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社河为浑河左侧一级支流，社河控制单元地理坐标位于124°21′55″E～124°31′29″E，41°32′18″N～41°46′00″N，流域面积462.42 km2，属于山区性河流。社河上游分东西两支，东支发源于抚顺县马圈子乡新开岭，西支发源于救兵乡柜子石。社河在后安村南分为前安支流和腰堡支流。两支流汇合后，流经后安镇上马乡，在台沟村附近汇入大伙房水库。
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社河作为大伙房水库的3条入库河流之一，水质较好，多年来水质目标均达到地表水Ⅱ类水质标准。“十二五”期间[4]，大伙房水库主要污染物为总氮，5年均为劣Ⅴ类，超标率100%，2015年3条河流入库断面北杂木、古楼和台沟总氮平均浓度分别为2.7、2.36和2.34 mg/L，均为劣Ⅴ类；3条河流总氮较高的原因为流域内的农业面源、水土流失及流域水文特性等都会对水质造成影响。因此，社河控制单元选择总氮作为污染物进行水环境承载力的评估与预警。
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研究中涉及的数据主要来源于2013～2018年的《抚顺市统计年鉴》[5]、《抚顺市水资源公报》[6]、《抚顺市国民经济与社会发展统计公报》[7]等文件。承载力评估指标体系部分来源于地方统计局数据、水文年鉴数据，部分由Vensim软件直接计算得到。
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由于流域水环境系统的复杂性，单个指标无法准确清晰地描述承载力的变化情况，因此需要建立一个全面的指标体系，对承载力进行综合评价。结合“三线一单”管控需求、国内学者专家意见、环保部门现有数据、国家政策法规以及前期水专项及试点成果，选定17个指标构成社河控制单元指标体系，见图1。
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指标权重是指标在指标体系中的重要程度。指标权重的计算分为主观赋权法和客观赋权法。主观赋权法[8]指层次分析法，根据指标体系建立打分矩阵，根据专家经验由各个指标对研究目标的影响程度确定指标权重，主要依赖于专家经验，主观性较强。客观赋权法指熵值法，是利用指标真实数据进行信息熵计算，客观性强，但在计算过程中数据差异小的指标权重较小，可能会导致权重结果失真。为了增加权重的准确性，本研究采用主观与客观相结合的方法计算指标权重，见式（1）。
式（1）中，
$ {W}_{i}^{'} $ 为第$ i $ 项指标的层次分析法权重；$ {W}_{i}^{{'}{'}} $ 为第$ i $ 项指标的熵值法权重。根据前文权重的计算方式，按照正负效应对指标进行划分，综合计算指标权重，见表1。
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（1）指标标准化[9]见式（2～3）。
式（2～3）中，
$ {a}_{i} $ 为评价对象第$ i $ 个指标值，${\rm{min}}{(a}_{i})$ 为多年来第第$ i $ 个指标值的最小值，${\rm{max}}{(a}_{i})$ 为多年来第第$ i $ 个指标值的最大值。（2）评价方法
采用综合指数计算水环境承载力，见式（4）[10]。
式（4）中，
$ {E}_{j} $ 为水环境承载力综合指数，$ {W}_{i} $ 为$ i $ 指标在系统中层次总权重。（3）分级方法
本研究在前人研究的基础上[11-12]，将水环境承载力状态分为5级：最佳承载、安全承载、临界承载、超载和严重超载，相应分级标准，见表2。
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将指标体系中各指标纳入系统动力学模型。通过分析指标之间制约、联系的相互关系，联系各子系统，得到水环境−水生态−水资源耦合系统，构建完整的系统动力学模型流图，流图输出的指标体系数据用于计算水环境承载力。系统模拟的空间边界为社河控制单元，模拟的时间边界为2013～2025年，仿真时间步长为1年，其中2013～2018年基础数据年份，2018年为预测基准年。水环境承载力主要涉及水环境、水资源、社会、人口、经济和等因素[13]。为了能够定性与定量相结合地描述各要素，系统动力学SD模型用Vensim 软件描述水平变量、速率变量和辅助变量等信息，见图2。根据模型输出的指标体系指标的数据计算水环境承载力。模型建立后进行历史性检验，各项指标计算情况，见表3。
表3可知，模型输出模拟值与历史值误差小于10%，说明模型有效。
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根据系统动力学模型输出的指标体系各指标数据计算各年水环境承载力，并按照表2进行分级，见表4。
对社河控制单元水环境承载力等级进行划分，见图3。
图3可知，2013～2015年属于临界超载年份，2014～2017年水环境承载力呈上升趋势，原因可能是“十二五”期间，流域内持续开展了“农村环境连片整治”项目，包括饮用水源保护、生活污水处理、生活垃圾处理和畜禽养殖污染治理4类，整治后排污强度逐渐下降，水环境承载力有所提升。
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根据指标体系计算水环境、水生态、水资源子系统的承载力以及各子系统占比。由各子系统对水环境承载力的占比得知，总体上水环境子系统承载力较大，平均贡献率较高，约占总体的46%；水生态平均贡献率约为34%，贡献率排名第二。水资源平均贡献率最小，约占总体的20%，见表5。
各子系统评估结果如下。
（1）水环境子系统。社河控制单元水环境子系统历年承载力数值处于0.17～0.39之间，变化较大。2013～2014年有一定程度的下降，但2015年后对社河控制单元养殖户进行了搬迁、治理，结合农村连片整治工作对各村屯的散养畜禽污水、粪便进行了收集，排污强度下降，水环境子系统的承载力也有所上升。2018年降水减少至2013年的80%，导致水环境容量下降，直接导致了水环境子系统承载力的下降。因此，从水环境纳污和水环境净化角度看，社河控制单元水环境子系统承载力需要在现有基础上进行环境保护与整治，减小河流本地总氮数值，减少畜禽养殖以及农村生活用水的排放量，防止水环境质量变差。
（2）水生态子系统。社河控制单元水生态子系统承载力呈上升趋势，由0.14上升至0.20，变化较小。水生态子系统各指标均处于达标状态，断面水质达标率、固定源在线监测达标率均为100%，藻类多样性指数和大型底栖动物BI指数达到清洁水体要求，表明社河控制单元水生生境维持和水生生物状况较好，需要维持现有政策，在维持现状的基础上继续优化。
（3）水资源子系统。社河控制单元水资源子系统承载力呈现先上升后下降的趋势，贡献率由最大的32.95%下降至0%。通过分析原始数据后发现，2013年后降水量逐渐下降，由丰年逐渐变为平水偏枯年份，导致水资源量下降、人均水资源量以及水资源开发利用程度上升，影响了整体水环境承载力。2016年后水资源子系统承载力下降是因为工业用水量的增加导致了水资源开发利用率增加、万元GDP用水量的增加。用水量的增加以及水资源总量的减少导致了水资源承载力的下降。因此制约社河控制单元水环境承载力的主要子系统为水资源子系统。
辽河流域社河控制单元水环境承载力现状评估
Assessment of water environmental carrying capacity of Shehe control unit in Liaohe River Basin
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摘要: 文章制定了包含水环境、水生态和水资源3个子系统的指标体系，并基于层次分析法与熵值法相结合的方法确定了指标权重，最后以辽河流域社河控制单元为例,建立了基于综合指数法的水环境承载力评估体系。结果显示，2013～2018年社河控制单元水环境承载力由临界承载过渡为安全承载，在维持现状的前提下，仍需要提升总氮的水环境承载力，而水资源是制约水环境承载力的主要因素。Abstract: In this study, the index system including water environment, water ecology and water resources is established, and the index weight is determined based on AHP and entropy method. Taking Shehe control unit in Liaohe River Basin as an example, the assessment system of the water environment carrying capacity based on the comprehensive index method is established. The results show that the water environmental carrying capacity of Shehe control unit has transited from critical bearing capacity to safe bearing capacity from 2013 to 2018. On the premise of maintaining the present status, it is still necessary to improve the water environment carrying capacity of total nitrogen, and water resources are the main factors restricting the water environment carrying capacity.
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Key words:
- AHP /
- entropy method /
- Shehe control unit /
- carrying capacity /
- assessment and early warning
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表 1 水环境承载力指标权重计算
目标层 准则层 指标层 赋值方法 指标
性质主观
权重客观
权重综合
权重水环境承载力 水环境
（0.4679）水环境纳污
（0.4231）A1 工业增加值排污强度 工业污染物排放量/工业增加值 负 0.1974 0.1671 0.1822 A2 农业增加值
排污强度农业污染物排放量/农业增加值 负 0.1136 0.0459 0.0797 A3 第三产业增加值排污
强度第三产业污染物排放量/第三产业增加值第三产业污染物排放量以城镇生活污水排放量代替 负 0.0394 0.0398 0.0396 A4 水体纳污率 污染物排放量/环境容量×100% 负 0.0563 0.1011 0.0787 A5 固定源在线监测达标率 污染物排放浓度小于允许排放浓度的固定源个数/固定源总个数×100% 正 0.0857 0.0000 0.0428 水环境净化
（0.0448）A6 断面水质达标率 断面水质达标的月份数量/12×100% 正 0.0895 0.0000 0.0448 水生态
（0.2762）水生生境
（0.1345）A7 生态流量保证率 $P=\dfrac{1}{n}\displaystyle\sum\limits_{i=1}^{n}\dfrac{d}{D}\times 100\%$ $ n $ $ D $
天数；$ d $ $ D $
生态流量的天数正 0.0800 0.0000 0.0400 A8 河岸带植被覆盖率 河岸带植被面积/河岸带面积×100% 正 0.0419 0.0390 0.0405 A9 林草植被覆盖率 植被面积/区域面积×100% 正 0.0232 0.0000 0.0116 A10 河流纵向连通性指数 ${K}_{连通}=\dfrac{ {T}_{阻物} }{ {L}_{河总} }\times 100$
式中，$ {K}_{连通} $
数，$ {T}_{阻物} $
建筑物数量，$ {L}_{河总} $
河流总长度。负 0.0419 0.0951 0.0685 水生生物
（0.1417）A11 藻类多样性指数 $d=-\displaystyle\sum\limits_{\text{i-1} }^{s}\left(\dfrac{ {n}_{i} }{N}\right){log}_{2}\left(\dfrac{ {n}_{i} }{N}\right)$
式中，$ d $ $ s $
种数，$ {n}_{i} $ $ N $
群落个体数。正 0.0419 0.0428 0.0424 A12 大型底栖动物BI指数 $BI=\dfrac{1}{N}\displaystyle\sum\limits_{i=1}^{n}{n}_{i}\times {t}_{i}$
式中$ N $ $ {n}_{i} $ $ i $ $ {t}_{i} $ $ i $ 负 0.0800 0.0665 0.0732 水资源
（0.2559）水资源禀赋
（0.1450）A13 人均水资源量 水资源量/年末人口数 正 0.0232 0.1333 0.0782 A14 枯水期水资源模数变异率 $ FD={\left\{{\displaystyle\sum\nolimits_{m=1}^{12}\left(\frac{{q}_{m}-{Q}_{m}}{{\overline{Q}}_{m}}\right)}^{2}\right\}}^{1/2} $ ${\overline{Q} }_{m}=\dfrac{1}{12}\displaystyle\sum\limits_{m=1}^{12}{Q}_{m}$
式中，$ {q}_{m} $ $ {Q}_{m} $ 负 0.0232 0.1104 0.0668 水资源利用
（0.1109）A15 水资源开发利用率 供水量/水资源总量×100% 负 0.0134 0.0511 0.0322 A16 万元GDP用水量 用水总量/GDP 负 0.0134 0.0464 0.0299 A17 万元工业增加值用水量 控制单元工业用水量/工业增加值 负 0.0359 0.0617 0.0488 
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表 2 承载状态分级标准
承载力 预警等级 ［0，0.2］ 严重超载（红） （0.2，0.4］ 超载（橙） （0.4，0.6］ 临界超载（黄） （0.6，0.8］ 安全承载（蓝） （0.8，1.0］ 最佳承载（绿）
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表 3 水环境承载力指标权重计算
t/a 农业增加值 第三产业增加值 人口 历史值/万元 模拟值/万元 相对误差/% 历史值/万元 模拟值/万元 相对误差/% 历史值/人 模拟值/人 相对误差/% 2013 40 760.00 40 764.00 0.01 46 452.00 46 452.00 − 27 492.00 27 492.00 − 2014 39 340.00 39 342.00 0.01 49 770.00 49 776.00 0.01 27 318.00 27 492.00 0.63 2015 29 720.00 29 719.00 0.00 49 770.00 49 772.00 0.00 26 978.00 27 469.00 1.79 2016 25 150.00 25 145.00 0.02 21 187.00 21 190.00 0.01 27 623.00 27 474.00 −0.54 2017 23 460.00 23 463.00 0.01 23 226.00 23 230.00 0.02 26 947.00 26 947.00 0.13 2018 22 630.00 22 633.00 0.01 27 681.00 27 680.00 0.00 22 935.00 22 925.00 0.04
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表 4 2013~2018年水环境承载力情况
t/a 水环境承载力 预警情况 2013 0.5411 临界超载（黄） 2014 0.4078 临界超载（黄） 2015 0.4700 临界超载（黄） 2016 0.6227 安全承载（蓝） 2017 0.6287 安全承载（蓝） 2018 0.4099 临界超载（黄）
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表 5 2013～2018年水环境承载力情况
t/a 各子系统水环境承载力 承载力 占比/% 水环境 水生态 水资源 水环境 水生态 水资源 2013 0.2201 0.1608 0.1601 0.5411 40.68 29.72 29.60 2014 0.1740 0.1589 0.0749 0.4078 42.66 38.96 18.38 2015 0.1923 0.1598 0.1179 0.4700 40.91 33.99 25.09 2016 0.2722 0.1453 0.2052 0.6227 43.72 23.33 32.95 2017 0.3822 0.1667 0.0797 0.6287 60.80 26.52 12.68 2018 0.2055 0.2044 0.0000 0.4099 50.14 49.86 0.00
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图( 3) 表( 5)
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