)境承載力上升的主要原因在于，隨著河南省經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人均GDP、農(nóng)民人均純收入的快速增長(zhǎng)、環(huán)保投資的加大以及工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)率的提高等。這些正影響指標(biāo)的提升對(duì)于河南省水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)值的提高起著重要作用。

水環(huán)境對(duì)于河南省社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著十分重要的作用。因此，應(yīng)該抓住薄弱環(huán)節(jié)重點(diǎn)改善，在保持經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)較快發(fā)展的前提下，繼續(xù)加大環(huán)保投入，加強(qiáng)對(duì)工業(yè)廢水和生活污水的治理，并做好農(nóng)業(yè)面源污染的控制與管理。同時(shí)，還應(yīng)在不斷提高水資源利用效率的同時(shí)，大力推進(jìn)節(jié)水工作，增強(qiáng)水環(huán)境對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的支撐能力，實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展和水環(huán)境承載力不斷提高的良好局面。