岱海流域水環(huán)境承載力綜合評價

武昕藝，張文星，姜平平，白妙馨*，張一心

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)受損環(huán)境鑒定與修復企業(yè)重點實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000；2.內(nèi)蒙古大學生態(tài)與環(huán)境學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000）

提要：本文以岱海流域為研究區(qū)域，采用AHP—熵權(quán)法、系統(tǒng)動力學模型與耦合協(xié)調(diào)度模型，對該流域2018年的水環(huán)境承載力進行綜合評價，并預(yù)測至2025年的情況。結(jié)果表明，2018年岱海流域水環(huán)境承載力處于紅色巨警狀態(tài)，水環(huán)境與經(jīng)濟社會的耦合協(xié)調(diào)度為極度失調(diào)狀態(tài)。設(shè)置4種情景方案對2019—2025年進行模擬，結(jié)果顯示各方面的指標均為最優(yōu)，水環(huán)境承載力及耦合協(xié)調(diào)度相較于2018年均有顯著提升。

引言

水環(huán)境承載力的定量評價有助于深入理解其內(nèi)涵和加強實際應(yīng)用。利用指標評價法和系統(tǒng)動力學兩者結(jié)合可以解決區(qū)域水環(huán)境承載力的定性和定量評價問題，并可以對未來趨勢進行動態(tài)的模擬。社會與環(huán)境之間相互促進是經(jīng)濟增長與資源可持續(xù)利用的關(guān)鍵，利用耦合協(xié)調(diào)度模型進行定量分析，能夠更好地評判兩者之間的協(xié)調(diào)程度[1]。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

岱海是內(nèi)蒙古自治區(qū)三大內(nèi)陸湖之一。流域總面積2 312.7 km2。20世紀60年代以來，隨著工農(nóng)業(yè)開發(fā)以及地下水的過量開采，岱海面積逐年萎縮，2018年縮減至55.5 km2，在區(qū)域氣候變化和人類活動的綜合作用下，岱海的生態(tài)危機日趨嚴峻。

1.2 評價指標權(quán)重的確定及承載力計算

岱海流域水環(huán)境承載力指標體系的構(gòu)建，應(yīng)充分考慮當?shù)丨h(huán)境現(xiàn)狀和數(shù)據(jù)可獲得性，由社會經(jīng)濟子系統(tǒng)、水資源子系統(tǒng)和水環(huán)境子系統(tǒng)3個子系統(tǒng)構(gòu)建指標體系，選取頻率較高的18項指標，完成岱海流域水環(huán)境承載力評價指標體系，指標分為正向指標和負向指標，見表1。

本研究采用AHP-熵權(quán)法組合賦權(quán)，有效避免各指標重要性和極值的影響帶來的誤差，計算所得各指標權(quán)重。研究涉及到數(shù)據(jù)主要來源于《內(nèi)蒙古統(tǒng)計年鑒》《烏蘭察布市統(tǒng)計年鑒》《烏蘭察布市水資源公報》以及烏蘭察布市環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)等。

水環(huán)境承載力評價中采用標準化法消除各項評價指標不同維度、單位和量級的影響，確定各指標得分，再與對應(yīng)權(quán)重乘積求和得到水環(huán)境承載力指數(shù)值[2]。參照文件將水環(huán)境承載力狀態(tài)分為3級5色，分別是紅色巨警～超載[0～0.2），橙色重警超載[0.2～0.4），黃色中警臨界超載[0.4～0.6）綠色輕警臨界超載[0.6～0.8）和藍色無警不超載[0.8～1]。

1.3 系統(tǒng)動力學模型

構(gòu)建系統(tǒng)動力學模型首先要確定指標性質(zhì)，再確定各指標之間的邏輯關(guān)系，接下來通過建立數(shù)學方程定量描述指標之間的關(guān)系[3]，最后將流程圖和數(shù)學方程輸入vensim軟件中，對不同方案進行策略模擬，對關(guān)鍵指標變量進行預(yù)測[3]。本次研究以岱海流域為系統(tǒng)邊界，時間邊界為2010—2025年，基準年為2018年，模擬時間間隔為一年，其中2019—2025年為模擬預(yù)測年份，見圖1。

圖1 岱海流域水環(huán)境承載力系統(tǒng)動力學流程圖

1.4 耦合協(xié)調(diào)度模型

耦合協(xié)調(diào)度可以全面反映出社會經(jīng)濟與水環(huán)境之間的關(guān)系，分析兩系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)水平[4]為明確兩系統(tǒng)的內(nèi)部協(xié)調(diào)程度，根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，劃分耦合協(xié)調(diào)度為極度失調(diào)（0～0.9），嚴重失調(diào)（0.1～0.19），中度失調(diào)（0.2～0.29），輕度失調(diào)（0.3～0.39）瀕臨失調(diào)（0.4～0.49），勉強協(xié)調(diào)（0.5～0.59），初級協(xié)調(diào)（0.6～0.69），中度協(xié)調(diào)（0.7～0.79），良好協(xié)調(diào)（0.8～0.89），優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)（0.9～1）。

2 結(jié)果與討論

將歷史數(shù)值輸入模型中進行模擬，將模擬數(shù)值與實際數(shù)值進行對比，本次研究對人口、GDP、第三產(chǎn)業(yè)GDP三個指標進行檢驗，相對誤差均在±10%以內(nèi)，證明模型可行有效。本研究設(shè)計了基準方案、經(jīng)濟增長型、環(huán)境保護型和協(xié)調(diào)發(fā)展型4種方案進行比較研究。

2.1 水環(huán)境承載力評價分析

經(jīng)計算，2018年岱海流域水環(huán)境承載力指數(shù)為0.183 0，處于超載紅色巨警狀態(tài)。

經(jīng)模擬4種情境下的人口和GDP情況如圖2所示，除經(jīng)濟增長型的人口呈現(xiàn)上升趨勢外，其余3類模擬方案人口均為下降趨勢。

2018年底岱海流域周邊常住人口為170 080人，城鎮(zhèn)化率為39.52%，與往年相比，總?cè)丝诩吧钣盟砍氏陆第厔荨６?020年起由于疫情影響，岱海流域周邊人口流動將大幅減少，按照現(xiàn)狀及未來趨勢，至2025年，岱海流域人口總數(shù)僅為96 836人。人口是制約社會經(jīng)濟增長的關(guān)鍵因素，人口的數(shù)量和素質(zhì)決定著區(qū)域經(jīng)濟增長的速度和結(jié)構(gòu)，如若不對人口增長率進行調(diào)控，必然會影響岱海流域未來的經(jīng)濟增長與社會穩(wěn)定。

區(qū)域GDP越高，在一定程度上代表著更高的環(huán)保意識，同時也會促進科技的進步以達到保護環(huán)境的目的。與此同時，要加快調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，推廣環(huán)境友好型產(chǎn)業(yè)，消減對環(huán)境污染嚴重的部分產(chǎn)業(yè)。2010～2018年間，岱海流域GDP始終處于穩(wěn)定上升的狀態(tài)，近些年第一、二產(chǎn)業(yè)增長緩慢，工業(yè)甚至出現(xiàn)負增長的情況，第三產(chǎn)業(yè)增長率較高，2018年達到了14%，未來在保證第三產(chǎn)業(yè)的前提下，可以適當增加第一、二產(chǎn)業(yè)，以促進整個流域的經(jīng)濟增長。

岱海的湖面面積從1974年以來，一直呈現(xiàn)萎縮趨勢，流域水資源量降低了近80%[5]。雖然近年來用水量一直在下降，地方政府也出臺多舉措保護水資源，對水資源的不斷減少有一定程度的減緩，但湖面萎縮及水資源消耗的形勢依然嚴峻。

2018年，岱海流域的COD、氨氮和總磷的入湖量分別為1 983.75 t、83.94 t和18.40 t，相較往年來說有一定程度的下降，但湖區(qū)污染情況依舊嚴峻。目前岱海流域已無排污口和漁業(yè)養(yǎng)殖，未來主要考慮控制面源污染以控制污染物排放。

近年來對岱海流域的治理力度逐漸加大，未來流域的水環(huán)境質(zhì)量將逐漸提升。為了探尋更適宜岱海流域的環(huán)保之路，模擬了4種情景，并進行比較研究，4種情境下的人口和GDP的情況如圖2所示，除經(jīng)濟增長型的人口呈現(xiàn)上升趨勢外，其余3類模擬方案人口均為下降趨勢，基準方案下人口下降速度最快，而人口數(shù)量過低會限制GDP的增長，因此，需要采取措施減緩人口的下降速度。

4種情景方案模擬的GDP均呈現(xiàn)上升趨勢，除環(huán)境保護型之外的3種方案GDP的增長差距并不大，表明協(xié)調(diào)發(fā)展型方案在保護水環(huán)境的情況下，并不會限制GDP的增長。4種情景方案模擬的GDP均呈現(xiàn)上升趨勢，如圖3所示。

圖3 不同方案下水環(huán)境承載力變化對比

除了經(jīng)濟增長型方案的水環(huán)境承載力上升緩慢之外，其它三種方案的水環(huán)境承載力都有大幅度的提升。由于近年來當?shù)匾呀?jīng)制定實施了多項水環(huán)境保護政策方案，基準方案也呈現(xiàn)不斷上升趨勢，到2025年水環(huán)境承載力能夠達到0.630 4，但基準方案模擬中的人口下降過快。環(huán)境保護型在短期內(nèi)提升明顯，到2025年僅為0.598 1，預(yù)警狀態(tài)仍為中警。

經(jīng)濟增長型的水環(huán)境承載力提升最為緩慢，到2025年經(jīng)濟增長型的水環(huán)境承載力僅能達到0.327 9。與上述3種方案相比，協(xié)調(diào)發(fā)展型的優(yōu)勢明顯，水環(huán)境承載力優(yōu)于其它方案，至2025年可以達到0.666 0，且人口與經(jīng)濟更符合實際情況。

2.2 耦合協(xié)調(diào)度分析

2018年的水環(huán)境與經(jīng)濟社會的耦合協(xié)調(diào)度為0.082 4，處于極度失調(diào)的狀態(tài)。對不同指標進行調(diào)控之后，得到的岱海流域不同模擬方案下的水環(huán)境—經(jīng)濟社會耦合協(xié)調(diào)度，如圖4所示，各模擬方案均呈現(xiàn)上升狀態(tài)，經(jīng)濟增長型與環(huán)境保護型到2025年的耦合協(xié)調(diào)度僅為0.362 7和0.399 9，都仍處于失調(diào)的狀態(tài)。而協(xié)調(diào)發(fā)展型的耦合協(xié)調(diào)度到2025年提升至0.530 5，達到了勉強協(xié)調(diào)的類型，表明僅注重經(jīng)濟或環(huán)境的某一方面，難以達到協(xié)調(diào)的狀態(tài)，要認清經(jīng)濟增長與環(huán)境保護兩者同等重要的作用，在保證經(jīng)濟平穩(wěn)發(fā)展的前提下，不斷提升水環(huán)境質(zhì)量及兩系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)程度。

圖4 不同方案下耦合協(xié)調(diào)度變化對比

未來要制定一定的政策吸引人口遷移，將岱海流域的總?cè)丝跀?shù)維持在一定的水平，提高城鎮(zhèn)化水平，以保證經(jīng)濟的增長和社會的穩(wěn)定，可以適當增加對農(nóng)業(yè)和工業(yè)的投資，保證經(jīng)濟的持續(xù)增長。

在水資源利用方面，應(yīng)保證不從岱海中取水，維持其湖面面積，并增加生態(tài)補水量，爭取湖面面積正增長。水環(huán)境保護方面，目前岱海流域已無點源污染，主要污染源為農(nóng)村生活及農(nóng)業(yè)的面源污染，因此，在岱海流域內(nèi)建設(shè)管網(wǎng)和農(nóng)村污水處理廠，升級農(nóng)村污水處理設(shè)施是非常有必要的。應(yīng)積極學習采取新工藝新技術(shù)實現(xiàn)污染物減排。

3 結(jié)語

本研究結(jié)合AHP-熵權(quán)法、系統(tǒng)動力學模型、耦合協(xié)調(diào)模型，對岱海流域水環(huán)境承載力進行了綜合模擬和評價，主要得到的結(jié)論如下：

2018年的水環(huán)境承載力指數(shù)為0.183 0，為超載紅色預(yù)警狀態(tài)，耦合協(xié)調(diào)度指數(shù)為0.082 4，屬于極度失調(diào)的類型，結(jié)果表明岱海流域的水環(huán)境問題亟待解決。

由于目前已經(jīng)采取諸多措施來改善流域環(huán)境，由模擬結(jié)果表明，保持目前的發(fā)展趨勢，水環(huán)境承載力也會逐漸轉(zhuǎn)好，但基準方案的人口總數(shù)減少過大，與實際情況可能出現(xiàn)不匹配的情況，人口數(shù)量過少極大概率會影響社會經(jīng)濟的穩(wěn)步增長，因此，并不是最適宜的發(fā)展道路。

如若只強調(diào)經(jīng)濟增長，水環(huán)境承載力和耦合協(xié)調(diào)度的數(shù)值到2025年都為方案中的最低值。環(huán)境保護型也能較好地改善水環(huán)境承載力，但過度注重環(huán)境保護會限制經(jīng)濟的增長，協(xié)調(diào)度也會受到影響。相比之下協(xié)調(diào)發(fā)展型各方面的指標均為最優(yōu)，因此，正確認識經(jīng)濟社會與水環(huán)境保護之間的關(guān)系，才是適合岱海流域水生態(tài)環(huán)境的最佳方案。