邛海流域水環境承載力分析與調控對策

李 新， 石建屏， 單倩倩， 羅 珊， 史 科

(1. 綿陽師范學院資源環境工程學院，四川綿陽621000；2.綿陽職業技術學院材料工程系，四川綿陽621000)

水環境承載力(water environment carrying capacity,WECC)指某流域內水環境維持自我調節能力和發揮正常功能的前提下，所能夠承載的社會經濟發展的最大能力[1-2]。隨著社會經濟的發展，水環境污染、水資源短缺成為制約可持續發展的重要因素。我國水資源存在地域分布不均、水環境質量表現參差不齊、社會經濟發展不平衡等特點，城市水環境污染負荷增加，水體富營養化趨勢明顯，水環境承載力下降尤為突出。定量評估流域內水環境承載力，合理利用水資源、有效控制水污染，科學調配水資源、保障水質量是城市發展中亟待解決的問題。

邛海是長江上游四川省境內第二大高原天然淡水湖，屬近郊型半封閉型湖泊，是西昌衛星發射基地、城區工農業生產以及居民生活飲用水的水源地，也是國家級風景名勝區和最大的城市濕地公園。流域水體具有市政供水、工農業用水、水產養殖、旅游景觀、氣候調節等多種功能，是長江上游重要的生態屏障和水源涵養地。近年來，城市規模的急劇擴張、旅游業的快速發展，給生態環境帶來了巨大壓力，面臨著水環境污染與水資源短缺的雙重問題。部分學者運用相關分析、指數評價等方法研究邛海湖泊水體污染和富營養化問題，表明流域內水環境承載力存在嚴重不足[3-9]。筆者選擇邛海流域社會經濟發展的水環境承載力作為內容，構建水環境承載力指標體系及計算模型，并應用層次分析(AHP)法與指數評價法，測算2013—2017年流域水環境承載力，提出水環境保護和水資源利用的調控對策，以期為社會經濟發展規劃、生態環境保護和水資源可持續利用提供科學支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

邛海位于四川省涼山彝族自治州的西昌市境內，地理位置在東經102°15′～102°18′，北緯27°42′～27°55′之間，海拔為1510 m，南北長11.5 km，東西寬5.5 km，周長為35 km，水域面積為34 km2；湖水平均深度為14 m，蓄水量為3.2×108m3；水位變幅小，流域面積為307 km2；屬長江干流金沙江支流雅礱江支流安寧河。地處四川西南部低緯度、高海拔地區，屬于中亞熱帶高原山地氣候；全年有326 d的晴朗天氣，年均氣溫為17.5 ℃；年降雨量為1 004.4 mm，年均蒸發量為1945 mm；年均徑流量為1.473×108m3；6—10月為豐水期；邛海湖匯入河流主要有鵝掌河、小青河和官壩河，流出河流只有海河，經海河流入安寧河[10-13]。西昌市邛海流域地理位置如圖1所示。

圖1 西昌市邛海流域地理位置Fig.1 Geographical location of Qionghai Lake basin in City Xichang

2017年西昌市人口為66.84萬人，城鎮化率為58.92%；國民生產總值(GDP)為481億元，第三產業占51.67%，全年旅游總收入達205億元。邛海入湖河流鵝掌河、小青河監測斷面水質均達到Ⅱ類，官壩河符合Ⅲ類水質；邛海湖為Ⅱ類地表水、中等營養，生活飲用水水源達標率為100%。邛海出湖河流海河上游水質為Ⅲ類，下游均為劣Ⅴ類，主要污染物分別是總磷(TP)、總氮(TN)和化學需氧量(CODMn)。城鎮化率呈現逐漸上升趨勢，農業人口仍占較大比重；GDP呈上升趨勢，旅游收入占近一半，林業用地和農業耕地面積無明顯變化，旅游業是社會經濟發展的推動力。

1.2 水環境承載力指標體系

水環境承載力指標體系由水質量和水資源2個子系統構成，見圖2。水質量承載力(water quality carrying capacity，WQCC)指水體不發生富營養化和滿足水質量要求條件下的承載能力，水資源承載力(water resource carrying capacity，WRCC)指適應社會經濟發展和滿足生態環境需水條件下的承載能力。水質量子系統包含富營養化指標(TN、TP)、化學污染指標(CODMn)，水資源子系統包含社會指標(人口)、經濟指標(灌溉面積和GDP)。水環境承載力系統分3個層次：目標層(A)有1個元素，領域層(B)有2個元素，指標層(C)有6個元素[14-15]。

圖2 水環境承載力指標體系Fig.2 Index system of water environment carrying capacity

1.3 水環境承載力計算模型

水質量、水資源指標層中各單項壓力指數：

(1)

式中：Pi為第i個指標的壓力指數，i為CODMn、TN、TP、人口、灌溉面積、GDP等指標；Ci為第i指標的監測值；Cmax,i為第i個指標的標準限值。

水質量、水資源承載力和水環境承載力計算公式為：

(2)

(3)

WECC=WRCC·wL+WQCC·wZ

(4)

式中：wi為第i個指標的權重；wZ、wL為分別為水質量、水資源承載力的權重。

水環境承載力≤1，表明流域水環境處于承載能力之內；水環境承載力>1，流域水環境超出承載能力；值越大，流域水環境承載壓力越大[14-15]。

1.4 層次分析法確定權重

1.4.1 構造判斷矩陣

分別為水環境承載力(A)、水資源承載力(B1)、水質量承載力(B2)判斷矩陣[14-15]。

1.4.2 權重系數計算

采用歸一化方法計算各判斷矩陣的特征向量矩陣，系統各層次的指標權重系數見表1。

表1 水環境承載力指標體系權重系數Tab.1 Weights of the indexes of WECC

1.4.3 一致性檢驗

計算各矩陣CR得到：CR(A)=0.000 0<0.1，CR(B1)=0.022 0<0.1，CR(B2)=0.001 9<0.1。說明判斷矩陣A、B1和B2的一致性可以接受，權重分配合理。

1.5 數據來源

2013—2017年西昌市邛海流域社會經濟、地表水質量數據來源于《涼山州環境質量狀況公告》、《西昌市國民經濟和社會發展統計公報》；按3.2×108m3平均蓄水量計算；采用《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中Ⅱ類水質限值，即CODMn為4 mg/L，TN 為0.5 mg/L，TP為0.025 mg/L；社會經濟指標采用《全國生態示范區建設試點考核驗收指標》中Ⅰ類用水量標準，即人均用水為427 m3/cap，水田為4 500 m3/hm2(旱地為3 000 m3/hm2)，萬元GDP為200 m3。

2 結果與分析

根據式(1)計算2013—2017年邛海流域水環境系統中水資源、水質量承載的壓力指數，如圖3和圖4所示。由公式(2)～(4)和表2，計算2013—2017年水資源、水質量和水環境承載力，如圖5所示。

2.1 水資源承載力動態特征

由圖3可知，每年灌溉面積的壓力指數均小于1，說明流域內農業種植生產用水量未超出流域水資源承載能力。人口的壓力指數逐年增長，2015年開始大于1，常住人口總量超過生態環境承載能力。GDP的壓力指數從2013年的2.33快速增長到2017年的3.01，經濟快速發展面臨著巨大的水資源超載壓力并逐年上升，水資源短缺可能成為邛海流域經濟增長和社會發展的長期制約因素。

2.2 水質量承載力動態特征

由圖4可知，TP的壓力指數呈波動式增長，從2.00增長到3.20，2015年達到最高值3.60，說明流域內TP濃度較高是邛海湖富營養化的潛在影響因素。TN的壓力指數數逐年增長，從2013年的1.98增長到2017年的2.84，其對水質量的影響程度僅次于TP。CODMn壓力指數在0.59～0.55之間呈小幅度下降趨勢，有機污染指標與富營養化指標相比對水質量的影響沒有超載。

圖3 2013—2017年邛海流域水資源承載的壓力指數Fig.3 Pressure index of WRCC in Qionghai basin from 2013 to 2017

圖4 2013—2017年邛海流域水質量承載的壓力指數Fig.4 Pressure index of WQCC in Qionghai basin from 2013 to 2017

2.3 水環境承載力動態特征

由圖5可知，水環境承載力全部大于1，由1.58增長到2.19。水質量與水環境承載力變化規律趨同，由1.71增長到2.53。水資源承載力呈逐年上升趨勢，由1.32增加到1.52。表明邛海流域內人口承載超標，經濟壓力增長顯著，富營養化指標TP、TN壓力高且波動大。相對而言，水質量對水環境承載力的影響程度比水資源更大?？刂屏饔蚝住⒑廴疚镔|的排放，防止湖水出現富營養化是長期而艱巨的任務。

圖5 2013—2017年邛海流域水環境承載力Fig.5 WECC in Qionghai basin from 2013 to 2017

3 討論

3.1 水環境調控對策

隨著邛海流域人口不斷增加，城鎮化率提高，居民生活用水量持續增長。近年來，西昌市經濟得到了快速增長，2017年第三產業GDP超越第二產業，旅游成為經濟發展主導產業。經濟增長造成的水資源短缺問題，是制約社會經濟可持續發展的重要因素。環湖農業排水、生活污水、工業廢水中的污染物是邛海湖水體的主要污染源，特別是沿岸農業種植、養殖業以及旅游業產生的磷和氮營養物質，是導致湖泊富營養化的潛在風險問題。2017年入湖主要河流鵝掌河、小青河、官壩河監測斷面水質控制為Ⅲ類地表水標準，與邛海湖水域Ⅱ類地表水要求相差1個等級，增大了流域內水環境質量壓力。

按照Ⅱ類地表水功能區標準和Ⅰ類生態示范區建設考核指標，理論測算邛海流域內人口最大承載力為75.1萬人，經濟最大規模為160億元，邛海湖TP最大容量為8 t，TN為160 t；2017年邛海流域實際承載量：人口為77.7萬人，GDP為481億元，TP為26 t，TN為454 t；超標倍數排序為TP(3.20)>GDP(3.01)>TN(2.84)>人口(1.04)，流域水質量對水環境承載力的影響作用大于水資源。

依據研究制定區域社會經濟發展規劃和生態文明城市建設中的水環境保護管理、水資源開發利用的對策，首先嚴格控制入湖河流沿岸農業種植和養殖產生的面污染，減少排入河流和湖泊的TP、TN總量；二是繼續優化產業結構，積極發展旅游產業；三是適度控制人口規模，穩步推動城鎮化進程。

3.2 水環境調控措施

邛海流域的濕地是國家生態旅游示范區，為了進一步加強邛海流域水資源管理，更好地保護好飲用水源地，提高水環境承載力，保障生態環境良性循環和社會經濟可持續發展，建議采取如下主要措施。

① 優化配置，科學調度，合理利用水資源；轉變邛海流域內水資源消費結構，發展生態綠色農業，鼓勵工業循環用水，倡導居民節約用水。開展邛海流域生態修復工程，恢復入湖河口濕地、保護湖周天然林，形成湖泊生態安全屏障。

② 實施邛海入湖河流治理工程，建設生態環境監測系統，科學管理入湖河流排污口，實施污水排放總量控制，強化環境督查和執法力度，保障飲用水源安全，逐步實現入湖河流監測斷面水質滿足Ⅱ類地表水標準。

③ 調整邛海湖周邊鄉鎮農業生產結構，大力發展生態農業和綠色農業。削減農業化肥施用總量，防治農村人畜糞便污染，建設生活污水處理設施，完善排水管網工程，實現農村生活污水和垃圾的同步處理，確保地面徑流清水入湖。

4 結論

① 邛海流域水資源承載能力超過載荷，GDP呈現出超標承載，壓力指數由2.33增長至3.01，經濟增長是水資源承載壓力逐年上升的主要原因。人口壓力指數逐年增長，2015年出現水資源承載超標；灌溉面積的壓力指數每年小于1，在水資源承載能力范圍內。流域內人口承載量為75.1萬人，經濟規模(GDP)理論值為160億元，西昌市社會經濟發展重點為調整產業結構，優化發展模式，積極發展對水資源依賴性比較小的旅游業，同時在城鎮化進程中適度控制常住人口總量。

② 邛海流域水質量承載能力超過載荷，TP、TN均呈超載狀態，TP壓力指數表現為高負載下波動式增長，由2.00增長到3.20，2015年達到最高3.60；TN壓力指數數逐年增長，對水質量的影響程度低于TP，水體TP、TN濃度較高是湖富營養化的潛在影響因素。有機污染指標CODMn壓力指數在0.59～0.55呈小幅度下降趨勢。邛海湖TP水環境容量為8 t，TN水環境容量為160 t。應嚴格管控邛海湖周邊入湖河流水質，實施截污治污工程，建設生活污水處理廠，發展綠色生態農業，保障入湖河流水質達到Ⅱ類地表水標準。

③ 邛海流域水環境承載力均超過1，并呈現出逐年上升趨勢；人口承載超標，經濟壓力顯著增長，富營養化指標TN、TP呈現高負荷波動狀態。結果表明邛海流域水質量對水環境總承載力的影響作用比水資源更大，是制約社會經濟可持續發展的主要因素。建議采取嚴格控制流域上游及環湖周邊污染源排污總量的措施，支持積極發展旅游業和生態農業作為經濟增長的持續動力，為生態文明城市和國際休閑旅游地的建設奠定良好的基礎。