抚顺市水生态承载力评价

郭 丽

（抚顺市水利勘测设计研究院有限公司，辽宁 抚顺 113008）

随着城市建设空间规模的扩大和城镇化进程的加快，抚顺市水资源短缺矛盾日趋突出，特别是“大伙房水库输水工程”的建成引入大量水资源，在形成许多人工景观的同时也产生水环境、水生态等一系列问题，对城市发展和水生态健康造成严重影响[1-3]。因此，研究与评价抚顺市水生态承载力及其变化规律，对促进水生态系统与城市建设的协调发展具有重要意义。

目前，针对抚顺市承载力的有关研究主要侧重于水环境或水资源的单一要素，全面考虑水生态、水安全、水资源、水环境等因素系统分析水生态健康状况的研究较少[4-8]。抚顺市位于辽宁省东部，其特殊的地理环境及气候条件与干旱缺水地区存在明显差异，城市与流域水生态特点也有所不同，对其水生态系统研究较水污染严重的南方地区明显不同。

借鉴相关文献资料，比较常用的评价方法有模糊综合法、投影寻踪法、系统动力学法、主客观赋权法、水生态足迹法和主成分分析法[9-15]。文章以水安全、水环境、水生态和水资源为主体，结合抚顺地区实际情况选择能够反映城市水生态健康的24 项指标构建评价体系，拟选用主成分分析法评价2012-2020 年抚顺市水生态承载力，并对比分析各区（县）2015 年和2018 年承载力变化特点，以期为抚顺市水生态环境保护和水系连通工程设计提供科学依据。

1 区域概况

抚顺市位于辽宁东部，地处东经123°55' ，北纬41°52' ，三面环山，市区位于浑河冲击平原上，总面积11271km2。全市辖三县四区(抚顺县、清原县、新宾县、新抚区、望花区、顺城区、东洲区)，区域地理位置优越，地貌形态复杂，地势呈西北低、东南高之势，平均海拔400~500m。抚顺市属季风型大陆气候，夏季湿热、多雨，冬季严寒、干燥，年降水量650~800mm，降水量年际变化大，年内分配不均匀，丰、枯水年降水量相差3 倍以上，6-8 月占全年总降水量70%~80%。地表水资源丰富，主要有浑河、清河、太子河、柳河、柴河、富尔江河等12 条河流，径流量大，全市可利用水域面积6667hm2，水资源总量39.82 亿m3，人均占有量1530m3仅次于丹东市和本溪市。

近年来，随着抚顺市城市建设空间规模的不断扩大，境内许多具有滞洪或储存功能的池塘、湿地、湖泊逐渐消失，河滩湿地被侵占、热岛效应增强、水环境破坏等水生态问题突出。因此，为促进水资源与生态环境、经济社会、城市建设的协调发展，有必要研究评价抚顺市水生态承载力及其变化规律。

2 研究方法

2.1 数据来源

本研究所涉及到的数据包括抚顺市及各辖区2012-2020 年水资源、人口规模、区域面积等，初始数据来源于抚顺市水资源公报、统计年鉴等相关资料。

2.2 评价体系

文章依据《水生态文明城市建设评价导则》、最严格水资源管理的“三条红线”和东北地区的地域特性，充分考虑城市经济、生态环境、水资源与水生态承载力之间的关系，遵循系统性、科学性、独立性和可操作性等原则，在综合各指标框架优缺点的情况下构建水生态承载力评价体系[16-17]，如表1所示。

表1 水生态承载力评价体系

2.3 主成分分析法

文章利用PCA 主成分分析法评价2012-2020年抚顺市水生态承载力变化趋势，并结合水生态文明城市建设试点相关数据评价各区(县)水生态承载力，主要步骤如下[18]：

步骤1：消除量纲或数量级，采用下式计算处理各指标初始数据xij，即：

式中：xij、为待评价样本i中参评指标j的初始数据和标准化值；Sj、为参评指标j的标准差和平均值。

步骤2：求解特征值λi及其特征向量ei，依据相关系数rij计算结果构造实对称矩阵R：R=(rij)p×p，相关公式如下：

步骤3：确定主成分，采用下式计算累积贡献率r和主成分贡献率ωi，并依据相关标准合理确定主成分，即：

一般地，可将信息保留量较高即累积方差贡献率达到70%~90%的成分定义成主成分，文章结合相关资料按前m项累积贡献率达到85%时作为主成分。

步骤4：计算综合评分Z，有关计算公式如下：

式中：zi为主成分评分；aij为主成分荷载，即特征向量ei对应的第j个分量。通过综合评分Z反映抚顺市水生态承载力状况，综合评分值越大则水生态承载力越高，反之则越低。

2.4 评价等级划分

文章结合抚顺市具体情况合理划分各参评指标的等级分界值，如表2 所示，然后利用已构建的主成分分析模型计算分界点综合评分值，更加直观地反映区域水生态承载力状况。

表2 水生态承载力评价等级

3 结果与分析

3.1 水生态承载力变化

采用主成分分析法计算抚顺市2012-2020 年水生态承载力，如图1 所示。结果表明，2012-2020年抚顺市水生态承载力表现出逐渐增强的变化趋势。具体而言，2012 年和2013 年的水生态承载力处于Ⅳ级超载状态；从2014 年开始明显上升，2014 年相较于2013 年水生态承载力综合评分增加3.0，评价结果从Ⅳ级超载转变成Ⅲ级临界状态；2015-2017 年综合评分继续增大，但评价结果整体处于Ⅲ级临界状态；2018 年相较于2017 年水生态承载力明显提高，综合评分提高9.7，评价结果从Ⅲ级临界转变成Ⅱ级良好状态；研究时段内，2020年水生态承载力达到最高的10.6，水生态环境明显改善，评价结果维持在Ⅱ级良好状态。

图1 2012-2020 年水生态承载力评分

为准确识别抚顺市2012-2020 年水生态承载力关键因子，应用主成分分析法计算准则层指标S1~S4 的水生态承载力，如图2 所示。

图2 2012-2020 年准则层指标水生态承载力评分

从图2 可以看出，准则层中水安全、水环境、水生态承载力与综合承载力变化趋势基本一致，总体呈波动上升趋势；水资源承载力表现出波动变化趋势，且与综合承载力变化趋势相反。深入分析准则层指标变化情况，具体如下：

1）结合区域降水数据，研究期间降水量和人均水资源量并无明显变化，但由于用水、节水新技术的投入使用以及人们节水意识的增强，万元GDP用水量和各行业用水比例反而有所减小。各行业用水效率在用水总量控制下均有明显提升，社会经济发展速度逐渐加快。

2）准则层中的水安全、水生态承载力与综合承载力相接近，饮用水水质达标率、水域面积指数和生态补水比例等正向指标增大，从而提高了准则层中的这两项指标和水生态系统综合评分。2012年，抚顺市园林绿化覆盖率和生态补水比例只有2.5%、3.1%，而到2020 年分别提高到5.6%、14.2%，从而显著增强了水生态系统的蓄水能力和整体稳定性，有利于提高水资源量。另外，水功能区河流断面水质达标率和水源面积指数逐渐增大，增长率依次为22.6%和12.5%，有效保证了水安全状态。

3）水生态承载力变化与准则层水环境指标密切相关，其正向指标的增大及负向指标的减小直接反映了水生态系统受人类活动的影响。2012-2020 年，抚顺市逐渐加强水生态保护，城镇生活污水排放强度指数和第二产业污水污染强度指数减小7.85、7.61，再生水处理能力及污水处理厂处理能力分别增大28.60×104m3/d、165×104t/d，水生态修复投资规模也不断增大。因此，通过有效控制入河污染物排放，明显改善了抚顺市水生态环境。

综上分析，抚顺市不断加大对受损水生态系统的修复治理，2014 年相较于2013 年的园林覆盖率和水域面积有所增大；另外，各行业用水效率、污水厂处理能力以及再生水利用量逐渐提高，排入水环境中的农药化肥残留物、生活污水和工业污染物不断减少，加之水环境治理投资以及生态补水比例持续加大，在很大程度上改善了抚顺市水生态状况，2014 年从Ⅳ级超载转变成Ⅲ级临界状态。

2017 年，抚顺市快速推进节水型社会建设，突出强调工业生产用水和农业灌溉新技术的研究应用，水环境治理投资规模也达到最高。经过治理修复，2018 年抚顺市水生态系统从Ⅲ级临界转变成Ⅱ级良好状态，水环境明显改善。2019 年水生态承载力达到较高的饱和状态，虽然相较于2018 年承载力评分有所减小，但除水环境保护治理投资额比例外其它指标均表现出上升趋势。通过前期的治理保护，2020 年承载力评分达到最高10.6，评价结果维持在Ⅱ级良好状态。2012-2020 年，抚顺市从污水处理、用水、节水等方面制定有效措施，逐步治理修复原本受损的水生态系统，经长期努力取得了明显成效，为促进城市经济、资源与环境协调发展奠定了基础。

3.2 分区评价结果

文章利用主成分分析法计算抚顺市各辖区(抚顺县、清原县、新宾县、新抚区、望花区、顺城区、东洲区)2015年、2018年水生态承载力，如图3所示。

图3 各辖区水生态承载力等级

从图3 可以看出，抚顺市各辖区2018 年相较于2015 年的水生态环境明显改善，其中清原县评价等级变化最为明显。2015 年，除抚顺县外其它各区(县)均处于Ⅲ~Ⅳ级，水生态承载力偏低。2018 年抚顺市水生态文明建设成效逐渐突显，清原县、新宾县水生态系统从原来的Ⅳ级超载转变成Ⅱ级良好和Ⅲ级临界状态，顺城区从原来的Ⅲ级临界转变成Ⅱ级良好状态，其它区(县)的评价等级无明显变化，但水生态承载力均有不同程度的提升。

2016-2018 年望花区、新抚区的水生态系统均处于Ⅳ级超载状态，这两个区的第二、三产业集中且人口密度较大，城镇污水排放以及各产业用水量均高于其它地区。另外，地下水过度开发利用致使局部地下水超采严重，加之水环境治理投入不足，在一定程度上降低了水生态承载力。因此，必须科学评价以上区域的水资源，有效控制开发比例，持续加大水环境治理投入，逐渐修复受损的水生态系统，不断优化调整用水方式，进一步提升再生水利用率和节水新技术发展。

研究期间，清原县、新宾县和顺城区的水生态修复效果显著，顺城区2018 年相较于2015 年的万元GDP 用水量、污水排放量均逐渐减小，其工业重复用水率逐渐增大，各项指标都表现出良好的发展趋势；清原县、新宾县以农业为主导产业，在实现农业高产的情况下大力倡导农业节水，有效保护水生态环境。东洲区、抚顺县2018 年相较于2015年的水生态承载力等级维持不变，东洲区处于Ⅲ级临界状态，抚顺县处于Ⅱ级良好状态，虽然与其它区(县)相比水生态承载力较好，但水生态环境受农药化肥大量施用、工业污水过度排放等因素的影响依然较大[19-22]。因此，在保证各行业用水需求的情况下必须合理配置水资源，加快新型节水技术的推广应用，彻底解决人类活动所引起的水环境问题。

4 结 论

1）从水安全、水环境、水生态和水资源4 个方面选择24 项指标构建评价体系，利用主成分分析法计算抚顺市2012-2020 年水生态承载力及其变化规律。结果显示，2012-2020 年抚顺市水生态承载力表现出逐渐增大趋势，从2012 年的Ⅳ级超载转变成2020 年的Ⅱ级良好状态，有效治理与修复了受损的水生态系统。

2）抚顺市各辖区2018 年相较于2015 年水生态环境明显改善，并以清原县评价等级变化最为明显。具体而言，清原县、新宾县水生态系统从原来的Ⅳ级超载转变成Ⅱ级良好和Ⅲ级临界状态，顺城区从原来的Ⅲ级临界转变成Ⅱ级良好状态，望花区、新抚区的水生态系统始终处于Ⅳ级超载状态，东洲区处于Ⅲ级临界状态，抚顺县处于Ⅱ级良好良好状态。

3）随着经济的快速发展和水生态文明建设的不断推进，抚顺市及其各辖区水生态环境明显改善，但经济增长、城市建设不可避免地会产生水生态问题。因此，必须考虑各地区具体情况合理配置水资源，加快新型节水、用水技术以及再生水的应用，有效控制污水排放量和水环境污染，切实保障抚顺市水安全、水生态健康。