辽河流域控制单元水环境承载力评估研究——以招苏台河铁岭市控制单元为例

朱悦

（辽宁省生态环境保护科技中心，辽宁沈阳 110161）

1 引言

辽河流域水污染“摘帽”后，流域水环境污染治理由集中治理阶段逐步向改善阶段迈进。目前，《重点流域水生态保护“十四五”规划》提出要突出水环境、水生态、水资源“三水”统筹。因此，为促进辽河流域生态环境保护和经济社会发展相协调，亟须以基于水环境、水生态、水资源内涵的水环境承载力为抓手，系统评估诊断辽河流域水环境承载现状，为促进辽河流域可持续发展、助推辽宁区域生态文明建设提供技术支撑。

2 研究背景

承载力是衡量人类活动与自然生态环境相互关系的科学概念［1-2］，最早出自生态学［3］。我国对水环境承载力的前期研究，根据研究方向大致分为水资源承载力、水环境承载力和水生态承载力3 个阶段，但众多学者对水环境承载力仅停留在针对水资源、水环境、水生态要素的某一要素开展研究［4-10］。

党的十八大报告中的生态文明建设战略对水环境承载力提出了新的要求，即基于水资源—水环境—水生态复合系统的研究将被更加全面综合地用于评价流域水环境承载力。同时，“十三五”以来，为了尊重流域生态系统完整性，国家通过对流域控制单元的划分，建立了水资源、水环境、水生态统一的流域水生态环境功能分区体系，实现“山水林田湖草”一体化的管理目标。

当前，辽河流域水环境承载力研究基础相对薄弱，前人仅从流域尺度针对水资源［11］、水环境［12］、水生态［13］单方面进行了初步探索，未在控制单元尺度上综合全面评估其水环境承载力。因此，为全面诊断辽河流域典型控制单元水环境状况，本研究以“水资源、水环境、水生态”复合关系为基础，采取目标—准则—指标层级关系框架构建“三水”内涵的水环境承载力评估指标体系（见图1），结合主客观赋权综合法，提出水环境承载力评估及指标贡献量化方法，系统评价辽河流域典型控制单元水环境承载力状态及关键影响因素，以期为未来流域环境综合保护治理及流域水环境与经济社会协调发展提供指导。

图1 水环境承载力系统结构

3 水环境承载力评估

3.1 研究区概况

招苏台河铁岭市控制单元位于辽宁省北部，其所在县昌图县是辽宁省农业大县，全国最大的粮食生产基地和畜禽生产加工基地之一。该单元内包含辽河一级支流招苏台河，二级支流条子河、小南河、新开河、二道河、小河子河。其中，招苏台河发源于吉林省四平市山区，流经辽宁省昌图县汇入辽河干流，在控制单元内河长158 km，流域面积872 km2。招苏台河主要接纳昌图县境内工业污水、城镇生活污水和农田施用化肥造成的面源污染，同时还接纳吉林省四平市内条子河汇入的工业与生活污水。

根据《铁岭市环境质量报告》，2016 年招苏台河通江口断面（该控制单元国控监测断面）水质符合Ⅴ类水质标准，2017—2019 年断面水质为劣Ⅴ类。条子河自2015 年以来水质持续为劣Ⅴ类。招苏台河流域多年平均降水量为300～1 000 mm，人均水资源量低于辽宁省全省平均水平。招苏台河流域生物多样性指数介于中污染和重污染之间。

3.2 数据收集和调查

本研究数据来源包括历史统计资料和现场调查数据。通过数据收集，获得系列统计资料，包括昌图县统计年鉴、水资源公报、环境统计数据、社会经济年鉴、流域土地利用数据和各类断面水质监测数据等。2019 年7 月，对招苏台河、条子河、二道河开展了水质和水文补充监测调查，在招苏台河干流及主要支流布设9 个采样点，见表1。监测样品采集、保存和运输、监测等均按技术规范［14］进行。

表1 招苏台河铁岭市控制单元补充监测点位分布

3.3 评估方法

基于辽河流域控制单元的水环境特征，本文采取目标—准则—指标层级关系框架建立其水环境承载力指标体系，并结合主客观赋权综合法确定各指标权重及该控制单元的水环境承载力评估指数。

3.3.1 指标体系构建

指标体系构建是水环境承载力评估的关键。根据水环境承载力最新内涵，围绕水环境承载力、水生态承载力与水资源承载力关系服务功能特性，统筹考虑水环境纳污和净化、水生态生境提供和生物栖息、水资源禀赋和利用等水环境承载力内部相互作用关系，按照“基础调研—框架设计—指标初选—指标精选”，构建辽河流域水环境承载力指标筛选流程。具体构建流程如图2 所示。

图2 辽河流域水环境承载力指标构建流程

最终，基于辽河流域水环境特征，兼顾指标科学性、易量化性、可比性等选取原则，结合国家“三线一单”管控需求以及多领域专家经验判断，构建了“水环境承载力目标层—水环境、水生态、水资源承载力准则层—17 个代表性评估指标”的辽河流域水环境承载力3 级指标体系，见表2。

表2 辽河流域水环境承载力评估指标体系及权重

3.3.2 指标赋分赋权

通过对招苏台河铁岭市控制单元进行区域调查、历史数据收集和指标分析计算，获得各评估指标值。采用“层次分析法+熵值法”主客观综合赋权法分别计算权重，并对主客观权重进行1∶1 的比例分配，将决策人员的主观意志与决策问题的客观实际有机结合，最终确定综合权重值。结果见表2。

3.3.3 水环境承载力计算

3.3.3.1 水环境承载力评估

水环境承载力评估是根据各指标层指标赋分和权重值，由评估指标—表征指标—准则层自下而上逐层开展综合评估，具体步骤如下：

（1）计算表征指标值

式中，Bij为第i 个准则层中第j 个表征指标值的分值；Pijk为第i 个准则层的第j 个表征指标中第k 个评估指标的分值；Wijk为第i 个准则层的第j 个表征指标中第k 个评估指标的权重；n 为第j 个表征指标中包含评估指标的个数。

（2）计算各准则层分值

式中，Zi为第i 个准则层的分值；Wij为第i 个准则层的第j 个表征指标的权重；m 为第i 个准则层下包含表征指标的个数。

（3）计算水环境承载力评估指数（WECCI）

式中，Wi为第i 个准则层的权重。

（4）等级评价

WECCI 是处于0～1 范围内的数字。当评估指数越接近1，表明水环境承载运行状态处于越安全的理想状态；而评估指数越接近0，则表明水环境承载运行状态处于越危险的超载状态。

参照2017 年9 月中共中央办公厅、国务院办公厅印发的《关于建立资源环境承载能力监测预警长效机制的若干意见》及相关文献，将水环境承载力状态分为5 级：最佳承载、安全承载、临界承载、超载和严重超载，相应承载区间及对应级别颜色见表3。

表3 控制单元水环境承载力评估级别划分及显示

3.3.3.2 指标贡献量化

为明确各评估指标对WECCI 的贡献，提出指标贡献定量计算方法：

GXijk＝Pijk×Wijk×Wij×Wi

式中，GXijk为第i 个准则层的第j 个表征指标中第k个评估指标对WECCI 的贡献值。

4 结果与分析

4.1 目标层承载状态

以控制单元COD 作为污染物，开展其承载力评估计算，结果如图3 所示。招苏台河铁岭市控制单元COD 的WECCI 分值介于0.175 0～0.530 2 之间，平均值为0.334 7，总体上呈超载状态。

图3 2012—2018 年招苏台河铁岭市控制单元水环境承载力评估等级（以COD 为污染物）

由图3 可见，招苏台河铁岭市控制单元2012—2018 年间，2013 年水环境承载力最优，WECCI 分值为0.530 2，评估等级为黄色临界承载状态；2015 年水环境承载力最差，WECCI 分值为0.175 0，评估等级为红色严重超载状态；2015 年后WECCI 分值虽略有提升，但仍为橙色超载状态。

4.2 准则层承载状态

2012—2018 年招苏台河铁岭市控制单元水环境承载力准则层分值变化趋势（以COD 为污染物）见表4。

表4 2012—2018 年招苏台河铁岭市控制单元水环境承载力准则层分值变化趋势（以COD 为污染物）

对招苏台河铁岭市控制单元水环境承载力各准则层分值进行计算，发现水环境准则层平均评估分值最高，为0.152 0，对WECCI 贡献率为43.65%；水生态准则层平均评估分值最低，为0.073 0，对WECCI 贡献率为24.92%；水资源准则层平均评估分值为0.109 7，对WECCI 贡献率为31.43%。

4.3 指标贡献定量分析

招苏台河铁岭市控制单元水环境承载力各指标占比变化趋势（以COD 为污染物）见表5。

表5 招苏台河铁岭市控制单元水环境承载力各指标占比变化趋势（以COD 为污染物）

招苏台河铁岭市控制单元水环境承载力各评估指标对WECCI 平均贡献率为5.88%。其中，贡献率排在前3 位的指标分别为万元工业增加值用水量、水域纳污率、农业增加值排污强度，3 个指标的贡献率之和达到29.36%。贡献率排在后4 位的指标分别是第三产业增加值排污强度、大型底栖动物BI 指数、生态流量保证率、河流纵向连通性指数，4 个指标的贡献率之和仅为8.67%。

综合计算6 个表征指标贡献率，得出水环境纳污贡献率最高，为32.83%；其次是水生生境，为20.26%，贡献率最低的为水生生物，仅占4.21%。

三大准则层对WECCI 综合贡献率排序为水环境（38.78%）＞水资源（36.76%）＞水生态（24.47%）。

4.4 分析与讨论

（1）招苏台河铁岭市控制单元水环境承载力近年来呈超载状态，WECCI 值介于0.175 0～0.530 2 之间。

（2）招苏台河铁岭市控制单元水环境准则层评估分值较高，控制单元内环境纳污与治理情况良好；而水生态准则层评估分数最低，水生生物完整性是制约该控制单元水环境承载力的关键因素；同时，水资源禀赋（水资源开发利用率）、水资源利用（万元GDP 用水量）、水生生境（生态流量保证率、河流纵向连通性指数等）等表现不佳，也限制了招苏台河水环境承载力的提升。

（3）水资源准则层评估分值在2013 年后下降明显，其原因是招苏台河流域在2013 年后降雨量大幅减少，甚至出现干旱情况。面对流域水资源禀赋条件薄弱和降水减少的压力，未来该控制单元势必面临更加严峻的水资源短缺问题。

（4）为提高流域水生态系统生物完整性，应改变农业耕作、超载放牧、毁林开荒等破坏行为，有效提升控制单元植被覆盖度、释放水生态空间，恢复流域水文调节功能及水生生物群落生存和繁衍。

（5）为提高流域水资源供给服务能力，应使水资源开发与经济社会发展相协调，加强节水型社会建设，全面优化用水结构，同时开展农业结构调整，推广绿色节水农业技术。

5 结语

以招苏台河铁岭市控制单元为研究对象，以目标—准则—指标层级关系框架建立水环境承载力指标体系，结合主客观赋权综合法确定指标权重及水环境承载力评估指数，从“水环境—水生态—水资源”3 个准则层六大表征方面系统评估承载力状态，并识别影响承载状态的关键因素，其使用的评估技术具有科学性和实用性。

下一步研究将运用模糊数学法对水环境承载力进行预警，并根据预警结果全面制定控制单元的承载力提升方案，完成“水环境承载力指标体系—量化评估—分级预警”辽河流域优控单元水环境承载力体系的搭建，助力辽宁地区水环境可持续发展。