郭 麗

（撫順市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 撫順 113008）

隨著城市建設(shè)空間規(guī)模的擴(kuò)大和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，撫順市水資源短缺矛盾日趨突出，特別是“大伙房水庫輸水工程”的建成引入大量水資源，在形成許多人工景觀的同時(shí)也產(chǎn)生水環(huán)境、水生態(tài)等一系列問題，對(duì)城市發(fā)展和水生態(tài)健康造成嚴(yán)重影響[1-3]。因此，研究與評(píng)價(jià)撫順市水生態(tài)承載力及其變化規(guī)律，對(duì)促進(jìn)水生態(tài)系統(tǒng)與城市建設(shè)的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。

目前，針對(duì)撫順市承載力的有關(guān)研究主要側(cè)重于水環(huán)境或水資源的單一要素，全面考慮水生態(tài)、水安全、水資源、水環(huán)境等因素系統(tǒng)分析水生態(tài)健康狀況的研究較少[4-8]。撫順市位于遼寧省東部，其特殊的地理環(huán)境及氣候條件與干旱缺水地區(qū)存在明顯差異，城市與流域水生態(tài)特點(diǎn)也有所不同，對(duì)其水生態(tài)系統(tǒng)研究較水污染嚴(yán)重的南方地區(qū)明顯不同。

借鑒相關(guān)文獻(xiàn)資料，比較常用的評(píng)價(jià)方法有模糊綜合法、投影尋蹤法、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法、主客觀賦權(quán)法、水生態(tài)足跡法和主成分分析法[9-15]。文章以水安全、水環(huán)境、水生態(tài)和水資源為主體，結(jié)合撫順地區(qū)實(shí)際情況選擇能夠反映城市水生態(tài)健康的24 項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)建評(píng)價(jià)體系，擬選用主成分分析法評(píng)價(jià)2012-2020 年撫順市水生態(tài)承載力，并對(duì)比分析各區(qū)（縣）2015 年和2018 年承載力變化特點(diǎn)，以期為撫順市水生態(tài)環(huán)境保護(hù)和水系連通工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域概況

撫順市位于遼寧東部，地處東經(jīng)123°55' ，北緯41°52' ，三面環(huán)山，市區(qū)位于渾河沖擊平原上，總面積11271km2。全市轄三縣四區(qū)(撫順縣、清原縣、新賓縣、新?lián)釁^(qū)、望花區(qū)、順城區(qū)、東洲區(qū))，區(qū)域地理位置優(yōu)越，地貌形態(tài)復(fù)雜，地勢(shì)呈西北低、東南高之勢(shì)，平均海拔400~500m。撫順市屬季風(fēng)型大陸氣候，夏季濕熱、多雨，冬季嚴(yán)寒、干燥，年降水量650~800mm，降水量年際變化大，年內(nèi)分配不均勻，豐、枯水年降水量相差3 倍以上，6-8 月占全年總降水量70%~80%。地表水資源豐富，主要有渾河、清河、太子河、柳河、柴河、富爾江河等12 條河流，徑流量大，全市可利用水域面積6667hm2，水資源總量39.82 億m3，人均占有量1530m3僅次于丹東市和本溪市。

近年來，隨著撫順市城市建設(shè)空間規(guī)模的不斷擴(kuò)大，境內(nèi)許多具有滯洪或儲(chǔ)存功能的池塘、濕地、湖泊逐漸消失，河灘濕地被侵占、熱島效應(yīng)增強(qiáng)、水環(huán)境破壞等水生態(tài)問題突出。因此，為促進(jìn)水資源與生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會(huì)、城市建設(shè)的協(xié)調(diào)發(fā)展，有必要研究評(píng)價(jià)撫順市水生態(tài)承載力及其變化規(guī)律。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所涉及到的數(shù)據(jù)包括撫順市及各轄區(qū)2012-2020 年水資源、人口規(guī)模、區(qū)域面積等，初始數(shù)據(jù)來源于撫順市水資源公報(bào)、統(tǒng)計(jì)年鑒等相關(guān)資料。

2.2 評(píng)價(jià)體系

文章依據(jù)《水生態(tài)文明城市建設(shè)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》、最嚴(yán)格水資源管理的“三條紅線”和東北地區(qū)的地域特性，充分考慮城市經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境、水資源與水生態(tài)承載力之間的關(guān)系，遵循系統(tǒng)性、科學(xué)性、獨(dú)立性和可操作性等原則，在綜合各指標(biāo)框架優(yōu)缺點(diǎn)的情況下構(gòu)建水生態(tài)承載力評(píng)價(jià)體系[16-17]，如表1所示。

表1 水生態(tài)承載力評(píng)價(jià)體系

2.3 主成分分析法

文章利用PCA 主成分分析法評(píng)價(jià)2012-2020年撫順市水生態(tài)承載力變化趨勢(shì)，并結(jié)合水生態(tài)文明城市建設(shè)試點(diǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)各區(qū)(縣)水生態(tài)承載力，主要步驟如下[18]：

步驟1：消除量綱或數(shù)量級(jí)，采用下式計(jì)算處理各指標(biāo)初始數(shù)據(jù)xij，即：

式中：xij、為待評(píng)價(jià)樣本i中參評(píng)指標(biāo)j的初始數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)化值；Sj、為參評(píng)指標(biāo)j的標(biāo)準(zhǔn)差和平均值。

步驟2：求解特征值λi及其特征向量ei，依據(jù)相關(guān)系數(shù)rij計(jì)算結(jié)果構(gòu)造實(shí)對(duì)稱矩陣R：R=(rij)p×p，相關(guān)公式如下：

步驟3：確定主成分，采用下式計(jì)算累積貢獻(xiàn)率r和主成分貢獻(xiàn)率ωi，并依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)合理確定主成分，即：

一般地，可將信息保留量較高即累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到70%~90%的成分定義成主成分，文章結(jié)合相關(guān)資料按前m項(xiàng)累積貢獻(xiàn)率達(dá)到85%時(shí)作為主成分。

步驟4：計(jì)算綜合評(píng)分Z，有關(guān)計(jì)算公式如下：

式中：zi為主成分評(píng)分；aij為主成分荷載，即特征向量ei對(duì)應(yīng)的第j個(gè)分量。通過綜合評(píng)分Z反映撫順市水生態(tài)承載力狀況，綜合評(píng)分值越大則水生態(tài)承載力越高，反之則越低。

2.4 評(píng)價(jià)等級(jí)劃分

文章結(jié)合撫順市具體情況合理劃分各參評(píng)指標(biāo)的等級(jí)分界值，如表2 所示，然后利用已構(gòu)建的主成分分析模型計(jì)算分界點(diǎn)綜合評(píng)分值，更加直觀地反映區(qū)域水生態(tài)承載力狀況。

表2 水生態(tài)承載力評(píng)價(jià)等級(jí)

3 結(jié)果與分析

3.1 水生態(tài)承載力變化

采用主成分分析法計(jì)算撫順市2012-2020 年水生態(tài)承載力，如圖1 所示。結(jié)果表明，2012-2020年撫順市水生態(tài)承載力表現(xiàn)出逐漸增強(qiáng)的變化趨勢(shì)。具體而言，2012 年和2013 年的水生態(tài)承載力處于Ⅳ級(jí)超載狀態(tài)；從2014 年開始明顯上升，2014 年相較于2013 年水生態(tài)承載力綜合評(píng)分增加3.0，評(píng)價(jià)結(jié)果從Ⅳ級(jí)超載轉(zhuǎn)變成Ⅲ級(jí)臨界狀態(tài)；2015-2017 年綜合評(píng)分繼續(xù)增大，但評(píng)價(jià)結(jié)果整體處于Ⅲ級(jí)臨界狀態(tài)；2018 年相較于2017 年水生態(tài)承載力明顯提高，綜合評(píng)分提高9.7，評(píng)價(jià)結(jié)果從Ⅲ級(jí)臨界轉(zhuǎn)變成Ⅱ級(jí)良好狀態(tài)；研究時(shí)段內(nèi)，2020年水生態(tài)承載力達(dá)到最高的10.6，水生態(tài)環(huán)境明顯改善，評(píng)價(jià)結(jié)果維持在Ⅱ級(jí)良好狀態(tài)。

圖1 2012-2020 年水生態(tài)承載力評(píng)分

為準(zhǔn)確識(shí)別撫順市2012-2020 年水生態(tài)承載力關(guān)鍵因子，應(yīng)用主成分分析法計(jì)算準(zhǔn)則層指標(biāo)S1~S4 的水生態(tài)承載力，如圖2 所示。

圖2 2012-2020 年準(zhǔn)則層指標(biāo)水生態(tài)承載力評(píng)分

從圖2 可以看出，準(zhǔn)則層中水安全、水環(huán)境、水生態(tài)承載力與綜合承載力變化趨勢(shì)基本一致，總體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)；水資源承載力表現(xiàn)出波動(dòng)變化趨勢(shì)，且與綜合承載力變化趨勢(shì)相反。深入分析準(zhǔn)則層指標(biāo)變化情況，具體如下：

1）結(jié)合區(qū)域降水?dāng)?shù)據(jù)，研究期間降水量和人均水資源量并無明顯變化，但由于用水、節(jié)水新技術(shù)的投入使用以及人們節(jié)水意識(shí)的增強(qiáng)，萬元GDP用水量和各行業(yè)用水比例反而有所減小。各行業(yè)用水效率在用水總量控制下均有明顯提升，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度逐漸加快。

2）準(zhǔn)則層中的水安全、水生態(tài)承載力與綜合承載力相接近，飲用水水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、水域面積指數(shù)和生態(tài)補(bǔ)水比例等正向指標(biāo)增大，從而提高了準(zhǔn)則層中的這兩項(xiàng)指標(biāo)和水生態(tài)系統(tǒng)綜合評(píng)分。2012年，撫順市園林綠化覆蓋率和生態(tài)補(bǔ)水比例只有2.5%、3.1%，而到2020 年分別提高到5.6%、14.2%，從而顯著增強(qiáng)了水生態(tài)系統(tǒng)的蓄水能力和整體穩(wěn)定性，有利于提高水資源量。另外，水功能區(qū)河流斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)率和水源面積指數(shù)逐漸增大，增長(zhǎng)率依次為22.6%和12.5%，有效保證了水安全狀態(tài)。

3）水生態(tài)承載力變化與準(zhǔn)則層水環(huán)境指標(biāo)密切相關(guān)，其正向指標(biāo)的增大及負(fù)向指標(biāo)的減小直接反映了水生態(tài)系統(tǒng)受人類活動(dòng)的影響。2012-2020 年，撫順市逐漸加強(qiáng)水生態(tài)保護(hù)，城鎮(zhèn)生活污水排放強(qiáng)度指數(shù)和第二產(chǎn)業(yè)污水污染強(qiáng)度指數(shù)減小7.85、7.61，再生水處理能力及污水處理廠處理能力分別增大28.60×104m3/d、165×104t/d，水生態(tài)修復(fù)投資規(guī)模也不斷增大。因此，通過有效控制入河污染物排放，明顯改善了撫順市水生態(tài)環(huán)境。

綜上分析，撫順市不斷加大對(duì)受損水生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)治理，2014 年相較于2013 年的園林覆蓋率和水域面積有所增大；另外，各行業(yè)用水效率、污水廠處理能力以及再生水利用量逐漸提高，排入水環(huán)境中的農(nóng)藥化肥殘留物、生活污水和工業(yè)污染物不斷減少，加之水環(huán)境治理投資以及生態(tài)補(bǔ)水比例持續(xù)加大，在很大程度上改善了撫順市水生態(tài)狀況，2014 年從Ⅳ級(jí)超載轉(zhuǎn)變成Ⅲ級(jí)臨界狀態(tài)。

2017 年，撫順市快速推進(jìn)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)，突出強(qiáng)調(diào)工業(yè)生產(chǎn)用水和農(nóng)業(yè)灌溉新技術(shù)的研究應(yīng)用，水環(huán)境治理投資規(guī)模也達(dá)到最高。經(jīng)過治理修復(fù)，2018 年撫順市水生態(tài)系統(tǒng)從Ⅲ級(jí)臨界轉(zhuǎn)變成Ⅱ級(jí)良好狀態(tài)，水環(huán)境明顯改善。2019 年水生態(tài)承載力達(dá)到較高的飽和狀態(tài)，雖然相較于2018 年承載力評(píng)分有所減小，但除水環(huán)境保護(hù)治理投資額比例外其它指標(biāo)均表現(xiàn)出上升趨勢(shì)。通過前期的治理保護(hù)，2020 年承載力評(píng)分達(dá)到最高10.6，評(píng)價(jià)結(jié)果維持在Ⅱ級(jí)良好狀態(tài)。2012-2020 年，撫順市從污水處理、用水、節(jié)水等方面制定有效措施，逐步治理修復(fù)原本受損的水生態(tài)系統(tǒng)，經(jīng)長(zhǎng)期努力取得了明顯成效，為促進(jìn)城市經(jīng)濟(jì)、資源與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

3.2 分區(qū)評(píng)價(jià)結(jié)果

文章利用主成分分析法計(jì)算撫順市各轄區(qū)(撫順縣、清原縣、新賓縣、新?lián)釁^(qū)、望花區(qū)、順城區(qū)、東洲區(qū))2015年、2018年水生態(tài)承載力，如圖3所示。

圖3 各轄區(qū)水生態(tài)承載力等級(jí)

從圖3 可以看出，撫順市各轄區(qū)2018 年相較于2015 年的水生態(tài)環(huán)境明顯改善，其中清原縣評(píng)價(jià)等級(jí)變化最為明顯。2015 年，除撫順縣外其它各區(qū)(縣)均處于Ⅲ~Ⅳ級(jí)，水生態(tài)承載力偏低。2018 年撫順市水生態(tài)文明建設(shè)成效逐漸突顯，清原縣、新賓縣水生態(tài)系統(tǒng)從原來的Ⅳ級(jí)超載轉(zhuǎn)變成Ⅱ級(jí)良好和Ⅲ級(jí)臨界狀態(tài)，順城區(qū)從原來的Ⅲ級(jí)臨界轉(zhuǎn)變成Ⅱ級(jí)良好狀態(tài)，其它區(qū)(縣)的評(píng)價(jià)等級(jí)無明顯變化，但水生態(tài)承載力均有不同程度的提升。

2016-2018 年望花區(qū)、新?lián)釁^(qū)的水生態(tài)系統(tǒng)均處于Ⅳ級(jí)超載狀態(tài)，這兩個(gè)區(qū)的第二、三產(chǎn)業(yè)集中且人口密度較大，城鎮(zhèn)污水排放以及各產(chǎn)業(yè)用水量均高于其它地區(qū)。另外，地下水過度開發(fā)利用致使局部地下水超采嚴(yán)重，加之水環(huán)境治理投入不足，在一定程度上降低了水生態(tài)承載力。因此，必須科學(xué)評(píng)價(jià)以上區(qū)域的水資源，有效控制開發(fā)比例，持續(xù)加大水環(huán)境治理投入，逐漸修復(fù)受損的水生態(tài)系統(tǒng)，不斷優(yōu)化調(diào)整用水方式，進(jìn)一步提升再生水利用率和節(jié)水新技術(shù)發(fā)展。

研究期間，清原縣、新賓縣和順城區(qū)的水生態(tài)修復(fù)效果顯著，順城區(qū)2018 年相較于2015 年的萬元GDP 用水量、污水排放量均逐漸減小，其工業(yè)重復(fù)用水率逐漸增大，各項(xiàng)指標(biāo)都表現(xiàn)出良好的發(fā)展趨勢(shì)；清原縣、新賓縣以農(nóng)業(yè)為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，在實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高產(chǎn)的情況下大力倡導(dǎo)農(nóng)業(yè)節(jié)水，有效保護(hù)水生態(tài)環(huán)境。東洲區(qū)、撫順縣2018 年相較于2015年的水生態(tài)承載力等級(jí)維持不變，東洲區(qū)處于Ⅲ級(jí)臨界狀態(tài)，撫順縣處于Ⅱ級(jí)良好狀態(tài)，雖然與其它區(qū)(縣)相比水生態(tài)承載力較好，但水生態(tài)環(huán)境受農(nóng)藥化肥大量施用、工業(yè)污水過度排放等因素的影響依然較大[19-22]。因此，在保證各行業(yè)用水需求的情況下必須合理配置水資源，加快新型節(jié)水技術(shù)的推廣應(yīng)用，徹底解決人類活動(dòng)所引起的水環(huán)境問題。

4 結(jié) 論

1）從水安全、水環(huán)境、水生態(tài)和水資源4 個(gè)方面選擇24 項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)建評(píng)價(jià)體系，利用主成分分析法計(jì)算撫順市2012-2020 年水生態(tài)承載力及其變化規(guī)律。結(jié)果顯示，2012-2020 年撫順市水生態(tài)承載力表現(xiàn)出逐漸增大趨勢(shì)，從2012 年的Ⅳ級(jí)超載轉(zhuǎn)變成2020 年的Ⅱ級(jí)良好狀態(tài)，有效治理與修復(fù)了受損的水生態(tài)系統(tǒng)。

2）撫順市各轄區(qū)2018 年相較于2015 年水生態(tài)環(huán)境明顯改善，并以清原縣評(píng)價(jià)等級(jí)變化最為明顯。具體而言，清原縣、新賓縣水生態(tài)系統(tǒng)從原來的Ⅳ級(jí)超載轉(zhuǎn)變成Ⅱ級(jí)良好和Ⅲ級(jí)臨界狀態(tài)，順城區(qū)從原來的Ⅲ級(jí)臨界轉(zhuǎn)變成Ⅱ級(jí)良好狀態(tài)，望花區(qū)、新?lián)釁^(qū)的水生態(tài)系統(tǒng)始終處于Ⅳ級(jí)超載狀態(tài)，東洲區(qū)處于Ⅲ級(jí)臨界狀態(tài)，撫順縣處于Ⅱ級(jí)良好良好狀態(tài)。

3）隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和水生態(tài)文明建設(shè)的不斷推進(jìn)，撫順市及其各轄區(qū)水生態(tài)環(huán)境明顯改善，但經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、城市建設(shè)不可避免地會(huì)產(chǎn)生水生態(tài)問題。因此，必須考慮各地區(qū)具體情況合理配置水資源，加快新型節(jié)水、用水技術(shù)以及再生水的應(yīng)用，有效控制污水排放量和水環(huán)境污染，切實(shí)保障撫順市水安全、水生態(tài)健康。