阜新市水環境承載力評價研究

郗梓添

(遼寧省阜新水文局，遼寧 阜新 123000)

阜新市屬于遼寧西北部的中心城市，現轄細河、太平、新邱、海州、清河門5個區和阜新蒙古族自治縣、彰武縣，總面積1.0445萬km2。該區域為大陸季風氣候，光照充足、雨熱同季、冬冷干燥、平原風大，平均氣溫8.6℃，年日照時數2630h，年降水量565.6mm，6月降水少較干旱，7月下旬降雨明顯較多。阜新地貌形態以低山丘陵為主，總體呈東北低、西南高，東南低、西北高的變化特征，境內主要有饒陽河、牤牛河、細河、養息牧河、柳河等支流，各河段長依次為41、86、17、114、77、188km，其中大多數河流存在面積小、比降陡、流程短等山區型河流特征，河流水質總體較好，部分河段水環境呈惡化趨勢。隨著工業產業的快速積聚和人口規模的不斷增大，加之氣候的變化和不合理的用水活動，使得水環境污染、河道斷流和水資源短缺等事件頻發，部分河段的水污染程度已遠遠超過水體的極限納污能力，這在很大程度上限制了貧水區的經濟發展和正常的生產生活[1- 7]。根據水資源可持續發展和水生態文明建設要求，為實現區域或城市人水和諧相處必須把水環境承載力作為主要對象，將生態環境作為首要考慮的問題。通過對水環境承載力的預測和評價，可為充分利用當地水資源，減少水環境污染和水資源浪費，協調區域經濟發展與水資源空間分布提供理論依據，為充分發揮水資源價值及加快推進水生態文明建設提供科學指導。近年來，阜新地區依托其特有的地理優勢和環境條件迅速發展經濟，水環境研究側重于水污染控制和水資源利用2個方面，因此預測和評價當地水環境極具必要性和現實性[8]。

1 研究方法

1.1 數據來源

設定水環境承載力現狀水平年為2010—2018年，預測年為2025和2030年，現狀水平年各指標數據來源于《阜新市經濟社會發展公報》《阜新市水環境狀況公報》《阜新市統計年鑒》和中國氣象數據網等資料，結合區域發展實際情況和現狀年各指標變化特征確定2025和2030年的承載力參數值，以此為基礎確定承載力狀況。

1.2 評價方法

經濟的發展和人口的激增，不僅加劇了區域水體污染、用水短缺和水生態安全等問題，而且對居民飲水安全和區域經濟持續發展構成嚴重的威脅。系統、科學地評價區域水環境狀況可為水污染控制提供指導，為水環境治理和承載力的提升提供科學依據。鑒于此，本文結合相關資料和研究成果，根據下述2個分析線路和研究思路開展承載力評價：其一是結合承載力目標設計相應的方案，從整體性的角度考慮生態環境和經濟社會系統，選用多個具體指標構建承載力評價體系和模型，以具體目標、各影響因素為結果和變量，求解不同方案、不同水平年的承載力最優解，由此實現承載力水平的預測分析；其二是采用多項因子描述參評樣本。通過等級劃分和單因素評價，綜合考慮多項因子最終確定區域水環境承載水平。目前，應用于水環境承載力評價的方法有主成分分析、模糊綜合、綜合指數和投影尋蹤法等，不同方法的優劣狀況和使用范圍存在一定差異。針對水資源開發方式和經濟發展模式不同的城市，多目標模型和系統動力學法為常用的預測分析法，而動態模擬遞推算法和背景分析法為獲取某城市水環境承載力最值的適用方法[9- 12]。

2 水環境承載力評價過程

2.1 評價指標體系

當前，現有的水環境承載力評價體系還無法普遍適用于我國不同流域、不同地區，因此指標體系的構建應從研究區具體情況出發，綜合考慮水環境狀況及其變化特征、水資源開發利用程度、科技文化差異水平和區域經濟發展的不平衡性，結合區域水資源特點及其實際狀況選擇合適的因子。

本文借鑒水環境評價標準和指標體系現有研究成果，綜合考慮水系統各方面影響因子及阜新地區經濟發展狀況，遵循評價體系構建原則和指導思想，從社會經濟、人類生活和水環境3個方面選擇水環境承載力評價因子構建指標體系，見表1。

表1 區域水環境承載力評價體系及權重值

2.2 阜新市水環境承載力計算

根據阜新市水環境狀況和經濟發展模式，確定各評價因子核算標準及其權重值，結合相關文獻資料構建承載度計算模型，并將上述9個指標實測數據輸入模型獲取相應的承載度值，對阜新市水環境承載力等級利用模加和法確定，最終評判區域承載力狀況[13- 14]。

水環境承載力評價值和各參評因子值處于0～1范圍，考慮到核算標準的不同各項因子均存在一個最優值1和一個最差值0。對于越大越優和越小越優型指標其取值均處于最優、最差值范圍，因此所構造的函數符合單調變化特性。本文對阜新市水環境承載力水平采用模加和與變異系數相結合的方法評價，其數學模型如下：

(1)

構造指標承載度計算模型和確定各指標權重為最重要的環節，通過對各類權重計算方法適用范圍和特點的分析，考慮選用變異系數法求解各因子權重并建立承載度模型。

2.3 評價指標權重

變異系數法為目前最為常用的水環境承載力權重計算方法，該方法依據各因子基礎信息直接獲取相應的權重值。一般條件下，不同指標的量級存在差異而無法直接用于比較，為消除各因子間的不可通透性需要對各個指標利用變異系數法處理，其表達式為：

Vi=ai/bi

(2)

式中，ai、bi—評價因子i的標準差和平均數；Vi—評價指標i的變異系數。

由此可確定各因子權重，計算式為：

(3)

采用上述公式可確定水環境承載力各項因子權重。

2.4 承載度計算模型

在水環境承載力評價過程中各指標承載度模型的確定存在一定的難度，所以本文參考了水安全度相關研究成果。其原因為隨著因子值的增大各項指標的承載度呈現出如下變化趨勢：從零開始評價指標值不斷增大，所對應的承載度數值呈現出先增大后減少的變化特征。所以，對數函數的變化與這種趨勢具有較好一致性，考慮選用對數函數構建承載度模型，其數學方程為：

Y=a+blgx

(4)

式中，a、b—參數值。

然后根據承載度模型確定各指標核算標準，該過程也是承載力評價的重要環節。結合阜新市人文、社會和自然環境，考慮我國頒布的小康生活水平基本標準、國際或我國公認的指標值設定指標最差、最優值。針對國內和國際公認的不屬于最差、最優的指標值定義為及格值，所對應的承載度值取0.5。

人均水資源量反映了區域或城市的水環境狀況且為正向指標，其值小于1700m3時國際上就認為處于用水緊張狀態，因此設定及格值為1700m3。根據水資源和區域人口調查數據，水資源量人均最低值為90m3，為便于運算取最差值為100m3。水資源利用率反映了區域水資源開發潛力且屬于逆向指標，國際公認水平不低于40%，因此取及格值和最差值為40%、10%。城鎮污水處理率、工業重復用水率和工業廢水達標率屬于人類活動且均為正向指標，在水質評價中具有重要作用，所以設定最優值均為100%，最差值分別為30%、35%、40%。人均GDP體現了區域經濟發展狀況，依據世界銀行劃分標準確定高、上中等、下中等、低收入國家標準為大于9400、9400～3000、3000～760、小于760美元。人均100美元為國際上赤貧計算標準，因此該指標最小值取100美元。結合區域發展實際情況取城市化水平最優值和最差值為100%、20%。農民人均純收入屬于表征生活水平的重要參數，農民人均純收入小康值按照小康生活水平基本標準確定為1200元，因此該指標最差值和及格值設定為760、1200元。統計分析以上結果，確定各指標核算標準，見表1。通過代入指標承載度核算模型反向求解參數a、b數值，最后獲取各承載度運算模型，見表2。

2.5 阜新市水環境承載力綜合評價

將模加和方法和變異系數法相耦合確定水環境承載力值，其計算式如下：

(5)

式中，|E|—阜新市水環境承載力絕對值；Ei、Wi—評價因子i的承載度和權重絕對數；m—參評因子數。

根據阜新市經濟社會發展統計公報、水環境狀況公報、統計年鑒和遼寧省水利廳相關資料獲取現狀水平年2010—2018年各評價因子初始值，結合區域發展情況合理設定預測年2025、2030年各因子值見表3。

表2 水環境承載度核算標準及其計算模型

表3 阜新市水環境承載力評價因子初始值

表4 水環境承載力綜合評價值

根據所構建的承載度計算模型和以上各指標初始值，可計算得到阜新市各指標承載度值，然后運用模加和計算方法和承載度值計算結果，確定各年份綜合承載力值，見表4。

3 評價結果分析

3.1 單指標承載度變化趨勢

2010—2030年阜新市人均水資源量承載度預測值如圖1所示。

圖1 2010—2030年阜新市人均水資源量承載度預測值

根據圖1變化特征，2010—2030年阜新市人均水資源量承載度總體上呈波動上升的變化趨勢。依據設定的評價標準可認為該地區人均水資源量處于較低水平，2025年預測結果為0.425，2015年人均水資源量為725m3，不足全國平均的1/3，阜新市存在水環境污染、水資源浪費和用水短缺等問題，未來可在一定程度上緩解用水短缺的現狀。

2010—2030年阜新市水資源利用率承載度預測值如圖2所示。

圖2 2010—2030年阜新市水資源利用率承載度預測值

從圖2可知，阜新市水資源利用率承載度總體呈現出不斷減少的變化特征，且未來發展仍以下降為主，預測結果顯示2030年下降至0.352。水資源利用率屬于負向評價指標，其承載度不斷減少表明阜新地區逐漸采取降低消耗、優化產業結構等工業措施，各項先進節水工藝和新能源等工作得到研究推廣。

2010—2030年阜新市人均用水量承載度預測值如圖3所示。

圖3 2010—2030年阜新市人均用水量承載度預測值

從圖3可以看出，研究期間阜新市的人均用水量表現出逐漸增加的變化規律，其原因為經濟社會的快速發展和居民生活條件得到顯著改善，使得用水量不斷增大；另外，阜新境內的牤牛河、饒陽河、柳河等為當地生產生活用水提供了水源，當地存在較大的開發潛力。

2010—2030年阜新市工業廢水達標率承載度預測值如圖4所示。

圖4 2010—2030年阜新市工業廢水達標率承載度預測值

根據圖4變化趨勢可知，除2015、2018年外阜新市工業廢水達標率承載度表現出不斷上升的趨勢。其原因為當時有些工業將廢水直接排入河流、工業廢水排放量大且發生了嚴重的苯污染事件，所以此期間的承載度有所下降。對此，各部門要加強對廢水排放的監測力度，嚴格要求企業廢水達標排放及降低污染事件發生概率。

2010—2030年阜新市工業重復用水率承載度預測值如圖5所示。

圖5 2010—2030年阜新市工業重復用水率承載度預測值

從圖5可知，2010—2030年期間阜新市的工業重復用水率呈波動上升的變化趨勢，承載度從2010年的0.915逐漸增大至2014年的0.966，隨后波動上升至2030年的0.995，該指標具有良好的發展前景。2014、2015年呈下降趨勢，這主要與阜新市加大了工業生產量和石油管道泄露事件等相關，而對于環境治理和保護較為滯后。隨后，各部門加強對企業的管理并不斷引進先進的三廢處理技術，使得人們節水意識和工業重復用水率逐漸提升。

2010—2030年阜新市城鎮污水處理率承載度預測值如圖6所示。

圖6 2010—2030年阜新市城鎮污水處理率承載度預測值

結合圖6變化特征，阜新市城鎮污水處理率從2010年的0.833不斷增大至2018年的0.902，變化幅度較為顯著。這主要與人們水生態保護意識和對居住環境要求的提升等相關。同時，阜新市許多企業擴建了污水處理廠并引入了先進的污水處理技術。所以，城鎮污水處理率承載度總體處于較高水平，且具有上升趨勢。

2010—2030年阜新市人均GDP承載度預測值如圖7所示。

圖7 2010—2030年阜新市人均GDP承載度預測值

水生態環境在一定程度上受到經濟發展的影響，而經濟的發展狀況可通過人均GDP指標反映。從圖7變化趨勢可知，2010—2018年的阜新市人均GDP得到顯著提升，從最初的0.688不斷增大至0.847，預測結果顯示該承載度最大值可達到0.885，可見阜新市仍存在較大的發展潛力，同時需要加強水環境的保護。

2010—2030年阜新市城市化水平承載度預測值如圖8所示。

圖8 2010—2030年阜新市城市化水平承載度預測值

圖8預測結果表明，阜新市2010—2030年城市化承載度呈現出不斷上升趨勢，但后期的增大幅度有所下降。其原因為人們對健康意識和生存環境要求的逐漸提升，使得貼近自然、回歸鄉村的愿望不斷強烈，這在一定程度上限制了城市化的發展。研究期間該承載度均超過0.85，總體達到較高水平，然而城市化水平越高人們依賴于水資源的程度越大，水環境保護和水資源浪費等依舊面臨著巨大壓力。

2010—2030年阜新市農民人均純收入承載度預測值如圖9所示。

圖9 2010—2030年阜新市農民人均純收入承載度預測值

根據圖9預測值可知，阜新市2010—2018年的農民人均純收入承載度總體不斷上升，從2010年的0.755逐漸提高至2018年的0.794，這可能與當地政府制定實施了一些切實可行的新型農業發展道路相關，基礎設施條件、人們生活水平、農業產業結構得到全面的改善和優化提升。

3.2 承載力變化特征

2010—2030年阜新市水環境承載力預測值如圖10所示。

圖10 2010—2030年阜新市水環境承載力預測值

根據圖10變化趨勢，現狀年和預測年阜新市水環境承載力均呈不斷上升趨勢，承載力評價值從初始的0.296逐漸增大至0.437，可見阜新市可持續發展能力呈逐年增強趨勢，這對于促進當地經濟發展和水環境保護具有重要作用，與此同時還應不斷提升和維持水生態功能。

3.3 對策建議

針對阜新市水資源短缺和人均水資源量較少的問題，應將區域發展和水資源相結合構建適合當地的水資源配置格局，以水環境承載力為依據打造高效節水型社會，在保證經濟社會發展的同時不斷提升區域水環境承載力。另外，要積極探索節水技術措施，加強宏觀調控和產業結構調整，制定完善的供水、用水管理體系及定額指標，提高節水意識和水資源實時監測能力，通過轉變水資源利用方式做好充分用水和廢水處理工作；建立完善的排水、供水管道和污水集中處理體系，逐步實現高收益、低能耗目標的實現[15]。

近年來，隨著阜新市社會經濟的發展和城鎮化建設的快速推進，各行業對水資源的需求量急劇增大并導致用水短缺矛盾日趨突出。新型節水技術的研究和科技的發展，在一定程度上降低了水資源浪費，另外人均用水量的增大還與人口的增長、經濟發展等因素相關[16- 17]。水資源作為維持生態環境和人類生存發展的基礎，在不斷促進城市化發展的同時仍要注重水環境問題，實現阜新市經濟社會可持續發展的前提是不斷提升水環境承載力和生態環境保護力度。

4 結論

(1)研究期間，阜新市的農民人均純收入、人均GDP、城市化水平和城鎮污水處理能力不斷提升，這與當地政府出臺環保建設獎勵政策、重視水資源管理和提升人們生活水平等相關，通過科技創新和三大產業優化調整，促進水資源的合理配置和經濟健康發展，同時環保問題越來越引起人們的重視。工業重復用水率、廢水達標率和人均水資源量總體呈波動上升趨勢，但是2015年存在低落點，這是當年水污染、水浪費和用水短缺等因素引起的。

(2)現狀年和預測年阜新市水環境承載力均呈不斷上升趨勢，最終的承載力評價值從初始的0.296逐漸增大至0.437，可見阜新地區可持續發展能力呈逐年增強趨勢，這對于促進當地經濟發展和水環境保護具有重要作用，與此同時還應不斷提升和維持水生態功能。

(3)阜新市水環境承載力在未來十幾年中仍存在較大的發展潛力，隨著人們生態保護意識的增強將在一定程度上改善水污染現狀，這對于促進當地經濟發展和水生態文明建設具有重要作用。然而，在具體實施時仍需要采取一系列的有效措施，不斷提升和維持水生態健康。