流域水環(huán)境承載力評價
——以白洋淀流域為例

白 潔，王歡歡，劉世存，田 凱，趙彥偉，李春暉

（水環(huán)境模擬國家重點實驗室，北京師范大學環(huán)境學院，北京 100875）

人口增長和社會經濟發(fā)展引發(fā)了水資源過度消耗、水環(huán)境質量下降、水生態(tài)受損等系列問題，反過來制約社會經濟發(fā)展，水環(huán)境承載力（WECC）的研究受到重視[1]。水環(huán)境承載力評價旨在通過研究水環(huán)境、社會、經濟等各因素之間的關系，為資源開發(fā)利用、社會經濟發(fā)展提供參考和依據(jù)，并可以衡量區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的程度[2]。作為“華北之腎”，白洋淀是雄安新區(qū)開發(fā)建設的重要依托，在調節(jié)氣候、控制污染、保護物種多樣性和維持生態(tài)平衡等方面發(fā)揮著巨大作用。白洋淀流域社會經濟活動是白洋淀淀區(qū)的重要影響源，水環(huán)境承載狀況直接影響白洋淀的生態(tài)建設與修復，開展水環(huán)境承載力評價十分必要。

國外主要在可持續(xù)發(fā)展的范疇內開展水環(huán)境承載力相關研究[3-5]，評價對象包括湖泊、城市、區(qū)域等。國內研究始于湄洲灣案例[6]，此后針對不同對象從評價指標體系、評價方法等方面開展深入研究[7-9]。提出的評價方法主要包括指標體系法、多目標模型法、單目標最優(yōu)化方法、系統(tǒng)動力學方法等[10-15]。指標體系評價法中的模糊綜合評價法明確了評價對象與標準等級間的隸屬關系，很好地解決了判斷的模糊性和不確定性問題，得到廣泛應用。金菊良等[16]將層次分析法與模糊綜合評價結合，構建更加客觀穩(wěn)定的綜合評價模型；徐志青等[17]采用模糊綜合評價研究了南京市水環(huán)境承載力的動態(tài)變化。但該方法采用最大隸屬度原則得出最終的評價級別，容易在評價中丟失隸屬度信息，評價因素越多，遺失有效信息和誤判的可能性就越大[18]。利用可變模糊識別理論及模型，對水環(huán)境承載力進行評價，可以通過變化模型參數(shù)，合理地確定樣本指標對各級指標標準區(qū)間的相對隸屬度，有效解決評價中邊界模糊對評價結果的影響問題，可提高對樣本等級評價的可信度[19-20]。

本文以白洋淀流域為例，嘗試建立水環(huán)境承載力評價指標體系，利用可變模糊識別理論及模型對其近20 年的水環(huán)境承載力進行評價，明確了水環(huán)境承載力變化，為白洋淀水保護和綜合管理提供科學依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1.1 研究區(qū)概況

白洋淀流域地處海河流域中部（圖1），地跨山西、河北和北京3 省市，包括保定市全市和石家莊市、張家口市、北京市、忻州市及大同市部分縣區(qū)。流域面積約3.4 萬km2，占整個海河流域面積的11%。白洋淀共有8 條入淀河流，分別是白溝引河（拒馬河）、萍河、瀑河、漕河、府河、唐河、孝義河、潴龍河。流域人口密度較大，水資源匱乏，開發(fā)強度大，除府河、孝義河有水外，其余入淀河流基本呈斷流狀態(tài)，且受工業(yè)、城鎮(zhèn)生活與農業(yè)非點源污染影響，入淀河流水質欠佳，基本為Ⅳ～Ⅴ類水平，污染因子為COD、TN、NH3-N 等。同時，入淀河流受閘壩調控影響顯著，連通性受阻，再加上生態(tài)流量缺乏等因素疊加，水生態(tài)狀況較差。

圖1 白洋淀流域范圍Figure 1 The site of Baiyangdian watershed

1.1.2 數(shù)據(jù)來源

涉及河北省部分市縣的數(shù)據(jù)主要來自于1998—2017 年《保定市社會經濟統(tǒng)計年鑒》《保定市水資源公報》《河北省水資源公報》《保定市統(tǒng)計年鑒》《保定市國民經濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》《河北農村統(tǒng)計年鑒》《保定市環(huán)境質量公報》《中國城市統(tǒng)計年鑒》《河北經濟年鑒》及保定市人民政府（http：//www.bd.gov.cn/）、保定市生態(tài)環(huán)境局（http：//www.bdhb.gov.cn/）等相關網站，涉及到北京市和山西省部分縣區(qū)的數(shù)據(jù)主要來自于實地調研收集和當?shù)氐慕y(tǒng)計資料。

1.2 評價指標體系與標準

水環(huán)境是指以水為主體的各種自然和社會因素的統(tǒng)一體，水環(huán)境承載力是指在一定的自然環(huán)境條件和特定的社會經濟發(fā)展模式下，區(qū)域水環(huán)境對其社會經濟發(fā)展的支撐能力[21]，其承載水平與水資源、水環(huán)境和水生態(tài)稟賦直接相關，更取決于社會經濟系統(tǒng)對水資源、水環(huán)境和水生態(tài)的利用方式與水平，開發(fā)與利用方式越合理、利用效率越高，則承載水平越高。因此，水環(huán)境承載力評價指標體系構成上，應包括水資源要素、水環(huán)境要素與水生態(tài)要素的3 類指標，且要反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境稟賦與人類社會經濟活動的影響?；谝陨戏治觯紤]科學性、系統(tǒng)性、動態(tài)性和可操作性的原則，構建包括水資源、水環(huán)境和水生態(tài)三要素，共16個指標的評價指標體系（表1）。

人均水資源量反映區(qū)域水資源稟賦，萬元GDP用水量和重復用水率反映水資源利用與節(jié)約水平，環(huán)境用水占流域生態(tài)保護與建設的水資源投入水平，以上4 項為水資源要素指標。水環(huán)境要素指標共8 項，其中水質達標率直接反映水體環(huán)境功能現(xiàn)狀，萬元GDP 化學需氧量、氨氮排放量、單位面積化肥使用量、單位面積農藥施用量反映流域內生產生活活動對水環(huán)境的壓力，城鎮(zhèn)污水集中處理率、工業(yè)廢水達標排放率和畜禽養(yǎng)殖場糞便綜合利用率反映污染控制與治理水平。水生態(tài)要素共選取4 項指標，林木覆蓋率和建成區(qū)綠化覆蓋率反映水生態(tài)功能狀態(tài)，建設用地面積占比與水域面積率反映流域內社會經濟發(fā)展對水生態(tài)的侵占。

目前，對于水環(huán)境承載力評價，尚無明確統(tǒng)一的標準。不同區(qū)域根據(jù)其社會經濟發(fā)展需求對水環(huán)境承載力有不同的要求。根據(jù)白洋淀流域實際，將水環(huán)境承載力指標劃分為5 個等級：低、較低、中、較高和高。劃分標準主要參考國家標準、北京市和河北省相應標準以及相關研究成果，同時參考專家意見進行調整。具體評價分級標準見表1。

表1 白洋淀流域水環(huán)境承載力指標與分級標準Table 1 Indicator system and classification standard of water environment carrying capacity

1.3 評價方法

1.3.1 權重確定方法

層次分析法（AHP）是一種較為主觀的賦權方法，它可以把復雜問題分解成各個組成因素，形成遞階的層次結構，解決多因素相互關聯(lián)、相互制約的系統(tǒng)分析問題。計算步驟包括構造判斷矩陣、計算權向量、進行一致性檢驗、確定各指標權重[22]。熵值法是一種客觀賦權方法，它通過計算指標的信息熵，根據(jù)指標的相對變化程度對系統(tǒng)整體的影響來決定指標的權重。它的計算步驟包括指標標準化處理、確定指標特征比重、計算指標熵值、確定指標差異系數(shù)、確定指標權重[23]。指標權重采用層次分析法和熵值法的平均值來確定，結合主客觀賦權結果，更為可靠。

1.3.2 可變模糊識別模型

本文采用可變模糊識別模型[24]進行評價，該模型為：

式中：VA(U)為識別對象u（即水環(huán)境承載力）對A（即水環(huán)境承載力評價標準）的相對隸屬度；a為優(yōu)化準則參數(shù)，a=1為最小一乘方準則，a=2為最小二乘方準則；dg為距優(yōu)距離為距劣距離為距離參數(shù)，p=1 為海明距離，p=2 為歐氏距離 ；wi為指標權重；μA(u)i為指標（i即評價指標）對應的相對隸屬度向量，由公式計算得到，其中相對差異度DA(u)i表示評價等級標準對評價指標值的吸引程度。

式中a與p有4種搭配：①當a=1,p=1時，公式可變?yōu)闉槟：C合評價模型；②當a=2,p=1時，可變?yōu)閂A(U)=，為Sigmoid型函數(shù)；③當a=1,p=2時，公式可變?yōu)椋篤A(U)=dgdb+db，為理想點模型；④當a=2,p=2時，公式可變?yōu)椋篤A(U)=，為模糊優(yōu)選模型。

根據(jù)VA(U)的計算結果，采用特征值公式，確定各模型下的特征值。VA(U)在不同級別上均存在相對隸屬度，h為VA(U)相應的級別，Hu為評價對象u的特征值。公式如下：

綜上，可變參數(shù)的不同組合下共有4 種模型，每種模型都可得到相應的特征值，將4 種結果平均得到評價對象u（如水環(huán)境承載力）的綜合特征值（如可根據(jù)陳守煜等[19-20]提出的判斷準則公式（3）進一步劃分綜合特征值的評價等級：

本文對水環(huán)境承載力劃分了5 個等級，根據(jù)式（3）劃分得到的等級標準見表2。

表2 綜合特征值等級劃分Table 2 Classification of comprehensive characteristic values

2 結果與討論

2.1 評價結果

由層次分析法和熵值法確定各指標權重（表1），將收集、計算得到的所有水資源、水環(huán)境、水生態(tài)各項指標數(shù)據(jù)（1998—2017年）代入可變模糊識別模型[式（1）、（2）]中，得到水資源、水環(huán)境和水生態(tài)要素特征值與水環(huán)境承載力綜合特征值，結合承載力等級劃分標準，得到水環(huán)境承載力評價結果，如圖2所示。

由圖2 可見，白洋淀流域水環(huán)境承載力綜合特征值從 1998 年的 1.84 提高到 2017 年的 3.16，呈穩(wěn)步上升趨勢。其中，1998—2012 年水環(huán)境承載力屬較低承載區(qū)間，2013—2017 年水環(huán)境承載力屬于中承載區(qū)間且呈現(xiàn)顯著上升。各要素方面，水資源、水環(huán)境和水生態(tài)要素的特征值分別由1998年為1.18、1.92和3.44 變化為 2017 年的 2.72、3.36 和 2.31；1998—2012年，水資源要素的承載力基本屬于低或較低承載區(qū)間，水環(huán)境要素承載力處于較低承載區(qū)間，水生態(tài)要素處于中等承載區(qū)間，但呈下降趨勢；2013—2017年，水資源和水環(huán)境要素承載力均提升到中等承載區(qū)間，水生態(tài)要素承載力繼續(xù)下降，下降幅度有所減小。水資源要素承載力的提升主要是重復用水率和環(huán)境用水量占比這兩個指標貢獻所致，萬元GDP 化學需氧量、氨氮排放量的降低和城鎮(zhèn)污水集中處理率的提升推動了水環(huán)境要素承載力的提升，而建設用地面積增加，水域面積減少，使得水生態(tài)承載力有所下降。

圖2 評價結果Figure 2 Evaluation results

2.2 討論

（1）本文研究結果顯示，白洋淀流域水環(huán)境承載力從1998 年到2017 年逐漸提升，從較低提升到中等承載力狀態(tài)。這種趨勢與張彥等[25]的研究結果基本一致，其研究顯示水環(huán)境承載力有所提升，但2001—2016年處于較弱承載水平；也與李翀等[26]的結果基本一致，其結果顯示1995—2004 年的水環(huán)境承載力處于較低水平，但總體呈現(xiàn)出逐年增大的趨勢。此二人的研究區(qū)域為保定市，代表了白洋淀流域面積的70%以上，研究區(qū)域基本與本文一致，本研究與其他相關專家的研究結果也基本一致，結果基本可靠。

造成結果略有不同的原因可能是指標選取和指標分級標準確定的不同。本文選取了水資源、水環(huán)境和水生態(tài)三方面指標，張彥等[25]從人口、資源、社會經濟和生態(tài)環(huán)境綜合選取，指標部分重合，且突出了社會經濟發(fā)展指標（如人均GDP、第三產業(yè)占比等），本文未選取社會經濟發(fā)展類指標，但選取了資源環(huán)境效率類指標，反映了社會經濟活動對資源環(huán)境開發(fā)利用的集約化水平；指標分級方面也有不同，本文根據(jù)實際情況將水環(huán)境承載力分為5 級，張彥等[25]將其分為4 級，因此本研究中的2012—2017 年，已經逐步過渡到中等承載水平，與上述研究略有差別。李翀等[26]采用模糊綜合評價結合常規(guī)加權平均的綜合評價法得出結果，數(shù)值越接近1 越好，沒有明確分級，研究結果為大致處于較低水平，與本研究基本一致。

（2）近20 年，白洋淀流域水環(huán)境承載力呈穩(wěn)步上升的趨勢，2012—2017 年明顯提升。這主要是由于十八大以來，生態(tài)文明理念深入人心，國家加大了大清河流域的污染防治力度，出臺了《水污染防治行動計劃》（水十條）、《重點流域水污染防治規(guī)劃（2016—2020 年）》《海河流域綜合規(guī)劃（2012—2030 年）》等系列文件，且深入開展了環(huán)保巡視與督察工作，推動出臺了《河北省白洋淀綜合整治專項行動方案》等，對白洋淀流域生態(tài)環(huán)境的保護和治理力度隨之加大，水環(huán)境承載狀況有所提升。而隨著雄安新區(qū)的成立，有關污染治理、生態(tài)保護的標準與目標進一步提升，水資源調配與利用的渠道進一步拓展，北京、河北開展了大清河白洋淀流域水環(huán)境治理聯(lián)合執(zhí)法行動，京冀水污染協(xié)同治理不斷推進，預計水環(huán)境承載狀態(tài)會有大幅提高。

不同于水資源與水環(huán)境要素承載狀態(tài)的提升，水生態(tài)要素承載狀態(tài)卻呈現(xiàn)下降趨勢。主要原因是水生態(tài)要素不同于水資源與水環(huán)境要素，流域生態(tài)系統(tǒng)的復雜性使得生態(tài)響應滯后于生態(tài)保護與修復措施的實施，且多年的不合理開發(fā)與利用使得水生態(tài)受損嚴重，下行趨勢難以很快實現(xiàn)有效控制，實現(xiàn)恢復需要更多的努力與更長的時間。應在加強水資源集約利用的基礎上，加強生態(tài)補水，保障河湖生態(tài)流量，落實城鎮(zhèn)生活污水處理廠建設與提標改造，控制污染負荷，同時應科學規(guī)劃與管理，控制流域開發(fā)強度，加強上游山區(qū)與平原地區(qū)植樹造林，退還農業(yè)與城市建設侵占的濕地，擴大濕地面積，穩(wěn)步提升流域生態(tài)系統(tǒng)承載能力。

（3）水環(huán)境承載力是一個相對模糊且組成復雜的評價主體，從研究方法上看，可變模糊識別模型在模糊集合論靜態(tài)概念與理論上突破，通過評價得到綜合特征值，并據(jù)此進行分級以判斷水環(huán)境承載力的水平。它的優(yōu)勢是將要素的單一區(qū)間隸屬度拓展到相鄰區(qū)間的綜合隸屬度，將多種參數(shù)結合起來進行綜合評價，計算過程更為精細，使用該方法得到結果的穩(wěn)定性和科學性都大大提高[27-28]。結合本研究可見，該方法能夠較為客觀地反映水環(huán)境承載力的實際狀況，避免了其他等級確定方法的缺陷，如利用最大隸屬度原則確定等級易造成部分信息丟失，且同一級別內的優(yōu)劣難以判斷，利用可變模糊識別模型可進行比較客觀可靠的水環(huán)境承載力評價。

3 結論

（1）本文提出了一種比較科學可行的基于可變模糊識別模型的流域水環(huán)境承載力評價方法，評價結果表明，1998—2017 年，白洋淀流域水環(huán)境承載力呈上升趨勢，其中，1998—2012 年水環(huán)境承載力處于較低承載區(qū)間，2012—2017 年水環(huán)境承載力處于中等承載區(qū)間，水資源和水環(huán)境要素的承載力均有所上升，而水生態(tài)要素的承載力有所下降。

（2）未來應進一步加強水資源的集約利用，保障河湖生態(tài)流量，加強城鎮(zhèn)生活污水處理廠建設與提標改造，控制流域污染負荷，在此基礎上，更應科學規(guī)劃，控制流域開發(fā)強度，加強植樹造林，退耕與退城還濕，逐步擴大濕地面積，穩(wěn)步提升流域生態(tài)系統(tǒng)承載能力。