典型工業(yè)城市水環(huán)境承載力分析評價
——以黃石市為例

朱家棟，劉 蓬，仇夢璇，蔣 衡，徐 銀

(1.湖北大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430000；2.黃石市生態(tài)環(huán)境局，湖北 黃石 435000)

1 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]。隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類對于高質(zhì)量的水環(huán)境需求越來越強(qiáng)烈，水環(huán)境承載力一詞也逐漸嶄露頭角[2]。由于研究出發(fā)的角度不同，水環(huán)境承載力在不同國家和地區(qū)、不同領(lǐng)域所應(yīng)用的概念和方法有所差別，其構(gòu)建的評價指標(biāo)體系也存在諸多差異[3～6]。隨著對水環(huán)境承載力的重視程度不斷提高，如何開展科學(xué)有效的水環(huán)境承載力評價成為社會發(fā)展的重要課題。

為合理準(zhǔn)確地進(jìn)行量化評價水環(huán)境承載力，并為重點流域水生態(tài)環(huán)境保護(hù)“十四五”規(guī)劃提供重要的基礎(chǔ)支撐，2020年生態(tài)環(huán)境部組織編制了《水環(huán)境承載力評價方法(試行)》(以下簡稱《辦法》)。該《辦法》將水環(huán)境承載力定義為在一定時期內(nèi)，區(qū)域水環(huán)境系統(tǒng)在滿足水質(zhì)目標(biāo)要求、保持可持續(xù)的自凈能力和維持水生態(tài)健康條件下，對區(qū)域人口、經(jīng)濟(jì)和社會活動的支持能力。《辦法》以水環(huán)境質(zhì)量為核心，將水環(huán)境承載力以指數(shù)量化，通過區(qū)域內(nèi)水質(zhì)在時間、空間尺度的達(dá)標(biāo)情況來計算。本文以《辦法》為指導(dǎo)，以黃石市城區(qū)為評價單元，分析和評價2019年黃石市水環(huán)境承載力，以期為黃石市“十四五”水環(huán)境科學(xué)化、精細(xì)化管理提供指導(dǎo)。

2 研究區(qū)域概況

黃石市位于湖北省東南部，長江中游南岸。黃石市是武漢城市圈副中心城市，長江中游城市群重要成員，華中地區(qū)重要的原材料工業(yè)基地，全國資源枯竭轉(zhuǎn)型試點城市，也是國務(wù)院批準(zhǔn)的沿江開放城市[7]。黃石市市區(qū)轄4個行政區(qū)，分別是黃石港區(qū)、西塞山區(qū)、下陸區(qū)、開發(fā)區(qū)·鐵山區(qū)，總面積251 km2，常住人口88.2萬人。2019年黃石市城區(qū)的地區(qū)生產(chǎn)總值(GDP)為824.34億元，三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比值為5.9∶51.0∶43.1。區(qū)域內(nèi)屬典型的亞熱帶季風(fēng)性季候，年平均降雨量為1445.2 mm，汛期占全年降水量的70%。研究區(qū)內(nèi)河港交織、湖泊水庫星羅棋布，主要水系有長江(黃石段)、大冶湖、磁湖、青山湖等。

3 評價方法

3.1 評價方法的構(gòu)成

水環(huán)境承載力評價指標(biāo)體系包括水質(zhì)時間達(dá)標(biāo)率和水質(zhì)空間達(dá)標(biāo)率兩個評價指標(biāo)，反映評價區(qū)域內(nèi)水質(zhì)在時間和空間尺度上的達(dá)標(biāo)情況。

水質(zhì)時間達(dá)標(biāo)率是反映評價區(qū)域內(nèi)水質(zhì)在時間尺度上的達(dá)標(biāo)情況，是所有斷面(點位)水質(zhì)時間達(dá)標(biāo)率的算術(shù)平均值。斷面(點位)水質(zhì)時間達(dá)標(biāo)率指在一年內(nèi)不同時期水質(zhì)達(dá)標(biāo)次數(shù)占總監(jiān)測次數(shù)的百分比。水質(zhì)空間達(dá)標(biāo)率是反映評價區(qū)域內(nèi)水質(zhì)在空間尺度上的達(dá)標(biāo)情況，指區(qū)域內(nèi)年度達(dá)標(biāo)斷面(點位)個數(shù)占斷面(點位)總個數(shù)的百分比。

將評價指標(biāo)代入水環(huán)境承載力指數(shù)公式計算可獲得水環(huán)境承載力指數(shù)，該指數(shù)是定量反映水環(huán)境承載力大小的數(shù)值，無量綱。

3.2 評價參數(shù)的選取

(1)評價斷面(點位)的選取：參與評價的斷面(點位)，指評價區(qū)域內(nèi)至少每季度監(jiān)測一次的所有斷面(點位)。

(2)水質(zhì)指標(biāo)：參與水環(huán)境承載力評價的水質(zhì)指標(biāo)為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)中除水溫、糞大腸菌群和總氮以外的21項指標(biāo)，包括：pH值、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量、氨氮、石油類、揮發(fā)酚、汞、鉛、總磷、化學(xué)需氧量、銅、鋅、氟化物、硒、砷、鎘、鉻(六價)、氰化物、陰離子表面活性劑和硫化物。

(3)水質(zhì)達(dá)標(biāo)判定：參評斷面(點位)水質(zhì)目標(biāo)以評價年水質(zhì)考核目標(biāo)為準(zhǔn)，水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)和《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法(試行)》(環(huán)辦﹝2011﹞22號)中的單因子評價法進(jìn)行評價。

3.3 計算方法

(1)水質(zhì)時間達(dá)標(biāo)率(A1)的計算公式如下：

(1)

(2)

式(1)、(2)中，n為區(qū)域內(nèi)斷面(點位)個數(shù)；Ci是指第i個斷面(點位)水質(zhì)時間達(dá)標(biāo)率。

(2)水質(zhì)空間達(dá)標(biāo)率(A2)的計算公式如下：

(3)

式(3)中，達(dá)標(biāo)斷面(點位)指一年內(nèi)不同時期水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值不超過目標(biāo)值的斷面(點位)，否則為不達(dá)標(biāo)斷面(點位)。

(3)水環(huán)境承載力指數(shù)(Rc)計算公式如下：

(4)

式(4)中，Rc是水環(huán)境承載力指數(shù)；A1是水質(zhì)時間達(dá)標(biāo)率；A2是水質(zhì)空間達(dá)標(biāo)率。

(4)水環(huán)境承載狀態(tài)判定。

水環(huán)境承載力指數(shù)越大，表明區(qū)域水環(huán)境系統(tǒng)對社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)支持能力越強(qiáng)。根據(jù)評價區(qū)域水環(huán)境承載力指數(shù)大小，將評價結(jié)果劃分為超載、臨界超載、未超載三種類型。判定依據(jù)如表1。

表1 水環(huán)境承載狀態(tài)判定

4 結(jié)果與討論

4.1 參評斷面(點位)與水質(zhì)目標(biāo)確定

本文依據(jù)《辦法》內(nèi)的相關(guān)準(zhǔn)則，綜合考慮黃石市水環(huán)境監(jiān)測現(xiàn)狀、考核現(xiàn)狀，按照斷面選取和水質(zhì)目標(biāo)確定的原則，共選取13個斷面(點位)作為黃石市的參評斷面(點位)。其中，黃石港區(qū)、西塞山區(qū)、下陸區(qū)分別有6個、5個和2個，因開發(fā)區(qū)·鐵山區(qū)內(nèi)無符合要求的斷面，故不參與評價。各斷面的基本信息如表2所示。

4.2 分區(qū)水環(huán)境承載力評價

根據(jù)水環(huán)境承載力及其指標(biāo)的計算結(jié)果，黃石市各行政區(qū)的2019年水環(huán)境承載力指數(shù)及其承載狀態(tài)如圖1所示。

黃石港區(qū)的水質(zhì)時間達(dá)標(biāo)率為80.56%，磁湖12#、青山湖1#、青山湖4#在部分月份超標(biāo)，主要超標(biāo)污染物均為總磷；水質(zhì)空間達(dá)標(biāo)率為83.33%，僅青山湖1#點位超標(biāo)，主要污染物為總磷，超出Ⅴ標(biāo)0.4倍；水環(huán)境承載力指數(shù)為81.94%，處于臨界超載狀態(tài)，表明該區(qū)域水環(huán)境系統(tǒng)對社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的支持能力。黃石港區(qū)的水質(zhì)時間達(dá)標(biāo)情況和空間達(dá)標(biāo)情況見圖2。黃石港區(qū)位于黃石市東北部，目前區(qū)域內(nèi)排放的污水以生活污水為主，工業(yè)企業(yè)基本逐年外遷。區(qū)域內(nèi)污水管網(wǎng)覆蓋較全面，但存在未能完全實現(xiàn)分流制和老城區(qū)污水二三級管網(wǎng)不完善等問題。建議該區(qū)域以改善城鎮(zhèn)生活污水處理和河湖生態(tài)功能修復(fù)為重點，保持水環(huán)境的承載能力處于較高水平。

表2 黃石市參評斷面(點位)信息及水質(zhì)目標(biāo)

圖1 黃石市參評行政區(qū)水環(huán)境承載力指數(shù)及其狀態(tài)

圖2 黃石港區(qū)水質(zhì)時間、空間達(dá)標(biāo)情況

西塞山區(qū)的水質(zhì)時間達(dá)標(biāo)率為86.67%，袁家港剖面(10)在1、3、5、11月超標(biāo)，超標(biāo)污染物為氨氮；水質(zhì)空間達(dá)標(biāo)率為80.00%，同樣為袁家港剖面(10)超標(biāo)，超標(biāo)污染物為氨氮，超標(biāo)約1.5倍；水環(huán)境承載力指數(shù)為83.33%，處于臨界超載狀態(tài)，表明該區(qū)域水環(huán)境系統(tǒng)對社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的支持能力。西塞山區(qū)的水質(zhì)時間達(dá)標(biāo)情況和空間達(dá)標(biāo)情況見圖3。西塞山區(qū)位于黃石市東部，區(qū)域內(nèi)排放的污水分為兩個區(qū)域，磁湖南岸以生活污水為主，另一區(qū)域以工業(yè)廢水為主，對水環(huán)境的壓力不容忽視。建議該區(qū)加強(qiáng)工業(yè)企業(yè)排水監(jiān)管、推進(jìn)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級、提升污水治理水平，同時加強(qiáng)污水管網(wǎng)全覆蓋全收集，從源頭上控制水環(huán)境污染，使水環(huán)境承載力進(jìn)一步提升。

圖3 西塞山區(qū)水質(zhì)時間、空間達(dá)標(biāo)率

下陸區(qū)的水質(zhì)時間達(dá)標(biāo)率A1為62.50%，磁湖5#、10#點位的監(jiān)測水質(zhì)在部分月份超標(biāo)，超標(biāo)污染物為總磷；水質(zhì)空間達(dá)標(biāo)率為50.00%，磁湖5#的總磷超標(biāo)，濃度為0.12 mg/L，超出Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)0.2倍；水環(huán)境承載力指數(shù)為56.25%，處于超載狀態(tài)，表明該區(qū)域水環(huán)境系統(tǒng)已無承載力，對社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的發(fā)展具有制約作用。下陸區(qū)的水質(zhì)時間達(dá)標(biāo)情況見圖4。下陸區(qū)地處黃石市中心腹地，區(qū)域內(nèi)以生活區(qū)為主，有部分工業(yè)園區(qū)，生活區(qū)內(nèi)存在管網(wǎng)不完善的問題，且區(qū)域內(nèi)有一污水處理廠尾水排入磁湖，尾水水質(zhì)與磁湖目標(biāo)差距較大，故該區(qū)域的水環(huán)境承載力狀態(tài)表現(xiàn)一般。建議該區(qū)以完善污水管網(wǎng)建設(shè)為重點，并對污水處理廠尾水的水質(zhì)進(jìn)一步提升，改善磁湖水環(huán)境狀況，從而提升水環(huán)境承載力。

圖4 下陸區(qū)水質(zhì)時間達(dá)標(biāo)率

4.3 黃石市水環(huán)境承載力分析評價

根據(jù)水環(huán)境承載力指數(shù)的計算結(jié)果，得出黃石市2019年水質(zhì)時間達(dá)標(biāo)率(A1)為80.13%，水質(zhì)空間達(dá)標(biāo)率(A2)為76.92%，水環(huán)境承載力指數(shù)為78.53%，處于臨界超載狀態(tài)，對區(qū)域人口、經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展具有較大的支持能力，但仍需提升水環(huán)境質(zhì)量。

磁湖、青山湖水質(zhì)不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)是影響黃石市水環(huán)境承載力的主要因素。這兩個湖泊均屬于淺水型城市湖泊，水生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱。黃石市是全國重點資源型城市，歷史上各種廢水直排入湖，對湖泊的水生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了嚴(yán)重沖擊和影響，給水環(huán)境帶來了極大的壓力。同時，隨著城市化進(jìn)程不斷發(fā)展，城市環(huán)湖而建，對湖泊形態(tài)、面積、庫容、水深產(chǎn)生較大影響，降低了湖泊生態(tài)調(diào)節(jié)、自然凈化等功能，水環(huán)境壓力進(jìn)一步加大。此外，市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對遲緩，生活污水直排入港、入湖，加重了湖泊水體污染的程度，導(dǎo)致水環(huán)境質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。盡管近年來黃石市加強(qiáng)了對這兩個湖泊的綜合整治力度，但由于歷史欠賬太多，目前水質(zhì)未從根本上好轉(zhuǎn)。由此可知，加強(qiáng)磁湖、青山湖的水環(huán)境綜合治理，確保其水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，是提高黃石市城區(qū)水環(huán)境承載力的關(guān)鍵所在。

5 結(jié)語

本研究采用生態(tài)環(huán)境部組織編制的《水環(huán)境承載力評價辦法(試行)》，對黃石市城區(qū)2019年度水環(huán)境承載力進(jìn)行評價，結(jié)果表明：黃石市2019年水質(zhì)時間達(dá)標(biāo)率為80.13%，水質(zhì)空間達(dá)標(biāo)率為76.92%，水環(huán)境承載力指數(shù)為78.53%，水環(huán)境承載力處于臨界超載狀態(tài)。其中，黃石港區(qū)、西塞山區(qū)水環(huán)境承載力處于臨界超載狀態(tài)，而下陸區(qū)處于超載狀態(tài)。黃石市2019年度水環(huán)境承載力對區(qū)域人口、經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展具有較大的支持能力，但與人民群眾對優(yōu)美生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的期盼仍存在一定差距。為此，在未來發(fā)展中應(yīng)加強(qiáng)水環(huán)境質(zhì)量建設(shè)，加強(qiáng)區(qū)域內(nèi)主要湖泊的磷污染治理和水環(huán)境綜合治理，不斷提升水環(huán)境承載力。