基于不同方法在水环境承载力评价中的应用

宋明远

(辽宁省阜新水文局,辽宁 阜新 123000)

0 引 言

水环境承载力在狭义上通常指水体纳污能力或水体容许污染的负荷量,然而,随着人类社会生产力的快速发展,水环境的污染问题也越来越严重。部分地区对资源的过度开发造成的环境污染威胁着人类的生存,为谋求健康的经济发展模式,人们很自然地对水环境承载力有了新的定义,即特定的时期、特定的空间范围内,在区域水体能够自我调节、自我维持、可持续发展的前提下,是支撑人口、经济和社会可持续发展的最大容量[1-4]。在当今社会,把水环境承载力看作是衡量经济社会发展与水环境协调程度的重要指标。水环境承载力健康评价不仅可以为区域水环境保护与管理提供科学依据,而且对于解决生态环境的保护与人类社会发展之间的矛盾具有重大意义[5-7]。

1 评价指标体系建立

依据水环境承载力指标的选取原则并考虑本溪地区水环境的特色与经济社会发展等方面,确定了水环境承载力包含生态承载、人口承载以及经济承载3个方面。

1.1 生态承载方面

本溪是一个以工业为主的城市,森林覆盖率位居辽宁省省第一,森林覆盖率高是当地的一大特点。废水的排放也是影响生态承载力的一个主要因素,生活污水和工业废水中含有的有毒有害的化学物质排放到水体后,不能被完全生物降解,造成河流的污染和水生动植物的死亡。近年来,我国对城镇生活污水处理的建设有了很大的发展,本溪市近10a的城镇生活污水处理率有了大幅度的提升。

1.2 人口承载方面

本溪地区城市化比例较高也是本溪市的一大特点。大量农村劳动力从第一产业转向第二产业,随之而来的是弃耕抛荒问题和大量工业废水排放;人均GDP是衡量一个地区经济发展最重要的指标,本溪市2010—2013年期间GDP处于上升阶段,2014—2015年略有下降,而2016年开始随着当地第二产业的迅速衰退,GDP开始大幅下降;生活污水的排放同样制约着地区经济的发展,本溪市的人均生活污水排放量略高于国家的平均水平,需要政府相关部门加大管控力度。

综上所述,选取城镇化率、人均GDP以及人均生活污水排放量作为人口承载力的评价指标。

1.3 经济承载方面

工业方面,主要考虑了GDP与废水排放总量、氨氮排放还有生活污水排放的关系;农业方面,化肥的施用形成农业面源污染造成的水体富营养化同样对经济产生制约,在农业化肥的施用中,氮肥施用量最大,对水环境污染最大,因此选取单位农田面积氮肥施用量作为一项承载力指标。

综合考虑上述3个方面,共选取12个相关指标作为水环境承载力评价指标,如表1所示。2010—2018年各项指标的数值,见表2。

表1 水环境承载力指标

3 模型建立

3.1 评价指标等级划分

水环境承载力受众多条件影响,涵盖自然地理,人类活动等诸多因素,文章通过对现行的国家标准与地方标准结合、查阅相关文献、计算相关指标的发展趋势以及对比专家以往的经验值四种方法,对水环境承载力指标划分成了五个等级,以便于定量且直观反映各等级因素对承载力的影响程度。评价指标的分级标准见表3。

表3 评价指标极性及等级划分表

3.2 指标权重的计算

为了避免主观因素对指标权重的影响,同时考虑到权重计算中人的价值,保证权重计算的全面性,所以采用组合权重法来确定指标的权重,首先采用模糊层次分析法计算主观权重,根据表2确定的评价指标集以及表3中制定的数量标度,建立水环境承载力的模糊一致判断矩阵。

得出矩阵后,根据a=(n-1)/2,计算出准则层a取1,3个指标层a分别取2,1.5和1.5。再根据式(6-5)求得各指标的主观权重见表6～15。接着用熵权法计算客观权重,根据12个评价指标2010—2018年的数据资料构造熵权法的判断矩阵R=(rij)n×m,然后根据指标的极性,对得到的矩阵进行归一处理,得到新的标准化矩阵,再计算各指标客观权重及组合权重,利用各指标客观权重乘以其指标实际值的和构成准则层判断矩阵,根据熵权法得到准则层标准化矩阵,最后得到准组层的客观权重及综合权重,见表4。

表4 水环境承载力评价指标权重值

4 结果及分析

4.1 模糊综合评判评价

将2010—2018年各个指标的具体数值按照指标极性和大小的分类并进行计算,得到本溪地区2010—2018年的隶属度矩阵,将得到的权重矩阵与隶属度矩阵相乘,得到模糊综合评价矩阵,最后进行量化得出最终的评价结果,见表5。

表5 本溪市水环境承载力模糊综合评价结果

从表5中可以看出,本溪地区的水环境承载力水平比较稳定,且稳定在“Ⅲ级一般可承载”状态。而且从综合评价的数值变化可以看出,模糊综合评价值基本集中在0.4～0.5之间,且丰水年的水环境承载力普遍高于枯水年。MK趋势分析结果表明,水环境承载力模糊综合评价结果的Z值为-0.42,表明2010—2018年间本溪市水环境承载力有下降的趋势,但未通过显著性检验。

4.2 物元分析评价

将各个指标的数据按照其所在的经典域和节域分别计算出每个指标对应的经典域的关联度。再将各个经典域的关联度归一处理,得到综合关联度。其中指标的承载力等级属于综合关联度值最大的经典域。

计算2010—2018年各指标的评价等级,见表6,各年份的评价等级,见表7。

表6 各年份水环境承载力评价指标对应各评价等级

表7 各年份水环境承载力对各评价等级的综合关联度

通过表7可以看出,水资源开发利用率、森林覆盖率对水环境承载力起到支撑作用,而废水排放量、城镇化率、人均生活污水排放量和万元GDP废水排放总量是制约水环境提高改善的不利因素[8-10]。从表中还可以看出人均生活污水排放量和万元GDP废水排放量由于人口的GDP的减少和废水排量的增加有明显变差的趋势。森林覆盖率、城镇污水处理率、人均GDP、单位农田面积氮肥施用量4个指标有不断提高改善的趋势,对近几年水环境的改善和提高起到一定的支撑作用。

由表7可以看出,2011年、2012年、2015年和2018年的承载力等级较差,2013年的承载力结果为较好,其他年份的承载力等级都为一般。2011年之后,水环境承载力呈现变好的趋势,一直持续到2013年;2013年之后的评价结果基本为一般承载或有向一般承载转化的趋势。

5 结 语

目前本溪地区的水环境承载力基本处于一般承载状态,但随着城市人口的增加,社会经济的发展以及气候环境的变化,水环境将会面临更大的压力,因此需要更加重视水环境的保护,分析水环境承载力相关指标的变化趋势,找到所面临的问题并给出解决方案。经过分析得知呈现这一变化的原因主要是近几年人们开始重视对污水的处理,废水排放的处理率有所提升,森林覆盖率与之前相比也有小幅度的提升,有利于水环境承载力的提升,但2015年之后,人均GDP随着本溪地区工业的衰退而变少,相关部门对废水的排放量控制力度不足,这两方面因素又使水环境承载力向不利的方向发展。因此想要改变水环境承载力的下降趋势,需要协调好经济发展与水资源利用之间的关系,优化工艺,减少工业废水排放以及加强对生活污水排放的管理措施。

从不同的子系统来看,首先,人口承载力子系统所占权重最高,但是其中的各个指标的等级均不高于人口的城市化,经济的发展给水环境造成很大压力,因此还需提高用水效率,合理控制人口,提倡市民节约用水。其次,生态承载力子系统的权重排在第二,其中各指标的等级相对较高,由此可知,本溪地区自然环境较好,对水环境承载力的影响较为有利。最后,经济承载子系统的权重最低,但由于3个子系统的权重分布较为平均,因此经济承载子系统对整体承载力的影响同样不可忽略,经济承载的四个指标等级均不高,说明本溪地区在发展工业和农业的同时,有害物质的排放量较大,因此要提高水环境承载力需要协调好人类社会经济发展与自然环境之间的关系,在发展工业,提升经济的同时减少对水环境的污染。

从表6可以看出单个指标对应的评价等级变化趋势,其中水资源开发利用率、森林覆盖率这两个指标一直保持较高等级,对水环境承载力的保持有较大贡献。与此相反,城镇化率和人均GDP两个指标等级始终较低,二者是制约水环境的承载力提高的主要限制性因素。而单位农田面积氮肥施用量、城市污水处理率、万元GDP工业氨氮排放量3个指标虽然有波动,但整体呈现变好的趋势。造成水环境承载力在较差与较好等级之间波动的主要原因是废水总排放量、人均生活污水排放量、万元GDP废水排放总量以及万元GDP生活污水排放总量这四个指标,他们的变化趋势不是单纯的增加或减少,而是随着当地社会经济的发展在不断变化。