基于DPSIR模型的蕪湖市水生態(tài)承載力研究與建議

盧開東，王健健*，馬燮銚，汪俊，張倩

1.南京信息工程大學水文與水資源工程學院

2.蕪湖市生態(tài)環(huán)境局綜合行政執(zhí)法支隊

3.蕪湖市環(huán)境監(jiān)測中心站

水生態(tài)承載力以可持續(xù)發(fā)展為原則，涵蓋了水量、水質(zhì)、水環(huán)境，強調(diào)的是水生態(tài)系統(tǒng)對人類社會經(jīng)濟的可持續(xù)承載[1-2]。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，區(qū)域水資源利用規(guī)模越來越大，結(jié)構(gòu)越來越復雜，涉及面越來越廣泛，以綜合性的水生態(tài)系統(tǒng)為研究對象的水生態(tài)承載力研究具有重要的現(xiàn)實意義。評價和量化城市水生態(tài)承載力，不但有助于緩解城市水危機問題，而且對于指導城市人口、社會、經(jīng)濟和科技的協(xié)調(diào)發(fā)展具有積極意義[3]。

水資源承載力涉及區(qū)域環(huán)境、人口和社會經(jīng)濟發(fā)展等方面，研究基礎是水資源與經(jīng)濟社會的復合系統(tǒng)，它以水作為承載體，人口、社會經(jīng)濟則是被承載體[4]。水環(huán)境承載力指從污染物排放的角度來看，水體最大能接納的污染物排放的限度，以水量和水質(zhì)作為承載體，被承載體則是經(jīng)濟社會系統(tǒng)，因此可以認為水環(huán)境承載力就是水量和水質(zhì)對經(jīng)濟社會系統(tǒng)的支撐能力和支撐規(guī)模[5]。水生態(tài)承載力是水資源承載力、水環(huán)境承載力概念的進一步發(fā)展，三者之間存在著緊密的聯(lián)系。水生態(tài)承載力不僅滿足水資源數(shù)量和保證水環(huán)境質(zhì)量，同時更關注生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展。

目前，對于水生態(tài)承載力還沒有統(tǒng)一的定義，不同學者有著不同的理解。胡文敏等[6]認為水生態(tài)承載力是在保證某一流域水生態(tài)系統(tǒng)自身的健康發(fā)展和生態(tài)保護目標的前提下，水生態(tài)系統(tǒng)所能承載人類社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模的閾值；李靖等[7]認為水生態(tài)承載力是在一定歷史階段，某一流域的水生態(tài)系統(tǒng)在滿足自身健康發(fā)展前提下，在一定的環(huán)境背景條件下，所能持續(xù)支撐人類社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模的閾值；Zhang等[8]認為水生態(tài)承載力是區(qū)域水資源和水環(huán)境能力可以支撐的最大人口和社會經(jīng)濟規(guī)模，以實現(xiàn)區(qū)域水生態(tài)環(huán)境和世界經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。綜上，筆者把水生態(tài)承載力定義為某一地區(qū)在一定的環(huán)境和資源背景下，滿足其水生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展時所能支撐社會經(jīng)濟發(fā)展的閾值。

20世紀80年代末，經(jīng)濟合作與發(fā)展組織（OECD）及聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）[9]為健康評價生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境質(zhì)量共同提出了環(huán)境指標的PSR概念模型[10-12]，即壓力（pressure）—狀態(tài)（state）—響應（response）模型。1993年，OECD 改進PSR 模型，提出了DPSIR〔驅(qū)動力（driving force）—壓力—狀態(tài)—影響（influence）—響應〕模型[13-17]，此后被廣泛應用于水資源[18]、土地資源[19]和生態(tài)安全評價[20]等方面。該模型從社會、環(huán)境、經(jīng)濟和資源4個所屬子系統(tǒng)中選取指標，是一種較為實用的多指標評價模型。然而，多數(shù)研究忽視了生態(tài)指標對水生態(tài)承載力的影響。

《中華人民共和國長江保護法》指出，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和布局應當與流域生態(tài)系統(tǒng)和資源環(huán)境承載力相適應，蕪湖市作為安徽沿江發(fā)展的重要城市，同時也是長江下游段經(jīng)濟發(fā)展的主要城市之一，長江大保護（蕪湖段）駐點研究中也明確提出了著力打造水清岸綠產(chǎn)業(yè)優(yōu)美麗長江（蕪湖）經(jīng)濟帶，提高城市水生態(tài)承載力以不斷滿足人民日益增長的優(yōu)美生態(tài)環(huán)境需要，達到綠色可持續(xù)發(fā)展。筆者從社會、環(huán)境、經(jīng)濟、資源和生態(tài)5個所屬子系統(tǒng)選取評價指標，運用DPSIR模型構(gòu)建蕪湖市水生態(tài)承載力評價指標體系，對2011—2018年蕪湖市及其各區(qū)縣的水生態(tài)承載力變化趨勢和原因進行分析，以2025年為基準給出目標建議值，并提出水生態(tài)承載力改善建議。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

蕪湖市地處長江下游，地跨長江兩岸，位于安徽省東南部。總面積為5 988 km2，2019年總?cè)丝诩s為377.8萬人，城鎮(zhèn)化率為66.4%。2018年國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）為 3 278.5億元，人均GDP約為 88 085元。2018年全市平均降水量為1 250 mm，水資源總量為34.3億m3，人均水資源量為915 m3；全市供水量為30.03億m3，人均綜合用水量為801.2 m3，萬元GDP用水量為91.6 m3，萬元工業(yè)增加值用水量為101.2 m3。蕪湖境內(nèi)河道縱橫、湖泊眾多、溝塘密布，有各級河道48條，大小湖泊20多個（圖1）。河道總長度為1 106 km，總水面面積為1 098.3 km2，水面率為18.3%[21]。

圖1 蕪湖市內(nèi)水系分布Fig.1 Water system map of Wuhu City

1.2 數(shù)據(jù)來源

人口、人均GDP等社會經(jīng)濟指標，綠化覆蓋面積、自然保護區(qū)面積以及市政工程污水處理率（市政工程污水處理量/市政工程污水排放量）等數(shù)據(jù)來源于2012—2019年《蕪湖市統(tǒng)計年鑒》（http://tjj.wuhu.gov.cn/zhsj/tjnj/index.html）；用水量、供水量、產(chǎn)水系數(shù)、水質(zhì)達標率、年生態(tài)基流滿足率等數(shù)據(jù)來源于2011—2018年《蕪湖市水資源公報》（http://shuiwuju.wuhu.gov.cn/tzgg/tzgg/8227109.html）；工業(yè)廢水、生活污水等污染物排放量，生態(tài)保護紅線面積比指數(shù)（生態(tài)保護紅線面積/區(qū)域總面積）等數(shù)據(jù)來源于《生態(tài)環(huán)境狀況公報》（http://sthjj.wuhu.gov.cn/hbyw/hjzl/index.html）以及蕪湖市生態(tài)環(huán)境局提供的資料。

1.3 研究方法

1.3.1 評價指標體系構(gòu)建

運用DPSIR模型框架，從驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、影響和響應5個方面，同時也考慮地區(qū)的社會、環(huán)境、經(jīng)濟、資源和生態(tài)5個子系統(tǒng)對蕪湖市水生態(tài)承載力的評價指標體系進行構(gòu)建。

1.3.2 分級量化評分方法

將選用指標進行歸一化處理后，通過一系列公式計算出水生態(tài)承載力指數(shù)，進而對承載力類型進行劃分。

區(qū)域水生態(tài)承載力指標值使用極差標準化方法進行歸一化處理，公式如下。

采用熵權(quán)法[22-24]確定權(quán)重。計算第i個指標下第j個年份的指標值的權(quán)重（Pi,j），公式如下：

計算第i個指標的熵值（ei）、熵權(quán)（wi）：

式中：m為指標年份長度；k=1/lnm；n為水生態(tài)承載力指標個數(shù)。

水生態(tài)承載力評價指數(shù)（Ej）計算公式如下：

將蕪湖市水生態(tài)承載力評價指數(shù)劃分為不同的等級，可以直觀地判斷蕪湖市水生態(tài)承載力綜合狀況：E<0.2，不可承載；0.2≤E<0.4，弱可承載；0.4≤E<0.6，基本承載；0.6≤E<0.8，較好承載；E≥0.8，良好承載[25-27]。

2 結(jié)果與分析

2.1 指標體系

根據(jù)水生態(tài)承載力的定義，區(qū)域水生態(tài)承載力的大小主要受該地區(qū)社會、經(jīng)濟、資源、環(huán)境和生態(tài)5個方面的影響。參考包蕊等[28-30]在社會和經(jīng)濟方面指標的選取以及《中華人民共和國長江保護法》在資源保護、水污染防治和生態(tài)環(huán)境修復等方面的要求，本研究從下述5個方面選取指標：1）社會方面主要體現(xiàn)地區(qū)的人口數(shù)量以及城市化發(fā)展狀況，選取總?cè)丝诤统擎?zhèn)化率2項指標。2）經(jīng)濟方面體現(xiàn)地區(qū)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展及GDP水平，選取人均GDP、萬元GDP用水量、萬元工業(yè)增加值用水量、城鎮(zhèn)常住居民人均可支配收入、工業(yè)和農(nóng)林牧漁業(yè)增加值6項指標。3）資源方面影響主要是地區(qū)供水量和用水量，《中華人民共和國長江保護法》指出要優(yōu)先滿足城鄉(xiāng)居民生活用水，據(jù)此選取總供水量、人均水資源量、生活用水量和產(chǎn)流系數(shù)4項指標；保障基本生態(tài)用水，據(jù)此選取年生態(tài)基流滿足率和生態(tài)環(huán)境用水率2項指標；統(tǒng)籌兼顧農(nóng)業(yè)及工業(yè)用水，據(jù)此選取了工業(yè)用水量和農(nóng)田灌溉用水量2項指標。4）環(huán)境方面主要考慮污染物排放與治理以及當前的環(huán)境狀態(tài)，《中華人民共和國長江保護法》要求預防、控制和減少長江流域水環(huán)境污染，加大點、面源污染防治，據(jù)此選取了工業(yè)廢水和生活污水排放量2項指標；由于蕪湖當?shù)谻OD和NH3-N濃度超標的問題較嚴重，增加了COD、NH3-N排放量2項指標；提高城鄉(xiāng)污水處理能力，據(jù)此選取了市政工程污水處理率和排入污水處理廠的工業(yè)廢水排放總量2項指標；保障水質(zhì)穩(wěn)定達標，實時監(jiān)測飲用水水源的水環(huán)境質(zhì)量，設立國家公園、自然保護區(qū)等自然保護地，據(jù)此選取了水功能區(qū)水質(zhì)達標率、飲用水水源地水質(zhì)達標率、濕地面積、自然保護區(qū)面積和綠化覆蓋面積5項指標。5）生態(tài)方面，《中華人民共和國長江保護法》要求進行生態(tài)環(huán)境修復，開展水生生物救護，滿足水生生物生態(tài)需求，據(jù)此選取了水生生物多樣性指數(shù)1項指標；保障自然岸線比例，恢復河湖岸線生態(tài)功能，據(jù)此選取了生態(tài)保護紅線面積和自然岸線比例2項指標。

共選取30項指標，其中從社會、經(jīng)濟、資源、環(huán)境和生態(tài)5個方面選取的指標分別為2、5、8、12和3項。各項指標根據(jù)其特性又可以劃分為驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、影響和響應指標，其中驅(qū)動力指標推動水資源變化和發(fā)展，主要體現(xiàn)地區(qū)社會經(jīng)濟狀況；壓力指標體現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展對水資源的需求，描述了經(jīng)濟、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和居民日常生活對水資源的壓力；狀態(tài)指標體現(xiàn)目前區(qū)域內(nèi)能夠人為控制的、并對承載力大小造成影響的指標；影響指標體現(xiàn)水資源系統(tǒng)的狀態(tài)對社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境的影響；響應指標描述了生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)出的對人類活動的反饋。根據(jù)指標性質(zhì)又可分為正相關指標和負相關指標，其中正相關指標的增長促進該地區(qū)水生態(tài)承載力的提升，負相關指標則反之。評價指標具體分類見表1。

表1 蕪湖市水生態(tài)承載力評價指標體系Table 1 Evaluation index system of water ecological carrying capacity in Wuhu City

2.2 承載力評價結(jié)果

圖2為2011—2018年蕪湖市水生態(tài)承載力變化趨勢。從圖2可以看出，承載力總體呈上升趨勢。其中，2011—2014年得分為0.4～0.6，呈基本承載狀態(tài)，2015—2018年得分超過0.6，為較好承載，但與良好承載（0.8）還存在一定距離。

圖2 2011—2018年蕪湖市水生態(tài)承載力變化Fig.2 Change trend of water ecological carrying capacity in Wuhu City from 2011 to 2018

2011—2018 年各區(qū)縣水生態(tài)承載力變化趨勢見圖3。從圖3可以看出，市區(qū)、無為市、繁昌區(qū)和南陵縣的水生態(tài)承載力總體上呈上升趨勢，南陵縣的波動性較大；2018年市區(qū)和繁昌區(qū)得分超過0.6，呈較好承載狀態(tài)；而無為市、灣沚區(qū)和南陵縣的得分為0.5～0.6，呈弱可承載。其中繁昌區(qū)的水生態(tài)承載力評分值最大，灣沚區(qū)最小。

圖3 2011—2018年蕪湖市各區(qū)縣水生態(tài)承載力變化Fig.3 Change trend of the ecological carrying capacity of each district and county from 2011 to 2018

2.3 主要影響指標

由于蕪湖市各區(qū)縣在社會資源、經(jīng)濟結(jié)構(gòu)等方面存在很大差異，因此相應的主要影響指標也存在不同，根據(jù)各指標權(quán)重系數(shù)的大小采用排序法挑選出對各區(qū)縣水生態(tài)承載力造成影響的主要指標（圖4），并對其進行著重分析。

從圖4可以看出，各區(qū)縣的水生態(tài)承載力主要影響指標具體表現(xiàn)：1）市區(qū)為生活污水排放量、生態(tài)環(huán)境用水量、人均水資源量、產(chǎn)水系數(shù)和總供水量；2）無為市為萬元GDP用水量、COD排放量、工業(yè)廢水排放量、產(chǎn)水系數(shù)和人均水資源量；3）灣沚區(qū)為COD排放量、生活污水排放量、萬元GDP用水量、人均水資源量和生態(tài)環(huán)境用水量；4）繁昌區(qū)為萬元GDP用水量、工業(yè)廢水排放量、人均水資源量、COD排放量和生態(tài)環(huán)境用水量；5）南陵縣為人均水資源量、產(chǎn)水系數(shù)、萬元GDP用水量、COD排放量和生態(tài)環(huán)境用水量。最終確定了8項各區(qū)縣水生態(tài)承載力的主要影響指標，分別為工業(yè)廢水排放量、總供水量，COD排放量、萬元GDP用水量、產(chǎn)水系數(shù)、生態(tài)環(huán)境用水量、生活污水排放量和人均水資源量。各區(qū)縣8項指標變化趨勢如圖5所示。資源和環(huán)境是影響蕪湖市水生態(tài)承載力的主要因素，相反，選用的生態(tài)指標對水生態(tài)承載力的影響較小，其原因可能是蕪湖市生態(tài)保護紅線面積、水生生物多樣性指數(shù)和自然岸線比例在2011—2018年沒有變化或變化幅度很小。

圖4 蕪湖市各區(qū)縣水生態(tài)承載力的主要影響指標Fig.4 Main impact indicators of each district and county

由圖5可見，各區(qū)縣萬元GDP用水量和產(chǎn)水系數(shù)2項指標總體上向有利方向發(fā)展。然而不同區(qū)縣的各指標以及限制因素存在較大差異，如：1）市區(qū)的經(jīng)濟水平較高，但自然資源匱乏，具體表現(xiàn)為市區(qū)的人均GDP高、人均水資源量低，同時由于市區(qū)的人口密度大，也導致了該地區(qū)的生活污水排放量大；2）無為市的工業(yè)廢水排放量低，但COD排放量高，萬元GDP用水量和產(chǎn)水系數(shù)處于較低水平；3）灣沚區(qū)總供水量較低，工業(yè)廢水和生活污水排放量處于較高的水平；4）繁昌區(qū)的萬元GDP用水量、工業(yè)廢水排放量和生活污水排放量都較低，對環(huán)境造成的壓力低，所以該地區(qū)的水生態(tài)承載力評分值最大；5）南陵縣的自然資源豐富，人均水資源量大，但萬元GDP用水量較低、工業(yè)廢水排放量大。

2.4 建議值確定

為使蕪湖市各區(qū)縣達到良好承載狀態(tài)，根據(jù)2011—2018年各項指標的變化趨勢，以2025年為基準，采用指標外延法確定8項主要影響指標的目標建議值（圖5虛線部分）。從圖5可以看出，2011—2018年市區(qū)的人均水資源量、工業(yè)廢水和生活污水排放量較上一年的變化幅度分別為-50%～94%、-59%～64%和-32%～24%，2025年建議值增幅分別為6%、-4%和-4%，符合變化趨勢。2011—2018年無為市的生活污水排放量和COD排放量較上一年的變化幅度分別為-60%～126%和-61%～108%，2025年建議值增幅為4%，符合變化趨勢。2011—2018年灣沚區(qū)的總供水量和生活污水排放量較上一年變化幅度分別為-12%～26%和-7%～64%，2025年建議值增幅為6%和-4%，符合變化趨勢。2011—2018年繁昌區(qū)的生態(tài)環(huán)境用水量較上一年的變化幅度為-37%～58%，2025年建議值增幅為6%，符合變化趨勢。2011—2018年南陵縣的生活污水排放量和萬元GDP用水量較上一年的變化幅度為-5%～53%和-35%～28%，2025年建議值增幅為-4%和-30%，符合變化趨勢。

圖5 蕪湖市各區(qū)縣水生態(tài)承載力主要影響指標的變化趨勢Fig.5 Change trend of main impact indicators of each district and county in Wuhu City

針對各區(qū)縣提出以下水生態(tài)承載力改善建議：1)對于市區(qū)，存在的問題主要是人均水資源量低以及工業(yè)廢水、生活污水排放量大，需要開辟新的備用水源，如采取建地下水庫、海綿城市等措施；加強工業(yè)廢水、生活污水治理，對污水處理廠進行提標改造，提高污水回用率，并督促企業(yè)進行排污申報登記，逐步完善污染在線監(jiān)測系統(tǒng)。2)無為市的生活污水排放量和COD排放量較高，需要對一些COD高排放企業(yè)采取減排限排的措施，對鋼鐵類企業(yè)、印染類企業(yè)實施清潔化改造計劃，對高能耗、低用水效率的企業(yè)進行技改，同時需要開展城鄉(xiāng)污水集中處理設施及配套管網(wǎng)建設。3)灣沚區(qū)需要積極發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)，促進產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的升級優(yōu)化，對高排放企業(yè)進行減排限排，對超標排放企業(yè)進行關停，同時也需要加強備用水源建設。4)繁昌區(qū)主要問題是生態(tài)用水量較低，可以開展區(qū)級、社區(qū)級城市公園建設，增大在生態(tài)用水方面的投入。5)對于南陵縣廢/污水排放量大的問題，需要提高污水回用率，大幅度削減落后產(chǎn)能規(guī)模，以鋼鐵、水泥、平板玻璃等行業(yè)為重點，同時需要升級企業(yè)設備，提高工業(yè)用水效率以降低萬元GDP用水量。此外，還需要加強對生態(tài)指標如生態(tài)保護紅線面積比指數(shù)、自然岸線比例等指標的管控。蕪湖市生態(tài)保護紅線面積比為4.95%，市區(qū)、無為市、灣沚區(qū)、繁昌區(qū)和南陵縣的面積比分別為1.84%、5.82%、1.72%、6.46%和8.19%，在生態(tài)保護紅線內(nèi)按照禁止開發(fā)區(qū)域的要求進行管理，嚴禁不符合主體功能定位的各類開發(fā)活動，嚴禁任意改變用途，確保生態(tài)保護紅線的生態(tài)功能不降低、面積不減少、性質(zhì)不改變。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

（1）總體來說，蕪湖市及各區(qū)縣的水生態(tài)承載力呈上升的趨勢，市區(qū)和繁昌區(qū)的水生態(tài)承載力較好，無為市和南陵縣次之，灣沚區(qū)最差。

（2）選用的評價指標來自社會、環(huán)境、經(jīng)濟、資源和生態(tài)5個方面，根據(jù)權(quán)重系數(shù)大小采用排序法確定8項主要影響指標，分別為工業(yè)廢水排放量、總供水量、COD排放量、萬元GDP用水量、產(chǎn)水系數(shù)、生態(tài)環(huán)境用水量、生活污水排放量和人均水資源量，其中環(huán)境和資源是影響蕪湖市水生態(tài)承載力的主要因素。

（3）針對各區(qū)縣提出了相應的改善建議，從經(jīng)濟發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、截污減排等方面提高水生態(tài)承載力。為了更好地落地實施改善方案，根據(jù)各區(qū)縣的8項主要影響指標提出了目標建議值（以2025年為基準），并確保所設定的建議值是可達到的。

3.2 建議

（1）為緩解蕪湖市內(nèi)水資源分配不均的現(xiàn)狀，建設重點水源配置工程，對青弋江、漳河等重要支流進行治理，對市內(nèi)自來水廠實施管道改造工程。

（2）針對污染物排放量大的問題，全力控制污染物排放，落實全市重點排放大戶超低排放改造；嚴格控制新增污染源，堅持建設項目全過程管理，做到增產(chǎn)不增污、增產(chǎn)減污；統(tǒng)籌城鄉(xiāng)污水集中處理設施及配套管網(wǎng)建設，并保障其正常運行，提高城鄉(xiāng)污水收集處理能力和回用率。

（3）全面推進社會節(jié)水工作，工農(nóng)業(yè)進行節(jié)水改造工作，推廣節(jié)水器具，加強對高耗水行業(yè)、重點用水單位的用水定額管理，嚴格控制高耗水項目建設，對高能耗、低用水效率的企業(yè)要進行技改，以緩解蕪湖市區(qū)及其他區(qū)縣水資源短缺的問題。

（4）為有效保護蕪湖地區(qū)的水生生物多樣性和生態(tài)安全，需要進一步加強生態(tài)保護紅線的管理，確保生態(tài)保護紅線的生態(tài)功能不降低、面積不減少、性質(zhì)不改變，圍繞長江干流、主要支流及道路沿線建設森林長廊，開展防護林建設工作。

致謝：感謝蕪湖市長江生態(tài)環(huán)境保護技術(shù)與方案研究項目的支持。