典型山區(qū)河流水環(huán)境承載力研究——以慶元縣為例

吳德慧 陳俊 吳有富 張遠(yuǎn)孝

摘要 通過實(shí)地調(diào)查慶元縣的水環(huán)境現(xiàn)狀、河道的水力學(xué)特點(diǎn)及其水動(dòng)力條件，提出了可行數(shù)學(xué)模型對(duì)主要污染物排放情況進(jìn)行定量模擬，通過模型計(jì)算得慶元縣現(xiàn)狀的CODCr、NH3-N、TP水環(huán)境容量分別是410.39、13.93、0.45 t/a。通過建立科學(xué)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，從水資源、水生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)3個(gè)系統(tǒng)中共選取19項(xiàng)相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)，運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)模型從時(shí)間維度綜合研究慶元縣的水環(huán)境承載能力，表明2014—2019年水環(huán)境承載力基本呈逐年上升趨勢。

關(guān)鍵詞 山區(qū)型河流;水環(huán)境容量;水環(huán)境承載力;慶元縣

中圖分類號(hào) X 143文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2022）04-0091-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.04.024

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Study on Water Environment Carrying Capacity of Typical Mountain Rivers—Taking Qingyuan County as an Example

WU De-hui1，CHEN Jun2，WU You-fu1 et al （1.Qingyuan Branch of Lishui Ecological Environment Bureau，Lishui，Zhejiang 323800;2.Zhejiang Huanbo Environmental Protection Technology Co.，Ltd.，Lishui，Zhejiang 323000）

Abstract By field investigation of water environment，hydraulic characteristics and hydrodynamic conditions of rivers in Qingyuan County，a feasible mathematical model to quantitatively simulate the discharge of main pollutants was put forward.The verification of the model calibration of relevant parameters were completed.Through the calculation of the model，the current water environmental capacity of chemical oxygen demand，ammonia nitrogen and total phosphorus in Qingyuan County were 410.39，13.93 and 0.45 t/a，respectively.19 relevant evaluation indexes were selected from the three systems of water resources，water ecological environment and social economy in the establishment of a scientific evaluation index system.The fuzzy comprehensive evaluation model was used to study the water environment carrying capacity of Qingyuan County comprehensively from the time dimension.Results showed that the water environment carrying capacity was basically increasing year by year from 2014 to 2019.

Key words Mountainous river;Water environment capacity;Water environment carrying capacity;Qingyuan County

作者簡介 吳德慧（1987—），女，貴州獨(dú)山人，工程師，碩士，從事水環(huán)境的監(jiān)測、水污染預(yù)警和防治工作。

收稿日期 2021-05-29;修回日期 2021-08-27

從宏觀上來看，水環(huán)境承載力是指在一定的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件下，一定區(qū)域（流域）的水系統(tǒng)功能所支撐的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活[1-3]。為更好實(shí)現(xiàn)在保障良好生態(tài)環(huán)境的同時(shí)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展，對(duì)區(qū)域水環(huán)境承載能力開展科學(xué)研究的意義顯得更加重大[4-8]。慶元位于浙江省與福建省的交接處，是甌江、閩江、交溪（福安江）三大支流的發(fā)源地，由于其獨(dú)特的地理位置，水環(huán)境保護(hù)工作顯得尤為重要。目前，隨著慶元縣經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，工業(yè)產(chǎn)值逐年提升，工業(yè)園區(qū)的發(fā)展建設(shè)越來越快，縣域生態(tài)環(huán)境壓力也與日俱增，特別是水環(huán)境容量已成為制約縣域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要瓶頸。慶元作為全國生態(tài)環(huán)境第一縣，水環(huán)境承載力和容量是區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，開展區(qū)域水環(huán)境承載力和容量調(diào)查評(píng)價(jià)對(duì)慶元縣經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義。筆者在已有研究成果的基礎(chǔ)上，以水環(huán)境承載力理論和實(shí)踐為支撐，以一維水質(zhì)模型法[9-17]進(jìn)行水容量研究，同時(shí)以慶元縣作為研究區(qū)域，從水資源、水生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)3個(gè)系統(tǒng)中共選取19個(gè)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建一個(gè)包含3個(gè)層次的慶元縣水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)，并對(duì)其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理;運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)模型[18-20]從時(shí)間維度綜合研究慶元縣的水環(huán)境承載能力情況。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況 慶元縣位于浙江省西南部（118°50′～119°30′E、27°25′～27°51′N），北與龍泉、景寧畬族自治縣接壤，東、西、南與福建省壽寧、松溪、政和3縣交界?？h城距麗水市233 km，距杭州市532 km。全縣南北長49 km，東西寬67 km，總面積1 898 km2。境內(nèi)有甌江、閩江、交溪三大水系，擁有左溪、南陽溪、松源溪、安溪、竹口溪、西溪、八爐溪7條主要河流，其中，左溪、南陽溪為甌江水系;松源溪、安溪、竹口溪為閩江水系;八爐溪、西溪為交溪水系，匯入交溪入東海。由于地理環(huán)境的特殊性和政策指導(dǎo)等因素，慶元縣工業(yè)聚集點(diǎn)和人口生活匯聚點(diǎn)主要分布在慶元縣西部的松源溪、安溪和竹口溪，因此此次水容量研究主要涉及西部竹口溪、松源溪和安溪3條河流，水環(huán)境承載力研究則是全縣范圍。

慶元縣屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，全年季節(jié)變化明顯，以溫和、濕潤、多雨為主要?dú)夂蛱卣?。多年平均氣溫?9.1 ℃，平均降水量1 713.4 mm，平均蒸發(fā)量1 319.1 mm，全年無霜期247～193 d。受到季風(fēng)和地形的影響，降水的時(shí)空分布不均勻。

1.2 數(shù)據(jù)來源 該研究數(shù)據(jù)來源于《慶元縣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測年報(bào)》（2010—2020年）以及2014—2019年的《慶元縣統(tǒng)計(jì)年鑒》《政府工作報(bào)告》《慶元縣水資源公報(bào)》《慶元縣環(huán)境統(tǒng)計(jì)年報(bào)》《慶元縣國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)年報(bào)》、省際斷面自動(dòng)監(jiān)測站監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法 該研究采用文獻(xiàn)研究法、實(shí)地調(diào)查法、定量模擬法、一維水質(zhì)模型法[9-17]、指標(biāo)體系評(píng)價(jià)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法[18-20]等。

1.3.1 水環(huán)境容量計(jì)算。根據(jù)《水域納污能力計(jì)算規(guī)程》[21]、《全國水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》[22]和《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 地表水環(huán)境》（HJ 2.3—2018）[23]，結(jié)合地表水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀及慶元縣排污特點(diǎn)，選擇CODCr、NH3-N和TP作為容積值計(jì)算的主要調(diào)節(jié)影響因子。對(duì)于此次計(jì)算河道，采用混合過程段長度與計(jì)算河段長度比較來確定是否采用一維模型進(jìn)行，若河段長度大于公式（1）計(jì)算的結(jié)果時(shí)，可以采用一維模型進(jìn)行模擬。

L=（0.4B-0.6a）×B×u（0.058H+0.006 5B）×u*（1）

u*=gHJ（2）

式中，L為混合過程段長度;B為河流寬度;a為排放口距岸邊的距離，取0;u為河流斷面平均流速;H為平均水深;g為重力加速度，取9.18 m/s2;J為河流坡度，取0.005。

水環(huán)境容量計(jì)算公式如下：

Cs=Q5C5-Q4C4Q3（3）

式中，CS為官山斷面水質(zhì)控制目標(biāo)濃度（mg/L）;C5為巖下斷面水質(zhì)控制目標(biāo)濃度（mg/L）;Q5為巖下斷面水流量（m3/s）;C4為新窯斷面實(shí)際水污染物濃度（mg/L）;Q4為新窯斷面水流量（m3/s）;Q3為官山斷面水流量（m3/s）。

1.3.2 水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)。

1.3.2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)和數(shù)據(jù)歸一化處理。以慶元縣作為研究區(qū)域，從水資源、水生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)3個(gè)系統(tǒng)中共選取19個(gè)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)（表1），構(gòu)建了一個(gè)包含3個(gè)層次的慶元縣水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)，并對(duì)其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)模型從時(shí)間維度綜合研究慶元縣的水環(huán)境承載能力情況。

評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的確定是水環(huán)境承載力研究的重要內(nèi)容之一，其數(shù)值的設(shè)定將直接對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的合理性和科學(xué)性產(chǎn)生影響。按照優(yōu)、良、中、較差、差5個(gè)等級(jí)劃分慶元縣水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其對(duì)應(yīng)的代號(hào)分別為I（水環(huán)境承載能力強(qiáng)）、Ⅱ（水環(huán)境承載能力較強(qiáng)）、Ⅲ（水環(huán)境承載能力中等）、IV（水環(huán)境承載能力較弱）、V（水環(huán)境承載能力弱）。

1.3.2.2 綜合權(quán)重的確定。采用層次分析法和熵權(quán)法計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的主觀權(quán)重和客觀權(quán)重，然后通過“乘法集成法”對(duì)2種方法所得權(quán)重進(jìn)行組合，確定最終權(quán)重[24]。其公式如下：

w*=wi×wjni=1（wi×wj）（4）

式中，w*為指標(biāo)i的綜合權(quán)重;wi為熵權(quán)法計(jì)算得到指標(biāo)i的權(quán)重;wj為層次分析法計(jì)算得到指標(biāo)i的權(quán)重。根據(jù)公式（4）計(jì)算得到慶元縣水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合權(quán)重。

1.3.2.3 模糊綜合評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建。模糊綜合評(píng)價(jià)模型的理論基礎(chǔ)來源于模糊數(shù)學(xué)，通過建立一個(gè)等級(jí)模糊的子集、利用模糊變換的原理和隸屬度理論將一些具有確定性的評(píng)價(jià)方式轉(zhuǎn)化成一些具有定量性的評(píng)價(jià)，從而有效地解決了人們主觀上難以判斷的模糊問題。具體步驟如下：

（1）建立評(píng)價(jià)指標(biāo)集合U。設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)集合由n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)成，記作：

U={u1，u2，u3，…，un}

（2）建立評(píng)價(jià)等級(jí)集合V。設(shè)每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)有m個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)，記作：

V={v1，v2，v3，…，vm}

（3）建立評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重集合W。由于每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)水環(huán)境承載力的影響程度不同，故需對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)賦予不同的權(quán)重，記作：

W={w1，w2，w3，…，wn}

其中，0<wi<1，且w1+w2+w3+…+wn=1。

（4）建立模糊關(guān)系矩陣R。確定評(píng)價(jià)指標(biāo)集合中的任何一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬于評(píng)價(jià)等級(jí)集合中不同評(píng)價(jià)等級(jí)的程度，稱為隸屬度，用rmn來表示，進(jìn)而得到模糊關(guān)系矩陣R，記作：

R=r11…r1m

rn1…rnm

（5）隸屬度函數(shù)的確定。通過隸屬函數(shù)計(jì)算求得隸屬

度，該研究采用模糊分布曲線中的“半梯形分布”作為各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)各評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬函數(shù)。該研究建立的水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)等級(jí)集合分為5等，記為：V ={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}。

（6）建立模糊綜合評(píng)價(jià)模型Z。根據(jù)模糊關(guān)系矩陣R和權(quán)重向量W，計(jì)算得到模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣Z：

Z=R×W（5）

（7）計(jì)算綜合評(píng)價(jià)值Z*并確定隸屬等級(jí)。采用加權(quán)平均法確定隸屬等級(jí)。綜合評(píng)價(jià)值公式如下：

Z*=nj=1（zkj×j）nnj=1zkj（6）

式中，k為待定系數(shù)（k取2），目的是控制較大的zj所帶來的影響;j取5、4、3、2、1，依次表示評(píng)價(jià)等級(jí)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，稱為各等級(jí)的秩。

2 結(jié)果與分析

2.1 慶元縣水環(huán)境容量分析 經(jīng)多次測算，根據(jù)一維模型特點(diǎn)，化學(xué)需氧量（CODCr）、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）的降解系數(shù)K第一段分別為0.18、0.25、0.17 d-1，第二段分別為0.26、0.35、0.27 d-1。通過水環(huán)境容量計(jì)算公式（3）計(jì)算得該研究區(qū)主要的污染物CODCr、NH3-N、TP的水環(huán)境容量分別為410.39、13.93、0.45 t/a。

2.2 慶元縣水環(huán)境承載力分析 按照“1.3.1”方法，計(jì)算求得慶元縣2014—2019年水環(huán)境承載力及各子系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)值，詳見表2。

2.2.1 各子系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)值。根據(jù)表2的評(píng)價(jià)結(jié)果結(jié)合慶元縣的實(shí)際發(fā)展情況，針對(duì)水資源、水生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)3個(gè)子系統(tǒng)分別進(jìn)行動(dòng)態(tài)趨勢分析，并依據(jù)分析結(jié)果找出影響慶元縣水環(huán)境承載能力大小的主要因素。從2014—2019年慶元縣各子系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)值變化趨勢（圖1）可以看出，3個(gè)子系統(tǒng)中，水資源系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)值一直處于較高水平，主要原因?yàn)閼c元縣人均水資源量較高，縣域范圍大，人口數(shù)量不多。水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)呈現(xiàn)逐年快速上升的趨勢，其中2015—

2017年上升明顯，主要原因之一就是對(duì)工業(yè)和企業(yè)進(jìn)行環(huán)境

整治及五水共治工作的開展，萬元GDP的用水量、化學(xué)需氧量和氨氮的排放量都有了明顯下滑，環(huán)保投資逐年加大;2018—2019年，相關(guān)二級(jí)指標(biāo)變化放緩，相應(yīng)的水生生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)值接近發(fā)展頂點(diǎn)。社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)值在2014—2017年逐年下降，隸屬于IV級(jí)較低可承載區(qū)間，期間，慶元縣城市建設(shè)發(fā)展迅猛，偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口逐漸遷至城區(qū)，城市化水平快速提高，農(nóng)田灌溉面積逐步下降，水環(huán)境承載力逐漸降低;2017年后，萬元級(jí)的工業(yè)生產(chǎn)增加值和居民用水量大幅度下降，人均居民GDP的經(jīng)濟(jì)增長速度大幅提高，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷深化調(diào)整和逐步優(yōu)化，第三產(chǎn)業(yè)增加值所占的經(jīng)濟(jì)比重逐年穩(wěn)步增加和快速上升，社會(huì)主義市場經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的各子系統(tǒng)也由此開始快速攀升，綜合評(píng)價(jià)值慢慢回升。

2.2.2 水環(huán)境承載力綜合評(píng)價(jià)值。從2014—2019年慶元縣水環(huán)境承載力綜合評(píng)價(jià)值變化趨勢（圖2）可以看出，2014—2019年慶元縣水環(huán)境承載力綜合評(píng)價(jià)值呈顯著上升趨勢，結(jié)合原始數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)其主要原因在于在這6年內(nèi)污水處理率逐年提高，同時(shí)萬元GDP用水量、化學(xué)需氧量和氨氮排放量逐年減少，環(huán)保投資越來越大。結(jié)合6年間水環(huán)境承載力綜合評(píng)價(jià)值的變化以及各評(píng)價(jià)指標(biāo)值變化的相互關(guān)系可以看出，水資源量對(duì)水環(huán)境的承載能力起著決定性的影響，是水環(huán)境得以良好維持的基本條件。2014—2019年水環(huán)境承載力綜合評(píng)價(jià)值處于Ⅱ級(jí)較強(qiáng)可承載區(qū)間，表明慶元縣水環(huán)境和水資源現(xiàn)狀與現(xiàn)階段社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展基本協(xié)調(diào)的狀態(tài)，水環(huán)境問題不明顯。

3 結(jié)論

根據(jù)建立和模擬的水環(huán)境容量計(jì)算模型，對(duì)慶元縣典型山區(qū)河流的水環(huán)境容量進(jìn)行測算結(jié)果可知，目前該河段CODCr、NH3-N、TP水環(huán)境容量分別為410.39、13.93、0.45 t/a，說明污水受納區(qū)域污水污染物排放總量還未超出計(jì)算河段的承載范圍。

在對(duì)慶元縣水環(huán)境承載力情況進(jìn)行理論和實(shí)踐研究基礎(chǔ)上，構(gòu)建了水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并在同一指標(biāo)體系下，運(yùn)用模糊綜合從時(shí)間維度對(duì)水環(huán)境承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明近年來水環(huán)境承載力基本呈逐年上升趨勢，水環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)朝著好的方向發(fā)展。運(yùn)用模糊綜合評(píng)估模型對(duì)水環(huán)境承載能力各子系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)價(jià)和分析，水資源、水生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)3個(gè)子系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)值在2014—2019年局部存在變化，總體上均呈上升趨勢。

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