邛海流域水环境承载力分析与调控对策

李 新， 石建屏， 单倩倩， 罗 珊， 史 科

(1. 绵阳师范学院资源环境工程学院，四川绵阳621000；2.绵阳职业技术学院材料工程系，四川绵阳621000)

水环境承载力(water environment carrying capacity,WECC)指某流域内水环境维持自我调节能力和发挥正常功能的前提下，所能够承载的社会经济发展的最大能力[1-2]。随着社会经济的发展，水环境污染、水资源短缺成为制约可持续发展的重要因素。我国水资源存在地域分布不均、水环境质量表现参差不齐、社会经济发展不平衡等特点，城市水环境污染负荷增加，水体富营养化趋势明显，水环境承载力下降尤为突出。定量评估流域内水环境承载力，合理利用水资源、有效控制水污染，科学调配水资源、保障水质量是城市发展中亟待解决的问题。

邛海是长江上游四川省境内第二大高原天然淡水湖，属近郊型半封闭型湖泊，是西昌卫星发射基地、城区工农业生产以及居民生活饮用水的水源地，也是国家级风景名胜区和最大的城市湿地公园。流域水体具有市政供水、工农业用水、水产养殖、旅游景观、气候调节等多种功能，是长江上游重要的生态屏障和水源涵养地。近年来，城市规模的急剧扩张、旅游业的快速发展，给生态环境带来了巨大压力，面临着水环境污染与水资源短缺的双重问题。部分学者运用相关分析、指数评价等方法研究邛海湖泊水体污染和富营养化问题，表明流域内水环境承载力存在严重不足[3-9]。笔者选择邛海流域社会经济发展的水环境承载力作为内容，构建水环境承载力指标体系及计算模型，并应用层次分析(AHP)法与指数评价法，测算2013—2017年流域水环境承载力，提出水环境保护和水资源利用的调控对策，以期为社会经济发展规划、生态环境保护和水资源可持续利用提供科学支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

邛海位于四川省凉山彝族自治州的西昌市境内，地理位置在东经102°15′～102°18′，北纬27°42′～27°55′之间，海拔为1510 m，南北长11.5 km，东西宽5.5 km，周长为35 km，水域面积为34 km2；湖水平均深度为14 m，蓄水量为3.2×108m3；水位变幅小，流域面积为307 km2；属长江干流金沙江支流雅砻江支流安宁河。地处四川西南部低纬度、高海拔地区，属于中亚热带高原山地气候；全年有326 d的晴朗天气，年均气温为17.5 ℃；年降雨量为1 004.4 mm，年均蒸发量为1945 mm；年均径流量为1.473×108m3；6—10月为丰水期；邛海湖汇入河流主要有鹅掌河、小青河和官坝河，流出河流只有海河，经海河流入安宁河[10-13]。西昌市邛海流域地理位置如图1所示。

图1 西昌市邛海流域地理位置Fig.1 Geographical location of Qionghai Lake basin in City Xichang

2017年西昌市人口为66.84万人，城镇化率为58.92%；国民生产总值(GDP)为481亿元，第三产业占51.67%，全年旅游总收入达205亿元。邛海入湖河流鹅掌河、小青河监测断面水质均达到Ⅱ类，官坝河符合Ⅲ类水质；邛海湖为Ⅱ类地表水、中等营养，生活饮用水水源达标率为100%。邛海出湖河流海河上游水质为Ⅲ类，下游均为劣Ⅴ类，主要污染物分别是总磷(TP)、总氮(TN)和化学需氧量(CODMn)。城镇化率呈现逐渐上升趋势，农业人口仍占较大比重；GDP呈上升趋势，旅游收入占近一半，林业用地和农业耕地面积无明显变化，旅游业是社会经济发展的推动力。

1.2 水环境承载力指标体系

水环境承载力指标体系由水质量和水资源2个子系统构成，见图2。水质量承载力(water quality carrying capacity，WQCC)指水体不发生富营养化和满足水质量要求条件下的承载能力，水资源承载力(water resource carrying capacity，WRCC)指适应社会经济发展和满足生态环境需水条件下的承载能力。水质量子系统包含富营养化指标(TN、TP)、化学污染指标(CODMn)，水资源子系统包含社会指标(人口)、经济指标(灌溉面积和GDP)。水环境承载力系统分3个层次：目标层(A)有1个元素，领域层(B)有2个元素，指标层(C)有6个元素[14-15]。

图2 水环境承载力指标体系Fig.2 Index system of water environment carrying capacity

1.3 水环境承载力计算模型

水质量、水资源指标层中各单项压力指数：

(1)

式中：Pi为第i个指标的压力指数，i为CODMn、TN、TP、人口、灌溉面积、GDP等指标；Ci为第i指标的监测值；Cmax,i为第i个指标的标准限值。

水质量、水资源承载力和水环境承载力计算公式为：

(2)

(3)

WECC=WRCC·wL+WQCC·wZ

(4)

式中：wi为第i个指标的权重；wZ、wL为分别为水质量、水资源承载力的权重。

水环境承载力≤1，表明流域水环境处于承载能力之内；水环境承载力>1，流域水环境超出承载能力；值越大，流域水环境承载压力越大[14-15]。

1.4 层次分析法确定权重

1.4.1 构造判断矩阵

分别为水环境承载力(A)、水资源承载力(B1)、水质量承载力(B2)判断矩阵[14-15]。

1.4.2 权重系数计算

采用归一化方法计算各判断矩阵的特征向量矩阵，系统各层次的指标权重系数见表1。

表1 水环境承载力指标体系权重系数Tab.1 Weights of the indexes of WECC

1.4.3 一致性检验

计算各矩阵CR得到：CR(A)=0.000 0<0.1，CR(B1)=0.022 0<0.1，CR(B2)=0.001 9<0.1。说明判断矩阵A、B1和B2的一致性可以接受，权重分配合理。

1.5 数据来源

2013—2017年西昌市邛海流域社会经济、地表水质量数据来源于《凉山州环境质量状况公告》、《西昌市国民经济和社会发展统计公报》；按3.2×108m3平均蓄水量计算；采用《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中Ⅱ类水质限值，即CODMn为4 mg/L，TN 为0.5 mg/L，TP为0.025 mg/L；社会经济指标采用《全国生态示范区建设试点考核验收指标》中Ⅰ类用水量标准，即人均用水为427 m3/cap，水田为4 500 m3/hm2(旱地为3 000 m3/hm2)，万元GDP为200 m3。

2 结果与分析

根据式(1)计算2013—2017年邛海流域水环境系统中水资源、水质量承载的压力指数，如图3和图4所示。由公式(2)～(4)和表2，计算2013—2017年水资源、水质量和水环境承载力，如图5所示。

2.1 水资源承载力动态特征

由图3可知，每年灌溉面积的压力指数均小于1，说明流域内农业种植生产用水量未超出流域水资源承载能力。人口的压力指数逐年增长，2015年开始大于1，常住人口总量超过生态环境承载能力。GDP的压力指数从2013年的2.33快速增长到2017年的3.01，经济快速发展面临着巨大的水资源超载压力并逐年上升，水资源短缺可能成为邛海流域经济增长和社会发展的长期制约因素。

2.2 水质量承载力动态特征

由图4可知，TP的压力指数呈波动式增长，从2.00增长到3.20，2015年达到最高值3.60，说明流域内TP浓度较高是邛海湖富营养化的潜在影响因素。TN的压力指数数逐年增长，从2013年的1.98增长到2017年的2.84，其对水质量的影响程度仅次于TP。CODMn压力指数在0.59～0.55之间呈小幅度下降趋势，有机污染指标与富营养化指标相比对水质量的影响没有超载。

图3 2013—2017年邛海流域水资源承载的压力指数Fig.3 Pressure index of WRCC in Qionghai basin from 2013 to 2017

图4 2013—2017年邛海流域水质量承载的压力指数Fig.4 Pressure index of WQCC in Qionghai basin from 2013 to 2017

2.3 水环境承载力动态特征

由图5可知，水环境承载力全部大于1，由1.58增长到2.19。水质量与水环境承载力变化规律趋同，由1.71增长到2.53。水资源承载力呈逐年上升趋势，由1.32增加到1.52。表明邛海流域内人口承载超标，经济压力增长显著，富营养化指标TP、TN压力高且波动大。相对而言，水质量对水环境承载力的影响程度比水资源更大。控制流域含磷、含氮污染物质的排放，防止湖水出现富营养化是长期而艰巨的任务。

图5 2013—2017年邛海流域水环境承载力Fig.5 WECC in Qionghai basin from 2013 to 2017

3 讨论

3.1 水环境调控对策

随着邛海流域人口不断增加，城镇化率提高，居民生活用水量持续增长。近年来，西昌市经济得到了快速增长，2017年第三产业GDP超越第二产业，旅游成为经济发展主导产业。经济增长造成的水资源短缺问题，是制约社会经济可持续发展的重要因素。环湖农业排水、生活污水、工业废水中的污染物是邛海湖水体的主要污染源，特别是沿岸农业种植、养殖业以及旅游业产生的磷和氮营养物质，是导致湖泊富营养化的潜在风险问题。2017年入湖主要河流鹅掌河、小青河、官坝河监测断面水质控制为Ⅲ类地表水标准，与邛海湖水域Ⅱ类地表水要求相差1个等级，增大了流域内水环境质量压力。

按照Ⅱ类地表水功能区标准和Ⅰ类生态示范区建设考核指标，理论测算邛海流域内人口最大承载力为75.1万人，经济最大规模为160亿元，邛海湖TP最大容量为8 t，TN为160 t；2017年邛海流域实际承载量：人口为77.7万人，GDP为481亿元，TP为26 t，TN为454 t；超标倍数排序为TP(3.20)>GDP(3.01)>TN(2.84)>人口(1.04)，流域水质量对水环境承载力的影响作用大于水资源。

依据研究制定区域社会经济发展规划和生态文明城市建设中的水环境保护管理、水资源开发利用的对策，首先严格控制入湖河流沿岸农业种植和养殖产生的面污染，减少排入河流和湖泊的TP、TN总量；二是继续优化产业结构，积极发展旅游产业；三是适度控制人口规模，稳步推动城镇化进程。

3.2 水环境调控措施

邛海流域的湿地是国家生态旅游示范区，为了进一步加强邛海流域水资源管理，更好地保护好饮用水源地，提高水环境承载力，保障生态环境良性循环和社会经济可持续发展，建议采取如下主要措施。

① 优化配置，科学调度，合理利用水资源；转变邛海流域内水资源消费结构，发展生态绿色农业，鼓励工业循环用水，倡导居民节约用水。开展邛海流域生态修复工程，恢复入湖河口湿地、保护湖周天然林，形成湖泊生态安全屏障。

② 实施邛海入湖河流治理工程，建设生态环境监测系统，科学管理入湖河流排污口，实施污水排放总量控制，强化环境督查和执法力度，保障饮用水源安全，逐步实现入湖河流监测断面水质满足Ⅱ类地表水标准。

③ 调整邛海湖周边乡镇农业生产结构，大力发展生态农业和绿色农业。削减农业化肥施用总量，防治农村人畜粪便污染，建设生活污水处理设施，完善排水管网工程，实现农村生活污水和垃圾的同步处理，确保地面径流清水入湖。

4 结论

① 邛海流域水资源承载能力超过载荷，GDP呈现出超标承载，压力指数由2.33增长至3.01，经济增长是水资源承载压力逐年上升的主要原因。人口压力指数逐年增长，2015年出现水资源承载超标；灌溉面积的压力指数每年小于1，在水资源承载能力范围内。流域内人口承载量为75.1万人，经济规模(GDP)理论值为160亿元，西昌市社会经济发展重点为调整产业结构，优化发展模式，积极发展对水资源依赖性比较小的旅游业，同时在城镇化进程中适度控制常住人口总量。

② 邛海流域水质量承载能力超过载荷，TP、TN均呈超载状态，TP压力指数表现为高负载下波动式增长，由2.00增长到3.20，2015年达到最高3.60；TN压力指数数逐年增长，对水质量的影响程度低于TP，水体TP、TN浓度较高是湖富营养化的潜在影响因素。有机污染指标CODMn压力指数在0.59～0.55呈小幅度下降趋势。邛海湖TP水环境容量为8 t，TN水环境容量为160 t。应严格管控邛海湖周边入湖河流水质，实施截污治污工程，建设生活污水处理厂，发展绿色生态农业，保障入湖河流水质达到Ⅱ类地表水标准。

③ 邛海流域水环境承载力均超过1，并呈现出逐年上升趋势；人口承载超标，经济压力显著增长，富营养化指标TN、TP呈现高负荷波动状态。结果表明邛海流域水质量对水环境总承载力的影响作用比水资源更大，是制约社会经济可持续发展的主要因素。建议采取严格控制流域上游及环湖周边污染源排污总量的措施，支持积极发展旅游业和生态农业作为经济增长的持续动力，为生态文明城市和国际休闲旅游地的建设奠定良好的基础。