张发旺 陈立 程彦培 董华
（中国地质科学院水文地质环境地质研究所）
城市群在推动我国工业化和经济发展的同时，也引起了许多水环境及其衍生问题。城市群的形成发展过程必然伴随着城镇密度提高、产业集聚发展、产业结构调整等现象。这些要素的发展又不可避免地会引起水资源过度消耗、生态破坏、水环境污染等问题，水环境承载力逐步在增强。一个地区在水环境承载力方面存在较大差异，平原区、山区地表水和地下水环境现状不同，其承受外部的能力也存在不同。这两个方面决定着整个城市群国土规划中产业选择、城镇布局和发展方向，影响着国家粮食供给稳定。因此，摸清城市群地区水环境现状，评价该区水环境承载力是城市群国土规划的基础工作。
一、国内外研究现状
水环境承载力（WECC）是承载力概念与水环境领域的自然结合，国外有关水环境承载力的专门研究尚处于初始阶段，未建立统一和成熟的方法。国外的相关研究往往将水环境作为一个孤立的体系，未从各要素相互联系、相互制约的角度研究水环境承载力，针对区域地理、气候和经济发展研究水环境承载力的报道相对较少。国内水环境承载力的理论和实践研究目前尚处于探索阶段，对水环境承载力的内涵、特征、变化关系和量化表征等尚未见较为系统的报道。1997年，唐剑武等给出了水环境承载力的概念，并将水环境承载力的研究用于水域纳污能力、水环境容量、水环境价值与效益核算等方面。但水环境承载力的科学定义、研究理论与方法，目前学术界尚未达成共识。水利部部长汪恕诚定义的水环境承载能力指的是一个水域的区域环境质量，即水域系统生态健康，有自净能力，它的承载力就强，就是一个运转良好的水域系统。崔树彬认为，水环境承载能力就是通常意义上的“水环境容量”、“水环境（水体）的纳污能力”或“水环境容许污染负荷量”等。
根据上述，国内外对水环境承载力评价往往是从地表水出发，考虑其纳污能力（环境容量）大小及调控，而忽略了地下水环境的承载能力。客观事实是地下水与地表水之间联系紧密，补给关系不可分割，是一个整体；同时，地下水体本身除了具有地表水自净能力外，其系统结构特别是土壤层和包气带对污染物具有抗拒和净化的能力。兼于上述地下水净化能力，实际上增大了整个水环境的容量。因此，水环境承载力应包括地下水和地表水环境承载力两个方面。因此水环境评价工作，就是将地表水和地下水作为一个整体，从城市群特点和自然规律出发，进行水环境承载力评价。因此通过开展城市群地区水环境承载力研究，进一步明确水环境对经济社会发展的承载力阈值，为城市群科学合理规划，以适应水环境承载力的经济社会结构调整方案，为国土规划的总体布局和全面落实提供技术支撑。
二、水环境承载力评价的目标任务
（一）目标
以系统理论为指导，以水循环理论为基础，从城市群国土规划需求的角度出发，分析地表水体现有水质状况并测算水环境容量，预测规划水平年内水质状况；根据水文地质条件特征，评价地下水环境抗污性能；结合地下水可更新能力评价结果，以维护城市群快速发展安全性为基点，评价城市群地区水环境承载力；提出基于水环境承载力的国土规划建议，为探索水环境良性演化与城市群快速发展的友好相应关系，以及国土规划提供技术支撑。
（二）任务
1.地表水环境容量核定
分析地表水环境污染物空间排放特征，测算当地地表水体环境容量，评价基于水环境容量的总量控制。
2.地下水环境抗污性能评价
选择能够表征地下水环境抗污能力的评价因子，采用DRASTIC模型，评价地下水环境抗污性能。
3.水环境承载力评价
将地表水、地下水作为整体，选取适当评价因子，建立相应的评价体系和权重体系，评价水环境承载力。
4.提出基于水环境承载力的国土规划建议
从城市群国土规划的需求出发，根据水环境承载力评价结果，提出基于水环境承载力的国土规划建议。
（三）技术途径
本研究将在收集、整理基础资料的基础上，针对城市群水环境特点，识别当前面临的主要水环境问题，分析地表水污染源和评价功能区达标，计算地表水环境容量，校核基于地表水环境容量的总量控制；分析研究区水文地质条件，选择DRASTIC模型，评价地下水环境抗污性能；结合地下水更新能力评价结果，构建水资源承载力指标体系、计算模型和评价方法，计算出城市群地区水环境承载力，最终提出提高城市群地区水环境承载力的国土资源规划建议（图1）。
图1 技术路线图
三、水环境承载力评价需要深入研究的问题
（一）水环境污染敏感性评价问题
水环境污染敏感性是指在天然降水条件下，区域生态系统对水污染物的容量大小，即发生在正常降水情况下，发生水环境污染的可能性的大小。它主要依赖于区域降水量的大小以及降水形成地表径流对污染物的稀释能力。根据城市群区域降水径流深，结合水环境质量现状和污染物排放强度，区划选择以下指标体系（表1），将河流的水环境污染敏感性分为一般地区、轻度敏感、中度敏感、高度敏感和极度敏感5个级别（表1）。
表1 水环境污染敏感性指标与分级标准
（二）水环境容量评估问题
水环境容量是基于对流域水文特征、排污方式、污染物迁移转化规律进行充分科学研究的基础上，结合环境管理需求确定的管理控制目标。水环境容量既反映流域的自然属性（水文特性），同时反映人类对环境的需求（水质目标），水环境容量将随着水资源情况的不断变化和人们环境需求的不断提高而不断发生变化。
城市群地区水环境容量计算，主要依据《水环境功能区划》制定的水质目标和现有参数，对比流域水质现状，以COD和氨氮量为总量控制主要目标，评估水环境容量。
（三）地下水环境抗污能力评价
地下水环境是人类环境的一种重要组成部分，是水环境组成的重要分支，占据着举足轻重的作用。人类在日常生活、生产过程中向外界环境中排放的有毒有害元素或污染物由水循环进入地下水环境中，致使地下水环境恶化。恶化的地下水环境又反过来对人类的生产和生活产生了不利影响，制约着社会、经济的发展，严重时甚至可能危害到人体健康。地下水环境污染与地表水环境污染相比更具有隐蔽性和难以逆转性。地下水环境相比地表水环境来说，除了具有地表水体自净功能外，其自身构成对污染物进入水体内部具有阻滞作用，它反映了地下水环境的自我保护能力。地下水环境抗污能力评价就是从有效的保护地下水资源免于遭受污染的角度出发，选择能表征地下水环境抗污能力的评价因子，并建立相应的评分体系和权重体系，划分地下水环境抗污能力等级。
适用于评价地下水环境抗污能力的方法有矢量分析法、综合指数法、层次分析法、灰色关联法、空气动力学法等，考虑到地下水环境抗污能力影响因素以及评价指标体系与地下水脆弱性的影响因素和评价指标体系相同，地下水脆弱性评价被广泛应用的是美国EPA推广的DRASTIC方法。本次评价地下水环境抗污能力亦采用此方法。
DRASTIC方法主要考虑以下7个参数：地下水埋深、含水层的净补给、含水层的岩性、土壤类型、地形、包气带（渗流区）的影响及含水层渗透系数。这7个指标与影响地下水环境的主要因素相对应，所以把DRASTIC的7个参数作为本次评价的评价指标体系是适宜的。各指标的级别与其对应的标准特征值如表2、表3和表4所示。
表2 指标级别与其对应的标准特征值表
表3 指标级别与其对应的标准特征值表
表4 指标级别与其对应的标准特征值表
四、水环境承载力评价
（一）评价方法
评价水环境承载力的方法，有许多方法可以采用，本次选用了层次分析法，这是一种统计方法，广泛应用于多指标评价问题中各指标权重的确定。其主要步骤如下：
1.建立问题的递阶层次结构
首先，根据对问题的了解和初步分析，把复杂问题按特定的目标、准则和约束条件等分解成被称为因素的各个组成部分，把这些因素属性做不同分层排列。同一层次的因素对下一层的某些因素起支配作用，同时它又受上一层次因素的支配，形成了一个自上而下的递阶层次。最简单的递阶层次分为3层。最上面的层次一般只有一个因素，它是系统的目标，被称为目标层；中间的层次是准则，其中排列了衡量是否达到目标的各项准则；最底层是指标层，表示所选取的具体指标等，如图2所示。
图2 层次分析法结构示意图
水环境承载力评价是个复杂的决策系统，根据层次分析法的基本原理，可划分为3个层次：
（1）目标层：把水环境承载力作为工作的目标。
（2）准则层：把影响水环境承载力因素归为一个主要方面，并列为评价的基本准则，如地表水环境容量、地下水环境抗污能力、水环境更新能力、浅层地下水开采可持续性等。
（3）指标层：根据评价准则，将上述影响因素进一步细分为若干具体评价指标。
2.构造判断矩阵
对同一层次的各元素对上一层次各准则的相对重要性进行两两比较，构造两两比较判断正矩阵A:
A＝(aij)n·n
式中：aij(i,j=1,2，…，n）为因素的相对重要性数值，采用l～9标度方法建立同层次各因素的判断矩阵，其取值含义如表5所示。
表5 层次分析法的判断矩阵标志及其含义
3.权重的确定及一致性检验
根据构造的判断矩阵，计算指标权重（即求解判断矩阵的最大特征向量）。
（1）计算矩阵各行n个元素乘积：
地球科学·水与城市
（2）计算n次方根。
（3）对向量进行规范量化：将上述n次方根所得的n个向量组成矩阵，并对向量进行归一化处理：
地球科学·水与城市
得到：W＝(W1,W2，…，Wn），
式中：W为所求得的特征向量的近似值，即为各指标的权重。
（4）计算矩阵的特征值Amax：
地球科学·水与城市
式中：[BWτ]i为向量BWτ的第i个元素。
（5）由于客观事物的复杂性和主观认识的片面性，构造的判断矩阵不一定是一致性矩阵，但当偏离一致性过大时，会导致一些自相矛盾的问题。因此得到结果后，还需进行随机一致性检验，检验公式为：
CI＝（λmax-n)/(n-1）；
CR=CI/RI
式中：CI为一致性指标；
Amax为最大特征根；
n为矩阵阶散；
RI为平均随机一致性指标；
CR为随机一致性比率，只有当CR＜0.10时，判断矩阵才具有满意的一致性，才认为所获取的权值是合理的。
（二）评价指标体系的建立及权重确定
1.评价指标体系
根据评价水环境承载力影响因素，确定地表水环境容量强度、地下水环境抗污性、地下水可更新能力和地下水功能为一级因子；4个一级因子又含有若干个二级因子，评价因子体系如图3所示。
图3 水环境承载力评价因子体系结构图
2.评价因子量化
对于通过测量可以直接得到具体数值的因子，直接选取该数值进行模糊评判给出等级定额，对于不能直接得到具体数值的因子采用专家打分法进行等级划分（10分制）。地表水环境容量强度直接使用实测数值，地下水环境抗污性、地下水可更新能力和地下水功能采用专家打分法。
3.权重确定
根据构造的判断矩阵，采用AHP模型计算指标权重（即求解判断矩阵的最大特征向量，表6）。
表6 水环境承载力评价因子及其权重表
续表
判断矩阵一致性比例：0.0056。
（三）承载力分区标准
利用Arc GIS平台，将地表水环境容量强度、地下水环境抗污性、地下水更新性和地下水功能4张矢量图转成栅格图，借用栅格功能，采用
水环境承载力＝Rs·WS+RC·WC+RR·WR+RF·WF
式中：R为等级特征值（实测值）；
W为权重。
将综合评分结果按表7所示标准划分为水环境承载力强、水环境承载力较强、水环境承载力一般、水环境承载力较弱和水环境承载力弱。
表7 水环境承载力评价分区标准
五、水环境承载力评价结果应用
城市群水环境承载力研究目的在于城市群地区国土规划的总体布局和全面落实提供技术支撑，为城市群地区做出基于水环境承载力条件下经济社会结构调整方案提供科学依据。
（一）水环境承载力强区
水环境承载力最强的地区，但如果位于山区，地形坡度较大，则不利于产业布局和人类居住，且该地区生态环境敏感性强，适于成为水土保持区；如果坡度小，则适宜于布置强污染工业，其地表水环境容量大，地下水环境抗污染能力相对较强。
（二）水环境承载力较强区
山区且坡度小，则适宜布置较强污染的工矿业，地表水环境容量较大，地下水环境抗污性稍高，地下水更新能力强；低山区因其水环境容量较大，地下水环境抗污性能相对较好，水资源供给能力较强，适宜布置工矿企业，但由于该地区一般地质灾害相对发育状况，应加以预防。
（三）水环境承载力一般区
一般位于山前地带，这些地区适宜布置小污染工业企业，适宜人类居住，适宜于农业灌溉，其地表水环境容量较大，地下水环境抗污能力稍高，稍难污染，地下水更新能力一般。
（四）水环境承载力较弱区
平原区一般适宜布置人类居住和农业灌溉，因其水环境容量小，地下水环境抗污性能稍低，稍易污染，地下水更新能力一般。
（五）水环境承载力弱区
河谷地区应控制人口发展规模，限制布置工业，适宜于农业灌溉，且控制农药的使用量，防治水环境的面源污染增强。
本回答被网友采纳