基于向量模法的陕南地区水环境承载力评价

来雪慧,王小文,徐杰峰,周媛丽

(西北大学环境科学系,陕西西安710127)

随着人类开发利用和改造自然能力的不断增强,人类从自然界获取的资源越来越多,排放的污染物也随之增加,导致水环境质量日益恶化,对经济发展的制约作用越发明显。研究水环境承载力,就是在保障水环境系统功能可持续正常发挥作用的前提下,促进经济和社会的可持续发展。

陕南地区位于陕西省南部,包括汉中、安康、商洛3个地市,总面积7.00×104km2,约占陕西省土地面积的34.2%;区内水资源总量为3.15×1010m3,占全省水资源总量4.45×1010m3的70.7%。随着国家南水北调中线工程及陕西省南水北调工程的实施,陕南地区成为国家南水北调中线工程及陕西省南水北调工程的主产水区,是国家水资源的主要输出区之一。根据《陕南地区城镇体系协调发展规划》,到2020年,陕南地区城镇人口将达到417万人,城镇化水平达到43%。城镇发展,人口集聚以及生活水平的提高,势必导致对陕南地区水资源需求的快速增加,使水资源供需矛盾将更加突出。因此,水环境承载力评价研究,对于保障陕西及国家经济、社会与水环境保护协调发展目标的实施具有重要意义。

环境承载力是环境系统功能的外在表现,是描述环境状态的重要参量之一[1]。水环境承载力指某一地区,某一时间,某种状态下水环境对经济发展和生活需求的支持能力。也就是说,水环境承载力因经济发展的速度和规模不同而不同。目前,学术界关于水环境承载力的概念尚未达成共识[2-4]。

水环境承载力强调的是水环境对社会经济系统的支撑程度和给予能力。其本质是水环境系统与外界物质输送输入、能量交换、信息反馈的能力和自我调节能力的表现,它体现了水环境与人和社会经济发展活动之间的联系。

本研究认为水环境承载力为在某一时期,某种状态下,区域水环境在自我维持和自我调节的能力和功能正常发挥的前提下,能够支撑经济及社会发展的最大规模。

1 水环境承载力的向量模法评价

1.1 研究方法

水环境承载力的量化方法主要有综合指标体系评价法、多目标模型分析法和系统动力学法等。

综合指标体系评价方法是一种采用统计的方法,选择单项或多项指标,反映地区水环境承载力现状和阈值的方法,主要有模糊综合评价法和向量模法等[5-9]。

1.2 向量模法

向量模法数学理论基础坚实,人为因素小,原理、形式和运算较简单。实践表明,该方法的评价结果较其他方法更为客观合理[10]。因此,向量模法逐渐被广泛应用。本研究即采用向量模法对陕南地区水环境的承载力进行评价。它常用于横向(不同地区同一时间)和纵向(同一地区不同时间)的水环境承载能力状况综合比较[11]。将水环境承载能力视为1个由n个指标构成的向量,对m个水平的n个指标进行归一化,则归一化后的向量模作为评定水环境承载能力大小的依据。

假设有m个不同的水平年,设m个评价值为Ej(j=1,2,…,m),再设每个评价值Ej包括n个具体指标确定的分量,每个指标的权重为wi(i=1,2,…,n),即有Ej=(E1j,E2j,…,Enj)。这样,第j个水体承载力的大小可用归一化后的矢量的模表示,即

1.3 指标体系的构建

根据数据获取途径简单、实用性强等原则,结合陕南地区的实际情况,选定以下指标(表1):水资源总量/用水总量、人均GDP、万元GDP综合耗水量、工业万元增加值废水排放量、工业万元增加值COD排放量、工业用水重复利用率和人均日常生活用水量。

表1 陕南地区水环境承载力指标体系

1.4 权重的确定

指标权重的确定选用层次分析法,按照选取的指标,得到正负反阵(标度aij的取值方法依据见表2):

表2 标度aij的取值方法依据及定义

按求向量迭代序列方法计算权重,e0=(1/n,1/n,…,1/n)T,e'k=Aek-1,|e'k|为Aek-1的n个分量之和,ek=ek/|ek|,k=1,2,…。数列ek是收敛的,记其极限为e,且记e=(a1,a2,…,an)。取权重系数wi=ai,经计算,得出矩阵的特征向量为8.662 9,其具体权重见表3。

表3 系统指标的权重

2 评价结果与分析

2.1 水环境承载力评价指标值

针对2000—2007年陕南地区的水环境承载力进行评价。根据所确定的指标体系,该区水环境承载力各指标值见表4。

表4 2000—2007年陕南地区水环境承载力评价指标值

从表4可以看出,水资源总量与用水总量的比值、万元GDP综合耗水量、工业万元增加值废水排放量和工业万元增加值COD排放量逐渐减少,人均GDP、工业用水重复利用率和污水处理率逐渐增加。

2.2 指标的归一化

表5 2000—2007年陕南地区水环境承载力评价指标归一化值

2.3 水环境承载力评价值计算

根据上述计算公式(1),由各指标的评价指标值和其权重计算,2000—2007年陕南地区水环境承载力结果如表6。

表6 2000—2007年陕南地区水环境承载力评价值计算

研究结果表明,2000—2007年陕南地区的水环境承载力评价值变化范围为0.042～0.074。并根据各项指标的权重可以看出,引起陕南地区水环境承载力波动的主要因素是水资源总量与用水总量的比值、工业万元增加值、COD排放量、工业用水重复利用率和人均生活用水量的变化。

根据表 6中的评价值计算结果,可以绘制出2000—2007年陕南地区水环境承载力的变化趋势图(图略)。

陕南地区的水环境承载力在2000—2004年以下降趋势为主,到2004年后逐步增加。主要是由于随着人均GDP的增长,工业用水量和污水排放量逐渐增加,而2004年之前的污水处理率为零;2005年后正影响因子人均GDP和工业用水重复利用率的逐年增长,污水处理率也有所增加,而万元GDP综合耗水量、工业万元增加值废水排放量和工业万元增加值COD排放量负影响因子逐年下降。

陕南地区山地多盆地少,水资源地域分布不均。山区经济落后,人口耕地少,需水量小,水资源量较多;而汉中、安康、商洛等平川地带工农业发达,需水量大,水资源量相对较少。因此,虽然陕南地区的水资源总量比较丰富,但由于时空分布不均,水资源供给对陕南地区社会经济的发展仍具有一定的制约。

综上所述,陕南地区的水环境具有一定的承载力,但随着该区经济和产业的发展,需水量逐渐增加,污染物排放量也在逐步增加,因此,应提出不断改善水环境承载力的措施,确保水环境的承载能力。

3 对策与建议

3.1 加强区域水源涵养与水源地保护

特定地区水资源承载力的大小由其自然水体容量及人类活动影响两方面的因素所决定,评价结果表明水资源总量与用水总量的比值是引起陕南地区水环境承载力波动的主要因素之一,同时该区承担着南水北调中线工程主水源地的重任,因而提高水源涵养区域内汉江流域自然水体的水资源总量,对于区域水环境承载力的提高意义重大。因此,需积极实施天然林抢救性保护,退耕还林还草以及封山、封滩,育林育草等措施,有效控制林草退化,提高蓄水保土功能,与此同时积极加强水源地保护,确保区域水资源总量及水源地的生态安全。

3.2 调整产业布局

产业的发展不仅对水资源的需求提出更高的要求,且其污水排放亦是导致水资源承载力降低的重要因素。因此,建议针对陕南丰富的农业与生物、矿产、水能、旅游资源等实际情况,调整产业布局,把资源开发与生态环境保护相结合,突出“绿色、集约、可持续”的发展要求,着力构建以农副林为特色,中药、旅游和水产业为主的绿色产业体系。在产业布局上,按照“两带、两区”布局现代绿色农业。汉江沿岸带和丹江沿岸带,以大米、小麦等粮油作物种植为主,扩大生猪、蔬菜、水果等种养规模,积极发展农产品精深加工;浅山丘陵区,以建设绿色种养基地为主,适当增加绿色产业种植面积和初加工比重,把该区域建设成为陕南种养集中分布区;中高山区,重点加强生态林区、动植物保护区,为旅游观光、科学考察等提供良好的自然生态基础。

3.3 加快污水处理设施建设

随着社会经济的发展,近年来陕南地区河道废、污水排放量不断增加,评价结果中2004年的污水处理率仅为6.7%,导致大量未经处理或有效处理的废、污水直接排入河道,使部分河道水体受到污染。近年来污水处理率逐渐增加,2007年达到69.2%,且陕南地区地表水总体污染程度较轻,但濂水河、冷水河、八渡河以及汉江、嘉陵江、丹江部分河段污染也较为严重。因此,应该逐步加强陕南地区水污染治理,加快污水处理厂建设步伐,加大城镇生活污水及工业废水的处理力度,确保各项用水安全,减少废水和COD等负影响因子的排放量,使水环境承载力得以提高。

3.4 加强小型水利工程建设

根据《陕南地区城镇体系协调发展规划》需水量预测,陕南地区 2010年的需水量为3.26×109m3,而现有设施供水量为2.38×109m3,缺水8.82×108m3。同时陕南平川地带需水量大,水资源量相对较少,蓄水工程设施较少,水资源调控能力较低,难以满足工农业发展的需要。按照新时期的治水思路,要强化各项措施,把开源节流、防汛抗旱有机结合起来,新建或续建一批水利工程,增加工程蓄水能力。根据陕南地区的地形、现有及规划水利工程布局,建议在低山丘陵区大力发展水塘水窖等集雨设施以及小型蓄、引、提等工程设施,通过工程设施引水、提水、输水功能的实现,提高水环境承载力,补充骨干水源工程供水量的不足,保障陕南地区各项用水需求。

3.5 建立水资源补偿机制

建立水资源补偿机制,一方面实行排污收费或者征收污染税,即向环境排放污染物的单位或个人按照其排放污染物的种类、数量或者浓度而向国家交纳一定费用,以用于治理因污染对环境造成的危害,从而有力地促进我国水资源保护工作的开展;一方面南水北调工程是一项复杂的系统工程,考虑到陕南地区为全国及陕西省社会经济发展做出巨大贡献的现实,建议省相关部门尽快建立陕南地区南水北调生态环境研究机构及南水北调水资源补偿研究机构,进行生态环境及水资源补偿机制的研究,为陕南地区社会经济发展争取一个客观、公正的发展环境。

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