基于DPSIR模型的蕪湖市水生態承載力研究與建議

盧開東，王健健*，馬燮銚，汪俊，張倩

1.南京信息工程大學水文與水資源工程學院

2.蕪湖市生態環境局綜合行政執法支隊

3.蕪湖市環境監測中心站

水生態承載力以可持續發展為原則，涵蓋了水量、水質、水環境，強調的是水生態系統對人類社會經濟的可持續承載[1-2]。隨著社會經濟的發展，區域水資源利用規模越來越大，結構越來越復雜，涉及面越來越廣泛，以綜合性的水生態系統為研究對象的水生態承載力研究具有重要的現實意義。評價和量化城市水生態承載力，不但有助于緩解城市水危機問題，而且對于指導城市人口、社會、經濟和科技的協調發展具有積極意義[3]。

水資源承載力涉及區域環境、人口和社會經濟發展等方面，研究基礎是水資源與經濟社會的復合系統，它以水作為承載體，人口、社會經濟則是被承載體[4]。水環境承載力指從污染物排放的角度來看，水體最大能接納的污染物排放的限度，以水量和水質作為承載體，被承載體則是經濟社會系統，因此可以認為水環境承載力就是水量和水質對經濟社會系統的支撐能力和支撐規模[5]。水生態承載力是水資源承載力、水環境承載力概念的進一步發展，三者之間存在著緊密的聯系。水生態承載力不僅滿足水資源數量和保證水環境質量，同時更關注生態系統的健康發展。

目前，對于水生態承載力還沒有統一的定義，不同學者有著不同的理解。胡文敏等[6]認為水生態承載力是在保證某一流域水生態系統自身的健康發展和生態保護目標的前提下，水生態系統所能承載人類社會經濟發展規模的閾值；李靖等[7]認為水生態承載力是在一定歷史階段，某一流域的水生態系統在滿足自身健康發展前提下，在一定的環境背景條件下，所能持續支撐人類社會經濟發展規模的閾值；Zhang等[8]認為水生態承載力是區域水資源和水環境能力可以支撐的最大人口和社會經濟規模，以實現區域水生態環境和世界經濟的可持續發展。綜上，筆者把水生態承載力定義為某一地區在一定的環境和資源背景下，滿足其水生態系統健康發展時所能支撐社會經濟發展的閾值。

20世紀80年代末，經濟合作與發展組織（OECD）及聯合國環境規劃署（UNEP）[9]為健康評價生態系統的環境質量共同提出了環境指標的PSR概念模型[10-12]，即壓力（pressure）—狀態（state）—響應（response）模型。1993年，OECD 改進PSR 模型，提出了DPSIR〔驅動力（driving force）—壓力—狀態—影響（influence）—響應〕模型[13-17]，此后被廣泛應用于水資源[18]、土地資源[19]和生態安全評價[20]等方面。該模型從社會、環境、經濟和資源4個所屬子系統中選取指標，是一種較為實用的多指標評價模型。然而，多數研究忽視了生態指標對水生態承載力的影響。

《中華人民共和國長江保護法》指出，產業結構和布局應當與流域生態系統和資源環境承載力相適應，蕪湖市作為安徽沿江發展的重要城市，同時也是長江下游段經濟發展的主要城市之一，長江大保護（蕪湖段）駐點研究中也明確提出了著力打造水清岸綠產業優美麗長江（蕪湖）經濟帶，提高城市水生態承載力以不斷滿足人民日益增長的優美生態環境需要，達到綠色可持續發展。筆者從社會、環境、經濟、資源和生態5個所屬子系統選取評價指標，運用DPSIR模型構建蕪湖市水生態承載力評價指標體系，對2011—2018年蕪湖市及其各區縣的水生態承載力變化趨勢和原因進行分析，以2025年為基準給出目標建議值，并提出水生態承載力改善建議。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

蕪湖市地處長江下游，地跨長江兩岸，位于安徽省東南部。總面積為5 988 km2，2019年總人口約為377.8萬人，城鎮化率為66.4%。2018年國內生產總值（GDP）為 3 278.5億元，人均GDP約為 88 085元。2018年全市平均降水量為1 250 mm，水資源總量為34.3億m3，人均水資源量為915 m3；全市供水量為30.03億m3，人均綜合用水量為801.2 m3，萬元GDP用水量為91.6 m3，萬元工業增加值用水量為101.2 m3。蕪湖境內河道縱橫、湖泊眾多、溝塘密布，有各級河道48條，大小湖泊20多個（圖1）。河道總長度為1 106 km，總水面面積為1 098.3 km2，水面率為18.3%[21]。

圖1 蕪湖市內水系分布Fig.1 Water system map of Wuhu City

1.2 數據來源

人口、人均GDP等社會經濟指標，綠化覆蓋面積、自然保護區面積以及市政工程污水處理率（市政工程污水處理量/市政工程污水排放量）等數據來源于2012—2019年《蕪湖市統計年鑒》（http://tjj.wuhu.gov.cn/zhsj/tjnj/index.html）；用水量、供水量、產水系數、水質達標率、年生態基流滿足率等數據來源于2011—2018年《蕪湖市水資源公報》（http://shuiwuju.wuhu.gov.cn/tzgg/tzgg/8227109.html）；工業廢水、生活污水等污染物排放量，生態保護紅線面積比指數（生態保護紅線面積/區域總面積）等數據來源于《生態環境狀況公報》（http://sthjj.wuhu.gov.cn/hbyw/hjzl/index.html）以及蕪湖市生態環境局提供的資料。

1.3 研究方法

1.3.1 評價指標體系構建

運用DPSIR模型框架，從驅動力、壓力、狀態、影響和響應5個方面，同時也考慮地區的社會、環境、經濟、資源和生態5個子系統對蕪湖市水生態承載力的評價指標體系進行構建。

1.3.2 分級量化評分方法

將選用指標進行歸一化處理后，通過一系列公式計算出水生態承載力指數，進而對承載力類型進行劃分。

區域水生態承載力指標值使用極差標準化方法進行歸一化處理，公式如下。

采用熵權法[22-24]確定權重。計算第i個指標下第j個年份的指標值的權重（Pi,j），公式如下：

計算第i個指標的熵值（ei）、熵權（wi）：

式中：m為指標年份長度；k=1/lnm；n為水生態承載力指標個數。

水生態承載力評價指數（Ej）計算公式如下：

將蕪湖市水生態承載力評價指數劃分為不同的等級，可以直觀地判斷蕪湖市水生態承載力綜合狀況：E<0.2，不可承載；0.2≤E<0.4，弱可承載；0.4≤E<0.6，基本承載；0.6≤E<0.8，較好承載；E≥0.8，良好承載[25-27]。

2 結果與分析

2.1 指標體系

根據水生態承載力的定義，區域水生態承載力的大小主要受該地區社會、經濟、資源、環境和生態5個方面的影響。參考包蕊等[28-30]在社會和經濟方面指標的選取以及《中華人民共和國長江保護法》在資源保護、水污染防治和生態環境修復等方面的要求，本研究從下述5個方面選取指標：1）社會方面主要體現地區的人口數量以及城市化發展狀況，選取總人口和城鎮化率2項指標。2）經濟方面體現地區的產業發展及GDP水平，選取人均GDP、萬元GDP用水量、萬元工業增加值用水量、城鎮常住居民人均可支配收入、工業和農林牧漁業增加值6項指標。3）資源方面影響主要是地區供水量和用水量，《中華人民共和國長江保護法》指出要優先滿足城鄉居民生活用水，據此選取總供水量、人均水資源量、生活用水量和產流系數4項指標；保障基本生態用水，據此選取年生態基流滿足率和生態環境用水率2項指標；統籌兼顧農業及工業用水，據此選取了工業用水量和農田灌溉用水量2項指標。4）環境方面主要考慮污染物排放與治理以及當前的環境狀態，《中華人民共和國長江保護法》要求預防、控制和減少長江流域水環境污染，加大點、面源污染防治，據此選取了工業廢水和生活污水排放量2項指標；由于蕪湖當地COD和NH3-N濃度超標的問題較嚴重，增加了COD、NH3-N排放量2項指標；提高城鄉污水處理能力，據此選取了市政工程污水處理率和排入污水處理廠的工業廢水排放總量2項指標；保障水質穩定達標，實時監測飲用水水源的水環境質量，設立國家公園、自然保護區等自然保護地，據此選取了水功能區水質達標率、飲用水水源地水質達標率、濕地面積、自然保護區面積和綠化覆蓋面積5項指標。5）生態方面，《中華人民共和國長江保護法》要求進行生態環境修復，開展水生生物救護，滿足水生生物生態需求，據此選取了水生生物多樣性指數1項指標；保障自然岸線比例，恢復河湖岸線生態功能，據此選取了生態保護紅線面積和自然岸線比例2項指標。

共選取30項指標，其中從社會、經濟、資源、環境和生態5個方面選取的指標分別為2、5、8、12和3項。各項指標根據其特性又可以劃分為驅動力、壓力、狀態、影響和響應指標，其中驅動力指標推動水資源變化和發展，主要體現地區社會經濟狀況；壓力指標體現經濟發展對水資源的需求，描述了經濟、工業、農業和居民日常生活對水資源的壓力；狀態指標體現目前區域內能夠人為控制的、并對承載力大小造成影響的指標；影響指標體現水資源系統的狀態對社會經濟、生態環境的影響；響應指標描述了生態系統表現出的對人類活動的反饋。根據指標性質又可分為正相關指標和負相關指標，其中正相關指標的增長促進該地區水生態承載力的提升，負相關指標則反之。評價指標具體分類見表1。

表1 蕪湖市水生態承載力評價指標體系Table 1 Evaluation index system of water ecological carrying capacity in Wuhu City

2.2 承載力評價結果

圖2為2011—2018年蕪湖市水生態承載力變化趨勢。從圖2可以看出，承載力總體呈上升趨勢。其中，2011—2014年得分為0.4～0.6，呈基本承載狀態，2015—2018年得分超過0.6，為較好承載，但與良好承載（0.8）還存在一定距離。

圖2 2011—2018年蕪湖市水生態承載力變化Fig.2 Change trend of water ecological carrying capacity in Wuhu City from 2011 to 2018

2011—2018 年各區縣水生態承載力變化趨勢見圖3。從圖3可以看出，市區、無為市、繁昌區和南陵縣的水生態承載力總體上呈上升趨勢，南陵縣的波動性較大；2018年市區和繁昌區得分超過0.6，呈較好承載狀態；而無為市、灣沚區和南陵縣的得分為0.5～0.6，呈弱可承載。其中繁昌區的水生態承載力評分值最大，灣沚區最小。

圖3 2011—2018年蕪湖市各區縣水生態承載力變化Fig.3 Change trend of the ecological carrying capacity of each district and county from 2011 to 2018

2.3 主要影響指標

由于蕪湖市各區縣在社會資源、經濟結構等方面存在很大差異，因此相應的主要影響指標也存在不同，根據各指標權重系數的大小采用排序法挑選出對各區縣水生態承載力造成影響的主要指標（圖4），并對其進行著重分析。

從圖4可以看出，各區縣的水生態承載力主要影響指標具體表現：1）市區為生活污水排放量、生態環境用水量、人均水資源量、產水系數和總供水量；2）無為市為萬元GDP用水量、COD排放量、工業廢水排放量、產水系數和人均水資源量；3）灣沚區為COD排放量、生活污水排放量、萬元GDP用水量、人均水資源量和生態環境用水量；4）繁昌區為萬元GDP用水量、工業廢水排放量、人均水資源量、COD排放量和生態環境用水量；5）南陵縣為人均水資源量、產水系數、萬元GDP用水量、COD排放量和生態環境用水量。最終確定了8項各區縣水生態承載力的主要影響指標，分別為工業廢水排放量、總供水量，COD排放量、萬元GDP用水量、產水系數、生態環境用水量、生活污水排放量和人均水資源量。各區縣8項指標變化趨勢如圖5所示。資源和環境是影響蕪湖市水生態承載力的主要因素，相反，選用的生態指標對水生態承載力的影響較小，其原因可能是蕪湖市生態保護紅線面積、水生生物多樣性指數和自然岸線比例在2011—2018年沒有變化或變化幅度很小。

圖4 蕪湖市各區縣水生態承載力的主要影響指標Fig.4 Main impact indicators of each district and county

由圖5可見，各區縣萬元GDP用水量和產水系數2項指標總體上向有利方向發展。然而不同區縣的各指標以及限制因素存在較大差異，如：1）市區的經濟水平較高，但自然資源匱乏，具體表現為市區的人均GDP高、人均水資源量低，同時由于市區的人口密度大，也導致了該地區的生活污水排放量大；2）無為市的工業廢水排放量低，但COD排放量高，萬元GDP用水量和產水系數處于較低水平；3）灣沚區總供水量較低，工業廢水和生活污水排放量處于較高的水平；4）繁昌區的萬元GDP用水量、工業廢水排放量和生活污水排放量都較低，對環境造成的壓力低，所以該地區的水生態承載力評分值最大；5）南陵縣的自然資源豐富，人均水資源量大，但萬元GDP用水量較低、工業廢水排放量大。

2.4 建議值確定

為使蕪湖市各區縣達到良好承載狀態，根據2011—2018年各項指標的變化趨勢，以2025年為基準，采用指標外延法確定8項主要影響指標的目標建議值（圖5虛線部分）。從圖5可以看出，2011—2018年市區的人均水資源量、工業廢水和生活污水排放量較上一年的變化幅度分別為-50%～94%、-59%～64%和-32%～24%，2025年建議值增幅分別為6%、-4%和-4%，符合變化趨勢。2011—2018年無為市的生活污水排放量和COD排放量較上一年的變化幅度分別為-60%～126%和-61%～108%，2025年建議值增幅為4%，符合變化趨勢。2011—2018年灣沚區的總供水量和生活污水排放量較上一年變化幅度分別為-12%～26%和-7%～64%，2025年建議值增幅為6%和-4%，符合變化趨勢。2011—2018年繁昌區的生態環境用水量較上一年的變化幅度為-37%～58%，2025年建議值增幅為6%，符合變化趨勢。2011—2018年南陵縣的生活污水排放量和萬元GDP用水量較上一年的變化幅度為-5%～53%和-35%～28%，2025年建議值增幅為-4%和-30%，符合變化趨勢。

圖5 蕪湖市各區縣水生態承載力主要影響指標的變化趨勢Fig.5 Change trend of main impact indicators of each district and county in Wuhu City

針對各區縣提出以下水生態承載力改善建議：1)對于市區，存在的問題主要是人均水資源量低以及工業廢水、生活污水排放量大，需要開辟新的備用水源，如采取建地下水庫、海綿城市等措施；加強工業廢水、生活污水治理，對污水處理廠進行提標改造，提高污水回用率，并督促企業進行排污申報登記，逐步完善污染在線監測系統。2)無為市的生活污水排放量和COD排放量較高，需要對一些COD高排放企業采取減排限排的措施，對鋼鐵類企業、印染類企業實施清潔化改造計劃，對高能耗、低用水效率的企業進行技改，同時需要開展城鄉污水集中處理設施及配套管網建設。3)灣沚區需要積極發展新興產業，促進產業結構的升級優化，對高排放企業進行減排限排，對超標排放企業進行關停，同時也需要加強備用水源建設。4)繁昌區主要問題是生態用水量較低，可以開展區級、社區級城市公園建設，增大在生態用水方面的投入。5)對于南陵縣廢/污水排放量大的問題，需要提高污水回用率，大幅度削減落后產能規模，以鋼鐵、水泥、平板玻璃等行業為重點，同時需要升級企業設備，提高工業用水效率以降低萬元GDP用水量。此外，還需要加強對生態指標如生態保護紅線面積比指數、自然岸線比例等指標的管控。蕪湖市生態保護紅線面積比為4.95%，市區、無為市、灣沚區、繁昌區和南陵縣的面積比分別為1.84%、5.82%、1.72%、6.46%和8.19%，在生態保護紅線內按照禁止開發區域的要求進行管理，嚴禁不符合主體功能定位的各類開發活動，嚴禁任意改變用途，確保生態保護紅線的生態功能不降低、面積不減少、性質不改變。

3 結論與建議

3.1 結論

（1）總體來說，蕪湖市及各區縣的水生態承載力呈上升的趨勢，市區和繁昌區的水生態承載力較好，無為市和南陵縣次之，灣沚區最差。

（2）選用的評價指標來自社會、環境、經濟、資源和生態5個方面，根據權重系數大小采用排序法確定8項主要影響指標，分別為工業廢水排放量、總供水量、COD排放量、萬元GDP用水量、產水系數、生態環境用水量、生活污水排放量和人均水資源量，其中環境和資源是影響蕪湖市水生態承載力的主要因素。

（3）針對各區縣提出了相應的改善建議，從經濟發展、產業結構調整、截污減排等方面提高水生態承載力。為了更好地落地實施改善方案，根據各區縣的8項主要影響指標提出了目標建議值（以2025年為基準），并確保所設定的建議值是可達到的。

3.2 建議

（1）為緩解蕪湖市內水資源分配不均的現狀，建設重點水源配置工程，對青弋江、漳河等重要支流進行治理，對市內自來水廠實施管道改造工程。

（2）針對污染物排放量大的問題，全力控制污染物排放，落實全市重點排放大戶超低排放改造；嚴格控制新增污染源，堅持建設項目全過程管理，做到增產不增污、增產減污；統籌城鄉污水集中處理設施及配套管網建設，并保障其正常運行，提高城鄉污水收集處理能力和回用率。

（3）全面推進社會節水工作，工農業進行節水改造工作，推廣節水器具，加強對高耗水行業、重點用水單位的用水定額管理，嚴格控制高耗水項目建設，對高能耗、低用水效率的企業要進行技改，以緩解蕪湖市區及其他區縣水資源短缺的問題。

（4）為有效保護蕪湖地區的水生生物多樣性和生態安全，需要進一步加強生態保護紅線的管理，確保生態保護紅線的生態功能不降低、面積不減少、性質不改變，圍繞長江干流、主要支流及道路沿線建設森林長廊，開展防護林建設工作。

致謝：感謝蕪湖市長江生態環境保護技術與方案研究項目的支持。