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中国淮河流域支撑社会经济发展的水环境承载力分区评价

摘要：在淮河流域（HRB），人与水的关系存在着实质性的冲突。为了实现可持续的经济发展并且不降低淮河流域的水环境质量，我们开发了基于水环境容量（WECC），水环境压力（WEP）和水污染预防和控制能力（WPPC）的三维水环境承载能力（WESC）模型。主要采用层次分析法和动态加权求和法进行地理信息系统空间分析。提出了几个关于适用于工业和水环境保护战略的建议。得出了以下成果。（1）水环境容量的空间差异很大；具有高水环境容量的地区主要位于淮河干流南侧。水环境压力普遍较高，整个淮河流域污染防治水平较低。由于环境污染较严重的地区通常经济发展水平较高，因此具有较强的污染控制能力，因此水污染预防和控制能力和水环境压力具有较高的空间重叠性。（2）总体而言，淮河流域的水环境承载力处于中等水平。 特别是在2010年，具有高水环境承载力的地区仅占淮河流域的56.24％。流域南部地区与北部地区，下游、上游和中游地区的水环境承载力之间也存在着明显的差异。（3）因此，根据对淮河流域工业分区的指导意见，南部地区以及下游和子流沿线地区水环境压力较小，水环境容量和水污染防制能力较高，应在严格的环境准入和污染排放标准基础上发展。而在淮河流域中水环境压力较大的中游沿线和整个沂沭泗流域，建议进行产业结构调整和技术改造。在南水北调工程的东线沿线和作为重要饮用水水源地的流域上游地区的发展应采取行动限制发展并进行环境保护。这将确保良好的环境功能，包括提供清洁水源，同时满足调整、改造和提升产业结构的迫切需求。

关键词：淮河流域；社会经济发展；承载力；3D模型；水环境

1 介绍

水是流域开发必不可少的重要资源。因此，水环境质量直接影响流域开发的速度和特点。随着城市化，工业化，农业现代化的加速推进，水污染物排放量急剧增加，水质劣化速度加快。鉴于这些情况，中国重要流域受到全球水环境污染的严重影响(Dong等, 2014；Ouyang等, 2006；Ren等, 2014)。中国政府一贯实施长期措施来治理这些急需关心的问题。但是，流域地区水污染总体恶化趋势尚未得到有效遏制。严重的水污染问题也削弱了水环境的经济发展，使其成为流域健康发展的瓶颈（Jiang，2009；Nian等，2014；Zuo等，2014）。淮河流域(HRB)是人口最为密集的地区之一，粮食生产能力较大，具有承接产业转移的核心能力。作为人与水冲突最大的流域之一，淮河流域见证了许多严重的水环境问题、最长的治理过程和最高的癌症发病率（Tian等，2013；Yang 和Zhuang，2014a，2014b；Zhang 等。 2014）。流域有一个双重的水循环，水资源利用和循环与发展之间的关系是复杂的。而且，社会水循环通量的增加几乎占所有的自然径流，工业，农业和生活污水也进一步使水质恶化。目前，流域生态补偿（Xie等，2013；Zhang等，2012），水权交易（De Mouche等，2011），排污交易（Tong等，2009），企业污染转移（ Cai，2008；Li等，2013），清洁生产等机制尚未完全建立。产业结构调控，污染控制以及政府环境监测体系不完善，并且管理、保护和发展流域水环境缺乏系统指导和整体设计（Xia等，2011）。更为严重的是，过去几年长三角的环境准入门槛有所提高，直接造成纺织、印染、橡塑和石化等高污染企业大量涌入淮河流域，污染产业从发达地区转移到附近不发达地区（Zhao和Jiang，2013）。同时，由于农民没有均衡地使用农药，肥料，覆盖膜和其他化学药剂来增加产量，流域内的农业达到了产量极限。这导致地表水中氨氮过量和流域内严重的非点源污染（Zhang和Huang，2011；Zhou等，2013）。流域内发生的最严峻的挑战是粗放型发展，工业污染转移，极限农业增长和非点源污染的激增。然而，识别和调控地理污染源很难。淮河一般被认为是中国北方和南方的地理分界线，在地貌特征，生态，同化能力，水质目标和水环境压力（WEP）方面表现出明显的空间差异。这个流域的优先发展产业也是截然不同的。如果不考虑水环境约束，水环境压力和工业控制，由于污染负荷超过水环境容量，流域的水质将迅速恶化。此外，水资源的自我净化和供应能力也将受到破坏（Sun等，2011年）。因此，合理控制和管理水资源是保护流域环境，优化产业发展的科学基础，并且是全球研究的重点。许多科学出版物和国际期刊已经探讨了这一主题，而且美国环境保护署（EPA），欧盟和世界大自然基金会不断分析并强调该领域研究的重要性。1987年，美国环境保护署提出了水生态功能分区的概念。他们特别提出了河流，湖泊和其他淡水水体的生态分区，以形成基于水生态环境分区的三管齐下的管理体系。该体系旨在通过感兴趣的各方之间进行的联合磋商和监督（McMahon等，2001；Omernik，1987），维护、保护和恢复水环境和水生态系统的完整性。2000年，欧盟委员会制定了“水框架指令”，将地表水分为河流，湖泊，过渡水域和沿海水域，并将分区分类系统扩展到水生态系统，以保护水环境和管理水资源（Hering等，2010；Kallis和Butler，2001）。英国、丹麦、希腊和其他国家根据国家对水资源的管理需求研究了水环境分区，以协调政府水管部门、公众参与、水量、水质和水生生态之间的需求（Mylopoulos和 Kolokytha，2008；Singh等，2008；Snelder和Biggs，2002；Soendergaard等，2005）。在中国，自1980年以来，国家水资源区划，生态水文学区划（Yang等，2008），水环境功能区划（Xia，1989）、水资源的水环境容量（WECC）以及对强制分区的支持被进行了评估。流域水资源，水生态和水环境的完整分区和管理评估体系在流域水资源利用，水环境保护和区域经济发展中发挥着关键作用（Li和Li，2012；Wang和Zhu，2002；Wang等，2000；Zhou等，2007）。然而，中国水环境分区的文献主要研究水体，其中大多数评估指标都是环境背景因素。特别是对人地和人水二元关系的研究很少，主要是因为对人类活动施加于水环境的多重压力效应考虑不足，并且对污染控制在改善区域水质和控制政策和市场因素影响方面的作用不重视 （Liu等，2010；Zuo和Zhao，2009）。水资源和水环境功能分区必须在全国范围内进行考虑。基于行政区域或水功能区，全国范围内水体与周边陆地生态系统和社会经济系统之间的整体关系是分离的。现有的管理框架和流域分区不能有效地解决上游，中游和下游地区以及淮河流域左右岸用水矛盾和冲突。此外，这一框架和分区不能正确管理和指导不同行政区域、跨部门和跨流域水体对水质，水生态和水环境管理的要求（Chaves和Alipaz，2007）。因此，在将淮河流域作为案例进行研究时，本工作将水污染防治能力（WPPC）纳入水环境承载能力（WESC）评估体系中，以开发基于二元水循环理论的，具有与流域相关的水环境容量、水环境压力和水污染防治能力三重维度的三维（3D）水环境承载能力模型。运用现有的数据和方法，对水环境容量、水环境压力、水污染防治能力和水环境承载力之间流域水环境对经济发展的制约机制和空间差异特征进行了讨论和分析。本研究为改善流域生态平衡，环境保护和产业发展方向提供了启示，并且避免了以往研究以水环境和人类活动二元系统评估流域管理的局限性。

2 研究区域

淮河地区（30°55′-36°36′N和111°55′-121°25′E）位于中国东部（图1），在中国最大的两条河流黄河与长江之间。它可以以废黄河为分界线被分为淮河流域和沂沭泗江流域。它是中国第七大流域，流域面积为26.96万平方公里，覆盖江苏、安徽、山东和河南四省的图1 淮河流域的位置

173个县（市）区（Zhou等，2013）。流域西部主要由丘陵地带组成，其余部分由占流域总面积约2/3的平原组成。流域平均水资源总量约794亿立方米，人均水资源量仅分别为全国和全球平均水平的1/5和1/20。2012年，该流域的国内生产总值（GDP）为40.06times;104万亿元，总人口为1.81亿，人口密度为每平方公里672人（是中国全国平均水平的4.7倍，全球平均水平的15.5倍 ），城镇化率达到35.91％（远低于全国平均水平52.57％）。淮河流域在国家工业经济转型，煤炭生产和农业生产增长中发挥着战略性的重要作用。2010年，流域粮食产量为1083.51times;108公斤，占全国粮食总产量的18.37％。该流域也是小麦、玉米和大米的主要产区。它被认为是中国粮食增产的核心地区之一，特别是要达成增加75times;108公斤粮食的目标。作为长三角经济区的重要产业转型区，流域煤炭产量约占全国总量的八分之一。尽管如此，在严重水污染和复杂水环境问题的情况下，该流域目前正在经历资源、质量和结构性缺水问题。这三种类型的缺水在流域的一些中游地区同时存在。根据2010年流域96个状态控制的水质监测断面情况，目前共有67个断面水质属于IV类或以上，占监测断面总数的68.4％，其中还有16个断面水质低于V类。因此，调控水环境污染是一项极具挑战性的任务。

3 数据和研究方法

3.1 数据来源

（1）地理数据，包括淮河流域一级、二级、三级支流矢量图，市级和县级行政区划分矢量边界，57个水环境控制单元，淮河流域高精度数字高程模型（DEM ），植被覆盖度，96个状态监控断面，河网密度等地理空间数据，这些主要是从购买的淮河水利枢纽工程所使用的淮河1:250,000地图数字化资料收集得来。（2）水资源和水环境数据；化学需氧量（COD）环境容量和NH⁴ -N，COD排放量；监测水质断面的数值；水资源量（地表水）；城市污水处理率；工业废水的重复利用率；工业废水达标率；其他重要数据来源于2010年淮河流域水资源地方公告（2010年发布），2011年中国环境年鉴，2011-2015年重点流域水污染控制计划和淮河官方网站水资源委员会。水环境容量数据来自2008年，其他数据来自2010年。（3）社会经济发展数据主要来自“流域四省35个地级市2011年统计年鉴”、“四省农村（农业）统计年鉴”、“2011年中国家畜年鉴”和“十二五”发展报告和流域各省市的公报。（4）为了建立淮河流域水环境经济综合研究数据库，采用多尺度融合技术对数据进行分析，以实现不同尺度空间统计数据的统一组织和整合。

3.2 模型建立和研究方法

3.2.1 支持能力三维模型的构建（图2）

水环境容量是一个用途有限的概念。 它与资源禀赋、技术方法以及社会选择和价值有关。 此外，水环境容量提到了一个动态的多方面关系。水环境容量、水环境压力和水污染预防和治理能力从三个维度描述了水环境在经济发展中的支撑作用，这些维度共同影响着水环境承载力。当水环境容量和水污染预防和治理能力较高时，水体的同化能力强，对于人类活动产生的污染支持容量大，区域发展潜力较高。相反，当水环境容量和水污染预防和治理能力较小时，水体的同化能力有限，当水环境压力较大时，区域发展受到限制。当水环境压力和水污染预防和治理能力随着区域经济发展水平、管理意识和政策因素而动态变化时，水环境容量在没有外部干扰（例如，向区域外的水资源转移）的条件下保持不变。本研究基于系统性、客观性和独立性原则，收集这些因素的最新数据，构建淮河流域的3D水环境承载力动态评估模型。该模型可以分为目标层（A），标准层（B），支撑层（C）和要素层（D）。A层指的是流域水环境承载力，B层则包括水环境容量、水环境压力和水污染预防和治理能力三个维度。水环境容量涵盖了水环境容量、水质、水量和自然特征，

图2 淮河流域水环境承载力模型示意图

评估要素包括水环境容量，水质类别，河网密度和地貌特征。水环境压力代表人类活动对水环境的压力程度，主要来自城市化、工业化、农业现代化和污水排放总量。对于这个维度，有11个评估要素，包括城市建设用地面积、人口密度、COD和NH4 -N排放负荷、工业废水和生活污水排放负荷、牲畜饲养密度（标准猪）和施肥量。水污染预防和治理能力通常由水污染治理、监测和预警水平以及投入控制程度决定。该维度的评估要素包括城镇污水处理率、工业废水排放达标率、污水重复利用率、农村卫生厕所数量、环保投入占GDP的比重、从事环境保护工作的人员以及治理项目的预计投资额。综合评估的关键问题之一是确定指标权重以获得更准确的结果。基于层次分析法，本文根据3D 水环境承载力模型的关系和层次结构关系进行判断和比较。使用判断矩阵;例如A-B（二级指标层因子相对于一级指标层的比较判断矩阵），B₁-C，B₂-C，B₃-C，B₄-C，C₁-D，C₂-D，...，C₁₀-D等。经过逐层计算，我们获得了四级指标层（D）相对于一级指标层（A）的权重排序（表1）。

表1 淮河流域水环境承载力第四指标权重排序

3.2.2 空间评价单元

淮河流域的自然地理分区很明显。但是，研究中使用的空间单位需要转换为县级行政区域，以促进数据结合和环境管理。在这个模型中，这些目标的实现如下。在ArcGIS10.2（Redlands，CA，USA）中，2010年淮河流域的自然矢量边界与中国县级行政区划的向量边界重叠。将县级行政区域划分为淮河流域的原则如下。首先，淮河流域内县域占比大于50％；第二，虽然县级行政中心位于流域内，但这一比例还不到50％；第三，这个比例不符合前两个条件，但由于水源和重要的水资源，其生态意义很大。市辖区被整合为一个单位，因此173个县（市辖区）可以被确定为淮河流域的研究范围（Tang和Sun，2012）。水环境承载力评估往往以流域为主要单位。与此相反，在实际的流域管理和规划中，城市、县、村和城镇被当作主要单位。以流域水环境承载力评价指标为基本单元，然后用多边形覆盖分析方法将其折合到173个县级行政单位中时，划分和规划要求的实现将会更为有

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