基于“三水”内涵的水环境承载力指标体系构建——以辽河流域为例

朱悦

辽宁省生态环境保护科技中心

一个地区的水环境承载力是服务和助推经济发展与生态文明建设的重要方面。随着经济社会的发展，人类对于水环境的高质量需求越来越高。水资源分配不平衡、环境保护与经济社会发展冲突、产业结构不合理等诸多问题导致流域水生态恶化、水环境承载力超载。而水环境承载力的超载又制约着经济社会进一步的发展。因此，科学开展水环境承载力研究是经济社会发展和水环境保护之间建立量化关系的关键，也是科学制定流域水环境管理方案的抓手。而随着《水污染防治行动计划》(简称“水十条”)对建立水环境承载能力监测评价体系要求的提出，“十三五”阶段开展水环境承载力评估预警研究成为“以水定城、以水定地、以水定人、以水定产”的重要依据之一，有效促进流域污染减排、产业布局优化、经济社会与环境保护协同发展。

辽河流域水污染“摘帽”(摘掉重污染流域帽子)后，流域水环境污染治理正由集中治理阶段向改善阶段迈进。因此，科学辨析水环境承载力概念内涵，开展水环境承载力指标体系构建研究对科学、深入地开展辽河流域水环境承载力评估，实现辽河流域水环境保护目标，缓解辽宁省水环境压力，促进辽宁省可持续发展具有重要意义。

1 水环境承载力的发展与概念辨析

承载力一词最早出自生态学[1]。20世纪中后期，随着工业经济的迅速发展，人类开始意识到自然资源是有限的，国外学者率先针对资源环境问题进行了探索。福格特[2]在《生存之路》一书中针对资源环境过渡开发现象提出了区域承载力概念。1985年，联合国粮农与教科文等组织提出资源承载力概念[3]。由此，资源承载力成为承载力研究的主要发展方向。在人类面临资源短缺的同时，环境问题也日趋突出。随着人类对环境问题认识的不断深入，环境承载力概念被提出。中国的人均水资源量仅为世界平均水平的14，水作为支撑人类社会发展的关键要素，有关其承载力的研究备受关注[4-6]。根据指标体系的设置方向，我国对水环境承载力的前期研究大致可分为3个阶段：水资源承载力阶段、水环境承载力阶段和水生态承载力阶段。

1.1 水资源承载力

20世纪80—90年代，我国集中对水资源承载力进行研究，早期研究对象多为干旱或半干旱地区。其定义可以概括为在不破坏社会和生态系统时最大可承载的农业、工业、城市规模和人口水平[7]，即水资源最大开发容量，在这个容量下水资源可以自然循环和更新，同时不会造成环境的恶化[8]。后期研究于2004年引入可持续发展理论。

1.2 水环境承载力

20世纪90年代，学者们将研究重点转移到水环境承载力。水环境承载力分为广义承载力和狭义承载力。广义承载力是指以可持续发展为原则，以维护生态环境良性发展为条件，在水资源得到合理的开发利用下，能支持该地区人口增长与经济发展的最大能力[9]，主要指能承受的社会经济发展的最大能力；狭义承载力是指水体在满足人类社会和生态环境用水功能、水环境功能不朝恶性方向转变的前提下所能容纳的各种污染物的阈值[10-11]，主要强调水体的纳污能力。目前广义水环境承载力的概念为多数学者所认可。

1.3 水生态承载力

21世纪初期，水生态承载力和水环境容量开始得到人们的广泛关注。水生态承载力可以定义为水生态系统在满足自身健康发展和水生态功能区水质目标的前提下，生态子系统所能持续支撑人类社会经济发展规模的阈值[12-13]。董飞等[14]提出了流域水环境容量计算方法，并以太子河流域为例进行实例研究。随着研究的深入，众多学者逐渐认识到水环境承载力如果仍停留在单纯考虑水资源、水环境、水生态某单一方向指标的阶段，已经不足以支撑流域区域水环境管理应用。十八大报告的生态文明建设战略[15]部分对水环境承载力提出了新的要求，推动水环境承载力研究向更综合、更系统、更科学的方向发展。

2 基于“三水”内涵的水环境承载力提出

许多学者都对水环境承载力进行了研究。水环境承载力涉及的要素包括水资源、水环境、水生态3个方面，三者的概念不统一，研究方法也不尽相同。每位研究者仅针对自己所研究的流域进行定义，导致不同流域水环境承载力的概念内涵不同，水环境系统的功能特性以及区域特性并不能同时充分体现。此外，即使在相同的概念中，承载力的量化标准也有所不同，当前主要以可支撑人口、经济发展规模阈值、科学技术水平等进行表征，没有全面科学地量化承载力。因此需要重新界定水环境承载力的概念。

目前，我国水环境管理已从水质目标为主转向水量、水质、水生态的综合管理，因此，对水环境承载力提出了更为明确和综合的要求。《重点流域水生态保护“十四五”规划》[16]提出要坚持目标导向，突出水资源、水生态、水环境(“三水”)统筹，分别以保障生态流量、维护河流生态功能需要和有针对性地改善水环境质量为重点进行突破。“水十条”也提出以改善水环境质量为核心，对江河湖海实施分流域、分区域、分阶段的科学治理，系统推进水污染防治、水生态保护和水资源管理，建立水环境承载能力监测评价体系，实施承载能力监测预警的要求。

以“水资源、水环境、水生态”复合关系为基础，将水环境承载力内涵进行统筹考虑，以水环境质量为核心，兼顾水资源利用、水生态影响。最终界定统筹“三水”的水环境承载力定义为：水体在同时满足水资源承载力、水环境承载力与水生态承载力的条件下，能够承载的社会、经济、人口发展规模的阈值。

基于“三水”内涵的水环境承载力主要包括：水资源承载方面，考虑某一地区的地表和地下水资源在保证正常的社会物质生活水平下，供给工农业生产、生态环境保护等用水的最大能力，以及水资源所能持续供养的人口数量，其内涵主要包括水资源禀赋、水资源利用；水环境承载方面，考虑在某一时期、某一环境质量要求、某种状态或条件下，某流域区域水环境在自我维持、自我调节的能力和水环境功能可持续正常发挥的前提下，所支撑的人口、经济及社会可持续发展的最大规模，也就是通常所说的水环境容量，其内涵主要包括水环境纳污和水环境净化；水生态承载方面，考虑在一定历史阶段，特定流域自然水生态系统健康不受损害的前提下，根据该阶段的经济效率和社会配置，复合水生态系统所能承载的人类社会最大经济总量和人口数量，其内涵主要包括水体生境提供和水生生物栖息。

图1 水环境承载力系统结构Fig.1 Structure for water environmental carrying capacity system

3 辽河流域水环境承载力指标体系构建

3.1 辽河流域概况

辽河流域有两大水系。辽河水系由东、西辽河于福德店汇流成辽河干流，经双台子河由盘山入海,干流长516 km；大辽河水系由浑河、太子河于三岔河汇合而成，由营口入海，干流长94 km。辽河流域主要有铁岭、沈阳、鞍山、盘锦、抚顺、阜新和锦州等7市的21个县(市、区)。流域内资源丰富、人口密集、城市集中、工业发达、交通方便，是我国重要的工业、装备制造业、能源和商品粮基地，在东北乃至全国的经济建设中占有极为重要的地位。

辽河流域地处中纬度地区，四季寒暖干湿分明。流域多年平均降水量为300～1 000 mm，人均水资源量低于全省平均水平。辽河流域多年平均总用水量中，城市和农村生活用水、工业用水、农林牧渔业用水分别占总用水量的10.40%、23.38%和66.22%。值得注意的是，在总的用水量中几乎没有生态环境用水量。2018年，辽河水系21个国控断面中，全指标考核断面达标率仅为52.38%。辽河干流断面生物多样性指数介于中污染和重污染之间。辽河流域断面检出藻类140余种，以硅藻门居多，检出底栖动物140余种，以节肢动物最多。

3.2 指标体系构建流程

图2 辽河流域水环境承载力指标体系构建流程Fig.2 Construction process of water environmental carrying capacity index system in Liaohe River Basin

指标体系构建是水环境承载力评估与预警技术的关键。根据水环境承载力最新内涵，围绕水资源承载力、水环境承载力与水生态承载力关系服务功能特性，统筹考虑水资源禀赋和利用、水环境纳污和净化、水体生境提供和水生生物栖息等水环境承载力内部相互作用关系，构建相应的指标体系，以期为未来水环境承载力量化评估和分级预警奠定基础。具体构建流程如图2所示。

3.2.1基础调研

通过文献调研、实地调查、与相关管理部门对接相结合的方式，获取相关数据。1)文献调研：系统查阅了1993—2017年的311篇承载力相关期刊文献，其中水资源承载力相关文献占74.6%，水环境承载力相关文献占21.9%，而水生态承载力相关文献仅占3.5%。2)实地调查：赴铁岭、沈阳、鞍山、盘锦、抚顺、阜新和锦州等市，针对社会经济、水资源、污染源、水文数据、土地覆盖等类型数据开展实地调查。3)与管理部门对接：与省、市级水环境管理部门召开座谈会，针对现有水环境管理需求进行对接，获取水域纳污率、水质断面达标率、生态流量保证率等指标。通过基础调研，收集了413个备选指标，形成基础资料指标库。

3.2.2依据原则

基于基础资料数据库，遵循全面性、科学性、区域性、可比性、易量化性等原则[17]构建指标体系。1)全面性原则。水环境承载力是人类—社会—水环境的复杂系统，其评价的指标体系要全面地反映水环境承载力的内涵，不能片面强调评价某一方面。只有遵循全面性原则，才能使评价工作更科学、准确。2)科学性原则。构建科学的指标体系，在正确的理论依据指导下，选取的指标要既能正确表达基本概念，又能严谨、合理地表达评价对象的客观性质。只有保证指标的科学性，才能将水环境承载力的客观实际描述得更清楚、更符合实际。3)区域性原则。不同区域之间水环境承载力在不同空间、时间上具有较大的差异性，这种差异很大程度上决定了区域之间在水环境承载力上的不同，建立指标体系时应包含反映这种区域特色的指标，尽可能反映区域间的差距。只有保证区域性，才能在衡量区域之间水环境承载力时充分体现各地优势，达到对环境有效保护的目的。4)可比性原则。水环境承载力指标应适合在不同时间、不同空间使用。因此，指标体系选择时，应尽量使用在时间、空间上都能直接做比较的指标，以利于潜在结果的发现。5)易量化性原则。无法定量的指标缺少具体细致的评价标准，在实际评估操作中存在困难。因此，选择的指标要清晰、简单，在一定的时期内稳定，可操作性强，易评估。保证指标的易量化性，是进行水环境承载力评价的关键。

3.2.3框架设计

承载力指标框架多采用多层级形式，依据文献调研，主要分为目标—准则—指标层级框架[18-19]、驱动力—压力—状态—影响—响应(DPSIR)概念框架[20-21]。综合考虑2种指标框架的优缺点、实用性以及文献所占比重，选用目标—准则—指标层级关系框架建立水环境承载力指标体系。其中，目标层为水环境承载力；准则层为水环境、水生态、水资源承载力3个方面，分别用水环境纳污、水环境净化、水体生境、水生生物、水资源禀赋、水资源利用6个子项表征。

3.2.4指标初选

在确定的准则层框架下，围绕水环境纳污、水环境净化、水生生境、水生生物、水资源禀赋、水资源利用6个方面，对基础数据指标库进行筛选，获取相应初选指标。为避免出现重复指标或指标间出现重复信息，利用Excel中countif函数与Pearson进行分析，对413个备选指标进行频度分析及冗余剔除处理，将筛选后得到的指标作为构建指标体系的初选指标。其中频数大于2的指标如表1所示。频数分析后，去掉35个重复指标，备选指标数减为378个。

以工业增加值排污强度指标为例做的指标相关冗余分析如表2所示。由表2可知，备选指标中工业GDP、工业GDP增加值、工业GDP增加率、单位工业GDP的COD排放量、城镇人口、地表水供水量、地下水供水量、万元工业增加值用水量均与工业增加值排污强度存在显著的相关性。因此，表2中指标只保留工业增加值排污强度入选初选指标。

依据频度和冗余分析结果，最终保留了44个指标作为初选指标，其中水环境纳污相关指标包括工业增加值排污强度、农业增加值排污强度、第三产业排污强度、水域纳污率、固定源排放量允许排放量达标比率、万元GDP排污强度、固定源在线监测达标率、农田径流COD入河量、工业COD总排放量、工业污水直排COD排放量等；水环境净化相关指标包括断面水质达标率、优良水质(GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类及以上)比例、枯水期断面水质达标率、重要水功能区水质达标率、断面水质年达标率、断面水质在线数据达标率等；水体生境相关指标包括植被覆盖率、生态流量保证率、河岸带植被覆盖率、水域面积指数、林草植被覆盖率、河流纵向连通性指数等，水生生物相关指标包括生物多样性指数、鱼类完整性指数、大型底栖动物BI指数等；水资源禀赋相关指标包括人均水资源量、水资源模数、年降水量、枯水期水资源模数差异率、水资源开发利用率、水资源可利用量、地表水资源量、地下水资源量、地表水开发程度等；水资源利用相关指标包括万元工业增加值用水量、万元农业增加值用水量、农田灌溉水有效利用系数、枯水期径流量比率、万元GDP用水量、人均用水量、单位面积灌溉用水量、降水变异系数、水资源开发利用率、用水总量控制红线达标率等。

表1 辽河流域水环境承载力部分指标频数

表2 辽河流域工业增加值排污强度指标相关冗余分析

3.2.5指标体系

基于初选指标，兼顾指标科学性、可比性、易量化性等选取原则，结合国家“三线一单”(生态保护红线、环境质量底线、资源利用上线和生态环境准入清单)管控需求，国家水环境承载力试点方案要求，地方应用验证以及生态、水利、环境多领域专家经验判断，精选得到17个水环境承载力推荐指标。最终构建提出辽河流域水环境承载力推荐指标体系，包括6个水环境类指标、6个水生态类指标和5个水资源类指标(表3)。

表3 辽河流域水环境承载力推荐指标体系

后续研究将结合辽河流域各控制单元差异性和特点，对指标体系的指标进行适当调整，并计划选择不同特点的控制单元(如以点源为主的控制单元、以面源为主的控制单元、饮用水功能区控制单元)进行水环境承载力计算。

4 展望

4.1 辽河流域水环境承载力理论体系亟待完善

长期以来由于对水环境承载力概念内涵认识不清、量化标准不一，导致水环境承载力研究缺乏统一的科学基础。考虑水环境承载力的系统性、科学性、实用性等特征，未来急需完善并搭建科学统一的“水环境承载力内涵—指标体系—量化评估—分级预警—情景调控”辽河流域水环境承载力理论体系，用以开展水环境服务与人类社会活动间相互作用机制研究。

4.2 辽河流域水环境承载力评估预警体系尚待建立

水环境承载力评估预警对转变流域污染控制管理方式、指导制定辽河流域水环境管理中长期战略具有重要应用价值。未来需要针对辽河流域典型优控单元污染治理模式需求，在理论方法探索和实用技术研发的基础上，建立典型优控单元的水环境承载力评估预警模型，确定典型优控单元的预警线和响应线，与管理部门业务进行有机衔接，为政府决策提供科学依据。

5 结语

回顾了水环境承载力的历史发展进程，开展了水环境承载力的概念辨析；根据新时期对水环境承载力的要求，提出了基于“三水”内涵的水环境承载力概念，并以辽河流域为例构建了围绕“三水”内涵的水环境承载力指标体系。研究成果夯实了辽河流域水环境承载力理论基础，有望为辽河流域水环境承载力的定量评估提供支撑，推动辽河流域水环境承载力分级预警的建立。在后续研究中，应紧密结合流域水环境管理工作的实际需求，继续探寻辽河流域控制单元水环境承载力的优化途径，有效支撑流域水环境管理方案制定，促进经济社会与水资源、水生态、水环境相协调，最终实现流域的可持续发展。