基于頁巖氣開發(fā)的威遠縣水環(huán)境承載力評價

張 琦，李 翔，李紹康，楊津津，周繼紅

(1.河北工程大學能源與環(huán)境工程學院，邯鄲 056000；2.中國環(huán)境科學研究院地下水污染模擬與控制重點實驗室，北京 100012)

頁巖氣是一種產量高、用途廣泛、清潔且高效的新型能源和化工原料[1]，作為非常規(guī)天然氣中的綠色能源代表被廣泛關注，近幾年被用于汽車等機動車的燃料、發(fā)電廠生產發(fā)電、城市供暖供熱、居民燃氣和化工生產等[2]。美國2018年開采頁巖氣約為5 932.4×109m3，占天然氣總產量的比重高達68.5%，其能源布局因頁巖氣的成功開發(fā)發(fā)生了明顯改變。從美國成功開發(fā)頁巖氣的案例來看，開采頁巖氣對于加速調整中國能源消費結構，緩解中國未來可能面臨的能源短缺壓力有巨大幫助[3]。最新的聯(lián)合國貿易和發(fā)展會議發(fā)布的一份報告中顯示，中國的頁巖氣儲量排世界第一[4-5]，而從中國自然資源部發(fā)布的《中國礦產資源報告2019》的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，頁巖氣的探明儲量在2018年突破1×1013m3，探明率僅有4.79%。目前國內已有一些學者對頁巖氣開采的環(huán)境影響展開了研究，姜孟等[6]運用系統(tǒng)動力學對區(qū)域頁巖氣開發(fā)水資源承載力進行研究；邢文婷等[7]運用“壓力-狀態(tài)-相應”概念模型對頁巖氣開發(fā)生態(tài)環(huán)境影響進行評價；沈澤鋒等[8]運用主成分分析法尋找頁巖氣開發(fā)地區(qū)水資源承載力影響主因及變化趨勢。關于頁巖氣對承載力的研究，學者大多集中在水資源承載力方面，相對而言，對水環(huán)境承載力的研究相對較少。

水環(huán)境承載力一般定義為特定時期、特定空間范圍內，在區(qū)域環(huán)境功能維持穩(wěn)態(tài)效應的前提下，區(qū)域水環(huán)境系統(tǒng)所能承受人類社會經濟活動的能力[9]，水環(huán)境系統(tǒng)內部各組成要素間相互作用、相互聯(lián)系，形成一個復雜的大系統(tǒng)[10]。因此，采用何種指標體系來反映復雜系統(tǒng)的協(xié)調發(fā)展程度成為水環(huán)境承載力評價的關鍵。水環(huán)境承載力研究目前主要集中在評價方法、評價指標體系的確立以及評價模型等[11]，主要方法有指標體系綜合評價法、系統(tǒng)動力學法和背景分析方法。系統(tǒng)動力學方法較為復雜，可操作性不強；背景分析方法割裂了水環(huán)境系統(tǒng)內部各因素之間的相互作用聯(lián)系；對比各方法的優(yōu)缺點，指標體系綜合評價法可操作性強且簡單易行[12]。常見的指標體系構建方法為兩種，一種是基于自然-社會-經濟的復合系統(tǒng)視角建立指標體系[13]，另一種為基于壓力-狀態(tài)-響應(pressure-state-response，PSR)理論，從壓力、狀態(tài)、響應三方面選取指標[14]。國內學者對水環(huán)境承載力也做了較多研究，如楊海燕等[15]建立系統(tǒng)動力學模型，通過建立可達型和規(guī)劃型情景模擬和預測了泰安市水資源和水環(huán)境系統(tǒng)；馬楠等[16]運用層次分析法和向量模法，對江蘇省2004—2015年數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理和分析；柏義生等[17]采用模糊綜合評價法，對信陽市水環(huán)境承載力進行評價。

為掌握威遠縣在頁巖氣開采情況下的水環(huán)境承載力現(xiàn)狀，以有限的水環(huán)境承載力實現(xiàn)社會經濟協(xié)調發(fā)展的目標，現(xiàn)對威遠縣水環(huán)境承載力進行綜合評價，基于復合系統(tǒng)理論構建水環(huán)境承載力指標體系，通過模糊分析評價模型，以威遠縣為例，從社會經濟、水資源和水環(huán)境三方面分析，定量評價頁巖氣開發(fā)水環(huán)境承載力，旨在對研究區(qū)頁巖氣開發(fā)對水環(huán)境承載力進行科學評價，對有效提升威遠縣水環(huán)境承載力提出針對性的優(yōu)化和建議。

1 研究區(qū)概況與評價方法

1.1 研究區(qū)概況

研究選取四川省內江市威遠縣為研究區(qū)。威遠縣地處內江市西北部，位于四川盆地中南部，行政面積1 289 km2。威遠縣整體地勢西北高、東南低，由于受氣候與地形地貌影響，威遠縣降水時空分布不均，年平均水資源總量4.7×109m3，降雨主要集中在6—9月，表現(xiàn)為冬春干旱而夏秋多雨，典型的亞熱帶暖濕季風氣候，多年平均降雨量約為1 000 mm。根據(jù)內江市2019年統(tǒng)計年鑒，2018年末全縣總人口70.616 9 萬人，城鎮(zhèn)化率50.4%。隨著威遠縣社會經濟的發(fā)展，人口數(shù)量的增加，城鎮(zhèn)化率的提高等多方面因素影響，年均用水總量從2009年的12 383.16×109m3增加到2018年的15 111.65×109m3，大量的水資源消耗，廢水及污染物的排放給水環(huán)境帶來了壓力。

1.2 水環(huán)境承載力綜合評價體系

1.2.1 評價指標

頁巖氣開發(fā)水環(huán)境承載力評價指標體系的確立直接影響到評價結果的合理性，因此在評價指標確立過程中應從各個方面加以衡量，力爭以最少的指標對其進行最全面的評價，因此借鑒中外前人的研究成果以及相關法律文件，并結合威遠縣的社會、經濟、環(huán)境特征，以及綜合考慮數(shù)據(jù)的可獲得性，結合頁巖氣開發(fā)整個過程中可能帶來的水環(huán)境問題，將評價指標分為共性指標和個性指標。

依據(jù)統(tǒng)計學原理，通過統(tǒng)計和分析近幾年相關水環(huán)境承載力評價文獻中相關指標，結合國家和地方現(xiàn)行的各種標準和規(guī)范及規(guī)劃類文件，通過頻度統(tǒng)計和相關性分析，剔除相關程度比較大的指標，來降低評價指標的重復性，從而選出19個共性指標。

由于中國頁巖氣開發(fā)仍然處于起步階段，關于頁巖氣開發(fā)對水環(huán)境影響未制訂行業(yè)相關的標準和規(guī)范，所以通過查閱相關行業(yè)的文獻、實地考察以及分析頁巖氣開發(fā)整個過程中可能存在的會對研究區(qū)水環(huán)境產生影響的環(huán)節(jié)或因素，對其可能帶來的水環(huán)境問題的范圍、程度進行初步的估計分析，最終篩選出能夠反映頁巖氣開發(fā)過程中對水環(huán)境承載力影響的4個個性評價指標，分別為單井需水量、井群規(guī)模、壓裂液返排率和返排液回用率。依據(jù)層次分析法的概念構建評價指標體系，具體指標體系如表1所示。

1.2.2 指標的權重

水環(huán)境承載力評價過程具有兼具主觀性和客觀性的特點，為使指標權重更為科學、合理，采用組合權重的確定方法測算不同指標的權重，其中主觀權重綜合考慮各因素重要性，客觀權重則利用熵信息的概念即根據(jù)數(shù)值本身意義來確定權重，即運用層次分析法(the analytic hierarchy process，AHP)和熵權法計算各指標權重，并通過式(1)得到組合權重，即為最終的指標權重不受評價數(shù)據(jù)是否線性相關的影響。

(1)

由于選取的各指標單位之間存在差異，為了便于計算，運用式(2)和式(3)分別消除正向指標和負向指標的量綱差異，進行規(guī)范化處理。

(2)

(3)

式中：Xij為第i個樣本的第j個指標值;Yij為規(guī)范化后第i個樣本的第j個指標值;maxxij和minxij分別為不同樣本在同一指標下的最大值和最小值。

熵權法可根據(jù)各指標的變異程度確定權重，消除在確定權重時候的人為主觀影響，根據(jù)各指標中所含信息的有序度確定的權重，可以更科學合理地計算出反映樣本數(shù)據(jù)變化速率信息熵，信息熵越高，系統(tǒng)越均衡，指標變化越慢；反之，則變化越快。熵權法的計算步驟為：①無量綱處理：對原始數(shù)據(jù)進行標準化處理；②貢獻度計算：計算第j個指標下，第i個指標的貢獻度；③熵值計算：計算第j項指標的信息熵值；④熵值修正：根據(jù)水環(huán)境評價的實際意義，為了使計算得出第i個指標下第j個對象占該指標的比重pij有意義，使得pijlnpij能滿足熵所反映的無序化程度，需結合實際，對pij加以修正；⑤權重計算：確定評價指標的權重。

層次分析法是一種定性與定量相結合的，系統(tǒng)化、層次化的分析方法將研究對象看作一個系統(tǒng)，按照分解、比較判斷、綜合的思維方式進行分析，可以將多目標、多準則而又難以全部量化的問題轉化為多層次單目標的問題。層次分析法的計算步驟為：①構造判斷矩陣：通過相互比較構建區(qū)域經濟、水資源和水環(huán)境三個子系統(tǒng)的判斷矩陣；②計算判斷矩陣的最大特征值λmax，進行指標層的一致性檢驗；③計算得出各指標的權重。

運用上述步驟對威遠縣頁巖氣開發(fā)水環(huán)境承載力各評價指標進行計算，得出各指標的綜合權重值，結果如表2所示。

表2 威遠縣水環(huán)境承載力指標權重

1.2.3 分級標準

中外對于水環(huán)境承載力的評價的標準尚未完全統(tǒng)一，依據(jù)以下原則確定分級標準：①國家和國際標準優(yōu)先采用；②相近行業(yè)標準的轉化；③對于沒有參照的指標，采用了尋求專家經驗和等間距法。依據(jù)上述原則以及《頁巖氣發(fā)展規(guī)劃(2016—2020)》《城市居民生活用水量標準》(GB/T 50331—2002)等國家標準或規(guī)劃文本，將各指標對水環(huán)境承載力的影響分為5個等級，為了方便區(qū)分研究區(qū)水環(huán)境承載力狀態(tài)，以“理想承載狀態(tài)”“適宜承載狀態(tài)”“臨界承載狀態(tài)”“輕度超載狀態(tài)”和“嚴重超載狀態(tài)”分別表示，各個指標對應的分級標準如圖3所示。其中水環(huán)境承載力指數(shù)為[0，0.15)表明水環(huán)境承載力處于嚴重超載狀態(tài)，水環(huán)境已經被破壞，無法支撐社會經濟發(fā)展；[0.15，0.30)表明水環(huán)境承載力處于輕度超載狀態(tài)，表明區(qū)域水環(huán)境問題較為突出，水環(huán)境已經阻礙了經濟社會發(fā)展的發(fā)展，需要大力保護水環(huán)境；[0.30，0.70)表明水環(huán)境承載力處在臨界承載狀態(tài)，社會經濟發(fā)展受到水環(huán)境的影響，需要保護水環(huán)境和優(yōu)化資源分配以達到可持續(xù)發(fā)展的目的；[0.70，0.85)表明區(qū)域水環(huán)境承載力處在適宜承載狀態(tài)，經濟社會發(fā)展與水環(huán)境承載力之間的關系較為協(xié)調；[0.85，1.00]表明水環(huán)境承載力處于的理想承載狀態(tài)，可以適當加大經濟社會發(fā)展力度，具體評價分級如表4所示。

表3 研究區(qū)水環(huán)境承載力指標分級標準

表4 頁巖氣開發(fā)水環(huán)境承載力評價等價劃分

1.3 模糊綜合評價模型

模糊綜合評價法基于模糊數(shù)學的隸屬度理論，用定量化的方法描述復雜的定性問題，該方法系統(tǒng)性強，可將結果清晰明確表達出來，在難以用精確方法解決的復雜模糊問題上有很大的優(yōu)越性。模糊綜合評價模型能夠更加全面地對水環(huán)境承載力做出綜合性評價。其具體步驟為：①將每一年的評價指標都設為一個集合U，即U={u1，u2，ui，…，u23}，評價等級設為V={V1，V2，V3，V4，V5}={Vk}；②根據(jù)隸屬函數(shù)確定隸屬度，得到判斷矩陣R；③確定評判結果B；④計算綜合評分值A。

(4)

Bi=WiRj=(b1，b2，b3，b4，b5)

(5)

(6)

式中：ui為第i項指標的實際值；Ym1Ym2Ym3為ui對評價等級Vk的隸屬度，k為評價等級數(shù)，k=1，2，3，4，5；W=(ω1，ω2，…，ωn)為權重向量；bk為評價等級Vk對綜合評判結果B的隸屬度；A=(a1，a2，a3，a4，a5)為量化賦分向量。

運用上述步驟對威遠縣頁巖氣開發(fā)水環(huán)境承載力各個評價指標進行計算，得出綜合評判結果B的隸屬度和量化后的頁巖氣開發(fā)水環(huán)境承載力，結果如表5和表6所示。

表5 2009—2018年威遠縣頁巖氣開發(fā)水環(huán)境承載力隸屬度

表6 2009—2018年威遠縣承載力評價指標值

2 結果與討論

2.1 水環(huán)境承載力綜合評價

根據(jù)模糊綜合評價法對威遠縣2009—2018年的水環(huán)境承載力進行計算，結果如圖1所示。由圖1可見，威遠縣水環(huán)境承載力水平整體處于上升趨勢，綜合評分值從2009年的0.384 3上升到2018年的0.738 1，整體處于臨界承載狀態(tài)，2011年的評分值最低(0.246 6)，處于輕度超載狀態(tài)，2017年和2018年的評分值分別為0.764 0和0.738 1，達到研究期間最高的評分值，處于適宜承載狀態(tài)。這主要得益于一系列環(huán)保法規(guī)和政策規(guī)則的發(fā)布實施，包括2015年實施的《中華人民共和國環(huán)境保護法》，2016年發(fā)布的《內江市“十三五”生態(tài)建設與環(huán)境保護規(guī)劃》，2016年發(fā)布的《水污染防治行動計劃內江市實施方案》，2016年發(fā)布的《內江市城市生態(tài)修復規(guī)劃(2017—2030)》，2018年發(fā)布的《威遠縣生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃(2018—2020)》等，這些政策著力解決了威遠縣在城鎮(zhèn)化、區(qū)域經濟發(fā)展的同時產生的水環(huán)境問題，從源頭控制和節(jié)能減排等方面破解水環(huán)境問題，有效地促進了威遠縣水環(huán)境承載力的提升。

圖1 研究區(qū)地理位置圖

2.2 子系統(tǒng)評價

進一步計算了社會經濟子系統(tǒng)、水資源子系統(tǒng)、水環(huán)境子系統(tǒng)的綜合評分值，結果如圖2所示。由圖2可見：2009—2018年社會經濟子系統(tǒng)評分值先下降后持續(xù)上升，在2011年的評分值達到最低(0.052 4)，2016年又略有降低，總體上升速率較大，2009—2013年整體處于輕度超載狀態(tài)；水環(huán)境子系統(tǒng)呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢，2011年的評分值最低(0.245 8)，2018年的評分值略有降低，總體增幅低于社會經濟子系統(tǒng)，整體處于臨界承載狀態(tài)；水資源子系統(tǒng)的評分值處于波動狀態(tài)，整體處于下降趨勢，2011年的評分值最高(0.776 1)，2015年的評分值最低(0.497 0)，但研究期內的平均評分值達0.622 2，總體處于中等水平，表明威遠縣水資源的供求矛盾尚未解決，如按現(xiàn)狀繼續(xù)發(fā)展，將無法支撐威遠縣頁巖氣的持續(xù)開采，會成為制約威遠縣社會經濟發(fā)展的主要因素。

圖2 2009—2018年威遠縣頁巖氣開發(fā)水環(huán)境承載力評價值

2.3 指標評價

通過模糊綜合評價模型對各指標的評分值進行計算，結果如圖3所示，得到評價指標2009—2018年的發(fā)展情況，并據(jù)此分析威遠縣頁巖氣開發(fā)水環(huán)境承載力變化的主要原因。

圖3 2009—2018年威遠縣頁巖氣開發(fā)水環(huán)境子系統(tǒng)承載力評價值

2.3.1 社會經濟子系統(tǒng)

由圖3可見，人口密度評分值最低，自然增長率評分值處于波動狀態(tài)，城鎮(zhèn)化率和人均GDP呈遞增態(tài)勢。2009—2018年人口密度處于548～580 人/km2；自然增長率在2011年為3.7‰，在2018年為-5.89‰；城鎮(zhèn)化水平從37.5%提升到50.4%；人均GDP從1.87×104元提升到4.96×104元。威遠縣城鎮(zhèn)化進程加快，經濟實力在穩(wěn)步提升，人口自然增長率正在控制，使得社會經濟子系統(tǒng)評分值呈持續(xù)增長的趨勢，但是人口密度成為社會經濟子系統(tǒng)最突出的問題。

2.3.2 水資源子系統(tǒng)

由圖3可見，水資源開發(fā)利用率、年均用水總量和人均水資源占有量三項指標的評分值逐年降低，其余6項指標呈良好發(fā)展態(tài)勢。威遠縣2011年降雨量僅有519.4 mm，其余年份降水量均高于850 mm，2013年高達1 144.1 mm；水資源開發(fā)利用率從20%逐年增高，2017年高達77%；年均用水總量從12 383.16×109m3增長到1 955.13×109m3；人均水資源占有量不足850 m3，低于全國人均水資源占有量的1/2，并且呈現(xiàn)逐年減少的趨勢；人均綜合用水量從152.487 0 m3增長到243.298 6 m3，雖然用水量逐年增加，但低于全國水平；單位工業(yè)增加值用水量和單位GDP用水量隨著經濟實力的穩(wěn)步提升，呈現(xiàn)逐年降低的趨勢；單井需水量隨著頁巖氣開采技術的不斷改進，呈現(xiàn)逐年降低的趨勢；由于2009年出現(xiàn)了第一口頁巖氣評價井，但是中國的頁巖氣開采處于起步階段，井群規(guī)模較小，并且增長的速度較慢，直到2018年才實行大規(guī)模的鉆井，導致評分值較低。威遠縣在社會經濟發(fā)展的同時，也不可避免地帶來了水資源的消耗，水資源的需求矛盾日益突出，特別是頁巖氣在鉆井、壓裂階段會消耗大量的水資源，會過度消耗當?shù)厮Y源，給水資源子系統(tǒng)帶來較大壓力。

圖4 2009—2018年威遠縣頁巖氣開發(fā)水環(huán)境承載力評價指標評分值

2.3.3 水環(huán)境子系統(tǒng)

由圖3可見，近年來除了壓裂液返排率指標，其余各項指標的評分值呈現(xiàn)逐年升高的趨勢，但單位GDP化學需氧量排放強度和單位GDP氨氮排放強度的評分值一直低于0.7。具體來看，2009—2018年森林覆蓋率從36.1%增加到40.2%；城鎮(zhèn)污水處理率從39.87%升至90.14%；水質功能區(qū)達標率在2009年為82%，2010年降至57.1%，隨后逐年提升至84.8%；廢水排放總量從4 277×104t降至1 899.574×104t；單位GDP廢水排放量從30.588 0 t降至5.413 0 t；單位GDP化學需氧量排放強度和單位GDP氨氮排放強度分別下降了51%和36%；壓裂液返排率由于受到頁巖氣開采技術的限制，沒有太大變化；返排液回用率則由80%提升至90%。威遠縣近年積極開展水環(huán)境污染治理，降耗減排的工程效果也尤為明顯，在發(fā)展社會經濟的同時，仍然關注水環(huán)境，積極進行技術更新，使得城鎮(zhèn)污水處理率大幅度提高，廢水排放總量明顯減少但是關于化學需氧量和氨氮的治理目前需要重要關注的問題，雖然單位GDP化學需氧量排放強度和單位GDP氨氮排放強度在逐年減少，但是仍然處于較高水平。

3 結論

(1)從“社會經濟-水資源-水環(huán)境”復合系統(tǒng)角度出發(fā)，充分考慮頁巖氣開發(fā)對區(qū)域水環(huán)境承載力的影響，增添頁巖氣開發(fā)個性評價指標，構建適合頁巖氣開發(fā)區(qū)域的水環(huán)境承載力評價體系，采用熵權法和層次分析法相結合的方法確定指標權重，運用模糊綜合評價模型進行評價，降低了人為主觀因素的影響，通過模糊概念分析使評價結果更客觀，符合實際情況。

(2)研究區(qū)水環(huán)境承載力總體處于上升趨勢，在2009—2016年水環(huán)境承載力處于臨界承載狀態(tài)，水環(huán)境與經濟社會、水資源和頁巖氣發(fā)展處于相對平衡狀態(tài)，通過保護水環(huán)境和優(yōu)化資源分配可以持續(xù)發(fā)展；2017年和2018年研究區(qū)水環(huán)境承載力處于適宜承載狀態(tài)，研究區(qū)頁巖氣井群規(guī)模的不斷擴大造成水資源子系統(tǒng)承載力的下降，但社會經濟子系統(tǒng)和水環(huán)境子系統(tǒng)承載力的提升減緩了水環(huán)境承載力的下降，使得綜合水環(huán)境承載力未劇烈下降。

(3)研究區(qū)人均GDP、單位GDP用水量、單井需水量、壓裂返排液回用率等指標持續(xù)好轉，側面緩解了頁巖氣大規(guī)模開發(fā)對水環(huán)境帶來的壓力。因此，威遠縣可以在構建節(jié)水型社會的同時，強化用水總量的控制，提高區(qū)域社會經濟發(fā)展過程中的綜合用水效率，進一步優(yōu)化水資源分配結構，提高重復用水效率，推動社會經濟和水環(huán)境承載力的協(xié)調發(fā)展。