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17ENVIRONMENTAL PROTECTION Vol. 45 No.24 2017环境承载力概念由我国学者在20世纪90年代初的“福建省湄洲湾新经济开发区环境规划综合研究”课题中提出，其内涵为：在某种状态或条件下，某地区的环境所能承受的人类社会经济活动作用的阈值[1]；而水环境承载力（WaterEnvironmentalCarryingCapacity，WECC）则为环境承载力的一个分量，指在一定技术经济条件下，由水资源、水环境与水生态三个子系统构成的水系统，所能承受的社会经济活动的阈值[2]。目前一些研究将水环境承载力等同于“水环境容量”，仅从水质角度界定水环境对人类活动排污的承受能力[3-6]，而水环境承载力概念设计初衷，从对社会经济的承载功能角度，包括水资源供给能力、水环境容量和水生态服务三类功能[3,4]。片面地仅以水环境容量代表水环境承载力，不能全面反映水系统对人类用水、排污等活动的支撑作用。从研究现状而言，从水资源角度研究水环境供给能力大多仅在可持续发展的相关研究中有所涉及，而从水生态服务功能角度研究水生态系统承受人类社会经济活动的阈值才刚刚起步[7]。环境承载力评价始于环境承载力大小评价，其原理为基于环境承载力的力学特征，采用矢量方法对环境承载力进行表征，用矢量模的大小对环境承载力进行评价[1]。此后，水环境承载力评价更多借鉴矢量模法评价思路，建立指标体系[8,9]，但由于评价目的不明确，水环境承载力概念内涵界定不清，由此导致指标体系偏重于表达流域或区域水系统的可持续发展状态或能力，虽然体系庞大，但并未表征出水环境承载力的大小或承载状态。本研究从水环境承载力概念入手，在长期以来积累的水环境承载力评价领域案例基础上，归纳总结出一套水环境承载力评价技术方法体系，包括三种评价方法：水环境承载力大小[1]、水环境承载力承载状态[10]和及水环境承载力开发利用潜力[11]。水环境承载力评价技术方法体系构建水环境承载力概念及其矢量表征方法如前所述，水环境承载力是指“在一定时期、范围内，在一定自然环境条件下，维持水系统结构不发生质的改变、环境功能不遭受破坏的前提下，水系统所能承受人类活动的阈值”[12]。水环境承载力的承载对象是人类活动，包括取水、排水、居住和观赏等，有方向、强度和规模等属性，这就决定了水环境承载力的力学矢量特征。水环境承载力是水系统结构特征的一种抽象水环境承载力评价技术方法体系建设与实证研究TechnicalMethodSystemofWaterEnvironmentCarryingCapacityEvaluationandEmpiricalResearch■文/曾维华薛英岚贾紫牧摘 要针对目前我国水环境承载力概念内涵和研究范畴不明确、评价目的模糊与指标体系针对性不强等问题，在界定水环境承载力概念内涵基础上，系统整合现有水环境承载力评价方法，将其归纳为三类：水环境承载力大小评价、承载状态评价与开发利用潜力评价，建立水环境承载力评价方法体系，并以湄洲湾经济开发区、蒙西工业园区和北京市丰台区水环境承载力评价为案例开展实证研究。关键词水环境承载力；水环境承载力评价；水环境承载力开发利用潜力；水资源容量；水生态；水资源水环境承载力是联系人类活动与水环境的纽带和中介，它反映人类活动与水系统功能结构间的协调程度，以及水系统可持续发展的状态或能力。DOI:10.14026/j.cnki.0253-9705.2017.24.00418聚焦深化流域水污染防治实现“一盘棋”管理表示，是水系统自身具有的功能属性。目前一些研究将人类社会经济活动对水系统的压力作为承载力，强调水环境承载力的社会属性，这与水环境承载力的水系统属性相违背，压力与承载力是一对相互作用的力，压力为社会经济系统（人类活动）的属性，而承载力是水系统本身的自然属性，在水环境承载力评价中不能将二者混淆，否则将造成评价目的不清，所建指标体系逻辑也将受到影响。由此可见，水环境承载力是联系人类活动与水环境的纽带和中介，它反映人类活动与水系统功能结构间的协调程度，以及水系统可持续发展的状态或能力。水系统因其所具有的水环境承载力而支持人类生存与活动，人类又通过各种活动反作用于环境，使水环境承载力发生变化。需要说明的是，此处水环境承载力为广义的水环境概念，即以人类活动为中心的水系统内客观事物的总和[13]；而非狭义的“环境保护”中仅涉及水污染问题的水环境容量概念。水系统由水资源子系统、水环境子系统与水生态子系统组成，同样，水环境承载力也包括水资源承载力、水环境容量与水生态承载力三个分量。对水环境承载力进行量化，即需要寻求发展变量与限制变量之间的关系。发展变量表示人类社会与经济发展对水环境作用的强度，通常利用水资源利用量和污染物排放量描述；限制变量表示水资源禀赋和水环境容量对人类活动的约束，是水环境对人类活动反作用的表现。发展变量和限制变量均可表示为维空间的矢量，分别如式（1）和（2）所示：（1）其中：为发展变量矢量，为第个发展变量。（2）其中：为发展变量矢量，为第个限值变量。一般情况下，发展变量与限制变量间存在某种关系，对某种限制变量，总有若干发展变量与之相关联，其间存在某种反映发展变量与限制变量间关系的函数，函数为函数的反函数，，。水环境承载力即为不突破限制变量阈值的前提下，发展变量的阈值，同样可以表示成维空间的矢量，如式（3）所示：（3）水环境承载力量化评价方法水环境承载力由矢量模进行量化。矢量模法将水环境承载力视为维空间的一个矢量，这一矢量随人类社会经济活动方向和大小的不同而变化，通过比较水环境承载力矢量的大小（用矢量的模表征）来比较不同区域水环境承载力的大小。由于水环境承载力的各个分量具有不同的量纲，因此，首先必须对其各分量进行归一化处理。假设对人类社会行为作用方向相同的个地区的水环境承载力进行比较，设个地区水环境承载力为：。再设此水环境承载力由个分量组成，即有：。对个分量进行归一化处理，如式（4）所示：（4）式中为各分量归一化后的值，则地区的水环境承载力大小可用矢量模表示，如式（5）所示：（5）水环境承载力承载状态评价通过水环境承载力利用指数（或称开发利用强度）来评价某一区域水环境承载力承载状态。水环境承载力利用指数为相对应的发展变量（即人类活动强度，也可理解为人类活动给水系统带来的压力）与水环境承载力（水环境承载力各分量的上限值）的比值，各分量利用指数如式（6）所示：水环境承载力是水系统结构特征的一种抽象表示，是水系统自身具有的功能属性。19ENVIRONMENTAL PROTECTION Vol. 45 No.24 2017（6）为避免超载最严重分量的影响，兼顾平均值和最高值，采用内梅罗指数法计算水环境承载力综合利用指数，以表征区域综合水环境承载力状态，如式（7）所示：（7）式中为区域综合水环境承载率，为水环境承载力分量的利用指数。当时，人类活动对水系统的压力小于环境承载力，处于水环境承载力适载状态；当时，水系统处于超载状态。表1水环境承载力开发利用潜力评价指标体系目标层准则层指标层单位水环境承载力超载状态评价指标体系区域水环境承载率水资源承载率%COD承载率%氨氮承载率%水环境容量丰裕度指数%水环境容量紧缺度指数/水环境容量季节变异系数/区域水资源利用与污染物排放强度水资源万元工业增加值耗水量m3/万元人均生活用水量m3/（人·d）单位面积水资源量m3/m2水资源可利用指数%水环境万元工业增加值COD排放量t/万元万元工业增加值氨氮排放量t/万元人均生活COD排放量kg/（人·d）人均生活氨氮排放量kg/（人·d）区域发展能力公路网密度km/km2城市化率%平均受教育年限年/人GDP增长率%第三产业占比%全社会劳动生产率元/人环保投资占GDP比重%R&D经费内部支出占GDP的比重%非农业产业比重%水环境承载力开发利用潜力评价水环境承载力开发利用潜力评价指标体系如表1所示，其准则层包括区域水环境承载率、水资源利用与污染物排放强度以及区域发展能力。其中区域水环境承载率核算采用内梅罗指数法，区域水资源利用与污染物排放强度指数、区域发展能力指数的评价采用熵权—模糊综合评判法，避免层次分析确定权重过于主观。熵权法通过信息熵确定指标权重，来对指标进行赋权，通过计算熵值判断指标的随机性和离散程度，离散程度越大，对综合评价的影响越大，其权重也越大。熵权法具体步骤可分为数据标准化和通过信息效用值确定权重，分别如式（8）和（9）所示：（8）（9）式中：为第个区域第项指标原始值；为第项指标全国平均值；为第项指标的信息效用值。某项指标的信息效用值越大，其在所有指标中权重也最大。第项指标的权重如式（10）所示：（10）根据熵权法确定各指标权重后，利用模糊综合评价法对区域水环境承载力开发利用潜力进行综合评价。首先确定评价因素（指标）集，设，其中,,…,为被评价对象的各个因素。首先建立因素集和评价等级集：将指标层分为因素集，其中因素集，表示指标体系中的个准则层，这里只有一个指标层，即开发水平（或发展能力）。子因素集，其中为每个准则层下指标个数。即为万元工业增加值耗水量、20聚焦深化流域水污染防治实现“一盘棋”管理万元工业增加值COD排放量、万元工业增加值氨氮排放量等指标；设，其中为各个等级。然后确定模糊（关系）矩阵和评价权重集：对每个单评价因素进行评价，得到上的模糊集。它是从到的一个模糊映射，由可以确定一个模糊关系矩阵，通过隶属函数计算得到一个的模糊评价矩阵；通过熵值法确定的权重,设各因素，，…，所对应的权重分别为，，…，，则，可看成是的模糊集。最后对其进行综合评价。令，其中○是模糊综合运算符，在模糊数学中称为模糊算子。模糊算子有多种形式，其中最常用的情况是“取大取小算子”和“乘与和算子”。结合熵值法确定的权重，选择常用的矩阵乘法为运算法则。水环境承载力大小评价—以湄洲湾经济开发区为例研究区概况湄洲湾经济开发区位于福建省东部沿海，与台湾省隔海相望。湾内港阔水深，较为适宜建立港口城市。根据区域规划，至2000年该区将建成三个城镇和具有五大工业和十大码头的重工业港口城市。随着该地区开发强度加大，人口经济的高速增长，将对该地区的水系统带来巨大压力。为确保湄洲湾地区水系统持续健康发展，基于“我国沿海新经济开发区环境综合研究—福建省湄洲湾开发区环境规划综合研究“项目，本研究对该区域四个规划小区（秀屿、肖膺、东吴和东岭）的水环境承载力进行了综合核算与分析。水环境承载力各分量核算根据湄洲湾新经济开发区的主要环境问题与研究的可行性，选择水环境质量、水资源供给和水生态稳定性作为限制因子，其中水环境质量的限制因子为滩涂养殖业最为敏感的污染物（石油类），水资源的限制因子为供水能力，水生态稳定性限制因子为赤潮的控制污染物总磷。（1）水环境容量分量。湄洲湾新经济开发区主导产业包括石化、钢铁、造船和码头运输，石油类污染物是主要污染物之一，其主要对滩涂养殖业造成影响。因此水环境容量分量选取石油类污染物作为其表征指标。石油类污染物的污染程度对滩涂养殖业的适应性表征如表2所示。湄洲湾沿岸有7个排污口和14个沿岸滩涂养殖分区。排污口污染物排放量与滩涂养殖分区污染物浓度的输入响应关系如式（11）所示：（11）式中为第个滩涂养殖分区的石油类污染物浓度；为第个滩涂养殖分区的石油类污染物本底浓度；为第个排污口石油类污染物排放量；为第个排污口对第个滩涂养殖分区石油类污染物的贡献率。根据湄洲湾滩涂养殖业分布和海域功能区划，选择第1～10和14区作为养殖控制区，根据功能区划，1、2、4、8、10和14区保持养殖功能，石油类污染物浓度控制在0.05～0.2mg/L之间；3、5、6、7和9放弃养殖功能，油浓度控制在0.2～0.5mg/L之间。由此在一定程度上保护湄洲湾沿海滩涂养殖业前提下，可得到湄洲湾石油类污染物的最大允许排放量优化模型，如式（12）所示：（12）采用Lindo软件求解式（12），可得到7个排表2石油污染程度对滩涂养殖业的适宜标准性表石油污染水平0.05mg/L0.05～0.10mg/L0.10～0.2