典型河網地區水環境承載力評估
——以長興縣為例

鄭博福，范焰焰，任艷紅，黃瓊瑤，黃 云

(1.南昌大學資源環境與化工學院，鄱陽湖環境與資源利用教育部重點實驗室，南昌 330031；2.浙江省排污權交易中心，杭州 310015)

0 引 言

水環境作為影響社會、經濟發展的基本要素,其承載能力及狀態對地區發展起著至關重要的作用[1,2]。隨著社會經濟的快速發展和人口的增長，農業、工業和城市用水量迅速增加，生態維護水量不足, 環境保護措施缺少等而引起的水環境問題日顯突出,從而使區域的持續發展受到嚴重阻礙[3,4]。如何針對上述特點，基于水環境承載力，推進總量控制由目標總量控制向以水環境承載力為核心的總量控制轉型，是我國水環境質量管理創新的瓶頸。

水環境承載力(water environment carrying capacity, WECC)是指在某一時期，在特定環境狀態下，某一地區水環境所能維持的人口數量以及對人類社會經濟活動支撐能力的閾值，是衡量人類社會經濟與水環境協調發展程度的依據[5,6]。近年來，國內學者在水環境承載力的理論與實踐方面進行了大量研究，如李棟梁等[7]評價了贛江流域水環境承載力，得出其承載力為負承載，水質量承載力影響程度較大；WANG等[8]利用SD模型對不同情景下博斯騰湖的水環境承載力趨勢進行了研究和比較，為博斯騰湖微生態環境保護的合理發展模式提供了科學依據；齊心等[9]構建了“壓力—狀態—響應”框架的水環境承載力評價指標體系，研究了北京市水環境承載力的現狀和趨勢。

縣域水環境承載力評價是我國水污染防治行動計劃的目標要求之一[10]，是實現區域水環境差異化、科學化管理和排污許可分配技術的重要基礎。目前針對水環境承載力研究主要集中在省域或者某個流域的大尺度研究，縣域尺度的研究非常少，河網地區縣域水環境承載力研究鮮見報道。長興縣是太湖流域典型的河網地區，水系特性復雜,流動緩慢，水體自凈能力較差,易出現回流、雍水等現象[11]。本文以長興縣為研究對象，將其劃分為7個水生態功能分區，在此基礎上，構建了水環境承載力評價指標體系，利用向量模法對水環境承載力進行綜合評價，以期為實現長興縣水環境科學化、精細化管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

長興縣隸屬于浙江省湖州市，位于太湖西南岸，杭嘉湖平原西北邊緣，地勢西高東低，現轄4街道9鎮2鄉，總面積為1 431 km2，屬亞熱帶海洋性季風氣候，多年平均降水量為1 309 mm。研究區內河港交織，湖漾密布，境內現有河流550 條，總長1 631.6 km，水域面積42.6 km2，境內的20條河能通航，全長59 km，主要水系有西苕溪水系、泗安溪水系、長興平原水系、東部平原河網與運河。具體如圖1所示。

圖1 長興縣位置、行政區劃及水系

1.2 數據來源

本研究所涉及的社會、經濟數據來自2015-2017年《長興縣統計年鑒》；水資源數據來自《湖州市水資源公報》；氣象、水文數據來源于研究區內各氣象站點和水文監測站；水質數據來自研究區各監測斷面的監測數據；污染物排放數據來自各鄉鎮污水處理廠及農業調研數據；水生態數據來自現場調研，水域面積及河道相關數據通過ArcGIS10.5對遙感影像解譯、提取獲得。

1.3 研究方法

1.3.1 水生態功能區劃分

對區域進行分區研究，可以明確區域水環境承載狀態空間差異，因地制宜地制定水污染防治與水資源利用的政策措施，實現區域水環境差異化、精細化管理[12,13]，根據研究區域水系特征，以主要控制斷面、匯水區域作為劃分基準，綜合考慮重點污染源分布現狀、環境風險管控要求、分區典型性和實踐可操作性，結合行政區劃(圖1)，將研究區劃分為7個水生態功能區(表1)。

表1 長興縣水生態功能區

1.3.2 指標體系構建

本文依據《“生態保護紅線、環境質量底線、資源利用上線和環境準入負面清單”編制技術指南(試行)》相關準則[14]，綜合考慮長興縣發展現狀、資源環境條件和自然地理特征，按照數據的可獲取性、可操作性、科學性、動態性和完整性等原則，并參考相關文獻資料[15-19]，構建了融合水資源、水環境、水生態、土地生態服務功能4個維度的水環境承載力評估體系，具體如表2所示。

表2 水環境承載力指標體系及權重

1.3.3 層次分析法確定指標權重

根據層次分析的基本原理[21,22]，首先建立準則層判斷矩陣，即水資源、水環境、水生態、土地生態功能準則層的判斷矩陣，進行一致性檢驗，計算各準則層權重；然后分別對每一層的評價指標建立判斷矩陣，進行一致性檢驗，并計算得出各指標在該層中的權重；最終獲得每一項評價指標的權重，結果見表2。

1.3.4 評價模型

(1)

對于負向指標，按照下式處理：

(2)

(3)

這樣，第j個水環境承載力評價值的大小可以用歸一化后的向量模來表示，即:

(4)

式中:Wi為第j個水環境承載力的第i個指標的權重[23,24]。

2 水環境承載力評價分析

2.1 評價結果計算

根據相關指標的計算方法，經過綜合整理，得到長興縣各個分區水環境承載力評價指標值，具體見表3。

表3 水環境承載力指標值

根據公式(1)對正影響指標進行歸一化計算，根據公式(3)對負影響指標進行歸一化計算，具體計算結果見表4。

表4 水環境承載力評價指標歸一化值

2.2 評價結果分析

2.2.1 水環境分承載力評價

根據各評價指標的歸一化值及其權重計算得出長興縣各分區水資源、水環境、水生態和土地生態功能的分承載力，結果見圖2。

圖2 長興縣水環境分承載力示意圖

圖2(a)顯示區域水資源分布不均，D1、D3和D6分區水資源承載狀態評價值都超過了0.11，其中D1分區的水資源利用率為21.5%，D3分區的萬元GDP耗水量為32.6 m3/萬元，D6分區的水域面積比達到了9.43%，承載力水平較高，D4分區評價值最低(0.05)，該區水資源利用率較高，農業耗水量大，水資源的供需矛盾未得到根本解決；圖2(b)顯示水環境分承載狀態分區差異明顯，D1分區達到了0.136，該區位于山區，污染強度低，水環境質量高，最低的是D3分區，評分為0.047，該區位于城區，人口密集，工業發達，污染強度大，部分地區點、面源污染嚴重，水環境出現惡化現象；圖2(c)顯示D2分區水生態分承載力評價值最高(0.14)，該區河道水生植物覆蓋率較高，岸坡多為自然岸坡，水生態承載狀態高，D1和D7分區評價值分別為0.07、0.087，其余分區評價值低于0.06，這些分區的河道為航道，岸坡硬化，水生植物較少，水生態狀況不容樂觀；圖2(d)顯示各分區土地生態功能承載狀態分布均勻，除D4分區外，其余分區水平都在0.09～0.1之間，主要是因為研究區為河網地區，河流密度和河流蜿蜒度較高，為水環境承載力的提升奠定了扎實的土地生態基礎。

2.2.2 分區水環境承載力評價及建議

根據權重計算的結果，利用向量模法分別計算長興縣7個水生態分區的水環境承載狀態的綜合評價指數，并按照數據從大到小依次劃分為好、較好、一般、較差和差5個級別，具體計算結果見圖3。

圖3 長興縣水環境承載狀態分布圖

從圖3中可以看出，長興縣水環境承載狀態呈現出明顯的區域差異，評估結果與長興縣的實際情況基本一致。其中D1和D2分區水環境承載狀態較好，D1分區位于長興縣西北山區，森林覆蓋率高，水資源豐富，水資源利用率為21.5%，區內合溪水庫為飲用水源地，河段水質較好，故D1分區的水環境承載狀態最好。建議該區域以改善農村生活污水處理和河流廊道生態功能修復為重點，禁止或限制開發，以保持水環境的承載狀態一直處于不超載狀態。D2分區位于研究區西北部，水域率僅為1.64%，區內的夾浦鎮紡織業比較發達，造成中下游污染比較嚴重，對水環境的壓力不容忽視，其中水口鄉為夾浦港的源頭區，河段均屬于源頭和水源地水質，水質較好，河流蜿蜒度較高，為1.39，河道水生態狀況良好，故也具有較好的水環境承載狀態。建議該區推進工業轉型升級，提升污水治理水平，維持較好的水環境承載狀態。

D5和D7的水環境承載狀態為一般。其中，D5分區經濟來源主要為第一產業，萬元GDP耗水量達到了152.8 m3/萬元，超出了節水型社會建設的最低標準，研究區內的河道水生態嚴重退化，沉水植物覆蓋率僅為7.6%，河道硬化岸帶所占比達到了83.22%，故水環境承載狀態表現一般；D7分區位于西苕溪的中游，城鎮化率低，河流連通性高，河流蜿蜒度達到了1.42，水生態狀況良好，但該地區化肥施用強度為477 kg/hm2，遠遠超過生態縣建設的標準，故該分區水環境承載狀態仍為一般。建議該區域以控制農業化肥施用為重點，發展生態綠色農業，改善部分河段水生態和水環境狀況。

D3、D4和D6水環境承載狀態比較差，D3分區位于長興縣城區，屬于人口稠密、工業集聚的經濟發達區域，萬元GDP耗水量為32.6 m3/萬元，水平較高，但區內工業廢水和生活污水大量排放以及城鎮分布過于密集造成河道上下游交叉污染，加上河流蜿蜒度普遍表現較差，削弱了河道水體的自凈能力，其中，長興港水生態功能退化嚴重，入河污染物相對集中，部分河段納污能力嚴重不足；D6分區位于工業發達的李家巷鎮，水域率達到了9.43%，但部分企業耗水量大，區域水資源利用率超過75%，遠遠高于國際公認的40%水資源開發利用限度，其中楊家浦河段岸邊植被覆蓋率僅為16.2%。因此，D3和D6兩個分區水環境承載狀況較差。建議該地區調整用水結構，鼓勵工業循環用水，科學管理排污口，控制污水排放總量，開展河道水生態修復工作。D4分區水環境承載狀況最差，該區農業種植面積廣，耗水量大，年施用化肥量達7 023 t，農業面源污染嚴重，區內的長湖申線、泗安塘為航道，水生態承載狀態不足，河流蜿蜒度低，水質凈化能力差，森林覆蓋率僅為11.44%。建議該區控制化肥施用，發展生態循環農業，加強河道生態修復治理，禁止不合理開發和開墾。

2.2.3 長興縣水環境承載力評價

根據分區水環境承載力的計算結果，利用評價模型計算得出長興縣水環境承載力綜合評價指數為0.044，整體上處于中等偏下水平，原因是長興縣水生態、水環境承載力的下降所致，縣內河道多為航道，導致水生植物嚴重缺乏，河道岸坡硬化，造成岸帶植被覆蓋率低，水生態水平較低，長興縣工業發達，以印染、電源和化工業為主，工業廢水排放量大，給水環境帶來了極大的壓力，部分地區農作物種植面積廣，以及化肥、農藥不合理使用，加重了河道水體污染的程度，水環境質量不達標。建議長興縣相關部門加強對河道的管理，改善河道水生態狀況，工業上堅決整治重點污染企業，盡快落實排污權的分配，農業上發展生態綠色農業，控制農藥化肥的使用，提高長興縣水環境承載水平。

3 結論與展望

(1)本文從水資源、水環境、水生態與土地生態功能四個角度構建水環境承載力綜合評價指標體系，利用向量模法對研究區內共7個水生態功能分區進行綜合評價。結果表明，長興縣7個分區的水環境承載狀態具有明顯的區域差異，總體來說，研究區西北地區水環境承載狀態較好，西南地區水環境承載狀態一般，而中東地區水環境承載能力較差；水資源和土地生態功能承載狀態部分地區表現較差，但總體水平較高，二者均為長興縣水環境承載力的提升奠定了堅實的基礎；水環境和水生態承載水平較低，其中，河道水生態退化、水功能區水質不達標以及大量生活污水、工業廢水排放和農業面源污染是長興縣水環境承載力的主要限制因素。

(2)根據長興縣各水生態功能分區自然和社會環境差異，結合水環境承載力評估結果，提出了分區間的差異性管理措施，評估結果可為長興縣水環境分區管理以及區域差異化排污許可分配技術提供依據，也可為其他河網地區水環境管理提供技術支撐。

(3)由于目前水環境承載力的評價體系還不夠健全，指標的選取還沒有統一的標準，計算方式各異，本文中水環境承載力指標的選取、計算以及數據的獲取方式仍有待深入討論。此外，受限于數據的可獲取性，本研究僅對長興縣各分區水環境承載力進行空間上的評估，尚未考慮各分區水環境承載力時間上發展的趨勢，今后，應開展各分區不同年份以及不同水期的水環境承載力評估，以期實現區域水環境動態分區管理。

致謝：中國環境科學研究院對河網地區水環境承載力評估方法、水環境承載力指標體系構建提出了建議和參考方案，浙江省長興縣治水辦、環保局等部門為本課題研究提供了基礎數據，在此一并致謝！