河南省水环境承载力动态变化趋势分析

张浩然，郑志宏,2，王徐洋

(1.华北水利水电大学 水利学院，郑州 450046； 2.河南水利与环境职业学院，郑州 450046)

水环境是构成环境的基本要素之一。它不仅是支持社会经济系统发展的物质资源，也是支持生态系统循环运转的环境资源。虽然地球上的水资源总量非常丰富，但人类可用的水资源却非常有限。同时，水资源紧缺和水污染等水环境问题日益突出，已成为制约各地区社会经济可持续发展的重要瓶颈。

河南省作为我国的人口大省、农业大省和经济大省，近年来随着工业的快速发展，人口的增加和城区面积的不断扩大，对水资源的需求量也在逐年增加，供需矛盾日益突出。根据2016年的统计数据，河南省的水污染问题较为严重：河流长度监测评估4 838.8 km，其中水质达到并超过Ⅲ类标准的河流长度占河流总长度的49.1%。水质为劣Ⅴ类的河长占总河长的26.8%，断流河长132.7 km，占总河长的2.7%。全省164个水功能区中只有101个符合标准，达标率为66%。地下水的水质更令人担忧。全省227眼地下水监测井，只有29眼井达到地下水质量Ⅲ类标准，占监测总数的12.8%。河南省的水环境问题已成为制约其经济发展和社会进步的重要因素，且随着污染类型和数量的不断增加，这种制约将越来越明显。因此，开展水环境承载力研究具有现实的必要性和紧迫性，对于协调河南省经济、社会发展与水环境保护的关系具有重大意义。

1 水环境承载力

水环境承载力是水环境和承载能力的自然组合。但截至目前，关于水环境承载力含义的研究尚未在学术界达成普遍共识[9]。综合学者们的研究，将水环境承载力的定义归纳为以下几种类型：①汪怒诚、申献辰等认为水环境承载力是指在一定的水域内，所能容纳污水和污染物的最大容量，且不影响水体继续被使用并保持良好生态系统。该定义着重于水体的纳污能力，更加注重水质[10]；②崔凤军认为水环境承载能力可以理解为某一地区的水环境在某一时期或某种状态下可以承受的人类活动的阈值[11]。该定义侧重于人类在大规模、高强度和快速发展经济的过程中，对环境造成的压力；③贺瑞敏从狭义和广义两个角度对水环境承载力的定义进行阐述：狭义的水环境承载力即水体纳污能力；广义的水环境承载力是指在一定的社会、经济与技术条件下，某一区域水环境对人类活动的支持能力[12]。

本文的水环境承载力是指区域水环境在某一时期或某种状态下，能够具有自我维持和自我调节的能力，并保证水体功能的正常发挥。同时，还可以保持持续健康的社会经济发展的支撑能力。

2 研究方法及模型构建

2.1 研究方法

水环境承载力评价的量化方法主要包括综合指标体系评价法、多目标模型分析法和系统动力学法。

综合指标体系评价方法是通过统计方法选择单个或多个指标，进而反映区域水环境承载力现状和阈值，主要包括模糊综合评价法和向量模法等[13]。本研究采用向量模法对河南省的水环境承载力进行分析计算。

2.2 水环境承载力评价指标体系的构建

水环境承载力评价的关键是建立合理的水环境承载力评价指标体系。指标体系中各个指标的合理组合是准确表达和定量描述水环境承载力的基础，指标体系的合理性对评价结果有着直接的影响。因此，在评价指标的选择上，应当尽量遵循区域性原则、层次性原则、动态性原则、可操作性原则和相对独立性原则。基于以上原则，本研究中设定河南省水环境承载力准则层包括水资源、水生态和社会经济3个方面。考虑到数据的可获取性，本研究最终选取11项指标建立评价体系(表1)。所选指标涉及河南省水资源状况、经济发展状况、污水处理状况、用水情况和环境情况等方面，符合区域性、层次性、动态性等原则。另外，根据对水环境承载力产生的影响，可把指标分为以下两类：第一类正影响指标，指标值的提高将对改善水环境承载力产生积极影响；第二类负影响指标，指标值的提高将降低水环境的承载能力。运用层次分析法计算各指标值的权重，具体计算结果见表1。

表1 水环境承载力指标权重Tab.1 Water environment carrying capacity indicator weights

2.3 水环境单项指标承载度模型

采用对数函数对水环境单项指标承载度进行计算。对于正影响指标，计算模型为y=a+blgx，式中a和b为模型中的参数，函数值y随着x的增大而增大，当指标值增加到一定程度后，承载度的增加变缓；对于负影响指标，计算模型为y=blg(a-x)，函数值y随着x的增大而减小。各单项指标的评价标准和承载度模型见表2。

表2 单项指标评价标准及承载度模型Tab.2 Single index evaluation standard and carrying degree model

2.4 水环境综合承载力模型

本文采用向量模法计算水环境综合承载力。向量模法数学理论基础扎实，人为因素较小，原理、形式和运算相对简单，并逐渐得到广泛应用。向量模法是通过一定的定量过程分析建立的评价指标体系，最终得到0～1的无量纲值。评价值可以反映水环境承载力的相对大小，评价值越接近1表明水环境承载力水平越高，即水环境与社会经济发展协调性越好。本研究即采用向量模法对河南省的水环境承载力进行评价。

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)

(2)

3 水环境综合承载力评价

3.1 单项指标承载度计算

根据历年《河南统计年鉴》、河南省《统计公报》、《水资源公报》和《环境统计年报》等资料，得到2007-2016年的水环境承载力指标值(表3)。

依据表3列出的各项水环境承载力评价指标值，再应用表2所建立的各个评价指标的承载度模型，计算得到2007-2016年河南省水环境承载力各评价指标的承载度。具体指标承载度见表4。

表3 水环境承载力指标值Tab.3 Water environment carrying capacity indexes value

表4 单项指标承载度Tab.4 Degree of single index

3.2 水环境承载力计算

根据表4列出的河南省水环境承载力各评价指标的承载度值，以及各评价指标在相应准则层上，运用层次分析法计算得到的权重，计算出河南省水资源、水生态和社会经济的分承载力，最后应用向量模法计算得到河南省水环境综合承载力。计算结果见表5-表8。

表5 河南省水环境水资源分承载力Tab.5 Water environment carrying capacity of water resources in Henan province

表6 河南省水环境水生态分承载力Tab.6 Water environment carrying capacity of water ecological in Henan province

表7 河南省水环境社会经济分承载力Tab.7 Water environment carrying capacity of social economic in Henan province

表8 河南省水环境承载力Tab.8 Water environment carrying capacity in Henan province

3.3 水环境承载力分析

根据表8，将计算得出的河南省水环境承载力数值绘制成折线图，以便更好地观察近十年河南省水环境承载力的变化趋势(图1)。

图1 河南省水环境承载力Fig.1 Water environment carrying capacity in Henan province

由图1可知，河南省水环境承载力经历了两个增长阶段，从2007-2010年，承载力数值由0.341增长至0.394；2011年略有下降，主要原因是人均水资源量的减少和万元GDP化学需氧量排放的增多；2012-2016年，水环境承载力逐年上升，从0.338增长至0.413，主要原因是万元GDP用水量的减少和人均GDP的逐年增长。

2007-2016年，水生态分承载力数值从0.643增长至0.829，其变化趋势与水环境综合承载力的变化趋势相一致，表明万元GDP化学需氧量排放的增多对水环境综合承载力产生的显著影响；2007-2016年，水资源分承载力数值在0.4～0.5之间波动，但人均水资源量却几乎逐年减少，表明河南省近年来水资源的紧缺，形势不容乐观；2007-2016年，社会经济分承载力逐年增长，从0.468增长至0.725，人均GDP和农民人均纯收入增幅明显，表明河南省近年来快速推进经济发展取得的显著成果。

4 结 论

1) 河南省近十年水环境承载力整体上属于中低水平，但总体而言，水环境承载力状况呈逐年改善的趋势。

2) 河南省水环境承载力处于中低水平的主要原因是河南省水资源的短缺限制了河南省水环境承载力的整体水平，具体表现在2011年由于河南省人均水资源量的大幅减少，使得河南省水环境承载力的评价值发生明显下降。

3) 河南省近十年水环境承载力上升的主要原因在于，随着河南省经济的快速发展，人均GDP、农民人均纯收入的快速增长、环保投资的加大以及工业废水排放达标率的提高等。这些正影响指标的提升对于河南省水环境承载力评价值的提高起着重要作用。

水环境对于河南省社会经济发展起着十分重要的作用。因此，应该抓住薄弱环节重点改善，在保持经济平稳较快发展的前提下，继续加大环保投入，加强对工业废水和生活污水的治理，并做好农业面源污染的控制与管理。同时，还应在不断提高水资源利用效率的同时，大力推进节水工作，增强水环境对社会经济的支撑能力，实现社会经济持续协调发展和水环境承载力不断提高的良好局面。