基于環境容量的水環境承載力評價與總量控制研究

白 輝 高 偉 陳 巖# 吳悅穎

(1.環境保護部環境規劃院，北京 100012；2.云南大學生態學與環境學院，云南 昆明 650091)

在大氣環境受到嚴重挑戰的今天，水環境污染問題同樣不能輕視，其仍是目前我國面臨的主要環境問題之一。造成目前這些環境問題的根本原因是部分有限的地理空間上承載了過量的能源消費、工業生產及其他各種人類活動等，社會經濟承載現狀已達到或遠超環境承載能力。面對如此嚴峻的形勢，黨中央和國務院高度重視，相繼出臺相關文件要求摸清水資源、水環境承載力現狀，建立監測預警機制。國務院印發的《水污染防治行動計劃》提出要充分考慮水資源、水環境承載能力，以水定城、以水定地、以水定人、以水定產；建立水資源、水環境承載能力監測評價體系，實行承載能力監測預警，已超過承載能力的地區要實施水污染物削減方案，加快調整發展規劃和產業結構；到2020年，組織完成市、縣域水資源、水環境承載能力現狀評價[1]。水環境承載力的計算及管理是區域水環境保護規劃工作的一個重要基礎，通過研究社會經濟發展的“環境承載上限”，以環境容量為約束，科學評估水環境承載力，不僅可為區域項目環境影響評價和環境基礎設施建設提供參考數據，為地區經濟發展模式、產業結構調整與轉型、優化空間布局等提供環境保護基礎數據支持，還可為流域、區域間實施污染物排放總量控制、排污許可證制度和排污權交易等現代環境管理制度提供重要的科學依據。因此，從環境質量管理的實際需求出發，亟需開展水環境承載力評價研究，為社會經濟發展和環境管理提供決策依據與科學支撐。

1 水環境承載力研究理論

近年來，我國學者在水環境承載力的理論與實踐方面積極探索并取得了很大進展。目前，在學術界，水環境承載力的概念尚未達成統一，尚無公認、統一的界定，與水資源承載力、生態承載力和水生態承載力等概念存在較大的交叉，使得承載力評估缺乏固定標準[2-3]。目前，關于水環境承載力的概念主要分為3類：第1類主要闡述水環境能夠支撐的社會經濟和人口的規模，如賈振邦[4]在1995年給出的定義——“在一定的自然環境條件和特定的社會經濟發展模式下，區域水環境對社會發展的支撐能力”；第2類主要闡述水環境能夠接納的污水和污染物的含量，如前水利部部長汪恕誠[5]在2003年給出的定義——“一定的水域，在其水體能夠繼續使用并能保持良好的生態系統的前提下，所能容納污水和污染物的最大能力”；第3類主要闡述水環境能夠接納的污水和污染物的含量、能夠支撐的社會經濟和人口的規模，如崔寧等[6]在2010年給出的定義——“在某一水域(包括自然環境條件和社會經濟發展模式)，其水環境系統功能在持續正常發揮的前提下，所能夠容納污染物的最大限量及對人類社會、經濟活動可持續發展的最大支撐能力”。

在水環境承載力評價方法研究方面，學者們嘗試采取多種方法對水環境承載力進行定性與定量的研究[7]。應用于水環境承載力評價的方法主要有綜合指標體系評價法、多目標決策優化法、系統動力學方法、人工神經網絡法等[8-20]。這些研究大多處于探索階段，學術界未形成公認的量化評價方法。

結合水環境承載力的基本理念和本研究的實際需求，本研究認為水環境承載力是指在一定的水文條件和水質目標約束下，區域水體可支撐的一定結構、布局和技術水平下經濟社會發展規模。為了科學評價水環境承載力，本研究在現有水環境承載力研究的基礎上，提出了一種基于環境容量的水環境承載力評價方法，并且結合目前水環境管理需求，提出了一種根據水環境承載力結果進行總量控制的方法，以期解決目前水環境管理面臨的問題。

2 水環境承載力評價方法構建

水環境承載力評價的主要目的是判斷區域經濟社會活動對水環境的壓力是否超過承載力水平。因此，水環境承載力評價的基本內容包括壓力計算、承載力計算和承載力評估3個方面。在本研究中，重點關注的是人類活動對水環境質量的壓力，特別是水體中的COD和氨氮兩項指標。在水環境承載力評估的計算中，一定水文條件和水質目標約束可表達為某種特征污染物的水環境容量；一定結構、布局和技術水平下經濟社會發展規模難以用單一指標直接表述，但考慮在水環境承載力系統中，經濟社會發展是通過污染物排放作用于水環境系統的，因此可用污染物進入水體的量(入河(湖)量)間接表達經濟社會的壓力強度。綜上，本研究的水環境承載力評估涉及3個方面內容：水環境容量計算、污染物入河(湖)量計算和基于環境容量的水環境承載力評估。

水環境容量和污染物入河(湖)量計算方法已較成熟，本研究中不對其計算方法進行描述，只對基于其計算結果的水環境承載力評價方法進行研究。

水環境承載力評估主要包括3個步驟：(1)計算基于承載率的單要素(污染物)的水環境承載力；(2)計算綜合的水環境承載力；(3)根據水環境承載力的等級劃分結果，確定水環境承載力的狀態。本研究主要針對水環境中的污染物COD和氨氮進行水環境承載力的評估。

2.1 基于承載率的單要素水環境承載力計算方法

由于水污染物種類較多，表征水環境質量的指標較多，每個指標對應的環境容量和排放量存在差異，因此有必要針對單個指標進行單要素的評估。本研究采用承載率指標表征各污染物的承載力狀況。承載率是指區域或流域環境承載量(各環境要素指標的現狀值)與該區域或流域環境承載量閾值(各環境要素指標上限值)的比值。應用承載率指標進行評價，可以清晰地看出某地區或流域環境發展現狀與理想值的差距，評價其環境承載的壓力現狀。承載率的計算公式如下：

(1)

式中：CI為承載率；PD為污染物入河(湖)量，t/a；EC為水環境容量，t/a。

承載率的取值為大于0的實數，在進行指標解釋時不便使用，為此本研究選擇極差法把各項指標進行歸一化處理。歸一化的結果為所有的指標均在0～100取值，數值越大表示指標所反映的承載狀態越好。

(2)

式中：Zi為第i個污染物指標的歸一化承載率；CImin、CImax、CIvalue分別為承載率的最小值、最大值和當前值。

2.2 水環境承載力的計算方法

承載率無法反映水環境系統的整體承載水平，水環境承載力評估要求將不同指標綜合起來，獲得綜合評估值。本研究借助綜合評估模型將各個指標的承載率數值進行加權綜合，獲得研究區的綜合水環境承載力，公式如下：

(3)

式中：ECIr為第r個行政區的水環境承載力指數；n為污染物指標總數；ωi為第i個污染物指標的權重。

指標賦權是根據各個指標重要性分別賦予相應權重的過程。目前，指標賦權方法有主觀賦權和客觀賦權兩種方法，其中主觀賦權法以層次分析法為主，該方法以專家打分為基礎，根據打分結果對指標進行賦權；客觀賦權法以熵權法為典型代表，主要根據指標自身的熵值進行賦權，以反映指標信息量的重要性。兩種賦權法各有利弊，但共同的特點是權重一旦確定，即為恒定值，在整個評價過程中與評價指標的取值無關[21-22]。在現實中，同一系統的不同指標往往具有互補性，在可持續發展理論中被表述為“弱可持續性”，即系統的不同屬性之間在一定程度上是可以相互補償的。此外，木桶原理也表明，系統的狀態常受制于處于最差狀態的變量。因此，系統中各個指標的權重應當是與指標自身取值相關的，對于取值較差的指標，應當賦予更高的權重。為體現不同指標取值變化對評價結果的影響，本研究使用變權法對各個指標進行賦權。該方法以等權法為基礎，考慮指標與評價標準的偏離度，偏離度越大，其權重越高，體現了極端變化指標對評價結果的重要影響。變權法的計算公式為：

(4)

式中：Zbest為評價標準的最優值，在本研究中Zbest=1。

2.3 水環境承載力等級劃分方法

目前，采用指數評價的模型一般將指數等分為不同等級，從而便于評價結果的分析。本研究將水環境承載力指數按20組距劃分為5等級，按優承載、可承載、輕超載、中超載、重超載命名，并分配5種不同顏色(見表1)。優承載說明地區的水環境面臨的經濟社會壓力較小，尚有較大的開發空間；重超載表示研究區當前的經濟社會發展已嚴重超出水環境的支撐能力，其他等級按線性內插方式設定。

表1 水環境承載力等級標準

3 基于水環境承載力的總量控制體系構建

污染物總量控制是從管理上實現提出的環境目標，但與水質和環境改善之間缺乏直接的聯系。在區域污染物排放總量目標確定的情況下，如何實現區域污染物排放的最優配置是總量控制中必須首先解決的重要問題。目前，總量分配常用的方法有等比例分配法、貢獻率分配法、基尼系數法和博弈法等[23-24]。這些方法均從經濟社會發展程度或污染貢獻的角度進行總量分配，難以有效兼顧環境和人類活動的綜合因素，本研究提出一種基于區域水環境承載力的總量分配方法。該方法以各區域的水環境承載力為基礎進行排放量的分配，在水環境承載力較高的區域，應分配較高允許排放量；反之，在水環境承載力較低的區域，應減少允許排放量，降低區域人類活動的壓力。在該方法體系中，總量分配是通過二次分配實現的。在第1層次分配時，根據研究區總的污染物總量控制目標，計算總削減率，采用等比例削減原則將削減目標分配到各行政區，該步驟主要體現分配的公平性原則；在此基礎上，從管理、工程和結構減排3個角度計算各行政區的最大削減能力，進而估算最小的可能排放量，以此作為等比例分配的約束，該步驟主要考慮分配結果的可行性；經過最大削減能力的校正，可能會出現所有行政區的排放量加和高于允許排放量的情況，此時需要進一步增加部分區域的削減量，即二次分配的問題。在本研究中，二次分配的主要考慮因素是水環境承載能力，以現狀評價的水環境承載力為基數，對存在削減余量的區域進一步分配削減指標。基于水環境承載力的污染物總量分配技術具體見圖1。

總量分配的具體計算過程分為兩個部分，即第1層次分配和第2層次分配。第1層次分配主要考慮公平性和可行性問題，計算公式如下：

FPrj=Max(EPrj,APrj-PPrj)

(5)

(6)

AWCrjm

(7)

式中：r、j、k、m分別為研究區內的行政區、污染物種類、行業類型、可關閉行業類型的序號；FPrj、EPrj、APrj、PPrj分別為第r個行政區第j種污染物第1層次分配的排放量、等比例削減原則下分配的排放量、實際排放量、削減最大潛力，mg；TCPj、TAPj分別為區域第j種污染物實際排放總量和總量控制目標，mg；WTVrk為第r個行政區第k種行業的污水排放量，L；WRMArk、WRMIrk分別為第r個行政區第k種行業的污水最大、實際處理率，%；PCIrjk、PCOrjk分別為第r個行政區第j種污染物第k種行業的污水處理設備入水、出水質量濃度，mg/L；SDRrk、ADRrk分別為第r個行政區第k種行業的污水最大、實際達標排放率，%；SDCrjk、ADCrjk分別為第r個行政區第j種污染物第k種行業的污水達標、實際排放質量濃度，mg/L；WTVrm為第r個行政區第m種可關閉行業的污水排放量，L；AWCrjm為第r個行政區第j種污染物第m種可關閉行業的污水排放質量濃度，mg/L。

圖1 基于水環境承載力的污染物總量分配技術示意圖Fig.1 The waste load allocation technology roadmap based on water environmental carrying capacity

第2層次分配是在第1層次分配的基礎上進行的，主要考慮各地區的水環境承載力水平，計算公式如下：

(8)

式中：OPrj為第r個行政區第j種污染物最終分配的排放量，mg。

4 結 語

本研究提出的基于環境容量的水環境承載力評價方法，方法科學合理，可操作性強，比較符合現實需求，具有一定的實踐意義，能對全國水環境承載力現狀評價起一定的指導作用。基于水環境承載力的總量控制方法是對目前總量控制制度的改進，能將現有總量控制與地方實際水環境承載力現狀很好地結合起來，能為“十三五”總量控制管理提供科學技術方法和思路。

本研究從環境管理的實際需求出發，重點關注的是水環境承載力中人類活動對水環境質量的壓力，而對水環境承載力中的人口和社會經濟規模的研究將會在后期的優化調控研究中進行，以總的水環境承載力為約束，兼顧不同區域環境容量利用情況，實現區域的最大承載能力和水環境目標，以達到不同區域之間水環境承載能力的優化配置。

[1] 國務院.水污染防治行動計劃[M].北京：人民出版社，2015.

[2] 侯麗敏，岳強，王彤.我國水環境承載力研究進展與展望[J].環境保護科學，2015，41(4)：104-108.

[3] 郭懷成，唐劍武.城市水環境與社會經濟可持續發展對策研究[J].環境科學學報，1995，15(3)：363-369.

[4] 賈振邦.本溪市水環境承載力及指標體系[J].環境保護科學，1995，21(2)：8-12.

[5] 汪恕誠.水環境承載能力分析與調控[J].水利發展研究，2002(2)：2-6.

[6] 崔寧，梁冬梅.水環境承載力評述[J].山西水利，2010，21(12)：113-114.

[7] 李川.水環境承載力量化方法的研究進展[J].環境科學與管理，2008，33(8)：66-70.

[8] 來雪慧，王小文，徐杰峰，等.基于向量模法的陜南地區水環境承載力評價[J].水土保持通報，2010，30(2)：56-59.

[9] 耿雅妮.基于向量模法的西安市水環境承載力研究[J].中國農學通報，2013，29(11)：168-172.

[10] 孟繁宇，樊慶鋅，李穎.哈爾濱水環境承載力評價指標體系的構建[J].黑龍江水利科技，2012，40(3)：1-4.

[11] 高偉.湖州市水環境承載力評價[J].水利科技與經濟，2009，15(11)：947-949.

[12] 江明峰，馬太玲，孫晶.呼和浩特市水環境承載力綜合評價[J].干旱區資源與環境，2010，24(9)：60-63.

[13] 王莉芳，陳春雪.濟南市水環境承載力評價研究[J].環境科學與技術，2011，34(5)：199-202.

[14] 曾現進，李天宏，溫曉玲.基于AHP和向量模法的宜昌市水環境承載力研究[J].環境科學與技術，2013，36(6)：200-205.

[15] 李美榮，鄭欽玉，劉娟，等.基于AHP法的重慶市水環境承載力研究[J].水利科技與經濟，2012，18(5)：1-6.

[16] 朱銀銀，柴磊.基于系統動力學的某市水環境承載力動態變化研究[J].水利科技與經濟，2010，16(9)：1039-1041.

[17] 邢有凱，余紅，肖楊，等.基于向量模法的北京市水環境承載力評價[J].水資源保護，2008，24(4)：1-4.

[18] 張軍.基于向量模法的陜西省水環境承載力評價[J].河南科學，2012，30(11)：1634-1637.

[19] 王儉，孫鐵珩，李培軍，等.基于人工神經網絡的區域水環境承載力評價模型及其應用[J].生態學雜志，2007，26(1)：139-144.

[20] 趙衛，劉景雙，蘇偉，等.遼寧省遼河流域水環境承載力的多目標規劃研究[J].中國環境科學，2008，28(1)：73-77.

[21] 李如忠.基于指標體系的區域水環境動態承載力評價研究[J].中國農村水利水電，2006(9)：42-46.

[22] 張祥娟，李新，李秀霞，等.用層次分析法建立京杭大運河蘇州高新區段水環境承載力指標體系研究[J].環境保護與循環經濟，2011(2)：42-44.

[23] 王秀蘭，李紅亮.河北省水環境承載力及污染物總量控制方案研究[J].海河水利，2004(4)：31-33.

[24] 趙然航，曹升樂，高輝國.城市水環境承載力與可持續發展策略研究[J].山東大學學報，2005，35(2)：90-94.