2017, Vol. 37
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2. 环境保护部环境规划院, 北京 100012
2. Chinese Academy for Environmental Planning, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100012
水环境是社会与经济系统健康稳定发展的重要基础, 其承载能力及承载状态对区域发展质量及潜力有着显著影响(崔凤军, 1998；李新等, 2011).不同区域人类活动规模与强度、水环境容量、水资源可开发利用量、水污染防治及水资源利用水平与潜力也存在巨大差异, 导致水环境承载力及承载状态具有时空不均、动态演变等特征.分区是人类认识经济、社会、环境、资源空间并对其进行分类管理的重要途径(王丹等, 2011).通过采取分区手段, 可以明确水环境承载力空间差异, 识别主导诱因, 进而因地制宜地制定水污染防治与水资源利用政策措施, 为水系统差异化、精细化管理提供指导, 为社会、经济与环境协调发展提供科学依据.
目前, 国内外多数学者主要是针对水环境容量、水资源供给能力等单项分量开展分区研究.鲍全盛等(1996)、赵海霞等(2012)分别从全国尺度和流域尺度对水环境容量进行了分区, 结果显示, 水环境容量地域差异性大.Chen等(2014)以东江为例, 选择并分析了18个断面水环境容量的差异.Mckinney和Cai(2011)从水资源供需角度对咸海流域水资源合理分配进行了研究.王强等(2012)对新疆可利用水资源潜力进行了空间分析, 发现不同县市差异较大.Liu(2012)从水资源供给与消费角度, 分析了长江三角洲地区水资源承载力空间差异特征.以往学者多侧重对水环境承载力单项分量进行探讨, 较少将水环境承载力作为一个复杂系统进行分区研究.分区方法也主要集中在对水环境承载力评价结果的分区表达上(窦明等, 2010；姜秋香等, 2011；Zhou et al., 2015), 多数是能力大小或承载状态优劣的空间展示, 很难反映水环境承载力要素特征的空间分异规律.水环境承载力作为一个复杂综合系统, 与水系统自然形成的供给水资源的能力和消纳污染物的能力、水体自身的脆弱程度、人类活动产生的外部压力及投资和技术变化导致的开发利用潜力息息相关.人口、经济、技术、自然禀赋及水环境管理目标等诸多影响因素对水环境承载力产生某种程度的正向或负向反馈.因此, 仅仅依靠单一分量对环境承载力进行分区研究是不充分的, 往往容易忽略水环境承载力部分固有属性在空间分异上的特征.
本文以湟水河流域小峡桥监测断面上游为例, 以流域自然汇水边界为主并兼顾行政单元, 将研究区划分为16个控制子单元.从水环境承载力大小、水环境承载状态、水系统脆弱程度及水环境承载力开发利用潜力4个角度, 构建分区指标体系.利用k-均值聚类法并参考宏观规划对控制子单元进行合并划分, 并针对不同分区具体特点, 因地制宜地提出具有针对性的水环境承载力双向调控措施, 为流域上下游水系统持续健康发展提供科学依据.
2 研究方法(Methods) 2.1 研究区概况研究区(图 1)位于青海省东北部, 地势西北高、东南低, 地形最高处为4836 m, 最低处为2169 m, 多年平均降水量460.5 mm.研究区内湟水河干、支流呈树枝状水系分布, 药水河、西纳川河、北川河等较大支流在此间汇入, 小峡桥断面是西宁市湟水河干流出境断面.2015年研究区城镇人口总数为263.38万人, 国内生产总值(GDP)增长率超过10%, 是青海省人口集中、经济发达的区域.
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| 图 1 研究区位置 Fig. 1 Location of study area |
经济、社会统计数据来源于《西宁统计年鉴2015》、《2014年大通回族土族自治县国民经济及社会发展统计资料》、《2014年海晏县国民经济和社会发展统计资料》、《2014年互助土族自治县国民经济统计资料》、《湟源统计年鉴2014》及《2014年湟中县统计手册》.污染物排放数据来源于2014年西宁市、海晏县和海东市的环境统计数据及2014年青海省污染源普查数据.流量与流速监测数据来源于湟水流域各水文监测站, 化学需氧量(COD)与氨氮的降解系数借鉴前人研究成果(陈龙等, 2016；郭儒等, 2008)确定COD降解系数为0.25 d-1, 氨氮降解系数为0.2 d-1.
2.3 水环境承载力聚类分区指标体系构建水环境承载力是自然系统从资源与环境角度为人类活动提供支撑的能力, 既强调水系统供给水资源的能力, 又强调水系统消纳污染物的能力, 将水系统与人类活动有机联系在一起, 全面考察了水量、水质及与之相应的对人类活动的综合承载能力.因此, 水环境承载力除了与自身自然禀赋息息相关外, 人类活动的强弱将导致水环境呈现不同状态, 人类系统的经济、技术、管理水平也将显著影响水环境承载力的直接与潜在变化.因此, 在研究水环境承载力时须综合考量其内在的自然属性和外在的人类系统产生的社会属性.考虑到不同区域社会、经济与环境系统的复杂性与多样性, 衡量水环境承载力的指标体系难以涵盖区域所有活动.因此, 从各系统中选择有代表性、易量化、易获取的指标进行定性与定量相结合分析(Berck et al., 2012；徐琳瑜等, 2013), 构建水环境承载力聚类分区指标体系.
| 表 1 水环境承载力聚类分区指标体系 Table 1 Index system of clustering zoning for water environmental carrying capacity |
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矢量模法(曾维华, 2014)将水环境承载力视为n维空间一个矢量, 通过比较矢量大小(或称矢量的模), 进而区分不同地区水环境承载力大小.因表征水环境承载力的各分量存在量纲差异, 首先对其进行归一化处理, 进而计算矢量的模|E′j|, 用以衡量第i个地区水环境承载力大小, 公式如下：
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(1) |
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(2) |
式中, Eij与E′ij分别为第i个地区第j项分量实际值与归一化值.
2.4.2 水环境承载状态量化承载率反映出区域水环境发展现状与理想值或目标值之间的差距(石建屏等, 2012).若承载率大于1, 则表明此项要素已超载, 数值越大, 说明人类活动对水环境造成的压力越大、危害程度越高.计算公式如下：
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(3) |
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(4) |
式中, Ro为水环境承载率；max(Pi)为各要素承载率最大值；ave(Pi)为各要素承载率平均值；Pi为第i种要素承载率；Ei为第i种要素现实值；Ci为第i种要素上限值.
2.4.3 水系统脆弱度量化水资源约束度：在水资源丰裕程度一定的前提下, 农业、工业及生活需水主体对水资源需求程度越强烈, 水资源供给规模越大、频率越高.在自然状态下, 水资源自我恢复的能力相对越弱, 其对社会经济发展的约束度越大.人口稠密、工业聚集、经济发达的地区对水资源需求相对更强烈, 并可凭借强大的经济、技术实力获得远大于本地自然供给的水资源量.考虑数据的易量化、易获取性, 选择耕地面积比重、工业企业取水量比重及人口比重作为计算水资源约束度的指标, 公式如下：
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(5) |
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(6) |
式中, Vr为水资源约束度；Pc为耕地面积比重；Pe为工业企业取水量比重；Pp为人口比重；Aw为地表水资源丰裕度；si为第i个地区基于人口与经济规模实际可获得的地表水资源量；α1、β1、θ1分别耕地面积比重、工业企业取水量比重、人口比重的权重值, 利用熵权法确定.
水环境敏感度：某地区自然保护区、饮用水源地保护区和源头水等高功能水体越多, 则该地区水环境允许排放的污染物浓度及数量越低, 在同等污染物排放水平的条件下, 水环境越容易受到损害, 其敏感性越大.选择Ⅰ~Ⅱ类水质河段比重、Ⅲ类水质河段比重和Ⅳ类水质河段比重作为评价水环境敏感度的指标, 根据不同水质目标允许排放的污染物浓度等级, 分别赋予不同等级分数, Ⅰ~Ⅱ类水质赋予3分, Ⅲ类水质赋予2分, Ⅳ类水质赋予1分, 进而计算水环境敏感度, 计算公式如下：
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(7) |
式中, Ve为水环境敏感度；PⅠ-Ⅱ为Ⅰ~Ⅱ类水质河段比重；PⅢ为Ⅲ类水质河段比重；PⅣ为Ⅳ类水质河段比重.
水系统脆弱度：水系统涵盖水资源子系统与水环境子系统, 水系统脆弱性反映出水资源禀赋对人类生产生活活动的约束程度及水环境对人类活动产生的持续损害的敏感程度.因此, 水系统脆弱程度受水资源约束度与水环境敏感度的综合作用与影响, 公式如下：
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(8) |
式中, Vs为水系统脆弱度；α2、β2分别为水资源约束度和水环境敏感度权重, 利用熵权法确定.
2.4.4 水环境承载力开发利用潜力量化水环境承载力开发利用潜力受经济、人口、技术、管理等多种因素作用与影响, 反映出区域社会、经济发展潜力及对水环境纳污和资源供给能力的潜在影响.考虑数据可获得性, 选择GDP和固定资产投资额作为评价水环境承载力开发利用潜力的指标, 构建尖点突变模型, 其势函数公式如下(陈克亮等, 2012；李小军等, 2014)：
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(9) |
式中, x为状态变量；C1、C2为控制变量.
根据指标的相对重要程度, 利用归一公式进行综合量化递归运算, 求出系统突变隶属度值, 公式如下：
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(10) |
若控制变量间相互关联作用不明显, 则X值遵循“大中取小”的非互补原则；若控制变量间相互关联作用明显, 则取控制变量相应突变级数值的平均值作为系统的X值(胥卫平等, 2012).
2.5 指标权重分配熵值可以判断某个指标的离散程度, 离散程度越大, 对综合评价影响越大, 其权重相应越大.该方法可消除权重确定过程中的主观因素, 使评价结果更符合实际(徐国宾等, 2017；邹志红等, 2005).由于各项指标度量单位不同, 需对其进行标准化处理.对于正向指标(越大越好型), 其标准化处理公式见式(11)；对于负向指标(越小越好型), 其标准化处理公式见式(12).计算第i个地区第j项指标熵值ej(式(13)~(14)), 基于确定的熵值, 计算第j项指标熵权(式(15)).
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(11) |
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(12) |
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(13) |
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(14) |
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(15) |
式中, Xij为第i个地区第j项指标原始值；Xjmax为第j项指标最大值；Xjmin为第j项指标最小值.
2.6 k-均值聚类k-均值聚类是聚类分析中一种基本分类方法, 因其理论可靠、算法简单、收敛速度快、能有效处理大数据集而被广泛使用(Pandit et al., 2011；曾维华等, 2013), 其基本计算流程如下.
首先从n个控制子单元中选取k个控制子单元作为初始聚类中心Zj(I), 并令I=1.其次, 分别计算每个控制子单元到k个聚类中心的距离d(xi, Zj(I)), 如果满足式(16), 则xi属于第k类.计算误差平方和准则函数Jc(I)(式(17)).令I=I+1, 重新计算k个新的聚类中心(取该聚类中所有控制子单元属性的平均值)(式(18)), 不断重复这一过程直至标准测度函数开始收敛为止, ξ取Jc(I)的10-6次方(式(19)).
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(16) |
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(17) |
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(18) |
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(19) |
理想的聚类效果应该具有最小的簇内距离和最大的簇间距离(朱连江等, 2010).轮廓系数结合内聚度和分离度两种因素, 将数据集的任一对象与本簇中其它对象及其它簇中对象的相似性进行量化, 且将量化后的两种相似性以某种形式组合, 获得聚类优劣的评价标准(张冬梅, 2009).
对于第i个对象, 计算该对象到其所属簇中所有对象的平均距离, 记为ai；计算该对象到所有非所属簇中对象的平均距离, 记为bi.轮廓系数计算公式见式(20), 轮廓系数值是在-1~1间变化, 越趋近于1代表内聚度和分离度都相对较优, 聚类效果相对较好.
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(20) |
在国家控制单元划分成果基础上, 根据湟水流域地形、水文、水功能区、排污口等实际情况, 将研究区细化为16个控制子单元, 结果见图 2.
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| 图 2 控制子单元划分结果 Fig. 2 Divided result of 16 subunits |
目前, HB-2与DT-1控制子单元已无可利用环境容量, 任何污染物排放行为将对该地区内的水环境系统造成巨大损害甚至导致其崩溃.但实际排污行为依然存在, 特别是DT-1控制子单元内污染物入河量相对较大.因此, 基于HB-2与DT-1的实际情况, 一切排污行为均应被禁止.从这个角度出发, 可认为上述2个控制子单元均无污染物入河量.利用熵权法确定水资源约束度与水环境敏感度权重值, 如表 2所示.
| 表 2 水系统脆弱度各指标及权重 Table 2 Indicator weights of water system vulnerability |
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根据公式(1)~(10)分别计算水环境承载力大小、水环境承载率、水系统脆弱程度与水环境承载力开发利用潜力4项指标, 结果如表 3所示.利用k-均值聚类方法对16个控制子单元进行合并分区, 在R语言环境下编写轮廓系数计算程序, 对聚类分区结果优劣进行有效评价.研究(Shi et al., 2014)表明, 轮廓系数在0.25~0.50之间, 聚类中心可被有效识别.因此, 确定k=4作为最佳聚类数目, 结果见图 3.
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| 图 3 不同聚类数目的平均轮廓系数 Fig. 3 Average silhouette coefficient versus clustering number |
| 表 3 控制子单元水环境承载力聚类分区综合指标值 Table 3 Values of integrated indicators for clustering zoning in various subunits |
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根据聚类分区结果, 参考主体功能区划等相关宏观规划的命名方式, 结合各分区具体特点, 将研究区划分为重点保护水环境敏感区、限制开发水资源约束区、控制开发水环境超载区和优化开发高开发潜力区, 结果见图 4.
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| 图 4 水环境承载力分区图 Fig. 4 Zoning map of the water environmental carrying capacity |
重点保护水环境敏感区包括DT-1、HB-1、HB-2、HY-2和HY-3控制子单元, 该分区位于研究区主要河流上游, 尽管水环境面临的污染物排放压力较小, 水环境承载状态良好, 但该分区Ⅰ~Ⅱ类水质河段比重最大, 可利用环境容量最少, 对人类活动产生的持续损害敏感程度最高.其中, DT-1和HB-2全部为Ⅰ~Ⅱ类水质河段, HY-2和HY-3内Ⅰ~Ⅱ类水质河段比重约为70%, HB-1约有1/2的河流属于Ⅰ~Ⅱ类水质.此外, 该分区人口、经济规模最小, 导致其水环境承载力开发利用潜力最小.
限制开发水资源约束区包括DT-3、HHZ-1和HY-1控制子单元, 该分区水环境承载力处于中等偏下水平, 水环境承载状态整体偏向于轻度超载, 超载程度偏小.尽管工业企业相对较少, 但耕地面积相对较多, 农业需水量相对较大.加之水资源丰裕度相对较低, 该分区水资源对社会经济发展的约束度最大.相比于水环境超载, 水资源短缺问题更加突出.此外, 该分区人口、经济规模较小, 导致其水环境承载力开发利用潜力较小.
控制开发水环境超载区包括DT-2、DT-4、HZ-1和HY-4控制子单元, 该分区位于研究区主要河流中游, 水环境整体超载严重.其中, HZ-1水环境超载倍数最多, 是研究区内按计算结果算超载最严重的地区.尽管农业、工业需水量相对较大, 但水资源丰裕度相对较高, 且高功能水体相对较少, 导致水系统脆弱度较小.此外, 该分区GDP和固定资产投资额相对较大, 未来针对污染减排投入的潜力相对较大, 因此, 在相对较大的开发利用潜力基础上可提高一定程度的开发规模与强度.
优化开发高开发潜力区包括HHZ-2、XN-1、HZ-2和HZ-3控制子单元, 该分区位于研究流域下游人口稠密、经济发达的地区, 人口约占研究区总人口的63.6%, GDP约占研究区GDP的81.7%.凭借经济与技术实力获得的水资源量最大, 水资源对社会经济发展的约束度最小.此外, Ⅰ~Ⅱ类水质河段比重最小, 水环境敏感度最小.尽管该分区水环境重度超载, 但水环境承载力相对较大, 且开发利用潜力最大, 未来可投入更多资金用于水污染防治, 因此, 可作为进行工业化与城镇化优化开发的地区.
3.3 分区双向调控水环境承载力是流域水系统的重要属性特征, 与自身自然禀赋及外部人类活动密切相关.针对流域发展过程中出现的水质与水量问题, 可通过提高水环境承载力的方式得以有效解决.而提高水环境承载力要从内部与外部双向进行调控.内部直接调控包括提高水资源供给能力和对水污染承受能力；外部间接调控即降低水体面临的压力, 包括降低水资源利用强度和水污染排放负荷.双向调控根本目的及优势在于促使水质与水量在自然与社会两个系统驱动下, 通过不同过程而产生趋好的变化, 在人类有目的统筹规划与协调配置下使水体水质与水量能够永续再生(曾维华等, 2015).
重点保护水环境敏感区位于主要河流上游, 水环境最敏感, 且水环境承载力开发利用潜力最小.因此, 该分区应限制进行大规模高强度的工业化与城镇化开发, 引导人口逐步有序转移至城市化地区, 降低水体面临的压力.在土地利用方面, 该分区应保护并逐步扩大开敞绿色生态空间, 如水面、林地、草地等.特别是维持草原面积稳定, 增加草原植被覆盖度, 扩大天然林面积, 提高森林覆盖率, 以此增加河流径流量, 进而直接提高承载力.
限制开发水资源约束区农业需水量相对较大.因此, 通过改良土壤, 增施有机肥, 增加土壤团粒结构, 留住土壤水, 提高水环境承载力.在降低压力方面, 该分区应重点发展节水型农业, 推广渠道防渗、管道输水、喷灌、微灌等节水灌溉技术.完善灌溉用水计量设施, 建立以优化配置水资源、节约用水为主的计量体系, 提高用水效率和效益.此外, 在适宜地区实行退耕还林、退牧还草, 在农业用水严重超出区域水资源承载能力的地区实行退耕还水.
控制开发水环境超载区人口、工业相对集中, 水环境呈现轻至重度超载状态.因此, 该分区在土地利用布局中应严格控制乡镇建设用地扩张, 充分利用现有建设空间, 尽可能利用闲置地、空闲地和废弃地.由于该分区污染减排潜力相对较大, 可采取区外调水、再生水利用等措施, 直接增加水环境承载能力.此外, 在工业布局方面, 该分区应依法取缔不符合国家产业政策的小型印染、炼焦、炼油等生产项目.完成冶炼、材料制造业、化工等行业企业的清洁化改造, 通过优化产业结构、加强工业园区污染集中处理减少工业污染物排放量.
优化开发高开发潜力区人口密集、经济发达, 尽管水环境重度超载, 但水环境承载力开发利用潜力巨大.因此, 该分区应推动产业结构向高端、高效、高附加值转变, 鼓励发展低污染、无污染和水资源综合利用项目, 针对工业园区内的金属冶炼业、化工业、化肥制造业等, 加大节水与减污力度, 积极推广节水工艺、技术和设备, 加强工业园区污染集中处理和工业企业监管, 提高区域产业准入条件和调整产业结构.此外, 加快城区污水处理厂提标改造, 实施中水回用和管网改造工程, 以海绵城市试点建设为契机, 加快海绵城市建设, 提高城市雨水综合利用能力, 降低城市面源污染负荷.
4 结论(Conclusions)1) 基于水环境承载力大小、水环境承载状态、水系统脆弱度及水环境承载力开发利用潜力4项综合指标量化结果, 利用k-均值聚类法对湟水河流域小峡桥监测断面上游16个控制子单元进行合并分区, 通过轮廓系数确定4类为合理聚类数目.针对不同分区的具体特点, 将研究区划分为重点保护水环境敏感区、限制开发水资源约束区、控制开发水环境超载区和优化开发高开发潜力区.
2) 研究流域上游由于Ⅰ~Ⅱ类水质河段比重大, 水环境相对敏感, 且开发利用潜力小.因此, 应以保护和修复生态环境为首要任务, 限制开发强度和规模, 引导人口逐步有序转移, 降低水环境承载压力.中下游人口、工业相对集中, 尽管水环境超载严重, 但经济发达、污染减排潜力巨大, 可通过开展工业点源、农业面源和城市面源污染综合治理工程及河道生态修复治理专项行动, 减少污染物入河量.此外, 下游部分支流上游耕地面积相对较多, 农业需水量较大, 应重点发展节水型农业.
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