基于不同方法在水環境承載力評價中的應用

宋明遠

(遼寧省阜新水文局,遼寧 阜新 123000)

0 引 言

水環境承載力在狹義上通常指水體納污能力或水體容許污染的負荷量,然而,隨著人類社會生產力的快速發展,水環境的污染問題也越來越嚴重。部分地區對資源的過度開發造成的環境污染威脅著人類的生存,為謀求健康的經濟發展模式,人們很自然地對水環境承載力有了新的定義,即特定的時期、特定的空間范圍內,在區域水體能夠自我調節、自我維持、可持續發展的前提下,是支撐人口、經濟和社會可持續發展的最大容量[1-4]。在當今社會,把水環境承載力看作是衡量經濟社會發展與水環境協調程度的重要指標。水環境承載力健康評價不僅可以為區域水環境保護與管理提供科學依據,而且對于解決生態環境的保護與人類社會發展之間的矛盾具有重大意義[5-7]。

1 評價指標體系建立

依據水環境承載力指標的選取原則并考慮本溪地區水環境的特色與經濟社會發展等方面,確定了水環境承載力包含生態承載、人口承載以及經濟承載3個方面。

1.1 生態承載方面

本溪是一個以工業為主的城市,森林覆蓋率位居遼寧省省第一,森林覆蓋率高是當地的一大特點。廢水的排放也是影響生態承載力的一個主要因素,生活污水和工業廢水中含有的有毒有害的化學物質排放到水體后,不能被完全生物降解,造成河流的污染和水生動植物的死亡。近年來,我國對城鎮生活污水處理的建設有了很大的發展,本溪市近10a的城鎮生活污水處理率有了大幅度的提升。

1.2 人口承載方面

本溪地區城市化比例較高也是本溪市的一大特點。大量農村勞動力從第一產業轉向第二產業,隨之而來的是棄耕拋荒問題和大量工業廢水排放;人均GDP是衡量一個地區經濟發展最重要的指標,本溪市2010—2013年期間GDP處于上升階段,2014—2015年略有下降,而2016年開始隨著當地第二產業的迅速衰退,GDP開始大幅下降;生活污水的排放同樣制約著地區經濟的發展,本溪市的人均生活污水排放量略高于國家的平均水平,需要政府相關部門加大管控力度。

綜上所述,選取城鎮化率、人均GDP以及人均生活污水排放量作為人口承載力的評價指標。

1.3 經濟承載方面

工業方面,主要考慮了GDP與廢水排放總量、氨氮排放還有生活污水排放的關系;農業方面,化肥的施用形成農業面源污染造成的水體富營養化同樣對經濟產生制約,在農業化肥的施用中,氮肥施用量最大,對水環境污染最大,因此選取單位農田面積氮肥施用量作為一項承載力指標。

綜合考慮上述3個方面,共選取12個相關指標作為水環境承載力評價指標,如表1所示。2010—2018年各項指標的數值,見表2。

表1 水環境承載力指標

3 模型建立

3.1 評價指標等級劃分

水環境承載力受眾多條件影響,涵蓋自然地理,人類活動等諸多因素,文章通過對現行的國家標準與地方標準結合、查閱相關文獻、計算相關指標的發展趨勢以及對比專家以往的經驗值四種方法,對水環境承載力指標劃分成了五個等級,以便于定量且直觀反映各等級因素對承載力的影響程度。評價指標的分級標準見表3。

表3 評價指標極性及等級劃分表

3.2 指標權重的計算

為了避免主觀因素對指標權重的影響,同時考慮到權重計算中人的價值,保證權重計算的全面性,所以采用組合權重法來確定指標的權重,首先采用模糊層次分析法計算主觀權重,根據表2確定的評價指標集以及表3中制定的數量標度,建立水環境承載力的模糊一致判斷矩陣。

得出矩陣后,根據a=(n-1)/2,計算出準則層a取1,3個指標層a分別取2,1.5和1.5。再根據式(6-5)求得各指標的主觀權重見表6～15。接著用熵權法計算客觀權重,根據12個評價指標2010—2018年的數據資料構造熵權法的判斷矩陣R=(rij)n×m,然后根據指標的極性,對得到的矩陣進行歸一處理,得到新的標準化矩陣,再計算各指標客觀權重及組合權重,利用各指標客觀權重乘以其指標實際值的和構成準則層判斷矩陣,根據熵權法得到準則層標準化矩陣,最后得到準組層的客觀權重及綜合權重,見表4。

表4 水環境承載力評價指標權重值

4 結果及分析

4.1 模糊綜合評判評價

將2010—2018年各個指標的具體數值按照指標極性和大小的分類并進行計算,得到本溪地區2010—2018年的隸屬度矩陣,將得到的權重矩陣與隸屬度矩陣相乘,得到模糊綜合評價矩陣,最后進行量化得出最終的評價結果,見表5。

表5 本溪市水環境承載力模糊綜合評價結果

從表5中可以看出,本溪地區的水環境承載力水平比較穩定,且穩定在“Ⅲ級一般可承載”狀態。而且從綜合評價的數值變化可以看出,模糊綜合評價值基本集中在0.4～0.5之間,且豐水年的水環境承載力普遍高于枯水年。MK趨勢分析結果表明,水環境承載力模糊綜合評價結果的Z值為-0.42,表明2010—2018年間本溪市水環境承載力有下降的趨勢,但未通過顯著性檢驗。

4.2 物元分析評價

將各個指標的數據按照其所在的經典域和節域分別計算出每個指標對應的經典域的關聯度。再將各個經典域的關聯度歸一處理,得到綜合關聯度。其中指標的承載力等級屬于綜合關聯度值最大的經典域。

計算2010—2018年各指標的評價等級,見表6,各年份的評價等級,見表7。

表6 各年份水環境承載力評價指標對應各評價等級

表7 各年份水環境承載力對各評價等級的綜合關聯度

通過表7可以看出,水資源開發利用率、森林覆蓋率對水環境承載力起到支撐作用,而廢水排放量、城鎮化率、人均生活污水排放量和萬元GDP廢水排放總量是制約水環境提高改善的不利因素[8-10]。從表中還可以看出人均生活污水排放量和萬元GDP廢水排放量由于人口的GDP的減少和廢水排量的增加有明顯變差的趨勢。森林覆蓋率、城鎮污水處理率、人均GDP、單位農田面積氮肥施用量4個指標有不斷提高改善的趨勢,對近幾年水環境的改善和提高起到一定的支撐作用。

由表7可以看出,2011年、2012年、2015年和2018年的承載力等級較差,2013年的承載力結果為較好,其他年份的承載力等級都為一般。2011年之后,水環境承載力呈現變好的趨勢,一直持續到2013年;2013年之后的評價結果基本為一般承載或有向一般承載轉化的趨勢。

5 結 語

目前本溪地區的水環境承載力基本處于一般承載狀態,但隨著城市人口的增加,社會經濟的發展以及氣候環境的變化,水環境將會面臨更大的壓力,因此需要更加重視水環境的保護,分析水環境承載力相關指標的變化趨勢,找到所面臨的問題并給出解決方案。經過分析得知呈現這一變化的原因主要是近幾年人們開始重視對污水的處理,廢水排放的處理率有所提升,森林覆蓋率與之前相比也有小幅度的提升,有利于水環境承載力的提升,但2015年之后,人均GDP隨著本溪地區工業的衰退而變少,相關部門對廢水的排放量控制力度不足,這兩方面因素又使水環境承載力向不利的方向發展。因此想要改變水環境承載力的下降趨勢,需要協調好經濟發展與水資源利用之間的關系,優化工藝,減少工業廢水排放以及加強對生活污水排放的管理措施。

從不同的子系統來看,首先,人口承載力子系統所占權重最高,但是其中的各個指標的等級均不高于人口的城市化,經濟的發展給水環境造成很大壓力,因此還需提高用水效率,合理控制人口,提倡市民節約用水。其次,生態承載力子系統的權重排在第二,其中各指標的等級相對較高,由此可知,本溪地區自然環境較好,對水環境承載力的影響較為有利。最后,經濟承載子系統的權重最低,但由于3個子系統的權重分布較為平均,因此經濟承載子系統對整體承載力的影響同樣不可忽略,經濟承載的四個指標等級均不高,說明本溪地區在發展工業和農業的同時,有害物質的排放量較大,因此要提高水環境承載力需要協調好人類社會經濟發展與自然環境之間的關系,在發展工業,提升經濟的同時減少對水環境的污染。

從表6可以看出單個指標對應的評價等級變化趨勢,其中水資源開發利用率、森林覆蓋率這兩個指標一直保持較高等級,對水環境承載力的保持有較大貢獻。與此相反,城鎮化率和人均GDP兩個指標等級始終較低,二者是制約水環境的承載力提高的主要限制性因素。而單位農田面積氮肥施用量、城市污水處理率、萬元GDP工業氨氮排放量3個指標雖然有波動,但整體呈現變好的趨勢。造成水環境承載力在較差與較好等級之間波動的主要原因是廢水總排放量、人均生活污水排放量、萬元GDP廢水排放總量以及萬元GDP生活污水排放總量這四個指標,他們的變化趨勢不是單純的增加或減少,而是隨著當地社會經濟的發展在不斷變化。