渾河流域細河水環境承載力評估預警研究

李艷 范超 朱悅 王留鎖 韓德昌

（1. 沈陽理工大學環境與化學工程學院，遼寧沈陽 110159；2. 遼寧省生態環境保護科技中心，遼寧沈陽 110161）

1 引言

細河多年來一直為劣Ⅴ類水質，控制單元內工業點源數量多，且超標排放現象嚴重。為更好地解決細河水環境問題，相關學者對河流污染成因、特征等方面進行了研究［1-2］，但較少對細河生態環境承載力開展研究，因而不能從根本上解決細河水環境問題。本文基于水環境承載力理論，開展細河控制單元水環境承載力評估預警研究。

水環境承載力是承載力概念與水環境領域的結合。國外學者大多在可持續發展相關研究中提及水環境承載力，對水環境承載力專門的研究較少。國內學者如曾維華［3］、唐劍武等［4］采用不同形式對水環境承載力進行了定義，主要包括納污能力、支撐能力、外部作用和社會經濟規模等。但目前國內外學者對水環境承載力的表述尚未達成共識，水環境承載力目前仍然是一個模糊的概念。本文將水環境承載力的定義歸納為：在某一時期某一區域內，水環境系統對人類社會經濟的支撐能力和水環境納污與自凈、水資源供給與利用、水生生境與生物的協調程度［5］。

2 研究方法

目前研究水環境承載力評估預警的方法很多，包括系統動力學法、多目標決策分析法、模糊綜合評價法、層次分析法等［6-9］，但各類方法在應用方面有諸多局限。系統動力學法對長期發展情況進行模擬時由于參變量不好掌握，有時會導致不合理的結論。多目標決策分析法要求數據量大，在模型求解時存在一定難度。模糊綜合評價法在運算時會造成信息遺失，存在誤判的可能性。層次分析法屬于主觀賦權法，是在對復雜問題的本質、影響因素及其內在關系等進行深入分析的基礎上，利用較少的定量信息使決策的思維過程數學化，為多目標、多準則或無結構特性的復雜決策問題提供簡便的決策方法。在水環境承載力評估預警方面，層次分析法思路清晰，可將承載力問題系統化、數學化，因而受到眾多學者的青睞。本文選用層次分析法作為水環境承載力評估預警方法，以指標權重和指標數值計算評估預警指數，對細河水環境承載力開展評估預警研究。

3 細河水環境承載力評估預警

3.1 研究區域概況

渾河流域細河控制單元位于122°55′14.52″～123°25′1.56″E，41°30′26.28″～41°50′8.16″N 之間，地處遼寧省省會沈陽市南部，單元內包含沈陽市鐵西區、于洪區、和平區、皇姑區、遼中區部分區域，共29 個鄉（鎮、街道），總面積303 km2。2018 年細河控制單元內總人口167.6 萬人，地區生產總值1 231.44 億元，其中，農業增加值52.49 億元，工業增加值305.88 億元，第三產業增加值758.07 億元。控制單元內工業企業數量占沈陽市總數量的41.02%，其中超標排放企業占直排企業總數量的48.98%。2015—2018 年細河未達到Ⅴ類水質目標，其中化學需氧量在2016 年枯水期（超標0.15 倍）和平水期（超標0.02 倍）出現超標現象。

3.2 評估預警指標體系

相關學者主要從壓力、狀態、響應三方面建立流域承載力指標體系，亦有文獻從自然、社會、經濟三方面建立指標體系［10-12］。本文在前人研究成果的基礎上［13］，從水環境系統自身組成要素關系出發，以生態保護紅線、水環境質量底線、水資源利用上線為依據，構建反映水資源的稟賦和供給能力、水環境的納污與凈化能力、水生生物與物理生境健康等與人類社會經濟發展協調程度的指標體系。構建的指標體系見表1。

表1 水環境承載力評估預警指標體系

細河水環境承載力評估預警指標的具體數據見 表2。

表2 細河水環境承載力評估預警指標數據

3.3 計算及評估預警結果

3.3.1 評估預警指標權重及標準化結果

采用層次分析法計算評估預警指標權重，采用離差標準化法將指標數據標準化。指標權重及標準化結果見表3。

表3 指標權重及標準化結果

3.3.2 評估預警指數

采用綜合指數法計算水環境承載力評估預警指數，公式為：

式中，Ej為水環境承載力評估預警指數；Wi為第i 個指標權重；aˉi為指標標準化值。水環境承載力評估預警指數越大，表明水環境承載力狀況越好。計算得到的2013—2018 年細河水環境承載力評估預警指數見表4。

表4 2013—2018 年細河水環境承載力評估預警指數

3.3.3 評估預警結果

根據相關水環境承載力研究成果，將水環境承載狀態分為超載、臨界超載和不超載3 個等級，并將超載等級分為紅色和橙色2 個預警等級、臨界超載等級分為黃色和藍色2 個預警等級、不超載等級確定為綠色無警等級。5 個預警等級從高到低依次為紅色、橙色、黃色、藍色、綠色，對應的水環境承載力評估預警指數區間見表5。

表5 水環境承載力的承載狀態和預警等級劃分

根據2013—2018 年細河水環境承載力評估預警指數可知，細河水環境承載力2013 年、2014 年臨界超載（黃色預警），2015—2018 年超載（橙色預警）；水環境子系統2013 年、2014 年、2016 年、2018 年臨界超載（黃色預警），2015 年、2017 年超載（橙色預警）；水生態子系統2013 年、2014 年超載（橙色預警），2015—2018 年超載（紅色預警）；水資源子系統2013—2015 年、2017 年、2018 年臨界超載（黃色預警），2016 年超載（橙色預警）。

4 結論

通過對細河水環境承載力評估預警的研究分析可以看出，細河水環境承載力2013 年、2014 年臨界超載（黃色預警），2015—2018 年超載（橙色預警）；水環境子系統2013 年、2014 年、2016 年、2018 年臨界超載（黃色預警），2015 年、2017 年超載（橙色預警）；水生態子系統2013 年、2014 年超載（橙色預警），2015—2018 年超載（紅色預警）；水資源子系統2013—2015 年、2017 年、2018 年臨界超載（黃色預警），2016 年超載（橙色預警）。因此，建議適當控制當地社會經濟發展速度，以保持生態環境的可持續發展。