基于指標(biāo)權(quán)重法的湖州市內(nèi)區(qū)縣水環(huán)境承載力評(píng)比研究

吳 波，李中華，秦順興，王 冠，趙銀玲，陳 巖

（1. 生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院，北京 100012；2. 長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)環(huán)境聯(lián)合研究中心，北京 100012；3. 遼寧天益達(dá)環(huán)境工程技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110011；4. 沈陽(yáng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)開(kāi)發(fā)集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110011）

湖州市地處“長(zhǎng)三角”的核心腹地之內(nèi)，是全國(guó)首個(gè)地市級(jí)生態(tài)文明先行示范區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境治理上做出了很多重要的貢獻(xiàn)。但是，幾十年的快速發(fā)展導(dǎo)致當(dāng)?shù)刭Y源的索取和環(huán)境的影響不斷加大，造成水資源和水環(huán)境的承載能力不斷降低。雖然各地區(qū)實(shí)施了有效的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和污染治理措施，但成效如何仍需判斷。習(xí)總書(shū)記的生態(tài)文明思想中指出：要把水環(huán)境承載力作為剛性約束，貫徹落實(shí)到改革發(fā)展穩(wěn)定的各項(xiàng)工作中。可見(jiàn)水環(huán)境承載力的評(píng)估是地區(qū)發(fā)展和環(huán)境管理的重要依據(jù)，可成為各地區(qū)環(huán)境治理成效檢驗(yàn)的重要工具。

目前，水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)方法多樣，BU et al[1-3]使用的指標(biāo)體系評(píng)價(jià)法、余曉玲等[4-5]使用的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法、JIA et al[6-8]使用的多目標(biāo)最優(yōu)化法以及 LU et al[9-10]使用的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等多種量化方法，需要涉及社會(huì)經(jīng)濟(jì)、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)和技術(shù)管理等多方面指標(biāo)，但是，這些方法存在部分指標(biāo)可獲得性不強(qiáng)、實(shí)際應(yīng)用中難于操作、指標(biāo)選取單一、未從管理實(shí)際出發(fā)、沒(méi)有統(tǒng)籌考慮“三水共治”和“一點(diǎn)兩線”的需求等問(wèn)題。本文針對(duì)這些情況，設(shè)計(jì)一套簡(jiǎn)單、易于地方操作的基于指標(biāo)權(quán)重的水環(huán)境承載力評(píng)比管控方法。該方法簡(jiǎn)單、易于地方操作，無(wú)需大量計(jì)算，只需要利用各類(lèi)指標(biāo)的查詢或簡(jiǎn)單計(jì)算出的結(jié)果進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，再累加得出每個(gè)研究對(duì)象的水環(huán)境承載力結(jié)果，可初步評(píng)判不同尺度、多種研究對(duì)象綜合的水環(huán)境承載力情況，以此評(píng)估湖州市內(nèi)三區(qū)兩縣的環(huán)境治理和保護(hù)成效，為地方的領(lǐng)導(dǎo)干部考核及水環(huán)境保護(hù)工作的研究與實(shí)施提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

湖州市位于浙江省北部、太湖西南側(cè)，東與江蘇省吳江市、嘉興桐鄉(xiāng)市接壤，南與杭州市余杭區(qū)相接，西與安徽省廣德縣、寧國(guó)市相鄰，北濱太湖與江蘇省宜興市交界，與蘇州市、無(wú)錫兩市隔湖相望。轄德清、長(zhǎng)興和安吉三縣和吳興、南潯兩區(qū)，總面積 5 818 km2。2019 年戶籍人口 267.57 萬(wàn)人，地區(qū)生產(chǎn)總值3 122.4億元。湖州市河流水系屬長(zhǎng)江下游太湖流域水系，境內(nèi)有三大水系，包括苕溪水系、杭嘉湖平原水系和長(zhǎng)興水系，境內(nèi)流域面積分別為 3 090、1 445 和 1 283 km2。多年平均氣溫12.2～17.3 ℃，年降水量 761～1 780 mm。水資源總量為 52.26 億 m3，人均水資源占有量 1 726 m3。2019年，共有城鎮(zhèn)污水處理廠45座，處理能力99.025萬(wàn)t/d，年污水處理量2.95億t，平均負(fù)荷率82.9%。已累計(jì)建設(shè)農(nóng)村生活污水處理設(shè)施6 107個(gè)，處理能力共計(jì)5.82萬(wàn)t/d，累計(jì)建設(shè)管網(wǎng)7 563 km，覆蓋762個(gè)行政村，占湖州市全市行政村數(shù)量的70%。共有工業(yè)企業(yè)1 074家，化學(xué)需氧量、氨氮、總氮和總磷排放量分別為 3 514、180、496 和 76 t。共有規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場(chǎng)15個(gè)，化學(xué)需氧量、氨氮、總氮和總磷的排放量分別為7.7、1.6、5.0和 0.2 t。2019年，湖州市農(nóng)作物播種總面積為15.61萬(wàn)hm2，農(nóng)用化肥施用總量為3.88萬(wàn)t，單位農(nóng)作物播種面積化肥施用強(qiáng)度為248.6 kg/hm2。農(nóng)藥使用量為3 271 t，農(nóng)藥的使用強(qiáng)度為 20.95 kg/hm2[11-12]。

2 研究方法

研究水環(huán)境承載力狀況的指數(shù)評(píng)價(jià)等級(jí)劃分法是基于層次分析法（AHP）中指標(biāo)層次性建構(gòu)的理論指導(dǎo)，分層次構(gòu)建2個(gè)獨(dú)立的一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和科學(xué)、典型的二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.1 選取評(píng)價(jià)指標(biāo)

以習(xí)近平生態(tài)文明思想為基礎(chǔ)，評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取考慮綠色化發(fā)展程度、三水共治的效果、增容和減排的階段等內(nèi)容。利用層次法以3個(gè)一級(jí)指標(biāo)和17個(gè)二級(jí)指標(biāo)構(gòu)建成指標(biāo)體系,見(jiàn)表1。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)表

指標(biāo)的構(gòu)建充分考慮了是否存在關(guān)聯(lián)性和重復(fù)性，存在的剔除不重要的，并考慮指標(biāo)選擇的公信力、易獲取性、關(guān)鍵性、客觀性，以及可量化和可比性[13-15]。

2.1.1 水環(huán)境指標(biāo) 體現(xiàn)的是研究區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的綠色化水平，以及各地區(qū)采取各種環(huán)境治理措施，減少污染物進(jìn)入環(huán)境的效果。

（1）環(huán)境治理投資占GDP比例。環(huán)境治理投資占GDP比例是指一定經(jīng)濟(jì)規(guī)模下地區(qū)的環(huán)境保護(hù)投資力度，見(jiàn)式（1）。環(huán)境污染治理投資包含城鎮(zhèn)環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資、工業(yè)污染源治理投資和完成環(huán)保驗(yàn)收項(xiàng)目環(huán)保投資。

（2）六大高耗能行業(yè)產(chǎn)值占工業(yè)總產(chǎn)值比重。反映當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)布局和發(fā)展方式。當(dāng)?shù)氐母吆哪苄袠I(yè)所占比重的多少，對(duì)地區(qū)的資源消耗和排污都存在一定的影響，見(jiàn)式（2）。根據(jù)《2019年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)報(bào)告》六大高耗能行業(yè)分別為：化學(xué)原料及化學(xué)制品制造業(yè)、非金屬礦物制品業(yè)、黑色金屬冶煉及壓延加工業(yè)、有色金屬冶煉及壓延加工業(yè)、石油加工煉焦及核燃料加工業(yè)以及電力熱力的生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)。

（3）工業(yè)污染強(qiáng)度指數(shù)。反映地區(qū)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中排放的污染物對(duì)水環(huán)境的壓力，同時(shí)代表該地區(qū)的產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式及綠色化水平。該值越大，說(shuō)明產(chǎn)業(yè)綠色化水平越低。以工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中排放的污染物與工業(yè)生產(chǎn)總值的比值得出，見(jiàn)式（3～6）。其中每個(gè)地區(qū)工業(yè)排放的代表性污染物有所區(qū)別，根據(jù)COD、NH3-N、TN和TP 4個(gè)污染物指標(biāo)的排放量與工業(yè)生產(chǎn)總值的比值之中，最大的結(jié)果作為該指標(biāo)的最終結(jié)果。

（4）畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染強(qiáng)度指數(shù)。反映地區(qū)畜禽養(yǎng)殖業(yè)中排放的污染物對(duì)水環(huán)境的壓力和綠色化發(fā)展程度。該值越大，說(shuō)明畜禽養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)綠色化水平越低。以畜禽養(yǎng)殖業(yè)排放的污染物與畜禽養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)總值的比值得出，見(jiàn)式（7～10）。同理選擇最大的結(jié)果作為該指標(biāo)的最終結(jié)果。

（5）農(nóng)用化肥施用強(qiáng)度。體現(xiàn)的是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)綠色化水平，化肥的施用量越低，說(shuō)明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)越注重降低化肥造成的污染，見(jiàn)式（11）。

（6）農(nóng)藥施用強(qiáng)度。體現(xiàn)的是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)綠色化水平，農(nóng)藥的施用量越低，說(shuō)明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)越注重降低化肥造成的污染，見(jiàn)式（12）。

（7）城鎮(zhèn)污水收集處理率。指縣城及城鎮(zhèn)建成區(qū)經(jīng)過(guò)污水處理廠或其他污水處理設(shè)施（土地、濕地處理系統(tǒng)等）收集處理污水，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的排水量占縣城及城鎮(zhèn)建成區(qū)污水排放總量的百分比，可直接從統(tǒng)計(jì)年鑒中獲取該結(jié)果[16]。

（8）地表水達(dá)到或優(yōu)于III類(lèi)水比例。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：GB3838—2002》，區(qū)域內(nèi)主要地表水監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)達(dá)到或優(yōu)于Ⅲ類(lèi)水的比例?？梢粤私庖粋€(gè)國(guó)家或地區(qū)水環(huán)境質(zhì)量狀況的優(yōu)良程度，可直接從生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)中獲取該結(jié)果[11]。

（9）地表水劣V類(lèi)水比例。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：GB3838—2002》，區(qū)域內(nèi)主要地表水監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)為劣V類(lèi)水的比例?？梢粤私庖粋€(gè)國(guó)家或地區(qū)水環(huán)境質(zhì)量狀況的優(yōu)劣程度，可直接從生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)中獲取該結(jié)果[11]。

2.1.2 水資源指標(biāo) （1）水資源開(kāi)發(fā)利用率。反映研究區(qū)域人類(lèi)用水對(duì)江河生態(tài)產(chǎn)生的壓力，見(jiàn)式（13）。

（2）生態(tài)基流保障率?；A(chǔ)年月實(shí)際平均流量占最小生態(tài)基流百分比。生態(tài)基流量是指為保證河流生態(tài)服務(wù)功能，用以維持或恢復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與功能所需的最小流量。生態(tài)基流保障率越高，河流生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能越強(qiáng)，水環(huán)境承載力越大。其中最小生態(tài)基流流量可利用Tennant法計(jì)算，將江河多年平均流量的10%作為最小生態(tài)基流，可從水利局獲取該數(shù)據(jù)資料[12]，見(jiàn)式（14）。

（3）非常規(guī)水源利用替代水資源比例。反映地區(qū)開(kāi)發(fā)利用雨水和再生水等替代常規(guī)水源的能力，計(jì)算見(jiàn)式（15）。

（4）農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)。農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)是指某一時(shí)期灌入田間可被作物利用的水量與水源地灌溉取水總量的比值。它反映灌區(qū)渠系輸水和田間用水狀況，是衡量從水源取水到田間作物吸收利用過(guò)程中灌溉水利用程度的一個(gè)重要指標(biāo)，能綜合反映灌區(qū)灌溉工程狀況、用水管理水平和灌溉技術(shù)水平，對(duì)農(nóng)田灌溉的節(jié)水性能的評(píng)定有著重要意義，可從水利局獲取該數(shù)據(jù)資料[12]。（5）工業(yè)用水重復(fù)利用率。反映工業(yè)再生水利用技術(shù)的提高對(duì)于減少水資源的使用帶來(lái)的作用，可從水利局獲取該數(shù)據(jù)資料[12]。

2.1.3 水生態(tài)指標(biāo) （1）濕地面積比例。研究區(qū)域濕地面積占該地區(qū)總面積的比率。濕地面積越大，說(shuō)明該地區(qū)的水生生態(tài)環(huán)境越多，對(duì)于生物生存的環(huán)境越有利，同時(shí)對(duì)于該地區(qū)的徑流的調(diào)節(jié)以及水質(zhì)的改善都有很大作用。因此濕地面積比例越高，水環(huán)境承載力越大，計(jì)算見(jiàn)式（16）。

（2）建成區(qū)綠地率。指在城市建成區(qū)的各類(lèi)綠地面積占建成區(qū)面積的比率。城市各類(lèi)綠地包括公共綠地、居住區(qū)綠地、單位附屬綠地、防護(hù)綠地、生產(chǎn)綠地和風(fēng)景林地等6類(lèi)，見(jiàn)式（17）。

（3）森林覆蓋率。亦稱森林覆被率，指一個(gè)國(guó)家或地區(qū)森林面積占土地面積的百分比，是反映一個(gè)國(guó)家或地區(qū)森林面積占有情況或森林資源豐富程度及實(shí)現(xiàn)綠化程度的指標(biāo)，又是確定森林經(jīng)營(yíng)和開(kāi)發(fā)利用方針的重要依據(jù)之一?？芍苯訌慕y(tǒng)計(jì)年鑒上獲取[16]，或者通過(guò)森林面積與地區(qū)國(guó)土面積的比值得出。

2.2 評(píng)價(jià)方法

指標(biāo)體系的權(quán)重選取熵值法進(jìn)行計(jì)算。熵值法是判斷指標(biāo)離散程度的數(shù)學(xué)方法，能客觀的得到各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。

（1）指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化歸一處理

指標(biāo)分為兩類(lèi)：一類(lèi)是正向指標(biāo)，表示數(shù)據(jù)越大指標(biāo)越好；另一類(lèi)是逆向指標(biāo)，表示數(shù)據(jù)越小指標(biāo)越好。

正向指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化歸一，見(jiàn)式（18）。

逆向指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化歸一，見(jiàn)式（19）。

（2）計(jì)算第i個(gè)研究對(duì)象第j項(xiàng)指標(biāo)值的比重，見(jiàn)式（20）。

式（20）中， Yij表示第i個(gè)研究對(duì)象第j項(xiàng)指標(biāo)值比重，m表示研究對(duì)象數(shù)量。

（3）計(jì)算指標(biāo)信息熵，見(jiàn)式（21）。

式（21）中，ej為信息熵，而k=1/lnm。

（4）計(jì)算信息熵冗余度，見(jiàn)式（22）。

式（22）中，dj為信息熵冗余度。

（5）計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，見(jiàn)式（23）。

式（23）中，Wj為第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重值，n為指標(biāo)數(shù)量。

（6）計(jì)算第i個(gè)研究對(duì)象評(píng)價(jià)總得分，見(jiàn)式（24）。

式（24）中，Si為第i個(gè)研究對(duì)象評(píng)價(jià)總得分。

評(píng)價(jià)指標(biāo)共分為兩級(jí)，首先按照以上公式計(jì)算第二級(jí)指標(biāo)從公式（1～17）的值，再按照一級(jí)指標(biāo)的類(lèi)別計(jì)算權(quán)重,式（18～23）以及一級(jí)指標(biāo)的得分（式24），得到三類(lèi)一級(jí)指標(biāo)的最終結(jié)果。

2.3 水環(huán)境承載力狀況的綜合評(píng)估結(jié)果評(píng)比方法

在計(jì)算指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果之后，由于每個(gè)指標(biāo)結(jié)果都是越大代表該項(xiàng)結(jié)果越好，綜合所有的指標(biāo)結(jié)果，匯總成水環(huán)境承載力綜合評(píng)估指數(shù)，見(jiàn)式（25）。

3 結(jié)果和討論

根據(jù)所選擇的指標(biāo)，在各區(qū)縣以及湖州市的統(tǒng)計(jì)年鑒、水文年鑒和環(huán)境質(zhì)量狀況公報(bào)中查找數(shù)據(jù)[16]后匯總于表2。經(jīng)過(guò)指標(biāo)結(jié)果和權(quán)重的計(jì)算，得到三縣兩區(qū)的水環(huán)境承載力綜合評(píng)估，見(jiàn)表3。

表2 湖州市三縣兩區(qū)各指標(biāo)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果

表3 湖州市三縣兩區(qū)水環(huán)境承載力綜合指數(shù)計(jì)算結(jié)果

表3可知，三縣兩區(qū)的水環(huán)境承載力排序情況由高到低為長(zhǎng)興縣、吳興區(qū)、安吉縣、南潯區(qū)和德清縣。其中，長(zhǎng)興縣的水環(huán)境承載力綜合指數(shù)遠(yuǎn)高于其他區(qū)縣，其他4個(gè)區(qū)縣的水環(huán)境承載力綜合指數(shù)相差較小。

從分項(xiàng)指標(biāo)上看，長(zhǎng)興縣在城鎮(zhèn)污水收集處理率、生態(tài)基流保證率、非常規(guī)水源利用替代水資源比例和工業(yè)用水重復(fù)利用率4個(gè)指標(biāo)上分別達(dá)到60.6%、708.6%、5.3%和83.5%，是其他區(qū)縣指標(biāo)最低值的0.49倍、1.7倍、5.3倍和0.04倍，特別是再生水、雨水等其他水源的再利用上，遠(yuǎn)高出其他區(qū)縣5倍以上，表明長(zhǎng)興縣在水資源有效利用和水環(huán)境治理上投入了更多的工作。同時(shí)，長(zhǎng)興縣的農(nóng)業(yè)畜禽養(yǎng)殖污染排放相對(duì)較少，其農(nóng)用化肥和農(nóng)藥的施用強(qiáng)度分別為205.9和13.9 kg/hm2，均小于其他區(qū)縣。長(zhǎng)興縣在水環(huán)境治理和水資源節(jié)約上所做的工作和成效，以及自然資源稟賦較好的天然優(yōu)勢(shì)，使其水環(huán)境承載能力綜合指標(biāo)遠(yuǎn)高于其他區(qū)縣。

水環(huán)境承載力綜合指數(shù)排在第二位的吳興區(qū)，其工業(yè)污染排放較少，工業(yè)污染強(qiáng)度指數(shù)為0.55 kg/萬(wàn)元，低于其他區(qū)縣該類(lèi)指標(biāo)。此外，在環(huán)保治理投入和濕地建設(shè)面積所占比例上分別達(dá)到5.7%和78.3%，是其他區(qū)縣環(huán)保投入和濕地建設(shè)指標(biāo)最低值的13.6倍和6.2倍，表明其在污染治理設(shè)施建設(shè)和水生態(tài)修復(fù)上開(kāi)展了很多工作，使其水環(huán)境承載力綜合指數(shù)較高。

南潯區(qū)、安吉縣和德清縣水環(huán)境承載力綜合指數(shù)相近，其中德清縣的指數(shù)值最低，主要是：德清縣施用的化肥和農(nóng)藥量遠(yuǎn)高于其他區(qū)縣，環(huán)保投入相對(duì)較低，導(dǎo)致治理水平和治理效果相比其他縣區(qū)略差。雖然相比其他區(qū)縣其水資源較豐富、自然稟賦較好，但是大量非點(diǎn)源污染的存在和工業(yè)、生活點(diǎn)源治理效果相對(duì)較低，也拉低了整體水環(huán)境承載力的綜合指數(shù)。

4 結(jié)論

2019年湖州市三縣兩區(qū)的水環(huán)境承載力評(píng)比結(jié)果中，長(zhǎng)興縣的水環(huán)境承載力綜合指數(shù)最高，其在污染治理、水資源節(jié)約和水生態(tài)增容3個(gè)方面所做的工作成效遠(yuǎn)高于其他區(qū)縣。南潯區(qū)、安吉縣和德清縣要注意農(nóng)業(yè)農(nóng)村非點(diǎn)源污染和城市生活點(diǎn)源污染的治理，同時(shí)要加大環(huán)保投入。