基于量-質耦合協調發展的城市水環境承載力評價

楊東明， 盧韻竹， 王富強,3， 侯新麗

(1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450046； 2.西安理工大學，陜西 西安 710048；3.河南省水環境模擬與治理重點實驗室，河南 鄭州 450046)

1987年，可持續發展的理念被推上學術舞臺，資源環境與社會經濟共生關系成為可持續發展的焦點。為了滿足當代人的生存發展和后代人的需求，人與社會、經濟、資源環境必須相互協調、和諧發展[1]。在社會經濟和資源環境的協調過程中，水環境承載力一詞也逐漸嶄露頭角。在社會經濟發展和水環境變化的要求下，開展科學有效的水環境承載力評價成為社會發展的重要課題[2-3]。

關于資源環境承載力這一問題，國外學者早有研究，且多數發達國家在經濟發展的同時已提前做好了水環境問題的應對措施。因此，國外學者針對水環境這一問題研究較少[4-6]，關注較多的是資源承載力的研究[7-9]。國內學者對此相關研究始于1990年。關于水環境承載力的概念，目前可以分為狹義和廣義之說，根據對水環境自身功能和狀態與人口社會經濟發展水平關注點的不同[10-11]，狹義之說認為水環境承載力是指區域水體能夠接納的最大污染物排放量，而廣義之說則認為水環境承載力是指區域水體所能支撐人口與社會經濟發展的最大規模。隨著對水環境重視程度的不斷提高，水環境承載力問題的研究也在不斷補充新的模型與方法，目前研究的焦點集中于如何能夠合理準確地進行量化評價并提供現實指導意義。崔鳳軍利用系統動力學模型對某城市發展策略做出了預測優化判斷[12]；王儉等利用人工神經網絡分析了遼寧省水環境承載力并得出承載力較弱的結論[13]；賀瑞敏等采用集對分析模型對廣東省水環境承載力改善提出了建議[14]；鄭毅等從廣義水環境承載力角度出發，基于向量模法發現排污量是抑制南寧市水環境承載力提升的主要因素[15];萬炳彤等基于DPSIRM和SVR模型發現長江流域水環境承載力較之前有了較大提升[16]。

綜合來看，水環境承載力涉及社會經濟、水資源、水環境、水生態等各項系統。根據耦合協調發展理論，結合水環境承載力所表征的實際含義，本文將水環境承載力概括為它是水量系統和水質系統在社會經濟載體上相互耦合作用的動態結果。水量系統中“量”的大小、使用方式及使用效率影響著“質”；水質系統影響著社會經濟活動中“量”的分配、使用和排放限值。二者的耦合關系不僅存在于人類社會經濟活動中，同時也存在于水體的自然循環過程中。因此，水量與水質的耦合關系貫穿于二元水循環的整個過程[17]。基于此，本文將水量系統與水質系統間的協調發展度作為水環境承載力評價的綜合指數，并以鄭州市為評價單元，分析2009—2018年鄭州市水量系統和水質系統協調發展度與水環境承載力的變化特征及其影響因素。對比以往的計算方式，該評價方法可為水環境承載力評價提供新的思路。

1 評價方法

1.1 評價指標體系構建

從系統論和耦合協調發展理論的角度出發，將水環境承載力系統劃分至水量和水質兩個維度的子系統中[18]。水量維度即為水資源數量維度，表征區域在取用水資源進行社會經濟及生活、農業等各項活動中“量”的上限及使用效率。該維度受兩方面因素的限制：一是區域水資源稟賦條件以及水資源的循環能力和再生能力；二是區域人口及社會經濟對水資源的開采強度及使用效率。水質維度即為水資源質量維度，它是一個區域或水體允許開發利用的水環境容量的上限，即允許排放的污染量閾值。它取決于區域或水體在特定的水循環狀態和水質保護目標下的水自凈能力[19]。通過分析水量維度和水質維度的系統要素和限制因素，構建了水量維度和水質維度的綜合指標體系，見表1，其中“+”表示該指標為正向發展類指標，“-”表示該指標為負向限制類指標。

表1 水環境承載力綜合評價指標體系

水量維度中，人均水資源量及產水模數反映了區域水資源稟賦條件，人均用水量、人均耗水量及萬元GDP用水量反映區域用水整體水平及效率，各產業萬元生產總值用水量反映了用水結構及各行業用水效率；水質維度中，水環境容量利用率反映了區域水環境容量壓力，各產業COD及氨氮排放指數反映了污染源結構及各污染源對水環境產生的壓力，生態基流保證率反映了河湖生態系統服務功能[20-21]。由于目前沒有嚴謹而科學的方法確定水環境承載力指標的標準值，本文參照同類型區域已有的水環境承載力相關指標標準值，并結合該研究區域的社會經濟實際發展狀況綜合確定各項指標標準值[22-23]。

1.2 評價指標權重確定

為避免主觀賦權中的主觀認識偏差以及客觀賦權中數據信息不足對賦權結果的不利影響，采用層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)和熵權法組合賦權的方法對水環境承載力各項指標進行賦權[24-25]。

1.2.1 層次分析法賦權

1)同一層次各評價指標之間進行重要性比較和判斷，采用9位標度法衡量兩兩指標間的相對重要程度，劃分標準見表2。得出相對重要程度數值Ci∶Cj=aij，相應的判斷矩陣為：

A=(aij)n×n,aij=1,2,…,9。

(1)

式中n為研究變量的個數。

2)運用行和法進行歸一化，得到權重，求出特征向量和最大特征值。

3)一致性判斷為：

CI=(λmax-n)/(n-1)；

(2)

CR=CI/RI。

(3)

式中：λmax為最大特征根；RI為平均隨機一致性指標；CI為一致性指標；CR為一致性比例。當CR<0.1時，通過檢驗。

表2 9位標度法劃分標準

1.2.2 熵權法賦權

因不同量級和量綱指標無法直接進行組合運算，本文通過標準值法將數據進行標準化，參照表1中各項指標的標準值，正向指標與負向指標分別采用如下的式(4)和式(5)進行計算：

(4)

(5)

式中：Xij為第i項指標第j年的實際值；Si為指標標準值；X′ij為指標標準化值。

1)計算第i項指標熵值ei，

(6)

(7)

式中：qij為第i項指標在第j年中的比重；k=1/(lnm)。

2)計算第i項指標差異性系數di，

(8)

根據主、客觀權重計算結果，采用加法組合法計算組合權重，參考相關研究選取層次分析法和熵權法各占0.5的比例求解組合權重。

1.3 協調度測度模型

協調度測度是利用數理統計中變異系數和協調系數的概念和性質求兩個子系統之間協調關系的模型。根據協調度的定義，水量系統綜合指數L(x)與水質系統綜合指數Z(x)的協調關系表現為兩者的離差。要使區域水量系統與水質系統達到穩定的協調關系，就要使L(x)與Z(x)的離差盡可能小，即Cv=2S/(L(x)+Z(x))越小，協調性越高，其中S為標準差。經過推導可知，只需式(11)中C值越大即可，因此,將C值定義為協調度測度值。根據協調度C的計算結果，可將其分為表3所示的5類等級[26-27]。

(9)

(10)

(11)

式中：αi與βi分別為水量系統與水質系統各指標權重；xi為各系統中指標的標準化值；L(x)為水量系統綜合指數；Z(x)為水質系統綜合指數；C為水量系統與水質系統間的協調度。

表3 協調度等級分類

1.4 協調發展度模型

協調度雖然能夠表示水量系統與水質系統之間的協調關系，但是較大的協調度可能是低水平的協調發展，也可能是高水平的協調發展，也就是說協調度無法反映出水量系統與水質系統之間協調的統一發展水平。協調發展度是在協調度的基礎上增加兩個綜合發展指數的子系統，可通過指數關系分析水量系統與水質系統的綜合演化過程[28]。因此，可采用協調發展度來對水量系統與水質系統的整體發展水平進行度量。

W=aL(x)+bZ(x)，

(12)

(13)

式中：W為水環境承載力綜合指數；a、b為待定系數；D為協調發展水平，即協調發展度。

根據水環境承載力和協調發展度計算所得的綜合指數值，可以將二者分別劃分為5個等級。另外，結合水量系統和水質系統綜合指數的大小關系，可將計算結果進行歸類分析，以便在分析協調發展程度的同時，比較水量系統和水質系統協調發展的領先或滯后關系。水環境承載力等級、協調發展度等級和類型判別標準見表4。

表4 協調發展度與水環境承載力等級及類型判別標準

2 實例分析

2.1 研究區概況

鄭州市是河南省政治、經濟、文化中心，是我國重要的中心城市和交通樞紐。地處東經112°42′～114°14′，北緯34°16′～34°58′，屬溫帶大陸性季風氣候，四季分明，夏季多雨，冬季少雨，降水量從南向北逐漸遞減，多年平均降雨量635.6 mm。地跨淮河、黃河兩大流域，大小河流共計124條。鄭州市按流域分為6個四級流域水資源區劃，包括淮河流域3個區，黃河流域3個區。鄭州市多年平均水資源總量13.23億m3，多年人均水資源量178 m3，屬于嚴重缺水地區。2018年末全市總人口1 013.6萬人，其中城鎮人口743.8萬人，鄉村人口269.8萬人，全年完成生產總值10 143.3億元。

2.2 數據來源

本文收集了鄭州市人口、GDP、水資源量、供水量、耗水量、污水排放量、各產業COD排放總量和氨氮排放總量等數據，數據來源于《鄭州市統計年鑒》《鄭州市環境質量狀況公報》《鄭州市水資源公報》等。

2.3 計算結果

根據收集的基礎數據源，采用表1中各指標計算方法得出各指標數據，結合各指標標準值，通過式(4)和式(5)計算得到各指標標準化值，見表5。根據AHP法采用式(1)—(3)計算各指標的AHP權重，再根據熵權法采用式(4)—(8)計算各指標的熵權，采用加法組合法確定最終權重，結果見表6。

表5 2009—2018年鄭州市各指標標準化值

表6 指標權重計算結果

根據協調度測度模型采用式(9)—(11)計算水量系統與水質系統綜合指數及二者的協調度，再根據協調發展度模型采用式(12)和式(13)計算水環境承載力綜合指數和協調發展度。根據各項指標計算結果，參照協調發展類型判別標準對各年份協調發展類型進行判斷，各項指標計算結果及判斷結果見表7和表8。水量系統與水質系統綜合指數隨時間的變化關系如圖1所示，二者間協調度、協調發展度和水環境承載力綜合指數隨時間的變化關系如圖2所示。

根據表7、表8的計算結果及圖1、圖2中各指數變化關系可知：2009—2108年鄭州市水量系統與水質系統綜合指數整體呈現逐年上升趨勢，水質系統綜合指數在2016年超過了水量系統，二者間的協調關系由2009年綜合指數為0.686的中度協調提升至2018年綜合指數為0.986的良好協調；水量系統與水質系統的協調發展度呈現了先波動后穩定上升的變化趨勢，由2009年綜合指數為0.462的勉強協調發展水質系統滯后型提升至2018年綜合指數為0.876的良好協調發展水量系統滯后型；鄭州市水環境承載力水平基本處于穩步升高狀態，由2009年綜合指數為0.311的輕度超載狀態提升至2018年綜合指數為0.778的承載適宜狀態；協調發展度綜合指數略高于水環境承載力綜合指數，且二者變化趨勢相似，當水量系統與水質系統為勉強協調發展時，水環境承載力處于輕度超載狀態；當水量系統與水質系統為中度協調發展時，水環境承載力處于瀕臨超載狀態；當水量系統與水質系統處于良好協調發展狀態時，水環境承載力處于承載適宜狀態。

表7 協調度與水環境承載力計算結果

表8 水環境承載力承載等級及協調發展類型判別

圖1 2009—2018年鄭州市水量系統和水質系統綜合指數

圖2 2009—2018年鄭州市水量系統和水質系統協調度、協調發展度及水環境承載力

2.4 討論與分析

從鄭州市現狀來看，水量系統綜合指數呈穩步增長的趨勢，與鄭州市加大各產業用水量和用水效率的管控密不可分。從評價指標來看，萬元GDP用水量、萬元工業生產總值用水量、人均耗水量和萬元第三產業生產總值用水量是水量系統綜合指數逐漸提升的主要影響因素。

2011年，鄭州市水質系統綜合指數出現近10年來的最低值，主要原因是各產業COD和氨氮這兩項污染物排放總量達到近10年來的最大值。2015年以后，水質系統綜合指數出現了斷層式升高，從鄭州市規劃及相關政策來看，鄭州市在2014—2016年期間水生態文明城市建設和最嚴格水資源管理制度實施對水質系統綜合指數的大幅度提升起到了關鍵作用。另外，自2015年南水北調中線通水并且鄭州市獲得5.4億m3/a的引水指標，使得鄭州市多項用水更換為南水北調水之后，其他水源對生態用水的補給更加充分，生態基流保證率得以提升，這也是水質系統綜合指數提升的關鍵因素之一。從評價指標來看，水質系統綜合指數的提升主要是受工業COD排放指數、農業COD排放指數和農業氨氮排放指數的影響。

鄭州市水環境承載力水平近10年逐漸升高。2016—2018年水量系統與水質系統綜合指數的離差逐漸縮小并達到了良好協調狀態，水環境承載力水平由輕度超載狀態過渡到承載適宜狀態；但仍存在提升空間，需結合鄭州市水資源、水環境現狀做好水量維度和水質維度同步穩定提升的相關工作。一方面，要繼續強化產業結構調整，著力解決高耗水、低產值及高污染行業對水量系統和水質系統產生的壓力；另一方面，要加大污水處理配套設施建設，減少河道污染源的同時為城市提供更多中水水源，應繼續推進賈魯河、雙洎河和丈八溝等河流的生態治理；此外，應在充分利用引黃水與南水北調中線工程外調水源的基礎上加大中水回用力度，合理配置各項水資源，在提升水資源利用效率的同時降低水環境壓力，以此同步提升水量系統與水質系統的綜合指數。

2011年鄭州市水量系統與水質系統處于良好協調狀態，但協調發展度仍處于勉強協調發展狀態，由此也驗證了模型中子系統間的協調程度C不能表現整體的發展水平D的說法。從水量系統與水質系統的綜合指數對比結果可以看出，社會經濟對于“質”的關注遠滯后于對“量”的關注，以致在2009—2015年水質系統與水量系統綜合指數之間一直存在較大差距，但通過一系列措施的實施和政策的落實，“質”的綜合指數可以快速提高甚至超過“量”的，而在此過程中水環境承載力也處于快速升高的狀態。由此可見，人類社會與水環境之間可以達到和諧共處的狀態。由水環境承載力與協調發展度評價結果等級的對比可知：當水量系統與水質系統處于勉強協調發展水平時，水環境承載力為輕度超載；當二者已經達到中度協調發展的相對良好水平時，水環境承載力為瀕臨超載。由此可見，相比協調發展度，水環境承載力是對水量系統與水質系統發展水平評價更加嚴苛的指數，即欲保證水環境承載力水平處于承載力盈余狀態，至少需要水量系統與水質系統達到良好協調發展水平，若二者之間僅僅達到中等協調發展水平，則水環境承載力可能已經處于超載的邊緣。

3 結論

1)基于水環境承載力評價的目的和耦合協調發展理論，構建了以水量系統和水質系統間的協調發展度來表征水環境承載力的評價模型。依據水量系統與水質系統的要素和限制性影響因素，建立了包含16項指標的評價指標體系，采用主、客觀組合賦權的方法對指標體系進行了賦權，得到了水環境承載力綜合評價值和水量系統與水質系統的協調度及協調發展度。

2)鄭州市水環境承載力在2009—2018年期間整體穩定升高，綜合指數由0.311提升至0.778，承載力水平由輕度超載過渡至承載適宜；水量系統與水質系統的協調發展度也整體呈現升高趨勢，綜合指數由0.462提升至0.876，協調發展水平由勉強協調發展過渡至良好協調發展。協調發展度與水環境承載力綜合指數變化趨勢類似，但水環境承載力綜合指數平均值比協調發展綜合指數平均值低0.15。保持良好的協調發展水平是保障水環境承載力處于承載盈余狀態的必要條件。結合研究區現狀，提出了保持水環境承載力水平持續增長的建議和措施。

3)基于耦合協調發展理論的水環境承載力評價符合水環境承載力的內涵和其評價的意義。在今后的研究中，可以將水環境承載力的要素細化為多個維度，得到多維系統耦合下的協調發展度，這樣使得評價結果更加精確并且能夠為水環境承載力提升提供更加具體、有效的建議。