遼河流域控制單元水環(huán)境承載力評估研究
——以招蘇臺河鐵嶺市控制單元為例

朱悅

（遼寧省生態(tài)環(huán)境保護科技中心，遼寧沈陽 110161）

1 引言

遼河流域水污染“摘帽”后，流域水環(huán)境污染治理由集中治理階段逐步向改善階段邁進。目前，《重點流域水生態(tài)保護“十四五”規(guī)劃》提出要突出水環(huán)境、水生態(tài)、水資源“三水”統(tǒng)籌。因此，為促進遼河流域生態(tài)環(huán)境保護和經(jīng)濟社會發(fā)展相協(xié)調(diào)，亟須以基于水環(huán)境、水生態(tài)、水資源內(nèi)涵的水環(huán)境承載力為抓手，系統(tǒng)評估診斷遼河流域水環(huán)境承載現(xiàn)狀，為促進遼河流域可持續(xù)發(fā)展、助推遼寧區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)提供技術(shù)支撐。

2 研究背景

承載力是衡量人類活動與自然生態(tài)環(huán)境相互關(guān)系的科學(xué)概念［1-2］，最早出自生態(tài)學(xué)［3］。我國對水環(huán)境承載力的前期研究，根據(jù)研究方向大致分為水資源承載力、水環(huán)境承載力和水生態(tài)承載力3 個階段，但眾多學(xué)者對水環(huán)境承載力僅停留在針對水資源、水環(huán)境、水生態(tài)要素的某一要素開展研究［4-10］。

黨的十八大報告中的生態(tài)文明建設(shè)戰(zhàn)略對水環(huán)境承載力提出了新的要求，即基于水資源—水環(huán)境—水生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)的研究將被更加全面綜合地用于評價流域水環(huán)境承載力。同時，“十三五”以來，為了尊重流域生態(tài)系統(tǒng)完整性，國家通過對流域控制單元的劃分，建立了水資源、水環(huán)境、水生態(tài)統(tǒng)一的流域水生態(tài)環(huán)境功能分區(qū)體系，實現(xiàn)“山水林田湖草”一體化的管理目標。

當前，遼河流域水環(huán)境承載力研究基礎(chǔ)相對薄弱，前人僅從流域尺度針對水資源［11］、水環(huán)境［12］、水生態(tài)［13］單方面進行了初步探索，未在控制單元尺度上綜合全面評估其水環(huán)境承載力。因此，為全面診斷遼河流域典型控制單元水環(huán)境狀況，本研究以“水資源、水環(huán)境、水生態(tài)”復(fù)合關(guān)系為基礎(chǔ)，采取目標—準則—指標層級關(guān)系框架構(gòu)建“三水”內(nèi)涵的水環(huán)境承載力評估指標體系（見圖1），結(jié)合主客觀賦權(quán)綜合法，提出水環(huán)境承載力評估及指標貢獻量化方法，系統(tǒng)評價遼河流域典型控制單元水環(huán)境承載力狀態(tài)及關(guān)鍵影響因素，以期為未來流域環(huán)境綜合保護治理及流域水環(huán)境與經(jīng)濟社會協(xié)調(diào)發(fā)展提供指導(dǎo)。

圖1 水環(huán)境承載力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 水環(huán)境承載力評估

3.1 研究區(qū)概況

招蘇臺河鐵嶺市控制單元位于遼寧省北部，其所在縣昌圖縣是遼寧省農(nóng)業(yè)大縣，全國最大的糧食生產(chǎn)基地和畜禽生產(chǎn)加工基地之一。該單元內(nèi)包含遼河一級支流招蘇臺河，二級支流條子河、小南河、新開河、二道河、小河子河。其中，招蘇臺河發(fā)源于吉林省四平市山區(qū)，流經(jīng)遼寧省昌圖縣匯入遼河干流，在控制單元內(nèi)河長158 km，流域面積872 km2。招蘇臺河主要接納昌圖縣境內(nèi)工業(yè)污水、城鎮(zhèn)生活污水和農(nóng)田施用化肥造成的面源污染，同時還接納吉林省四平市內(nèi)條子河匯入的工業(yè)與生活污水。

根據(jù)《鐵嶺市環(huán)境質(zhì)量報告》，2016 年招蘇臺河通江口斷面（該控制單元國控監(jiān)測斷面）水質(zhì)符合Ⅴ類水質(zhì)標準，2017—2019 年斷面水質(zhì)為劣Ⅴ類。條子河自2015 年以來水質(zhì)持續(xù)為劣Ⅴ類。招蘇臺河流域多年平均降水量為300～1 000 mm，人均水資源量低于遼寧省全省平均水平。招蘇臺河流域生物多樣性指數(shù)介于中污染和重污染之間。

3.2 數(shù)據(jù)收集和調(diào)查

本研究數(shù)據(jù)來源包括歷史統(tǒng)計資料和現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)收集，獲得系列統(tǒng)計資料，包括昌圖縣統(tǒng)計年鑒、水資源公報、環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟年鑒、流域土地利用數(shù)據(jù)和各類斷面水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)等。2019 年7 月，對招蘇臺河、條子河、二道河開展了水質(zhì)和水文補充監(jiān)測調(diào)查，在招蘇臺河干流及主要支流布設(shè)9 個采樣點，見表1。監(jiān)測樣品采集、保存和運輸、監(jiān)測等均按技術(shù)規(guī)范［14］進行。

表1 招蘇臺河鐵嶺市控制單元補充監(jiān)測點位分布

3.3 評估方法

基于遼河流域控制單元的水環(huán)境特征，本文采取目標—準則—指標層級關(guān)系框架建立其水環(huán)境承載力指標體系，并結(jié)合主客觀賦權(quán)綜合法確定各指標權(quán)重及該控制單元的水環(huán)境承載力評估指數(shù)。

3.3.1 指標體系構(gòu)建

指標體系構(gòu)建是水環(huán)境承載力評估的關(guān)鍵。根據(jù)水環(huán)境承載力最新內(nèi)涵，圍繞水環(huán)境承載力、水生態(tài)承載力與水資源承載力關(guān)系服務(wù)功能特性，統(tǒng)籌考慮水環(huán)境納污和凈化、水生態(tài)生境提供和生物棲息、水資源稟賦和利用等水環(huán)境承載力內(nèi)部相互作用關(guān)系，按照“基礎(chǔ)調(diào)研—框架設(shè)計—指標初選—指標精選”，構(gòu)建遼河流域水環(huán)境承載力指標篩選流程。具體構(gòu)建流程如圖2 所示。

圖2 遼河流域水環(huán)境承載力指標構(gòu)建流程

最終，基于遼河流域水環(huán)境特征，兼顧指標科學(xué)性、易量化性、可比性等選取原則，結(jié)合國家“三線一單”管控需求以及多領(lǐng)域?qū)＜医?jīng)驗判斷，構(gòu)建了“水環(huán)境承載力目標層—水環(huán)境、水生態(tài)、水資源承載力準則層—17 個代表性評估指標”的遼河流域水環(huán)境承載力3 級指標體系，見表2。

表2 遼河流域水環(huán)境承載力評估指標體系及權(quán)重

3.3.2 指標賦分賦權(quán)

通過對招蘇臺河鐵嶺市控制單元進行區(qū)域調(diào)查、歷史數(shù)據(jù)收集和指標分析計算，獲得各評估指標值。采用“層次分析法+熵值法”主客觀綜合賦權(quán)法分別計算權(quán)重，并對主客觀權(quán)重進行1∶1 的比例分配，將決策人員的主觀意志與決策問題的客觀實際有機結(jié)合，最終確定綜合權(quán)重值。結(jié)果見表2。

3.3.3 水環(huán)境承載力計算

3.3.3.1 水環(huán)境承載力評估

水環(huán)境承載力評估是根據(jù)各指標層指標賦分和權(quán)重值，由評估指標—表征指標—準則層自下而上逐層開展綜合評估，具體步驟如下：

（1）計算表征指標值

式中，Bij為第i 個準則層中第j 個表征指標值的分值；Pijk為第i 個準則層的第j 個表征指標中第k 個評估指標的分值；Wijk為第i 個準則層的第j 個表征指標中第k 個評估指標的權(quán)重；n 為第j 個表征指標中包含評估指標的個數(shù)。

（2）計算各準則層分值

式中，Zi為第i 個準則層的分值；Wij為第i 個準則層的第j 個表征指標的權(quán)重；m 為第i 個準則層下包含表征指標的個數(shù)。

（3）計算水環(huán)境承載力評估指數(shù)（WECCI）

式中，Wi為第i 個準則層的權(quán)重。

（4）等級評價

WECCI 是處于0～1 范圍內(nèi)的數(shù)字。當評估指數(shù)越接近1，表明水環(huán)境承載運行狀態(tài)處于越安全的理想狀態(tài)；而評估指數(shù)越接近0，則表明水環(huán)境承載運行狀態(tài)處于越危險的超載狀態(tài)。

參照2017 年9 月中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《關(guān)于建立資源環(huán)境承載能力監(jiān)測預(yù)警長效機制的若干意見》及相關(guān)文獻，將水環(huán)境承載力狀態(tài)分為5 級：最佳承載、安全承載、臨界承載、超載和嚴重超載，相應(yīng)承載區(qū)間及對應(yīng)級別顏色見表3。

表3 控制單元水環(huán)境承載力評估級別劃分及顯示

3.3.3.2 指標貢獻量化

為明確各評估指標對WECCI 的貢獻，提出指標貢獻定量計算方法：

GXijk＝Pijk×Wijk×Wij×Wi

式中，GXijk為第i 個準則層的第j 個表征指標中第k個評估指標對WECCI 的貢獻值。

4 結(jié)果與分析

4.1 目標層承載狀態(tài)

以控制單元COD 作為污染物，開展其承載力評估計算，結(jié)果如圖3 所示。招蘇臺河鐵嶺市控制單元COD 的WECCI 分值介于0.175 0～0.530 2 之間，平均值為0.334 7，總體上呈超載狀態(tài)。

圖3 2012—2018 年招蘇臺河鐵嶺市控制單元水環(huán)境承載力評估等級（以COD 為污染物）

由圖3 可見，招蘇臺河鐵嶺市控制單元2012—2018 年間，2013 年水環(huán)境承載力最優(yōu)，WECCI 分值為0.530 2，評估等級為黃色臨界承載狀態(tài)；2015 年水環(huán)境承載力最差，WECCI 分值為0.175 0，評估等級為紅色嚴重超載狀態(tài)；2015 年后WECCI 分值雖略有提升，但仍為橙色超載狀態(tài)。

4.2 準則層承載狀態(tài)

2012—2018 年招蘇臺河鐵嶺市控制單元水環(huán)境承載力準則層分值變化趨勢（以COD 為污染物）見表4。

表4 2012—2018 年招蘇臺河鐵嶺市控制單元水環(huán)境承載力準則層分值變化趨勢（以COD 為污染物）

對招蘇臺河鐵嶺市控制單元水環(huán)境承載力各準則層分值進行計算，發(fā)現(xiàn)水環(huán)境準則層平均評估分值最高，為0.152 0，對WECCI 貢獻率為43.65%；水生態(tài)準則層平均評估分值最低，為0.073 0，對WECCI 貢獻率為24.92%；水資源準則層平均評估分值為0.109 7，對WECCI 貢獻率為31.43%。

4.3 指標貢獻定量分析

招蘇臺河鐵嶺市控制單元水環(huán)境承載力各指標占比變化趨勢（以COD 為污染物）見表5。

表5 招蘇臺河鐵嶺市控制單元水環(huán)境承載力各指標占比變化趨勢（以COD 為污染物）

招蘇臺河鐵嶺市控制單元水環(huán)境承載力各評估指標對WECCI 平均貢獻率為5.88%。其中，貢獻率排在前3 位的指標分別為萬元工業(yè)增加值用水量、水域納污率、農(nóng)業(yè)增加值排污強度，3 個指標的貢獻率之和達到29.36%。貢獻率排在后4 位的指標分別是第三產(chǎn)業(yè)增加值排污強度、大型底棲動物BI 指數(shù)、生態(tài)流量保證率、河流縱向連通性指數(shù)，4 個指標的貢獻率之和僅為8.67%。

綜合計算6 個表征指標貢獻率，得出水環(huán)境納污貢獻率最高，為32.83%；其次是水生生境，為20.26%，貢獻率最低的為水生生物，僅占4.21%。

三大準則層對WECCI 綜合貢獻率排序為水環(huán)境（38.78%）＞水資源（36.76%）＞水生態(tài)（24.47%）。

4.4 分析與討論

（1）招蘇臺河鐵嶺市控制單元水環(huán)境承載力近年來呈超載狀態(tài)，WECCI 值介于0.175 0～0.530 2 之間。

（2）招蘇臺河鐵嶺市控制單元水環(huán)境準則層評估分值較高，控制單元內(nèi)環(huán)境納污與治理情況良好；而水生態(tài)準則層評估分數(shù)最低，水生生物完整性是制約該控制單元水環(huán)境承載力的關(guān)鍵因素；同時，水資源稟賦（水資源開發(fā)利用率）、水資源利用（萬元GDP 用水量）、水生生境（生態(tài)流量保證率、河流縱向連通性指數(shù)等）等表現(xiàn)不佳，也限制了招蘇臺河水環(huán)境承載力的提升。

（3）水資源準則層評估分值在2013 年后下降明顯，其原因是招蘇臺河流域在2013 年后降雨量大幅減少，甚至出現(xiàn)干旱情況。面對流域水資源稟賦條件薄弱和降水減少的壓力，未來該控制單元勢必面臨更加嚴峻的水資源短缺問題。

（4）為提高流域水生態(tài)系統(tǒng)生物完整性，應(yīng)改變農(nóng)業(yè)耕作、超載放牧、毀林開荒等破壞行為，有效提升控制單元植被覆蓋度、釋放水生態(tài)空間，恢復(fù)流域水文調(diào)節(jié)功能及水生生物群落生存和繁衍。

（5）為提高流域水資源供給服務(wù)能力，應(yīng)使水資源開發(fā)與經(jīng)濟社會發(fā)展相協(xié)調(diào)，加強節(jié)水型社會建設(shè)，全面優(yōu)化用水結(jié)構(gòu)，同時開展農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，推廣綠色節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)。

5 結(jié)語

以招蘇臺河鐵嶺市控制單元為研究對象，以目標—準則—指標層級關(guān)系框架建立水環(huán)境承載力指標體系，結(jié)合主客觀賦權(quán)綜合法確定指標權(quán)重及水環(huán)境承載力評估指數(shù)，從“水環(huán)境—水生態(tài)—水資源”3 個準則層六大表征方面系統(tǒng)評估承載力狀態(tài)，并識別影響承載狀態(tài)的關(guān)鍵因素，其使用的評估技術(shù)具有科學(xué)性和實用性。

下一步研究將運用模糊數(shù)學(xué)法對水環(huán)境承載力進行預(yù)警，并根據(jù)預(yù)警結(jié)果全面制定控制單元的承載力提升方案，完成“水環(huán)境承載力指標體系—量化評估—分級預(yù)警”遼河流域優(yōu)控單元水環(huán)境承載力體系的搭建，助力遼寧地區(qū)水環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。