王 寒，王富強，潘禮德，任立新

（1．華北水利水電大學水利學院，河南鄭州450046；2．黃河水利委員會上游水文水資源局，甘肅蘭州730030）

近年來隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，水資源短缺以及日益嚴峻的江河湖庫污染問題已成為限制區(qū)域社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要因素。在人們對社會可持續(xù)發(fā)展與水環(huán)境的相互關系有了較深刻認識的基礎上，提出了水環(huán)境承載力（Water Environmental Carrying Capacity）的概念。水環(huán)境承載力的大小直接影響人類社會發(fā)展的速度與規(guī)模，無論是研究層面還是管理層面都得到了普遍重視和廣泛應用。

李清龍等［1］指出，水環(huán)境承載力是指在某一時期，在一定環(huán)境質(zhì)量要求下，在某種狀態(tài)或者條件下，某流域（區(qū)域）水環(huán)境在自我維持、自我調(diào)節(jié)能力和水環(huán)境功能可持續(xù)正常發(fā)揮前提下，所支撐的人口、經(jīng)濟及社會可持續(xù)發(fā)展的最大規(guī)模。錢華等［2］認為，水環(huán)境承載力是指水環(huán)境系統(tǒng)的自我維持、自我調(diào)節(jié)能力正常的情況下，水環(huán)境系統(tǒng)的承納能力、可維持的社會經(jīng)濟活動強度和具有一定生活水平的人口數(shù)量。對水環(huán)境承載力的定義雖然在形式上有所不同，但都側(cè)重于強調(diào)水環(huán)境系統(tǒng)的可持續(xù)利用以及功能完整。隨著對水環(huán)境承載力研究的深入，研究人員從水環(huán)境承載力的定性研究轉(zhuǎn)向了定量研究。蔣曉輝等［3］以陜西關中地區(qū)為例，建立了水環(huán)境承載力的多目標分析評價核心模型，得到了不同方案下關中地區(qū)的水環(huán)境承載力；李如忠等［4］指出了常規(guī)矢量模法的不足，建立了基于歐氏貼近度的區(qū)域水環(huán)境承載力評價模糊物元分析模型；王儉等［5］將基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的區(qū)域水環(huán)境承載力評價模型應用于遼寧省水環(huán)境承載力評價中，指出該模型具有結(jié)構簡單、建模方便的特點，評價結(jié)果可以直觀反映區(qū)域水環(huán)境承載力的狀態(tài)；李新等［6］建立了水環(huán)境承載力的多目標優(yōu)化模型，并結(jié)合層次分析法和指標體系評價法對洱海流域水環(huán)境承載力進行了評價；汪嘉楊等［7］構建“DPSIRM”評價指標模型，并運用變異系數(shù)法確定各指標權重，分析得到了太湖流域水環(huán)境承載力評價指數(shù)。

當前我國面臨的主要水生態(tài)環(huán)境問題包括水質(zhì)惡化、富營養(yǎng)化嚴重、水資源短缺等，水質(zhì)污染造成的水資源緊缺已成為我國流域社會經(jīng)濟發(fā)展的重大瓶頸，也是影響水環(huán)境承載力的關鍵因素。筆者以典型水環(huán)境承載力概念模型［1］為依據(jù)，基于層次分析法構建流域水環(huán)境承載力多目標優(yōu)化模型以及指標體系，分析和評價蟒河流域濟源段水環(huán)境承載社會經(jīng)濟發(fā)展能力，以期為該流域社會經(jīng)濟發(fā)展和水資源可持續(xù)利用提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1．1 研究區(qū)概況

蟒河發(fā)源于山西省陽城縣蟒河鎮(zhèn)，流經(jīng)河南省濟源市，焦作市沁陽市、孟縣、溫縣和武陟縣。蟒河地處暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)，年平均氣溫14．3℃；1月氣溫最低，平均氣溫為-0．2℃；7月氣溫最高，平均氣溫為27．4℃。年平均降水量669．2 mm，降水集中在5—9月。2017年蟒河流域總?cè)丝诩s72．2萬，國民生產(chǎn)總值（GDP）600．1 億元，耕地面積 33 801 hm2。

目前蟒河部分河道淤積嚴重，河道泄流能力小。部分河道在欠管理狀態(tài)下有生活污水、生活垃圾等污染物排入。2015年蟒河流域生活廢水排放量達327．35萬t，工業(yè)廢水排放量達309．35萬t，農(nóng)業(yè)和混合廢水排放量達72．68萬t。根據(jù)2017年《濟源市水資源公報》，蟒河上游水質(zhì)滿足農(nóng)業(yè)用水水質(zhì)要求，達到Ⅲ類水標準；蟒河濟源市區(qū)段水質(zhì)污染比較嚴重，全部為Ⅳ類水，達到景觀娛樂用水Ⅳ類水標準；蟒河排污控制區(qū)和過渡區(qū)全年為劣Ⅴ類水，該水功能區(qū)水質(zhì)汛期、非汛期、年均值均不達標。

1．2 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)水環(huán)境承載力評價要求，收集了2012—2017年蟒河流域濟源段相關資料。由于水環(huán)境承載力評價指標的取值直接影響評價結(jié)果的準確性、客觀性和實用性，因此資料的主要來源包括《全國生態(tài)示范區(qū)建設試點考核驗收指標》《濟源統(tǒng)計年鑒》《濟源市水資源公報》《濟源市環(huán)境狀況公報》等。基于收集的資料并通過專家咨詢，得到2012—2017年主要評價指標值。

2 水環(huán)境承載力評價方法

2．1 水環(huán)境承載力評價指標體系

水環(huán)境承載力是指水體在環(huán)境功能正常發(fā)揮的情況下能夠承受人口社會經(jīng)濟活動的最大能力。水環(huán)境承載力由水資源承載力和水質(zhì)量承載力構成，其中水資源承載力（Water Resources Carrying Capacity）是指水環(huán)境在保證流域需水量的條件下所能維持社會可持續(xù)發(fā)展的能力，水質(zhì)量承載力（Water Quality Carrying Capacity）是指流域在接納污染物后仍能維持水體自凈能力和滿足水質(zhì)要求的承載能力［6］。流域水環(huán)境承載力評價可以構建一個具有三層結(jié)構的評價指標體系。其中，第一層為目標層（G），設為水環(huán)境承載力綜合評價；第二層是準則層（T），包括水資源承載力和水質(zhì)量承載力；第三層是指標層（I），包括8個指標。

（1）水資源承載力（T1）。在社會發(fā)展過程中，人類、社會、經(jīng)濟是影響可利用水資源量的重要因素，因此水資源承載力指標選擇人口數(shù)據(jù)和相關社會經(jīng)濟活動數(shù)據(jù)。人口（I1）表征流域人口負荷狀態(tài)；城鎮(zhèn)化率（I2）表征城市化對水資源的壓力，是衡量流域社會化程度和管理水平的重要標志；灌溉面積（I3）表征農(nóng)業(yè)用水量；國民生產(chǎn)總值 GDP（I4）表征區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展水平。

（2）水質(zhì)量承載力（T2）。在社會經(jīng)濟以及人類活動影響下，流域水生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生變化，水質(zhì)量承載力以蟒河流域歷年水質(zhì)狀態(tài)來表示?；瘜W需氧量COD（I5）表征水體受還原性物質(zhì)污染程度，也是水中有機質(zhì)含量的綜合指標；氨氮NH3（I6）是水體中主要的耗氧有機物，也是納污能力計算的重要控制因子；總氮TN、總磷TP（I7、I8）是反映水體富營養(yǎng)化程度的重要指標。

2．2 指標權重的確定

采用層次分析法計算水環(huán)境承載力指標體系中各指標權重。該方法是美國數(shù)學家Satty．T．L．在20世紀80年代提出的，是一種結(jié)合定量方法和定性方法來處理復雜問題的方法［8］。各指標權重見表1～表3。

表1 準則層T指標對目標層G的判斷矩陣

各指標對水環(huán)境承載力的影響程度由大到小進行排序：TN＝TP＞人口＞COD＞GDP＞氨氮＞城鎮(zhèn)化率＞灌溉面積。

表2 指標層元素對準則層T1的判斷矩陣

表3 指標層元素對準則層T2的判斷矩陣

2．3 水環(huán)境承載力評價模型

（1）單項指標評價分數(shù)的確定。在水環(huán)境承載力評價中，由于每個評價指標的單位和數(shù)量都不同，無法統(tǒng)一進行計算，因此需要對指標數(shù)據(jù)進行標準化處理。本文采用極差標準化的方法使模型中每個指標都介于0～1之間。越大越優(yōu)的指標：

越小越優(yōu)的指標：

式中：Ii為第i個指標的分數(shù)值；i分別表示人口、城鎮(zhèn)化率、灌溉面積、GDP、COD、NH3、TN、TP 等指標；xi為第i個指標的實測值或調(diào)查值；xi，max和xi，min分別為第i個指標設置的最大值和最小值。

對于越大越優(yōu)的指標，若xi大于最大值，指標分數(shù)值取1；若Xi小于最小值，指標分數(shù)值取0。對于越小越優(yōu)的指標，若Xi大于最大值，指標分數(shù)值取0；若Xi小于最小值，指標分數(shù)值取1。

（2）水環(huán)境承載力評價模型。水資源承載力：

式中：WRCC為水資源承載力；i分別表示人口、城鎮(zhèn)化率、灌溉面積、GDP；Wi為第i個指標的權重。

水質(zhì)量承載力：

式中：WQCC為水質(zhì)量承載力；i分別表示 COD、NH3、TN、TP。

水環(huán)境承載力：

式中：WR和WQ分別為水資源承載力和水質(zhì)量承載力的權重。

由于模型中各指標對承載力的影響程度不同，因此各指標在水環(huán)境承載力計算中占有不同的權重。在對每個指標進行標準化處理時，模型中每一個指標分數(shù)值都介于0～1之間，可以把這個值稱為指標的承載度。水環(huán)境承載力綜合評價值也介于0～1之間，而且水環(huán)境承載力綜合評價值越大，說明水環(huán)境承載狀況滿足流域承載能力越大。

3 評價結(jié)果與討論

根據(jù)收集的2012—2017年蟒河濟源段評價指標的相關數(shù)據(jù)，整理得到蟒河濟源段水環(huán)境承載力變量值，見表4。

表4 水環(huán)境承載力變量值

灌溉定額、單位GDP耗水指標最優(yōu)值和最差值分別采用《全國生態(tài)示范區(qū)建設試點考核驗收指標》的Ⅰ類和Ⅲ類指標；人口、城鎮(zhèn)化率指標通過專家咨詢和參考相關文獻確定［9］；COD、NH3、TN、TP 指標最優(yōu)值和最差值分別采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838—2002）的Ⅰ類和Ⅲ類指標。按照近5 a濟源市水資源總量2．83億m3計算承載能力。根據(jù)水環(huán)境承載力評價模型及指標權重的計算方法，終得到水環(huán)境承載力標準值及權重，見表5。

表5 水環(huán)境承載力標準值及權重

應用式（1）、式（2）計算 2012—2017年水環(huán)境承載力各指標標準化值，應用式（3）～式（5）計算2012—2017年水資源承載力、水質(zhì)量承載力和水環(huán)境承載力，計算結(jié)果見圖1。

圖1 2012—2017年水資源、水質(zhì)量和水環(huán)境承載力

由2012—2017年蟒河濟源段水資源、水質(zhì)量和水環(huán)境承載力變化趨勢可知，蟒河濟源段水資源承載力2012—2013年略有升高，之后一直保持平穩(wěn)狀態(tài)。計算結(jié)果說明人口、社會經(jīng)濟狀況發(fā)展相對穩(wěn)定，蟒河濟源段近年來水資源情況相對穩(wěn)定。相比于水資源承載力而言，水質(zhì)量承載力處于波動狀態(tài)，2012—2013年水質(zhì)量承載力大幅度上升，之后呈逐漸下降趨勢。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838—2002），化學需氧量（COD）除了在2012年處于Ⅲ類水質(zhì)標準外，其余年份都達到Ⅰ類水質(zhì)標準；氨氮（NH3）指標基本處于Ⅱ、Ⅲ類水質(zhì)標準；總氮（TN）指標基本沒有改善，2012—2017 年在 0．75 ～ 0．96 mg／L 之間波動；總磷（TP）指標除了在2013—2014年達到Ⅰ類水質(zhì)標準外，其他年份均處于Ⅲ類水質(zhì)標準。

水環(huán)境承載力的變化趨勢與水質(zhì)量承載力相似，這表明水質(zhì)量承載力對水環(huán)境承載力影響更大。水環(huán)境承載力從2012年的0．396增加到2013年的0．684，隨后開始持續(xù)下降，一直下降到2016年的0．464。水環(huán)境承載人口、社會與經(jīng)濟發(fā)展能力的評價結(jié)果與實際相符。

蟒河流域設有濟源水文站，水文測流斷面在南、北蟒河匯合點下游約500 m，流域控制面積480 km2。1959—2015年蟒河多年平均地表水徑流總量為1．003億m3／a，20世紀70年代引沁濟蟒渠建成引水后徑流量變大，年平均地表徑流總量增長為1．074億m3／a。另外，盡管近幾年人口數(shù)量和城鎮(zhèn)化率有所增大，但濟源市政府積極響應國務院《關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》，積極推進節(jié)水型社會建設，對水資源管理不斷加強，水資源開發(fā)利用進入以量定需、嚴格管控的新時期，以有限的水資源支撐社會經(jīng)濟的全面發(fā)展，因此蟒河濟源段水資源承載力狀況良好。

相較于水資源承載力，水質(zhì)量承載力相對較低。蟒河南官莊斷面為省控斷面，是濟源蟒河的出境斷面，通過2011—2015年蟒河南官莊斷面水質(zhì)長期監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得到，蟒河南官莊水質(zhì)普遍較差，均為劣Ⅴ類，主要污染指標為氨氮、化學需氧量和總磷等。其中：氨氮指標歷年超標最為嚴重，超標倍數(shù)為1．31～3．32倍；總磷從劣Ⅴ類轉(zhuǎn)化為Ⅴ類，總體而言超標較為嚴重；化學需氧量較為平穩(wěn)，超標倍數(shù)在1．2倍左右。根據(jù)蟒河水質(zhì)二級水功能區(qū)水質(zhì)達標評價結(jié)果，水功能區(qū)蟒河濟源過渡區(qū)和蟒河濟源排污控制區(qū)水質(zhì)汛期、非汛期、年均值均不達標。大量生活污水、工業(yè)廢水排放和農(nóng)業(yè)面源污染是導致蟒河濟源段水污染的主要原因，總氮和總磷是造成水體富營養(yǎng)化最重要的指標。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們對水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境的要求越來越高，迫切需要加快河湖水系的綜合整治，加強水源地保護和水功能區(qū)管理，建立完善的水生態(tài)環(huán)境安全保障體系。

4 結(jié) 語

通過層次分析法對各指標權重分析表明：富營養(yǎng)化指標（TN、TP）對水環(huán)境承載力影響最為顯著，其次是人口指標、COD指標。對水環(huán)境承載力影響最大的指標中，大部分都是水質(zhì)量承載力指標，說明水質(zhì)量子系統(tǒng)對水環(huán)境承載力影響更顯著。蟒河濟源段水資源承載力2012—2013年略有升高，之后保持平穩(wěn)狀態(tài)。說明蟒河濟源段人口、社會經(jīng)濟狀況發(fā)展相對穩(wěn)定，近年來水資源情況相對穩(wěn)定。相較于水資源承載力而言，水質(zhì)量承載力處于波動變化狀態(tài)，2012—2013年水質(zhì)量承載力大幅度上升，之后呈逐漸下降趨勢。水環(huán)境承載力從 2012年的 0．396增加到 2013年的0．684，之后開始持續(xù)下降到2016年的0．464。 蟒河濟源段水環(huán)境承載人口、社會與經(jīng)濟發(fā)展能力的評價結(jié)果與實際相符。

加強蟒河流域水資源管理和水環(huán)境質(zhì)量的保護，是有效提高水環(huán)境承載力的關鍵。對于蟒河濟源段水資源利用和水環(huán)境保護建議如下：科學高效地配置水資源，建立健全水資源產(chǎn)權制度，完善水價形成機制，提高水資源利用效率與效益；進一步探索灌區(qū)節(jié)水技術改造的有效方式，建立先進的灌溉用水制度，推廣節(jié)水技術；嚴格管理排污口，控制生活污水和工業(yè)廢水的排放總量，建立納污能力監(jiān)測預警機制，對排污量已達到或者超標的地區(qū)，暫停排污；控制農(nóng)業(yè)化肥的施用，減少農(nóng)業(yè)面源污染造成的水體氮、磷污染物超標。