基于向量模法的陜南地區(qū)水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)

來雪慧,王小文,徐杰峰,周媛麗

(西北大學(xué)環(huán)境科學(xué)系,陜西西安710127)

隨著人類開發(fā)利用和改造自然能力的不斷增強(qiáng),人類從自然界獲取的資源越來越多,排放的污染物也隨之增加,導(dǎo)致水環(huán)境質(zhì)量日益惡化,對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約作用越發(fā)明顯。研究水環(huán)境承載力,就是在保障水環(huán)境系統(tǒng)功能可持續(xù)正常發(fā)揮作用的前提下,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

陜南地區(qū)位于陜西省南部,包括漢中、安康、商洛3個(gè)地市,總面積7.00×104km2,約占陜西省土地面積的34.2%;區(qū)內(nèi)水資源總量為3.15×1010m3,占全省水資源總量4.45×1010m3的70.7%。隨著國(guó)家南水北調(diào)中線工程及陜西省南水北調(diào)工程的實(shí)施,陜南地區(qū)成為國(guó)家南水北調(diào)中線工程及陜西省南水北調(diào)工程的主產(chǎn)水區(qū),是國(guó)家水資源的主要輸出區(qū)之一。根據(jù)《陜南地區(qū)城鎮(zhèn)體系協(xié)調(diào)發(fā)展規(guī)劃》,到2020年,陜南地區(qū)城鎮(zhèn)人口將達(dá)到417萬人,城鎮(zhèn)化水平達(dá)到43%。城鎮(zhèn)發(fā)展,人口集聚以及生活水平的提高,勢(shì)必導(dǎo)致對(duì)陜南地區(qū)水資源需求的快速增加,使水資源供需矛盾將更加突出。因此,水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)研究,對(duì)于保障陜西及國(guó)家經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與水環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展目標(biāo)的實(shí)施具有重要意義。

環(huán)境承載力是環(huán)境系統(tǒng)功能的外在表現(xiàn),是描述環(huán)境狀態(tài)的重要參量之一[1]。水環(huán)境承載力指某一地區(qū),某一時(shí)間,某種狀態(tài)下水環(huán)境對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活需求的支持能力。也就是說,水環(huán)境承載力因經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速度和規(guī)模不同而不同。目前,學(xué)術(shù)界關(guān)于水環(huán)境承載力的概念尚未達(dá)成共識(shí)[2-4]。

水環(huán)境承載力強(qiáng)調(diào)的是水環(huán)境對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的支撐程度和給予能力。其本質(zhì)是水環(huán)境系統(tǒng)與外界物質(zhì)輸送輸入、能量交換、信息反饋的能力和自我調(diào)節(jié)能力的表現(xiàn),它體現(xiàn)了水環(huán)境與人和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展活動(dòng)之間的聯(lián)系。

本研究認(rèn)為水環(huán)境承載力為在某一時(shí)期,某種狀態(tài)下,區(qū)域水環(huán)境在自我維持和自我調(diào)節(jié)的能力和功能正常發(fā)揮的前提下,能夠支撐經(jīng)濟(jì)及社會(huì)發(fā)展的最大規(guī)模。

1 水環(huán)境承載力的向量模法評(píng)價(jià)

1.1 研究方法

水環(huán)境承載力的量化方法主要有綜合指標(biāo)體系評(píng)價(jià)法、多目標(biāo)模型分析法和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法等。

綜合指標(biāo)體系評(píng)價(jià)方法是一種采用統(tǒng)計(jì)的方法,選擇單項(xiàng)或多項(xiàng)指標(biāo),反映地區(qū)水環(huán)境承載力現(xiàn)狀和閾值的方法,主要有模糊綜合評(píng)價(jià)法和向量模法等[5-9]。

1.2 向量模法

向量模法數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)堅(jiān)實(shí),人為因素小,原理、形式和運(yùn)算較簡(jiǎn)單。實(shí)踐表明,該方法的評(píng)價(jià)結(jié)果較其他方法更為客觀合理[10]。因此,向量模法逐漸被廣泛應(yīng)用。本研究即采用向量模法對(duì)陜南地區(qū)水環(huán)境的承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)。它常用于橫向(不同地區(qū)同一時(shí)間)和縱向(同一地區(qū)不同時(shí)間)的水環(huán)境承載能力狀況綜合比較[11]。將水環(huán)境承載能力視為1個(gè)由n個(gè)指標(biāo)構(gòu)成的向量,對(duì)m個(gè)水平的n個(gè)指標(biāo)進(jìn)行歸一化,則歸一化后的向量模作為評(píng)定水環(huán)境承載能力大小的依據(jù)。

假設(shè)有m個(gè)不同的水平年,設(shè)m個(gè)評(píng)價(jià)值為Ej(j=1,2,…,m),再設(shè)每個(gè)評(píng)價(jià)值Ej包括n個(gè)具體指標(biāo)確定的分量,每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重為wi(i=1,2,…,n),即有Ej=(E1j,E2j,…,Enj)。這樣,第j個(gè)水體承載力的大小可用歸一化后的矢量的模表示,即

1.3 指標(biāo)體系的構(gòu)建

根據(jù)數(shù)據(jù)獲取途徑簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)等原則,結(jié)合陜南地區(qū)的實(shí)際情況,選定以下指標(biāo)(表1):水資源總量/用水總量、人均GDP、萬元GDP綜合耗水量、工業(yè)萬元增加值廢水排放量、工業(yè)萬元增加值COD排放量、工業(yè)用水重復(fù)利用率和人均日常生活用水量。

表1 陜南地區(qū)水環(huán)境承載力指標(biāo)體系

1.4 權(quán)重的確定

指標(biāo)權(quán)重的確定選用層次分析法,按照選取的指標(biāo),得到正負(fù)反陣(標(biāo)度aij的取值方法依據(jù)見表2):

表2 標(biāo)度aij的取值方法依據(jù)及定義

按求向量迭代序列方法計(jì)算權(quán)重,e0=(1/n,1/n,…,1/n)T,e'k=Aek-1,|e'k|為Aek-1的n個(gè)分量之和,ek=ek/|ek|,k=1,2,…。數(shù)列ek是收斂的,記其極限為e,且記e=(a1,a2,…,an)。取權(quán)重系數(shù)wi=ai,經(jīng)計(jì)算,得出矩陣的特征向量為8.662 9,其具體權(quán)重見表3。

表3 系統(tǒng)指標(biāo)的權(quán)重

2 評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

2.1 水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)值

針對(duì)2000—2007年陜南地區(qū)的水環(huán)境承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)所確定的指標(biāo)體系,該區(qū)水環(huán)境承載力各指標(biāo)值見表4。

表4 2000—2007年陜南地區(qū)水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)值

從表4可以看出,水資源總量與用水總量的比值、萬元GDP綜合耗水量、工業(yè)萬元增加值廢水排放量和工業(yè)萬元增加值COD排放量逐漸減少,人均GDP、工業(yè)用水重復(fù)利用率和污水處理率逐漸增加。

2.2 指標(biāo)的歸一化

表5 2000—2007年陜南地區(qū)水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)歸一化值

2.3 水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)值計(jì)算

根據(jù)上述計(jì)算公式(1),由各指標(biāo)的評(píng)價(jià)指標(biāo)值和其權(quán)重計(jì)算,2000—2007年陜南地區(qū)水環(huán)境承載力結(jié)果如表6。

表6 2000—2007年陜南地區(qū)水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)值計(jì)算

研究結(jié)果表明,2000—2007年陜南地區(qū)的水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)值變化范圍為0.042～0.074。并根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重可以看出,引起陜南地區(qū)水環(huán)境承載力波動(dòng)的主要因素是水資源總量與用水總量的比值、工業(yè)萬元增加值、COD排放量、工業(yè)用水重復(fù)利用率和人均生活用水量的變化。

根據(jù)表 6中的評(píng)價(jià)值計(jì)算結(jié)果,可以繪制出2000—2007年陜南地區(qū)水環(huán)境承載力的變化趨勢(shì)圖(圖略)。

陜南地區(qū)的水環(huán)境承載力在2000—2004年以下降趨勢(shì)為主,到2004年后逐步增加。主要是由于隨著人均GDP的增長(zhǎng),工業(yè)用水量和污水排放量逐漸增加,而2004年之前的污水處理率為零;2005年后正影響因子人均GDP和工業(yè)用水重復(fù)利用率的逐年增長(zhǎng),污水處理率也有所增加,而萬元GDP綜合耗水量、工業(yè)萬元增加值廢水排放量和工業(yè)萬元增加值COD排放量負(fù)影響因子逐年下降。

陜南地區(qū)山地多盆地少,水資源地域分布不均。山區(qū)經(jīng)濟(jì)落后,人口耕地少,需水量小,水資源量較多;而漢中、安康、商洛等平川地帶工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá),需水量大,水資源量相對(duì)較少。因此,雖然陜南地區(qū)的水資源總量比較豐富,但由于時(shí)空分布不均,水資源供給對(duì)陜南地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展仍具有一定的制約。

綜上所述,陜南地區(qū)的水環(huán)境具有一定的承載力,但隨著該區(qū)經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,需水量逐漸增加,污染物排放量也在逐步增加,因此,應(yīng)提出不斷改善水環(huán)境承載力的措施,確保水環(huán)境的承載能力。

3 對(duì)策與建議

3.1 加強(qiáng)區(qū)域水源涵養(yǎng)與水源地保護(hù)

特定地區(qū)水資源承載力的大小由其自然水體容量及人類活動(dòng)影響兩方面的因素所決定,評(píng)價(jià)結(jié)果表明水資源總量與用水總量的比值是引起陜南地區(qū)水環(huán)境承載力波動(dòng)的主要因素之一,同時(shí)該區(qū)承擔(dān)著南水北調(diào)中線工程主水源地的重任,因而提高水源涵養(yǎng)區(qū)域內(nèi)漢江流域自然水體的水資源總量,對(duì)于區(qū)域水環(huán)境承載力的提高意義重大。因此,需積極實(shí)施天然林搶救性保護(hù),退耕還林還草以及封山、封灘,育林育草等措施,有效控制林草退化,提高蓄水保土功能,與此同時(shí)積極加強(qiáng)水源地保護(hù),確保區(qū)域水資源總量及水源地的生態(tài)安全。

3.2 調(diào)整產(chǎn)業(yè)布局

產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不僅對(duì)水資源的需求提出更高的要求,且其污水排放亦是導(dǎo)致水資源承載力降低的重要因素。因此,建議針對(duì)陜南豐富的農(nóng)業(yè)與生物、礦產(chǎn)、水能、旅游資源等實(shí)際情況,調(diào)整產(chǎn)業(yè)布局,把資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)相結(jié)合,突出“綠色、集約、可持續(xù)”的發(fā)展要求,著力構(gòu)建以農(nóng)副林為特色,中藥、旅游和水產(chǎn)業(yè)為主的綠色產(chǎn)業(yè)體系。在產(chǎn)業(yè)布局上,按照“兩帶、兩區(qū)”布局現(xiàn)代綠色農(nóng)業(yè)。漢江沿岸帶和丹江沿岸帶,以大米、小麥等糧油作物種植為主,擴(kuò)大生豬、蔬菜、水果等種養(yǎng)規(guī)模,積極發(fā)展農(nóng)產(chǎn)品精深加工;淺山丘陵區(qū),以建設(shè)綠色種養(yǎng)基地為主,適當(dāng)增加綠色產(chǎn)業(yè)種植面積和初加工比重,把該區(qū)域建設(shè)成為陜南種養(yǎng)集中分布區(qū);中高山區(qū),重點(diǎn)加強(qiáng)生態(tài)林區(qū)、動(dòng)植物保護(hù)區(qū),為旅游觀光、科學(xué)考察等提供良好的自然生態(tài)基礎(chǔ)。

3.3 加快污水處理設(shè)施建設(shè)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,近年來陜南地區(qū)河道廢、污水排放量不斷增加,評(píng)價(jià)結(jié)果中2004年的污水處理率僅為6.7%,導(dǎo)致大量未經(jīng)處理或有效處理的廢、污水直接排入河道,使部分河道水體受到污染。近年來污水處理率逐漸增加,2007年達(dá)到69.2%,且陜南地區(qū)地表水總體污染程度較輕,但濂水河、冷水河、八渡河以及漢江、嘉陵江、丹江部分河段污染也較為嚴(yán)重。因此,應(yīng)該逐步加強(qiáng)陜南地區(qū)水污染治理,加快污水處理廠建設(shè)步伐,加大城鎮(zhèn)生活污水及工業(yè)廢水的處理力度,確保各項(xiàng)用水安全,減少廢水和COD等負(fù)影響因子的排放量,使水環(huán)境承載力得以提高。

3.4 加強(qiáng)小型水利工程建設(shè)

根據(jù)《陜南地區(qū)城鎮(zhèn)體系協(xié)調(diào)發(fā)展規(guī)劃》需水量預(yù)測(cè),陜南地區(qū) 2010年的需水量為3.26×109m3,而現(xiàn)有設(shè)施供水量為2.38×109m3,缺水8.82×108m3。同時(shí)陜南平川地帶需水量大,水資源量相對(duì)較少,蓄水工程設(shè)施較少,水資源調(diào)控能力較低,難以滿足工農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要。按照新時(shí)期的治水思路,要強(qiáng)化各項(xiàng)措施,把開源節(jié)流、防汛抗旱有機(jī)結(jié)合起來,新建或續(xù)建一批水利工程,增加工程蓄水能力。根據(jù)陜南地區(qū)的地形、現(xiàn)有及規(guī)劃水利工程布局,建議在低山丘陵區(qū)大力發(fā)展水塘水窖等集雨設(shè)施以及小型蓄、引、提等工程設(shè)施,通過工程設(shè)施引水、提水、輸水功能的實(shí)現(xiàn),提高水環(huán)境承載力,補(bǔ)充骨干水源工程供水量的不足,保障陜南地區(qū)各項(xiàng)用水需求。

3.5 建立水資源補(bǔ)償機(jī)制

建立水資源補(bǔ)償機(jī)制,一方面實(shí)行排污收費(fèi)或者征收污染稅,即向環(huán)境排放污染物的單位或個(gè)人按照其排放污染物的種類、數(shù)量或者濃度而向國(guó)家交納一定費(fèi)用,以用于治理因污染對(duì)環(huán)境造成的危害,從而有力地促進(jìn)我國(guó)水資源保護(hù)工作的開展;一方面南水北調(diào)工程是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,考慮到陜南地區(qū)為全國(guó)及陜西省社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)的現(xiàn)實(shí),建議省相關(guān)部門盡快建立陜南地區(qū)南水北調(diào)生態(tài)環(huán)境研究機(jī)構(gòu)及南水北調(diào)水資源補(bǔ)償研究機(jī)構(gòu),進(jìn)行生態(tài)環(huán)境及水資源補(bǔ)償機(jī)制的研究,為陜南地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)幦∫粋€(gè)客觀、公正的發(fā)展環(huán)境。

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