典型河網(wǎng)地區(qū)水環(huán)境承載力評估
——以長興縣為例

鄭博福，范焰焰，任艷紅，黃瓊瑤，黃 云

(1.南昌大學(xué)資源環(huán)境與化工學(xué)院，鄱陽湖環(huán)境與資源利用教育部重點實驗室，南昌 330031；2.浙江省排污權(quán)交易中心，杭州 310015)

0 引 言

水環(huán)境作為影響社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基本要素,其承載能力及狀態(tài)對地區(qū)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用[1,2]。隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的增長，農(nóng)業(yè)、工業(yè)和城市用水量迅速增加，生態(tài)維護(hù)水量不足, 環(huán)境保護(hù)措施缺少等而引起的水環(huán)境問題日顯突出,從而使區(qū)域的持續(xù)發(fā)展受到嚴(yán)重阻礙[3,4]。如何針對上述特點，基于水環(huán)境承載力，推進(jìn)總量控制由目標(biāo)總量控制向以水環(huán)境承載力為核心的總量控制轉(zhuǎn)型，是我國水環(huán)境質(zhì)量管理創(chuàng)新的瓶頸。

水環(huán)境承載力(water environment carrying capacity, WECC)是指在某一時期，在特定環(huán)境狀態(tài)下，某一地區(qū)水環(huán)境所能維持的人口數(shù)量以及對人類社會經(jīng)濟(jì)活動支撐能力的閾值，是衡量人類社會經(jīng)濟(jì)與水環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展程度的依據(jù)[5,6]。近年來，國內(nèi)學(xué)者在水環(huán)境承載力的理論與實踐方面進(jìn)行了大量研究，如李棟梁等[7]評價了贛江流域水環(huán)境承載力，得出其承載力為負(fù)承載，水質(zhì)量承載力影響程度較大；WANG等[8]利用SD模型對不同情景下博斯騰湖的水環(huán)境承載力趨勢進(jìn)行了研究和比較，為博斯騰湖微生態(tài)環(huán)境保護(hù)的合理發(fā)展模式提供了科學(xué)依據(jù)；齊心等[9]構(gòu)建了“壓力—狀態(tài)—響應(yīng)”框架的水環(huán)境承載力評價指標(biāo)體系，研究了北京市水環(huán)境承載力的現(xiàn)狀和趨勢。

縣域水環(huán)境承載力評價是我國水污染防治行動計劃的目標(biāo)要求之一[10]，是實現(xiàn)區(qū)域水環(huán)境差異化、科學(xué)化管理和排污許可分配技術(shù)的重要基礎(chǔ)。目前針對水環(huán)境承載力研究主要集中在省域或者某個流域的大尺度研究，縣域尺度的研究非常少，河網(wǎng)地區(qū)縣域水環(huán)境承載力研究鮮見報道。長興縣是太湖流域典型的河網(wǎng)地區(qū)，水系特性復(fù)雜,流動緩慢，水體自凈能力較差,易出現(xiàn)回流、雍水等現(xiàn)象[11]。本文以長興縣為研究對象，將其劃分為7個水生態(tài)功能分區(qū)，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了水環(huán)境承載力評價指標(biāo)體系，利用向量模法對水環(huán)境承載力進(jìn)行綜合評價，以期為實現(xiàn)長興縣水環(huán)境科學(xué)化、精細(xì)化管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

長興縣隸屬于浙江省湖州市，位于太湖西南岸，杭嘉湖平原西北邊緣，地勢西高東低，現(xiàn)轄4街道9鎮(zhèn)2鄉(xiāng)，總面積為1 431 km2，屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，多年平均降水量為1 309 mm。研究區(qū)內(nèi)河港交織，湖漾密布，境內(nèi)現(xiàn)有河流550 條，總長1 631.6 km，水域面積42.6 km2，境內(nèi)的20條河能通航，全長59 km，主要水系有西苕溪水系、泗安溪水系、長興平原水系、東部平原河網(wǎng)與運河。具體如圖1所示。

圖1 長興縣位置、行政區(qū)劃及水系

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所涉及的社會、經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來自2015-2017年《長興縣統(tǒng)計年鑒》；水資源數(shù)據(jù)來自《湖州市水資源公報》；氣象、水文數(shù)據(jù)來源于研究區(qū)內(nèi)各氣象站點和水文監(jiān)測站；水質(zhì)數(shù)據(jù)來自研究區(qū)各監(jiān)測斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)；污染物排放數(shù)據(jù)來自各鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠及農(nóng)業(yè)調(diào)研數(shù)據(jù)；水生態(tài)數(shù)據(jù)來自現(xiàn)場調(diào)研，水域面積及河道相關(guān)數(shù)據(jù)通過ArcGIS10.5對遙感影像解譯、提取獲得。

1.3 研究方法

1.3.1 水生態(tài)功能區(qū)劃分

對區(qū)域進(jìn)行分區(qū)研究，可以明確區(qū)域水環(huán)境承載狀態(tài)空間差異，因地制宜地制定水污染防治與水資源利用的政策措施，實現(xiàn)區(qū)域水環(huán)境差異化、精細(xì)化管理[12,13]，根據(jù)研究區(qū)域水系特征，以主要控制斷面、匯水區(qū)域作為劃分基準(zhǔn)，綜合考慮重點污染源分布現(xiàn)狀、環(huán)境風(fēng)險管控要求、分區(qū)典型性和實踐可操作性，結(jié)合行政區(qū)劃(圖1)，將研究區(qū)劃分為7個水生態(tài)功能區(qū)(表1)。

表1 長興縣水生態(tài)功能區(qū)

1.3.2 指標(biāo)體系構(gòu)建

本文依據(jù)《“生態(tài)保護(hù)紅線、環(huán)境質(zhì)量底線、資源利用上線和環(huán)境準(zhǔn)入負(fù)面清單”編制技術(shù)指南(試行)》相關(guān)準(zhǔn)則[14]，綜合考慮長興縣發(fā)展現(xiàn)狀、資源環(huán)境條件和自然地理特征，按照數(shù)據(jù)的可獲取性、可操作性、科學(xué)性、動態(tài)性和完整性等原則，并參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[15-19]，構(gòu)建了融合水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、土地生態(tài)服務(wù)功能4個維度的水環(huán)境承載力評估體系，具體如表2所示。

表2 水環(huán)境承載力指標(biāo)體系及權(quán)重

1.3.3 層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)層次分析的基本原理[21,22]，首先建立準(zhǔn)則層判斷矩陣，即水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、土地生態(tài)功能準(zhǔn)則層的判斷矩陣，進(jìn)行一致性檢驗，計算各準(zhǔn)則層權(quán)重；然后分別對每一層的評價指標(biāo)建立判斷矩陣，進(jìn)行一致性檢驗，并計算得出各指標(biāo)在該層中的權(quán)重；最終獲得每一項評價指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)果見表2。

1.3.4 評價模型

(1)

對于負(fù)向指標(biāo)，按照下式處理：

(2)

(3)

這樣，第j個水環(huán)境承載力評價值的大小可以用歸一化后的向量模來表示，即:

(4)

式中:Wi為第j個水環(huán)境承載力的第i個指標(biāo)的權(quán)重[23,24]。

2 水環(huán)境承載力評價分析

2.1 評價結(jié)果計算

根據(jù)相關(guān)指標(biāo)的計算方法，經(jīng)過綜合整理，得到長興縣各個分區(qū)水環(huán)境承載力評價指標(biāo)值，具體見表3。

表3 水環(huán)境承載力指標(biāo)值

根據(jù)公式(1)對正影響指標(biāo)進(jìn)行歸一化計算，根據(jù)公式(3)對負(fù)影響指標(biāo)進(jìn)行歸一化計算，具體計算結(jié)果見表4。

表4 水環(huán)境承載力評價指標(biāo)歸一化值

2.2 評價結(jié)果分析

2.2.1 水環(huán)境分承載力評價

根據(jù)各評價指標(biāo)的歸一化值及其權(quán)重計算得出長興縣各分區(qū)水資源、水環(huán)境、水生態(tài)和土地生態(tài)功能的分承載力，結(jié)果見圖2。

圖2 長興縣水環(huán)境分承載力示意圖

圖2(a)顯示區(qū)域水資源分布不均，D1、D3和D6分區(qū)水資源承載狀態(tài)評價值都超過了0.11，其中D1分區(qū)的水資源利用率為21.5%，D3分區(qū)的萬元GDP耗水量為32.6 m3/萬元，D6分區(qū)的水域面積比達(dá)到了9.43%，承載力水平較高，D4分區(qū)評價值最低(0.05)，該區(qū)水資源利用率較高，農(nóng)業(yè)耗水量大，水資源的供需矛盾未得到根本解決；圖2(b)顯示水環(huán)境分承載狀態(tài)分區(qū)差異明顯，D1分區(qū)達(dá)到了0.136，該區(qū)位于山區(qū)，污染強度低，水環(huán)境質(zhì)量高，最低的是D3分區(qū)，評分為0.047，該區(qū)位于城區(qū)，人口密集，工業(yè)發(fā)達(dá)，污染強度大，部分地區(qū)點、面源污染嚴(yán)重，水環(huán)境出現(xiàn)惡化現(xiàn)象；圖2(c)顯示D2分區(qū)水生態(tài)分承載力評價值最高(0.14)，該區(qū)河道水生植物覆蓋率較高，岸坡多為自然岸坡，水生態(tài)承載狀態(tài)高，D1和D7分區(qū)評價值分別為0.07、0.087，其余分區(qū)評價值低于0.06，這些分區(qū)的河道為航道，岸坡硬化，水生植物較少，水生態(tài)狀況不容樂觀；圖2(d)顯示各分區(qū)土地生態(tài)功能承載狀態(tài)分布均勻，除D4分區(qū)外，其余分區(qū)水平都在0.09～0.1之間，主要是因為研究區(qū)為河網(wǎng)地區(qū)，河流密度和河流蜿蜒度較高，為水環(huán)境承載力的提升奠定了扎實的土地生態(tài)基礎(chǔ)。

2.2.2 分區(qū)水環(huán)境承載力評價及建議

根據(jù)權(quán)重計算的結(jié)果，利用向量模法分別計算長興縣7個水生態(tài)分區(qū)的水環(huán)境承載狀態(tài)的綜合評價指數(shù)，并按照數(shù)據(jù)從大到小依次劃分為好、較好、一般、較差和差5個級別，具體計算結(jié)果見圖3。

圖3 長興縣水環(huán)境承載狀態(tài)分布圖

從圖3中可以看出，長興縣水環(huán)境承載狀態(tài)呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異，評估結(jié)果與長興縣的實際情況基本一致。其中D1和D2分區(qū)水環(huán)境承載狀態(tài)較好，D1分區(qū)位于長興縣西北山區(qū)，森林覆蓋率高，水資源豐富，水資源利用率為21.5%，區(qū)內(nèi)合溪水庫為飲用水源地，河段水質(zhì)較好，故D1分區(qū)的水環(huán)境承載狀態(tài)最好。建議該區(qū)域以改善農(nóng)村生活污水處理和河流廊道生態(tài)功能修復(fù)為重點，禁止或限制開發(fā)，以保持水環(huán)境的承載狀態(tài)一直處于不超載狀態(tài)。D2分區(qū)位于研究區(qū)西北部，水域率僅為1.64%，區(qū)內(nèi)的夾浦鎮(zhèn)紡織業(yè)比較發(fā)達(dá)，造成中下游污染比較嚴(yán)重，對水環(huán)境的壓力不容忽視，其中水口鄉(xiāng)為夾浦港的源頭區(qū)，河段均屬于源頭和水源地水質(zhì)，水質(zhì)較好，河流蜿蜒度較高，為1.39，河道水生態(tài)狀況良好，故也具有較好的水環(huán)境承載狀態(tài)。建議該區(qū)推進(jìn)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級，提升污水治理水平，維持較好的水環(huán)境承載狀態(tài)。

D5和D7的水環(huán)境承載狀態(tài)為一般。其中，D5分區(qū)經(jīng)濟(jì)來源主要為第一產(chǎn)業(yè)，萬元GDP耗水量達(dá)到了152.8 m3/萬元，超出了節(jié)水型社會建設(shè)的最低標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)內(nèi)的河道水生態(tài)嚴(yán)重退化，沉水植物覆蓋率僅為7.6%，河道硬化岸帶所占比達(dá)到了83.22%，故水環(huán)境承載狀態(tài)表現(xiàn)一般；D7分區(qū)位于西苕溪的中游，城鎮(zhèn)化率低，河流連通性高，河流蜿蜒度達(dá)到了1.42，水生態(tài)狀況良好，但該地區(qū)化肥施用強度為477 kg/hm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過生態(tài)縣建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)，故該分區(qū)水環(huán)境承載狀態(tài)仍為一般。建議該區(qū)域以控制農(nóng)業(yè)化肥施用為重點，發(fā)展生態(tài)綠色農(nóng)業(yè)，改善部分河段水生態(tài)和水環(huán)境狀況。

D3、D4和D6水環(huán)境承載狀態(tài)比較差，D3分區(qū)位于長興縣城區(qū)，屬于人口稠密、工業(yè)集聚的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)域，萬元GDP耗水量為32.6 m3/萬元，水平較高，但區(qū)內(nèi)工業(yè)廢水和生活污水大量排放以及城鎮(zhèn)分布過于密集造成河道上下游交叉污染，加上河流蜿蜒度普遍表現(xiàn)較差，削弱了河道水體的自凈能力，其中，長興港水生態(tài)功能退化嚴(yán)重，入河污染物相對集中，部分河段納污能力嚴(yán)重不足；D6分區(qū)位于工業(yè)發(fā)達(dá)的李家巷鎮(zhèn)，水域率達(dá)到了9.43%，但部分企業(yè)耗水量大，區(qū)域水資源利用率超過75%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國際公認(rèn)的40%水資源開發(fā)利用限度，其中楊家浦河段岸邊植被覆蓋率僅為16.2%。因此，D3和D6兩個分區(qū)水環(huán)境承載狀況較差。建議該地區(qū)調(diào)整用水結(jié)構(gòu)，鼓勵工業(yè)循環(huán)用水，科學(xué)管理排污口，控制污水排放總量，開展河道水生態(tài)修復(fù)工作。D4分區(qū)水環(huán)境承載狀況最差，該區(qū)農(nóng)業(yè)種植面積廣，耗水量大，年施用化肥量達(dá)7 023 t，農(nóng)業(yè)面源污染嚴(yán)重，區(qū)內(nèi)的長湖申線、泗安塘為航道，水生態(tài)承載狀態(tài)不足，河流蜿蜒度低，水質(zhì)凈化能力差，森林覆蓋率僅為11.44%。建議該區(qū)控制化肥施用，發(fā)展生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)，加強河道生態(tài)修復(fù)治理，禁止不合理開發(fā)和開墾。

2.2.3 長興縣水環(huán)境承載力評價

根據(jù)分區(qū)水環(huán)境承載力的計算結(jié)果，利用評價模型計算得出長興縣水環(huán)境承載力綜合評價指數(shù)為0.044，整體上處于中等偏下水平，原因是長興縣水生態(tài)、水環(huán)境承載力的下降所致，縣內(nèi)河道多為航道，導(dǎo)致水生植物嚴(yán)重缺乏，河道岸坡硬化，造成岸帶植被覆蓋率低，水生態(tài)水平較低，長興縣工業(yè)發(fā)達(dá)，以印染、電源和化工業(yè)為主，工業(yè)廢水排放量大，給水環(huán)境帶來了極大的壓力，部分地區(qū)農(nóng)作物種植面積廣，以及化肥、農(nóng)藥不合理使用，加重了河道水體污染的程度，水環(huán)境質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。建議長興縣相關(guān)部門加強對河道的管理，改善河道水生態(tài)狀況，工業(yè)上堅決整治重點污染企業(yè)，盡快落實排污權(quán)的分配，農(nóng)業(yè)上發(fā)展生態(tài)綠色農(nóng)業(yè)，控制農(nóng)藥化肥的使用，提高長興縣水環(huán)境承載水平。

3 結(jié)論與展望

(1)本文從水資源、水環(huán)境、水生態(tài)與土地生態(tài)功能四個角度構(gòu)建水環(huán)境承載力綜合評價指標(biāo)體系，利用向量模法對研究區(qū)內(nèi)共7個水生態(tài)功能分區(qū)進(jìn)行綜合評價。結(jié)果表明，長興縣7個分區(qū)的水環(huán)境承載狀態(tài)具有明顯的區(qū)域差異，總體來說，研究區(qū)西北地區(qū)水環(huán)境承載狀態(tài)較好，西南地區(qū)水環(huán)境承載狀態(tài)一般，而中東地區(qū)水環(huán)境承載能力較差；水資源和土地生態(tài)功能承載狀態(tài)部分地區(qū)表現(xiàn)較差，但總體水平較高，二者均為長興縣水環(huán)境承載力的提升奠定了堅實的基礎(chǔ)；水環(huán)境和水生態(tài)承載水平較低，其中，河道水生態(tài)退化、水功能區(qū)水質(zhì)不達(dá)標(biāo)以及大量生活污水、工業(yè)廢水排放和農(nóng)業(yè)面源污染是長興縣水環(huán)境承載力的主要限制因素。

(2)根據(jù)長興縣各水生態(tài)功能分區(qū)自然和社會環(huán)境差異，結(jié)合水環(huán)境承載力評估結(jié)果，提出了分區(qū)間的差異性管理措施，評估結(jié)果可為長興縣水環(huán)境分區(qū)管理以及區(qū)域差異化排污許可分配技術(shù)提供依據(jù)，也可為其他河網(wǎng)地區(qū)水環(huán)境管理提供技術(shù)支撐。

(3)由于目前水環(huán)境承載力的評價體系還不夠健全，指標(biāo)的選取還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，計算方式各異，本文中水環(huán)境承載力指標(biāo)的選取、計算以及數(shù)據(jù)的獲取方式仍有待深入討論。此外，受限于數(shù)據(jù)的可獲取性，本研究僅對長興縣各分區(qū)水環(huán)境承載力進(jìn)行空間上的評估，尚未考慮各分區(qū)水環(huán)境承載力時間上發(fā)展的趨勢，今后，應(yīng)開展各分區(qū)不同年份以及不同水期的水環(huán)境承載力評估，以期實現(xiàn)區(qū)域水環(huán)境動態(tài)分區(qū)管理。

致謝：中國環(huán)境科學(xué)研究院對河網(wǎng)地區(qū)水環(huán)境承載力評估方法、水環(huán)境承載力指標(biāo)體系構(gòu)建提出了建議和參考方案，浙江省長興縣治水辦、環(huán)保局等部門為本課題研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在此一并致謝！