邛海流域水環(huán)境承載力分析與調(diào)控對策

李 新， 石建屏， 單倩倩， 羅 珊， 史 科

(1. 綿陽師范學(xué)院資源環(huán)境工程學(xué)院，四川綿陽621000；2.綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系，四川綿陽621000)

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

邛海是長江上游四川省境內(nèi)第二大高原天然淡水湖，屬近郊型半封閉型湖泊，是西昌衛(wèi)星發(fā)射基地、城區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及居民生活飲用水的水源地，也是國家級風(fēng)景名勝區(qū)和最大的城市濕地公園。流域水體具有市政供水、工農(nóng)業(yè)用水、水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游景觀、氣候調(diào)節(jié)等多種功能，是長江上游重要的生態(tài)屏障和水源涵養(yǎng)地。近年來，城市規(guī)模的急劇擴(kuò)張、旅游業(yè)的快速發(fā)展，給生態(tài)環(huán)境帶來了巨大壓力，面臨著水環(huán)境污染與水資源短缺的雙重問題。部分學(xué)者運(yùn)用相關(guān)分析、指數(shù)評價(jià)等方法研究邛海湖泊水體污染和富營養(yǎng)化問題，表明流域內(nèi)水環(huán)境承載力存在嚴(yán)重不足[3-9]。筆者選擇邛海流域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的水環(huán)境承載力作為內(nèi)容，構(gòu)建水環(huán)境承載力指標(biāo)體系及計(jì)算模型，并應(yīng)用層次分析(AHP)法與指數(shù)評價(jià)法，測算2013—2017年流域水環(huán)境承載力，提出水環(huán)境保護(hù)和水資源利用的調(diào)控對策，以期為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和水資源可持續(xù)利用提供科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

邛海位于四川省涼山彝族自治州的西昌市境內(nèi)，地理位置在東經(jīng)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(qū)，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(fā)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(jīng)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(zhèn)化率為58.92%；國民生產(chǎn)總值(GDP)為481億元，第三產(chǎn)業(yè)占51.67%，全年旅游總收入達(dá)205億元。邛海入湖河流鵝掌河、小青河監(jiān)測斷面水質(zhì)均達(dá)到Ⅱ類，官壩河符合Ⅲ類水質(zhì)；邛海湖為Ⅱ類地表水、中等營養(yǎng)，生活飲用水水源達(dá)標(biāo)率為100%。邛海出湖河流海河上游水質(zhì)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(xué)需氧量(CODMn)。城鎮(zhèn)化率呈現(xiàn)逐漸上升趨勢，農(nóng)業(yè)人口仍占較大比重；GDP呈上升趨勢，旅游收入占近一半，林業(yè)用地和農(nóng)業(yè)耕地面積無明顯變化，旅游業(yè)是社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的推動力。

1.2 水環(huán)境承載力指標(biāo)體系

水環(huán)境承載力指標(biāo)體系由水質(zhì)量和水資源2個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，見圖2。水質(zhì)量承載力(water quality carrying capacity，WQCC)指水體不發(fā)生富營養(yǎng)化和滿足水質(zhì)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(yīng)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和滿足生態(tài)環(huán)境需水條件下的承載能力。水質(zhì)量子系統(tǒng)包含富營養(yǎng)化指標(biāo)(TN、TP)、化學(xué)污染指標(biāo)(CODMn)，水資源子系統(tǒng)包含社會指標(biāo)(人口)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)(灌溉面積和GDP)。水環(huán)境承載力系統(tǒng)分3個(gè)層次：目標(biāo)層(A)有1個(gè)元素，領(lǐng)域?qū)?B)有2個(gè)元素，指標(biāo)層(C)有6個(gè)元素[14-15]。

圖2 水環(huán)境承載力指標(biāo)體系Fig.2 Index system of water environment carrying capacity

1.3 水環(huán)境承載力計(jì)算模型

水質(zhì)量、水資源指標(biāo)層中各單項(xiàng)壓力指數(shù)：

(1)

式中：Pi為第i個(gè)指標(biāo)的壓力指數(shù)，i為CODMn、TN、TP、人口、灌溉面積、GDP等指標(biāo)；Ci為第i指標(biāo)的監(jiān)測值；Cmax,i為第i個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)限值。

水質(zhì)量、水資源承載力和水環(huán)境承載力計(jì)算公式為：

(2)

(3)

WECC=WRCC·wL+WQCC·wZ

(4)

式中：wi為第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重；wZ、wL為分別為水質(zhì)量、水資源承載力的權(quán)重。

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

1.4 層次分析法確定權(quán)重

1.4.1 構(gòu)造判斷矩陣

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

1.4.2 權(quán)重系數(shù)計(jì)算

采用歸一化方法計(jì)算各判斷矩陣的特征向量矩陣，系統(tǒng)各層次的指標(biāo)權(quán)重系數(shù)見表1。

表1 水環(huán)境承載力指標(biāo)體系權(quán)重系數(shù)Tab.1 Weights of the indexes of WECC

1.4.3 一致性檢驗(yàn)

計(jì)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(quán)重分配合理。

1.5 數(shù)據(jù)來源

2013—2017年西昌市邛海流域社會經(jīng)濟(jì)、地表水質(zhì)量數(shù)據(jù)來源于《涼山州環(huán)境質(zhì)量狀況公告》、《西昌市國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》；按3.2×108m3平均蓄水量計(jì)算；采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中Ⅱ類水質(zhì)限值，即CODMn為4 mg/L，TN 為0.5 mg/L，TP為0.025 mg/L；社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)采用《全國生態(tài)示范區(qū)建設(shè)試點(diǎn)考核驗(yàn)收指標(biāo)》中Ⅰ類用水量標(biāo)準(zhǔn)，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(jié)果與分析

根據(jù)式(1)計(jì)算2013—2017年邛海流域水環(huán)境系統(tǒng)中水資源、水質(zhì)量承載的壓力指數(shù)，如圖3和圖4所示。由公式(2)～(4)和表2，計(jì)算2013—2017年水資源、水質(zhì)量和水環(huán)境承載力，如圖5所示。

2.1 水資源承載力動態(tài)特征

由圖3可知，每年灌溉面積的壓力指數(shù)均小于1，說明流域內(nèi)農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)用水量未超出流域水資源承載能力。人口的壓力指數(shù)逐年增長，2015年開始大于1，常住人口總量超過生態(tài)環(huán)境承載能力。GDP的壓力指數(shù)從2013年的2.33快速增長到2017年的3.01，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)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(jīng)濟(jì)增長和社會發(fā)展的長期制約因素。

2.2 水質(zhì)量承載力動態(tài)特征

由圖4可知，TP的壓力指數(shù)呈波動式增長，從2.00增長到3.20，2015年達(dá)到最高值3.60，說明流域內(nèi)TP濃度較高是邛海湖富營養(yǎng)化的潛在影響因素。TN的壓力指數(shù)數(shù)逐年增長，從2013年的1.98增長到2017年的2.84，其對水質(zhì)量的影響程度僅次于TP。CODMn壓力指數(shù)在0.59～0.55之間呈小幅度下降趨勢，有機(jī)污染指標(biāo)與富營養(yǎng)化指標(biāo)相比對水質(zhì)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(shù)Fig.3 Pressure index of WRCC in Qionghai basin from 2013 to 2017

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

2.3 水環(huán)境承載力動態(tài)特征

由圖5可知，水環(huán)境承載力全部大于1，由1.58增長到2.19。水質(zhì)量與水環(huán)境承載力變化規(guī)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(nèi)人口承載超標(biāo)，經(jīng)濟(jì)壓力增長顯著，富營養(yǎng)化指標(biāo)TP、TN壓力高且波動大。相對而言，水質(zhì)量對水環(huán)境承載力的影響程度比水資源更大。控制流域含磷、含氮污染物質(zhì)的排放，防止湖水出現(xiàn)富營養(yǎng)化是長期而艱巨的任務(wù)。

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

3 討論

3.1 水環(huán)境調(diào)控對策

隨著邛海流域人口不斷增加，城鎮(zhèn)化率提高，居民生活用水量持續(xù)增長。近年來，西昌市經(jīng)濟(jì)得到了快速增長，2017年第三產(chǎn)業(yè)GDP超越第二產(chǎn)業(yè)，旅游成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。經(jīng)濟(jì)增長造成的水資源短缺問題，是制約社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。環(huán)湖農(nóng)業(yè)排水、生活污水、工業(yè)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(nóng)業(yè)種植、養(yǎng)殖業(yè)以及旅游業(yè)產(chǎn)生的磷和氮營養(yǎng)物質(zhì)，是導(dǎo)致湖泊富營養(yǎng)化的潛在風(fēng)險(xiǎn)問題。2017年入湖主要河流鵝掌河、小青河、官壩河監(jiān)測斷面水質(zhì)控制為Ⅲ類地表水標(biāo)準(zhǔn)，與邛海湖水域Ⅱ類地表水要求相差1個(gè)等級，增大了流域內(nèi)水環(huán)境質(zhì)量壓力。

按照Ⅱ類地表水功能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)和Ⅰ類生態(tài)示范區(qū)建設(shè)考核指標(biāo)，理論測算邛海流域內(nèi)人口最大承載力為75.1萬人，經(jīng)濟(jì)最大規(guī)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?qū)嶋H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(biāo)倍數(shù)排序?yàn)門P(3.20)>GDP(3.01)>TN(2.84)>人口(1.04)，流域水質(zhì)量對水環(huán)境承載力的影響作用大于水資源。

依據(jù)研究制定區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃和生態(tài)文明城市建設(shè)中的水環(huán)境保護(hù)管理、水資源開發(fā)利用的對策，首先嚴(yán)格控制入湖河流沿岸農(nóng)業(yè)種植和養(yǎng)殖產(chǎn)生的面污染，減少排入河流和湖泊的TP、TN總量；二是繼續(xù)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，積極發(fā)展旅游產(chǎn)業(yè)；三是適度控制人口規(guī)模，穩(wěn)步推動城鎮(zhèn)化進(jìn)程。

3.2 水環(huán)境調(diào)控措施

邛海流域的濕地是國家生態(tài)旅游示范區(qū)，為了進(jìn)一步加強(qiáng)邛海流域水資源管理，更好地保護(hù)好飲用水源地，提高水環(huán)境承載力，保障生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)和社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，建議采取如下主要措施。

① 優(yōu)化配置，科學(xué)調(diào)度，合理利用水資源；轉(zhuǎn)變邛海流域內(nèi)水資源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，發(fā)展生態(tài)綠色農(nóng)業(yè)，鼓勵(lì)工業(yè)循環(huán)用水，倡導(dǎo)居民節(jié)約用水。開展邛海流域生態(tài)修復(fù)工程，恢復(fù)入湖河口濕地、保護(hù)湖周天然林，形成湖泊生態(tài)安全屏障。

② 實(shí)施邛海入湖河流治理工程，建設(shè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，科學(xué)管理入湖河流排污口，實(shí)施污水排放總量控制，強(qiáng)化環(huán)境督查和執(zhí)法力度，保障飲用水源安全，逐步實(shí)現(xiàn)入湖河流監(jiān)測斷面水質(zhì)滿足Ⅱ類地表水標(biāo)準(zhǔn)。

③ 調(diào)整邛海湖周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)和綠色農(nóng)業(yè)。削減農(nóng)業(yè)化肥施用總量，防治農(nóng)村人畜糞便污染，建設(shè)生活污水處理設(shè)施，完善排水管網(wǎng)工程，實(shí)現(xiàn)農(nóng)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(jié)論

① 邛海流域水資源承載能力超過載荷，GDP呈現(xiàn)出超標(biāo)承載，壓力指數(shù)由2.33增長至3.01，經(jīng)濟(jì)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(shù)逐年增長，2015年出現(xiàn)水資源承載超標(biāo)；灌溉面積的壓力指數(shù)每年小于1，在水資源承載能力范圍內(nèi)。流域內(nèi)人口承載量為75.1萬人，經(jīng)濟(jì)規(guī)模(GDP)理論值為160億元，西昌市社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展重點(diǎn)為調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化發(fā)展模式，積極發(fā)展對水資源依賴性比較小的旅游業(yè)，同時(shí)在城鎮(zhèn)化進(jìn)程中適度控制常住人口總量。

② 邛海流域水質(zhì)量承載能力超過載荷，TP、TN均呈超載狀態(tài)，TP壓力指數(shù)表現(xiàn)為高負(fù)載下波動式增長，由2.00增長到3.20，2015年達(dá)到最高3.60；TN壓力指數(shù)數(shù)逐年增長，對水質(zhì)量的影響程度低于TP，水體TP、TN濃度較高是湖富營養(yǎng)化的潛在影響因素。有機(jī)污染指標(biāo)CODMn壓力指數(shù)在0.59～0.55呈小幅度下降趨勢。邛海湖TP水環(huán)境容量為8 t，TN水環(huán)境容量為160 t。應(yīng)嚴(yán)格管控邛海湖周邊入湖河流水質(zhì)，實(shí)施截污治污工程，建設(shè)生活污水處理廠，發(fā)展綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)，保障入湖河流水質(zhì)達(dá)到Ⅱ類地表水標(biāo)準(zhǔn)。

③ 邛海流域水環(huán)境承載力均超過1，并呈現(xiàn)出逐年上升趨勢；人口承載超標(biāo)，經(jīng)濟(jì)壓力顯著增長，富營養(yǎng)化指標(biāo)TN、TP呈現(xiàn)高負(fù)荷波動狀態(tài)。結(jié)果表明邛海流域水質(zhì)量對水環(huán)境總承載力的影響作用比水資源更大，是制約社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要因素。建議采取嚴(yán)格控制流域上游及環(huán)湖周邊污染源排污總量的措施，支持積極發(fā)展旅游業(yè)和生態(tài)農(nóng)業(yè)作為經(jīng)濟(jì)增長的持續(xù)動力，為生態(tài)文明城市和國際休閑旅游地的建設(shè)奠定良好的基礎(chǔ)。