楊東明, 盧韻竹, 王富強,3, 侯新麗
(1.華北水利水電大學,河南 鄭州 450046; 2.西安理工大學,陜西 西安 710048;3.河南省水環(huán)境模擬與治理重點實驗室,河南 鄭州 450046)
1987年,可持續(xù)發(fā)展的理念被推上學術(shù)舞臺,資源環(huán)境與社會經(jīng)濟共生關(guān)系成為可持續(xù)發(fā)展的焦點。為了滿足當代人的生存發(fā)展和后代人的需求,人與社會、經(jīng)濟、資源環(huán)境必須相互協(xié)調(diào)、和諧發(fā)展[1]。在社會經(jīng)濟和資源環(huán)境的協(xié)調(diào)過程中,水環(huán)境承載力一詞也逐漸嶄露頭角。在社會經(jīng)濟發(fā)展和水環(huán)境變化的要求下,開展科學有效的水環(huán)境承載力評價成為社會發(fā)展的重要課題[2-3]。
關(guān)于資源環(huán)境承載力這一問題,國外學者早有研究,且多數(shù)發(fā)達國家在經(jīng)濟發(fā)展的同時已提前做好了水環(huán)境問題的應(yīng)對措施。因此,國外學者針對水環(huán)境這一問題研究較少[4-6],關(guān)注較多的是資源承載力的研究[7-9]。國內(nèi)學者對此相關(guān)研究始于1990年。關(guān)于水環(huán)境承載力的概念,目前可以分為狹義和廣義之說,根據(jù)對水環(huán)境自身功能和狀態(tài)與人口社會經(jīng)濟發(fā)展水平關(guān)注點的不同[10-11],狹義之說認為水環(huán)境承載力是指區(qū)域水體能夠接納的最大污染物排放量,而廣義之說則認為水環(huán)境承載力是指區(qū)域水體所能支撐人口與社會經(jīng)濟發(fā)展的最大規(guī)模。隨著對水環(huán)境重視程度的不斷提高,水環(huán)境承載力問題的研究也在不斷補充新的模型與方法,目前研究的焦點集中于如何能夠合理準確地進行量化評價并提供現(xiàn)實指導意義。崔鳳軍利用系統(tǒng)動力學模型對某城市發(fā)展策略做出了預測優(yōu)化判斷[12];王儉等利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析了遼寧省水環(huán)境承載力并得出承載力較弱的結(jié)論[13];賀瑞敏等采用集對分析模型對廣東省水環(huán)境承載力改善提出了建議[14];鄭毅等從廣義水環(huán)境承載力角度出發(fā),基于向量模法發(fā)現(xiàn)排污量是抑制南寧市水環(huán)境承載力提升的主要因素[15];萬炳彤等基于DPSIRM和SVR模型發(fā)現(xiàn)長江流域水環(huán)境承載力較之前有了較大提升[16]。
綜合來看,水環(huán)境承載力涉及社會經(jīng)濟、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)等各項系統(tǒng)。根據(jù)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展理論,結(jié)合水環(huán)境承載力所表征的實際含義,本文將水環(huán)境承載力概括為它是水量系統(tǒng)和水質(zhì)系統(tǒng)在社會經(jīng)濟載體上相互耦合作用的動態(tài)結(jié)果。水量系統(tǒng)中“量”的大小、使用方式及使用效率影響著“質(zhì)”;水質(zhì)系統(tǒng)影響著社會經(jīng)濟活動中“量”的分配、使用和排放限值。二者的耦合關(guān)系不僅存在于人類社會經(jīng)濟活動中,同時也存在于水體的自然循環(huán)過程中。因此,水量與水質(zhì)的耦合關(guān)系貫穿于二元水循環(huán)的整個過程[17]?;诖耍疚膶⑺肯到y(tǒng)與水質(zhì)系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)發(fā)展度作為水環(huán)境承載力評價的綜合指數(shù),并以鄭州市為評價單元,分析2009—2018年鄭州市水量系統(tǒng)和水質(zhì)系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展度與水環(huán)境承載力的變化特征及其影響因素。對比以往的計算方式,該評價方法可為水環(huán)境承載力評價提供新的思路。
從系統(tǒng)論和耦合協(xié)調(diào)發(fā)展理論的角度出發(fā),將水環(huán)境承載力系統(tǒng)劃分至水量和水質(zhì)兩個維度的子系統(tǒng)中[18]。水量維度即為水資源數(shù)量維度,表征區(qū)域在取用水資源進行社會經(jīng)濟及生活、農(nóng)業(yè)等各項活動中“量”的上限及使用效率。該維度受兩方面因素的限制:一是區(qū)域水資源稟賦條件以及水資源的循環(huán)能力和再生能力;二是區(qū)域人口及社會經(jīng)濟對水資源的開采強度及使用效率。水質(zhì)維度即為水資源質(zhì)量維度,它是一個區(qū)域或水體允許開發(fā)利用的水環(huán)境容量的上限,即允許排放的污染量閾值。它取決于區(qū)域或水體在特定的水循環(huán)狀態(tài)和水質(zhì)保護目標下的水自凈能力[19]。通過分析水量維度和水質(zhì)維度的系統(tǒng)要素和限制因素,構(gòu)建了水量維度和水質(zhì)維度的綜合指標體系,見表1,其中“+”表示該指標為正向發(fā)展類指標,“-”表示該指標為負向限制類指標。
表1 水環(huán)境承載力綜合評價指標體系
水量維度中,人均水資源量及產(chǎn)水模數(shù)反映了區(qū)域水資源稟賦條件,人均用水量、人均耗水量及萬元GDP用水量反映區(qū)域用水整體水平及效率,各產(chǎn)業(yè)萬元生產(chǎn)總值用水量反映了用水結(jié)構(gòu)及各行業(yè)用水效率;水質(zhì)維度中,水環(huán)境容量利用率反映了區(qū)域水環(huán)境容量壓力,各產(chǎn)業(yè)COD及氨氮排放指數(shù)反映了污染源結(jié)構(gòu)及各污染源對水環(huán)境產(chǎn)生的壓力,生態(tài)基流保證率反映了河湖生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[20-21]。由于目前沒有嚴謹而科學的方法確定水環(huán)境承載力指標的標準值,本文參照同類型區(qū)域已有的水環(huán)境承載力相關(guān)指標標準值,并結(jié)合該研究區(qū)域的社會經(jīng)濟實際發(fā)展狀況綜合確定各項指標標準值[22-23]。
為避免主觀賦權(quán)中的主觀認識偏差以及客觀賦權(quán)中數(shù)據(jù)信息不足對賦權(quán)結(jié)果的不利影響,采用層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)和熵權(quán)法組合賦權(quán)的方法對水環(huán)境承載力各項指標進行賦權(quán)[24-25]。
1.2.1 層次分析法賦權(quán)
1)同一層次各評價指標之間進行重要性比較和判斷,采用9位標度法衡量兩兩指標間的相對重要程度,劃分標準見表2。得出相對重要程度數(shù)值Ci∶Cj=aij,相應(yīng)的判斷矩陣為:
A=(aij)n×n,aij=1,2,…,9。
(1)
式中n為研究變量的個數(shù)。
2)運用行和法進行歸一化,得到權(quán)重,求出特征向量和最大特征值。
3)一致性判斷為:
CI=(λmax-n)/(n-1);
(2)
CR=CI/RI。
(3)
式中:λmax為最大特征根;RI為平均隨機一致性指標;CI為一致性指標;CR為一致性比例。當CR<0.1時,通過檢驗。
表2 9位標度法劃分標準
1.2.2 熵權(quán)法賦權(quán)
因不同量級和量綱指標無法直接進行組合運算,本文通過標準值法將數(shù)據(jù)進行標準化,參照表1中各項指標的標準值,正向指標與負向指標分別采用如下的式(4)和式(5)進行計算:
(4)
(5)
式中:Xij為第i項指標第j年的實際值;Si為指標標準值;X′ij為指標標準化值。
1)計算第i項指標熵值ei,
(6)
(7)
式中:qij為第i項指標在第j年中的比重;k=1/(lnm)。
2)計算第i項指標差異性系數(shù)di,
(8)
根據(jù)主、客觀權(quán)重計算結(jié)果,采用加法組合法計算組合權(quán)重,參考相關(guān)研究選取層次分析法和熵權(quán)法各占0.5的比例求解組合權(quán)重。
協(xié)調(diào)度測度是利用數(shù)理統(tǒng)計中變異系數(shù)和協(xié)調(diào)系數(shù)的概念和性質(zhì)求兩個子系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)關(guān)系的模型。根據(jù)協(xié)調(diào)度的定義,水量系統(tǒng)綜合指數(shù)L(x)與水質(zhì)系統(tǒng)綜合指數(shù)Z(x)的協(xié)調(diào)關(guān)系表現(xiàn)為兩者的離差。要使區(qū)域水量系統(tǒng)與水質(zhì)系統(tǒng)達到穩(wěn)定的協(xié)調(diào)關(guān)系,就要使L(x)與Z(x)的離差盡可能小,即Cv=2S/(L(x)+Z(x))越小,協(xié)調(diào)性越高,其中S為標準差。經(jīng)過推導可知,只需式(11)中C值越大即可,因此,將C值定義為協(xié)調(diào)度測度值。根據(jù)協(xié)調(diào)度C的計算結(jié)果,可將其分為表3所示的5類等級[26-27]。
(9)
(10)
(11)
式中:αi與βi分別為水量系統(tǒng)與水質(zhì)系統(tǒng)各指標權(quán)重;xi為各系統(tǒng)中指標的標準化值;L(x)為水量系統(tǒng)綜合指數(shù);Z(x)為水質(zhì)系統(tǒng)綜合指數(shù);C為水量系統(tǒng)與水質(zhì)系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)度。
表3 協(xié)調(diào)度等級分類
協(xié)調(diào)度雖然能夠表示水量系統(tǒng)與水質(zhì)系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)關(guān)系,但是較大的協(xié)調(diào)度可能是低水平的協(xié)調(diào)發(fā)展,也可能是高水平的協(xié)調(diào)發(fā)展,也就是說協(xié)調(diào)度無法反映出水量系統(tǒng)與水質(zhì)系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)的統(tǒng)一發(fā)展水平。協(xié)調(diào)發(fā)展度是在協(xié)調(diào)度的基礎(chǔ)上增加兩個綜合發(fā)展指數(shù)的子系統(tǒng),可通過指數(shù)關(guān)系分析水量系統(tǒng)與水質(zhì)系統(tǒng)的綜合演化過程[28]。因此,可采用協(xié)調(diào)發(fā)展度來對水量系統(tǒng)與水質(zhì)系統(tǒng)的整體發(fā)展水平進行度量。
W=aL(x)+bZ(x),
(12)
(13)
式中:W為水環(huán)境承載力綜合指數(shù);a、b為待定系數(shù);D為協(xié)調(diào)發(fā)展水平,即協(xié)調(diào)發(fā)展度。
根據(jù)水環(huán)境承載力和協(xié)調(diào)發(fā)展度計算所得的綜合指數(shù)值,可以將二者分別劃分為5個等級。另外,結(jié)合水量系統(tǒng)和水質(zhì)系統(tǒng)綜合指數(shù)的大小關(guān)系,可將計算結(jié)果進行歸類分析,以便在分析協(xié)調(diào)發(fā)展程度的同時,比較水量系統(tǒng)和水質(zhì)系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展的領(lǐng)先或滯后關(guān)系。水環(huán)境承載力等級、協(xié)調(diào)發(fā)展度等級和類型判別標準見表4。
表4 協(xié)調(diào)發(fā)展度與水環(huán)境承載力等級及類型判別標準
鄭州市是河南省政治、經(jīng)濟、文化中心,是我國重要的中心城市和交通樞紐。地處東經(jīng)112°42′~114°14′,北緯34°16′~34°58′,屬溫帶大陸性季風氣候,四季分明,夏季多雨,冬季少雨,降水量從南向北逐漸遞減,多年平均降雨量635.6 mm。地跨淮河、黃河兩大流域,大小河流共計124條。鄭州市按流域分為6個四級流域水資源區(qū)劃,包括淮河流域3個區(qū),黃河流域3個區(qū)。鄭州市多年平均水資源總量13.23億m3,多年人均水資源量178 m3,屬于嚴重缺水地區(qū)。2018年末全市總?cè)丝? 013.6萬人,其中城鎮(zhèn)人口743.8萬人,鄉(xiāng)村人口269.8萬人,全年完成生產(chǎn)總值10 143.3億元。
本文收集了鄭州市人口、GDP、水資源量、供水量、耗水量、污水排放量、各產(chǎn)業(yè)COD排放總量和氨氮排放總量等數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)來源于《鄭州市統(tǒng)計年鑒》《鄭州市環(huán)境質(zhì)量狀況公報》《鄭州市水資源公報》等。
根據(jù)收集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源,采用表1中各指標計算方法得出各指標數(shù)據(jù),結(jié)合各指標標準值,通過式(4)和式(5)計算得到各指標標準化值,見表5。根據(jù)AHP法采用式(1)—(3)計算各指標的AHP權(quán)重,再根據(jù)熵權(quán)法采用式(4)—(8)計算各指標的熵權(quán),采用加法組合法確定最終權(quán)重,結(jié)果見表6。
表5 2009—2018年鄭州市各指標標準化值
表6 指標權(quán)重計算結(jié)果
根據(jù)協(xié)調(diào)度測度模型采用式(9)—(11)計算水量系統(tǒng)與水質(zhì)系統(tǒng)綜合指數(shù)及二者的協(xié)調(diào)度,再根據(jù)協(xié)調(diào)發(fā)展度模型采用式(12)和式(13)計算水環(huán)境承載力綜合指數(shù)和協(xié)調(diào)發(fā)展度。根據(jù)各項指標計算結(jié)果,參照協(xié)調(diào)發(fā)展類型判別標準對各年份協(xié)調(diào)發(fā)展類型進行判斷,各項指標計算結(jié)果及判斷結(jié)果見表7和表8。水量系統(tǒng)與水質(zhì)系統(tǒng)綜合指數(shù)隨時間的變化關(guān)系如圖1所示,二者間協(xié)調(diào)度、協(xié)調(diào)發(fā)展度和水環(huán)境承載力綜合指數(shù)隨時間的變化關(guān)系如圖2所示。
根據(jù)表7、表8的計算結(jié)果及圖1、圖2中各指數(shù)變化關(guān)系可知:2009—2108年鄭州市水量系統(tǒng)與水質(zhì)系統(tǒng)綜合指數(shù)整體呈現(xiàn)逐年上升趨勢,水質(zhì)系統(tǒng)綜合指數(shù)在2016年超過了水量系統(tǒng),二者間的協(xié)調(diào)關(guān)系由2009年綜合指數(shù)為0.686的中度協(xié)調(diào)提升至2018年綜合指數(shù)為0.986的良好協(xié)調(diào);水量系統(tǒng)與水質(zhì)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展度呈現(xiàn)了先波動后穩(wěn)定上升的變化趨勢,由2009年綜合指數(shù)為0.462的勉強協(xié)調(diào)發(fā)展水質(zhì)系統(tǒng)滯后型提升至2018年綜合指數(shù)為0.876的良好協(xié)調(diào)發(fā)展水量系統(tǒng)滯后型;鄭州市水環(huán)境承載力水平基本處于穩(wěn)步升高狀態(tài),由2009年綜合指數(shù)為0.311的輕度超載狀態(tài)提升至2018年綜合指數(shù)為0.778的承載適宜狀態(tài);協(xié)調(diào)發(fā)展度綜合指數(shù)略高于水環(huán)境承載力綜合指數(shù),且二者變化趨勢相似,當水量系統(tǒng)與水質(zhì)系統(tǒng)為勉強協(xié)調(diào)發(fā)展時,水環(huán)境承載力處于輕度超載狀態(tài);當水量系統(tǒng)與水質(zhì)系統(tǒng)為中度協(xié)調(diào)發(fā)展時,水環(huán)境承載力處于瀕臨超載狀態(tài);當水量系統(tǒng)與水質(zhì)系統(tǒng)處于良好協(xié)調(diào)發(fā)展狀態(tài)時,水環(huán)境承載力處于承載適宜狀態(tài)。
表7 協(xié)調(diào)度與水環(huán)境承載力計算結(jié)果
表8 水環(huán)境承載力承載等級及協(xié)調(diào)發(fā)展類型判別
圖1 2009—2018年鄭州市水量系統(tǒng)和水質(zhì)系統(tǒng)綜合指數(shù)
圖2 2009—2018年鄭州市水量系統(tǒng)和水質(zhì)系統(tǒng)協(xié)調(diào)度、協(xié)調(diào)發(fā)展度及水環(huán)境承載力
從鄭州市現(xiàn)狀來看,水量系統(tǒng)綜合指數(shù)呈穩(wěn)步增長的趨勢,與鄭州市加大各產(chǎn)業(yè)用水量和用水效率的管控密不可分。從評價指標來看,萬元GDP用水量、萬元工業(yè)生產(chǎn)總值用水量、人均耗水量和萬元第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值用水量是水量系統(tǒng)綜合指數(shù)逐漸提升的主要影響因素。
2011年,鄭州市水質(zhì)系統(tǒng)綜合指數(shù)出現(xiàn)近10年來的最低值,主要原因是各產(chǎn)業(yè)COD和氨氮這兩項污染物排放總量達到近10年來的最大值。2015年以后,水質(zhì)系統(tǒng)綜合指數(shù)出現(xiàn)了斷層式升高,從鄭州市規(guī)劃及相關(guān)政策來看,鄭州市在2014—2016年期間水生態(tài)文明城市建設(shè)和最嚴格水資源管理制度實施對水質(zhì)系統(tǒng)綜合指數(shù)的大幅度提升起到了關(guān)鍵作用。另外,自2015年南水北調(diào)中線通水并且鄭州市獲得5.4億m3/a的引水指標,使得鄭州市多項用水更換為南水北調(diào)水之后,其他水源對生態(tài)用水的補給更加充分,生態(tài)基流保證率得以提升,這也是水質(zhì)系統(tǒng)綜合指數(shù)提升的關(guān)鍵因素之一。從評價指標來看,水質(zhì)系統(tǒng)綜合指數(shù)的提升主要是受工業(yè)COD排放指數(shù)、農(nóng)業(yè)COD排放指數(shù)和農(nóng)業(yè)氨氮排放指數(shù)的影響。
鄭州市水環(huán)境承載力水平近10年逐漸升高。2016—2018年水量系統(tǒng)與水質(zhì)系統(tǒng)綜合指數(shù)的離差逐漸縮小并達到了良好協(xié)調(diào)狀態(tài),水環(huán)境承載力水平由輕度超載狀態(tài)過渡到承載適宜狀態(tài);但仍存在提升空間,需結(jié)合鄭州市水資源、水環(huán)境現(xiàn)狀做好水量維度和水質(zhì)維度同步穩(wěn)定提升的相關(guān)工作。一方面,要繼續(xù)強化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,著力解決高耗水、低產(chǎn)值及高污染行業(yè)對水量系統(tǒng)和水質(zhì)系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力;另一方面,要加大污水處理配套設(shè)施建設(shè),減少河道污染源的同時為城市提供更多中水水源,應(yīng)繼續(xù)推進賈魯河、雙洎河和丈八溝等河流的生態(tài)治理;此外,應(yīng)在充分利用引黃水與南水北調(diào)中線工程外調(diào)水源的基礎(chǔ)上加大中水回用力度,合理配置各項水資源,在提升水資源利用效率的同時降低水環(huán)境壓力,以此同步提升水量系統(tǒng)與水質(zhì)系統(tǒng)的綜合指數(shù)。
2011年鄭州市水量系統(tǒng)與水質(zhì)系統(tǒng)處于良好協(xié)調(diào)狀態(tài),但協(xié)調(diào)發(fā)展度仍處于勉強協(xié)調(diào)發(fā)展狀態(tài),由此也驗證了模型中子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)程度C不能表現(xiàn)整體的發(fā)展水平D的說法。從水量系統(tǒng)與水質(zhì)系統(tǒng)的綜合指數(shù)對比結(jié)果可以看出,社會經(jīng)濟對于“質(zhì)”的關(guān)注遠滯后于對“量”的關(guān)注,以致在2009—2015年水質(zhì)系統(tǒng)與水量系統(tǒng)綜合指數(shù)之間一直存在較大差距,但通過一系列措施的實施和政策的落實,“質(zhì)”的綜合指數(shù)可以快速提高甚至超過“量”的,而在此過程中水環(huán)境承載力也處于快速升高的狀態(tài)。由此可見,人類社會與水環(huán)境之間可以達到和諧共處的狀態(tài)。由水環(huán)境承載力與協(xié)調(diào)發(fā)展度評價結(jié)果等級的對比可知:當水量系統(tǒng)與水質(zhì)系統(tǒng)處于勉強協(xié)調(diào)發(fā)展水平時,水環(huán)境承載力為輕度超載;當二者已經(jīng)達到中度協(xié)調(diào)發(fā)展的相對良好水平時,水環(huán)境承載力為瀕臨超載。由此可見,相比協(xié)調(diào)發(fā)展度,水環(huán)境承載力是對水量系統(tǒng)與水質(zhì)系統(tǒng)發(fā)展水平評價更加嚴苛的指數(shù),即欲保證水環(huán)境承載力水平處于承載力盈余狀態(tài),至少需要水量系統(tǒng)與水質(zhì)系統(tǒng)達到良好協(xié)調(diào)發(fā)展水平,若二者之間僅僅達到中等協(xié)調(diào)發(fā)展水平,則水環(huán)境承載力可能已經(jīng)處于超載的邊緣。
1)基于水環(huán)境承載力評價的目的和耦合協(xié)調(diào)發(fā)展理論,構(gòu)建了以水量系統(tǒng)和水質(zhì)系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)發(fā)展度來表征水環(huán)境承載力的評價模型。依據(jù)水量系統(tǒng)與水質(zhì)系統(tǒng)的要素和限制性影響因素,建立了包含16項指標的評價指標體系,采用主、客觀組合賦權(quán)的方法對指標體系進行了賦權(quán),得到了水環(huán)境承載力綜合評價值和水量系統(tǒng)與水質(zhì)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)度及協(xié)調(diào)發(fā)展度。
2)鄭州市水環(huán)境承載力在2009—2018年期間整體穩(wěn)定升高,綜合指數(shù)由0.311提升至0.778,承載力水平由輕度超載過渡至承載適宜;水量系統(tǒng)與水質(zhì)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展度也整體呈現(xiàn)升高趨勢,綜合指數(shù)由0.462提升至0.876,協(xié)調(diào)發(fā)展水平由勉強協(xié)調(diào)發(fā)展過渡至良好協(xié)調(diào)發(fā)展。協(xié)調(diào)發(fā)展度與水環(huán)境承載力綜合指數(shù)變化趨勢類似,但水環(huán)境承載力綜合指數(shù)平均值比協(xié)調(diào)發(fā)展綜合指數(shù)平均值低0.15。保持良好的協(xié)調(diào)發(fā)展水平是保障水環(huán)境承載力處于承載盈余狀態(tài)的必要條件。結(jié)合研究區(qū)現(xiàn)狀,提出了保持水環(huán)境承載力水平持續(xù)增長的建議和措施。
3)基于耦合協(xié)調(diào)發(fā)展理論的水環(huán)境承載力評價符合水環(huán)境承載力的內(nèi)涵和其評價的意義。在今后的研究中,可以將水環(huán)境承載力的要素細化為多個維度,得到多維系統(tǒng)耦合下的協(xié)調(diào)發(fā)展度,這樣使得評價結(jié)果更加精確并且能夠為水環(huán)境承載力提升提供更加具體、有效的建議。