中国水环境容量紧缺度与区域功能的相互作用，本文主要内容关键词为：相互作用论文,紧缺论文,中国论文,水环境论文,容量论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
文章编号：1007-7588(2009)04-0559-07
1 引言
水体对社会经济发展同时发挥着供水和消纳污染物两方面的作用，多年来，作为供水来源，水资源一直备受重视，成为生产力宏观、中观以及微观布局的重要制约因素之一。但是水体作为环境要素，通过环境容量对社会经济发展的制约作用，一直未给予足够的重视。致使水环境容量在某些地区被超负荷利用，水体污染加剧，水环境恶化，致使区域经济、社会和环境可持续发展能力受到极大的削弱，而在另外一些地区，环境容量的开发利用程度很低，未能合理挖掘其经济潜力[1]。由于中国水环境容量具有明显的空间分布特征[1-3]，因此水环境容量是影响和决定国家、区域可持续发展的一种重要的因素。故深入开展地表水环境容量空间分布格局、水环境容量紧缺度及其与区域功能相互作用的研究，对于指导我国区域可持续发展中合理利用水环境容量、改善水环境质量，提高区域社会、经济和生态功能具有深刻的理论和现实意义。
2 数据来源与方法
2.1 数据来源与处理
本文所采用的数据主要来源于《中国环境年鉴2006》[4]、《中国统计年鉴2006》[5]、《中国水资源公报》[6]和《水环境容量综合手册》[7]。数据处理主要运用ARCGIS和SPSS统计软件进行分析。
2.2 研究方法
2.2.1 水环境容量计算 水环境容量是指在保证水环境功能的前提下，受纳水体所能承受的最大污染物排放量，或者在给定的水质目标和水文设计条件下，水域的最大容许纳污量[8]。目前常用的水环境容量的测度模型主要有流域概化模型、水动力学模型、污染源概化模型和水质模型[9]。区域范围内水环境容量不仅与水资源量、水动力学特性、水环境功能区划有关，还与排污口位置和排放方式有关。但是，由于获取这些参数的实际取值困难，且对于宏观区域之间的对比研究意义不大。鉴于从大尺度上探讨我国水环境容量及其空间分异的研究尚不多见，本文基于以下假设对我国不同区域水环境容量丰裕度、紧缺度及其与社会、经济可持续发展的内在关系进行研究：①水资源量是水环境容量基础，本文中水环境容量计算采用的是不同区域多年平均地表水资源量；②均匀性假定，实际污染物在空间范围内的扩散转移具有一定的浓度梯度，假定空间内污染物全部达到均匀混合的状态，而且污染物的平均浓度达到功能区地表水环境质量标准浓度限值；③污染源无关性，由于做了均匀性假定，区域内排污口的位置、排放方式等因素不被考虑；④环境功能区简化，假设不同区域均达到地表水环境功能区V类标准(主要适用于农业用水区及一般景观要求)[10]；⑤水环境容量是由稀释容量和自净容量构成，其中自净容量一般较小[7]，因而稀释容量即环境容量的主体。因此，本文在计算时，以最大稀释容量近似代替水环境容量。稀释容量可由拟定的环境标准与本底值的差值求得。若忽略本底值的影响，可得到最大稀释环境容量。为了空间分异的宏观对比研究的需要，本部分的环境容量界定为基于污染物扩散空间，并且忽略环境本底值的区域最大稀释扩散环境容量。因此，本文我国各地水环境容量计算公式为：
2.2.2 丰裕度指数计算 环境容量在一定地区的集中程度为环境容量的丰裕度指数。指某省区单位面积容量与全国各地区单位面积容量之和的比值，是个相对值，随对比地区而变化[2]。丰裕度指数越大，表明单位面积容量越丰富；反之，单位面积容量越频乏。为了便于直观比较，采用下式计算：
2.2.3 紧缺度指数计算 环境容量在一定地区的缺乏程度称为环境容量紧缺度指数。当某地区的环境容量尚未全部利用时，它是剩余容量的倒数；当某地区已无剩余容量时，它是利用程度与某正数的乘积(k＝10)[2]。紧缺度指数越接近或超过10，表明容量利用强度越大，紧缺度越高，反之紧缺程度越低；越接近1，表示环境容量的开发程度越低。其计算公式为：
图1 中国水环境容量丰裕度指数空间差异
Fig.1 The indexes of Chinese water environment capacity abundances
为某地区i种污染物单位面积环境容量(t/
)。
3 结果与分析
3.1 各地水环境容量差异
由于各省市单位面积地表水资源数量差异较大，为研究各地区水环境容量对其可持续发展的影响，在此用水环境容量丰裕度指数来研究各地水环境容量的差异。因本研究中，各省市COD和
-N容量丰裕度均取决于各省市单位面积地表水资源量，故COD容量和-N容量丰裕度大小相等。对各省市水环境容量丰裕度(表1和图1)分析发现，我国各省市水环境容量丰裕度指数呈现出从东南沿海向西部内陆逐渐递减的趋势，此分布格局是地貌和气候共同作用的结果。根据各省市水环境丰裕度指数空间分布格局，可将我国水环境容量分为5个区域：
(1)充沛区。主要包括海南、广东、广西、湖南、江西、福建和浙江7省，此区主要受东南季风的影响，降雨充沛，地表水资源丰富，水环境容量丰裕度指数在6.49～8.20之间，单位面积COD环境容量范围为(32.05～40.46)t/，单位面积氨氮容量在(1.60～2.02)t/之间。
(2)充足区。该区包括云南、贵州、四川、重庆和湖北5省(市)，该区虽然受东南季风的影响较充沛区弱，但受西南季风的影响较大，整体上降雨较充沛，水环境容量较充足，水环境容量丰裕度指数范围为4.35～5.59，COD环境容量大小为(21.44～27.59)t/，氨氮环境容量在(1.07～1.38)t/之间。
(3)中等区。此区仅有西藏、安徽、上海和江苏等4省(市)，其中安徽、上海和江苏受东南季风的影响较前两区更小，地表水资源补给中等，而西藏虽地势较高，因受西南季风的影响，地表水资源补给虽较云南、广西、四川等地少，但补给量也较大，致使其地表水资源较丰富，水环境容量中等。它们的水环境容量丰裕度指数在2.09～3.78之间，COD环境容量在(10.33～18.67)t/之间，氨氮环境容量在(0.52～0.93)t/之间。
图2 中国COD紧缺度指数空间差异
Fig.2 The indexes of Chinese COD scarcity degree
(4)较少区。包括河南、陕西、山东、辽宁、吉林和黑龙江6省，此区因高原阻隔或受太平洋季风的影响较小，降水补给少，地表水资源较少，水环境容量较低，其丰裕度指数在1.04～1.68之间，COD容量在(5.15～8.30)t/之间，氨氮容量范围为(0.26～0.41)t/；
(5)匮乏区，此区在我国分布面积最大，约占我国总面积的46.33％，受季风的影响最小，水环境容量匮乏，其地表水环境容量丰裕度指数均低于0.86，COD容量和氨氮容量分别低于4.22 t/和0.21 t/，其中以宁夏最匮乏，其COD容量和氨氮容量分别仅为0.57 t/和0.03 t/。
3.2 水环境容量紧缺度
水环境容量紧缺度指数能较好地反应某一区域水环境容量利用与其供给能力之间的矛盾[1]，各省(市)COD和-N容量紧缺度研究结果如下：
3.2.1 COD容量紧缺度 由各省(市)COD环境容量紧缺度指数(表1和图2)可得，中国各省市COD容量开发利用状况差异明显。除宁夏外，各省(市)COD容量紧缺度指数呈现从沿海至内陆逐渐减小的分布格局。各省(市)COD容量紧缺度具体情况为：①天津、上海和宁夏3省(市)COD容量紧缺度指数最高，分别为34.30、31.28和37.72，表明这些地区水环境容量中的COD容量已枯竭且严重超载；②北京、河北和山西3省(市)次之，COD环境容量紧缺度指数分别为16.35、13.75和11.13，这些地区水环境容量中的COD容量虽已枯竭，但超载程度较天津、上海和宁夏轻；③江苏和山东两省COD容量紧缺度指数接近10，表明这两省的COD容量利用程度高，COD容量已剩不多。其余省(市)COD容量紧缺度指数低，其中河南COD紧缺度指数最高，仅为2.46，西藏的COD容量紧缺度最低，接近1.00，表明河南和西藏分别还有40.77％和接近100％的COD容量未利用，这主要与地区经济发展水平低、污染物排放量小有关。
3.2.2 -N容量紧缺度 各省市水环境中-N容量紧缺度指数结果(表1和图3)表明，我国水环境中-N的环境压力总体上较COD严峻。除宁夏、湖南外，我国各省市-N容量紧缺度指数呈现从东向西逐渐减小的态势。具体表现为：①天津、宁夏、上海、北京、河北、山西和山东7省市-N容量紧缺度指数最高，均大于21.07，说明这些省市-N的排放量是其容量的2.11倍以上，尤其是天津、宁夏、上海和北京，其-N排放量分别是各自容量的9.05倍、8.51倍、6.90倍和3.90倍，说明这些地区水环境容量中氨氮容量超载严重，环境压力极大；②辽宁、河南和江苏3省次之，其-N容量紧缺度指数在15.19～17.23之间，虽-N排放量也大于其环境容量，但环境压力较北京、上海、天津等省市轻；③其余省(市)-N容量紧缺度指数均小于3.21，其中甘肃省水环境容量中的氨氮容量紧缺度最高，但其还有27.27％的-N容量未开发，其余省(市)还有42.86％以上的氨氮容量待开发，同各省市COD容量利用规律相似，这类地区广泛分布于华南、华东、西南、西北及东北，占我国总国土面积的2/3以上，说明总体上我国水环境容量可持续发展潜力大，但西北广阔地区水环境容量绝对值较低。
3.3 水环境容量紧缺度与区域功能的相互作用
紧缺度指数主要受水环境容量和污染物排放量的影响。影响水环境容量的因素众多，水质标准、水文条件、水体自净能力、气象等都会影响区域地表水环境容量；而众多区域社会、经济和生态功能因子在一定程度上决定了污染物排放量、污染物的降解及区域水环境容量紧缺度，故影响区域水环境容量紧缺度的因素众多。但对某一区域而言，其水环境容量具有相对稳定性，且体现区域生态功能综合特性指标确定困难，在此仅用相关分析和通径分析仅研究COD和-N容量紧缺度与区域社会、经济功能的关系。
结果表明(表2)，水环境中COD和-N容量紧缺度指数与单位标准污染物排放量的工业产值、人口密度、经济密度、人均GDP和单位面积生活污水排放量之间存在极显著的正相关关系，此外COD容量紧缺度与单位面积水资源消耗极显著正相关，与其余指标相关性不显著；-N容量紧缺度与工业万元产值耗水量显著负相关。这说明水环境容量紧缺度与区域社会功能(人口因素)和经济功能(经济密度、人均GDP等)密切相关，但是随着社会功能、经济功能的发展，环境破坏性因子(工业废水量、单位标准污染物排放量、生活污水排放量)不断增加，致使区域水环境生态恶化，水环境容量总量降低，区域水环境容量紧缺度增加。
3.3.2 通径分析 由于在因子间相互作用过程中，彼此之间并不是孤立的，而是相互制约、互相促进的，因此，这种关系单纯用相关分析得出的相关系数说明是不够的。因为在多个变量的系统中，任意两个变量的线性关系，都会受到其他变量的影响，而通径分析是在各变量无量纲的基础上，计算通径系数，通过通径系数的大小与正负来表示自变量对因变量作用的大小与方向，且通径系数之间可进行相互比较，比相关分析可提供更多的信息，在此对相关分析所用到的数据进行通径分析，结果表明(表3)：
(1)对COD容量紧缺度指数直接影响大小依次为单位面积生活污水排放量＞经济密度＞单位面积水资源消耗＞人口密度＞单位标准污染物排放量的工业值＞人均GDP＞工业万元产值废水排放量＞工业万元产值耗水量。众多指标主要通过经济密度和单位面积生活污水排放量的间接作用对COD容量紧缺度产生作用，除工业万元产值耗水量通过单位面积生活污水排放量对COD容量紧缺度指数间接通径系数小于其直接通径系数外，其余指标通过经济密度和单位面积生活污水排放量对COD容量紧缺度的间接通径系数均大于各自直接通径系数，充分说明经济密度和人口密度对水环境容量紧缺度有显著影响。此外，通过单位面积水资源消耗对COD的间接通径系数仅次于经济密度和单位面积生活污水排放量，且其作用与经济密度正负效应相同，最终导致单位标准污染物排放量的工业产值、人口密度、经济密度、人均GDP、单位面积水资源消耗、单位面积生活污水排放量对COD容量紧缺度指数的综合影响均达极显著水平。而工业万元产值耗水量和工业万元产值废水排放量对COD容量紧缺度指数的综合影响因直接间接影响相互抵消而作用不显著。
表3 中国社会、经济指标与水环境容量紧缺度指数的通径系数分析
Table 3 Path coefficient analysis with Chinese social,economical factors and water environment capacity scarcity degree
注：
表示直接通径系数。
(2)对-N容量紧缺度指数直接影响依次为单位面积生活污水排放量＞经济密度＞单位面积水资源消耗＞单位标准污染物排放量的工业值＞人均GDP＞人口密度＞工业万元产值耗水量＞工业万元产值废水排放量。与COD相似，这些指标主要通过经济密度和单位面积生活污水排放量对-N容量紧缺度指数产生间接作用，且作用正负效应相反。此外，除工业万元产值耗水量和工业万元产值废水排放量外，其余指标通过单位面积水资源消耗对-N容量紧缺度指数的直接和间接通径系数均较大，且均为正效应，致使这些指标对-N容量紧缺度指数产生极显著或显著的影响。而工业万元产值耗水量虽然对-N容量紧缺度指数直接通经系数较小，但除通过人口密度和单位面积水资源消的间接作用较小外，通过其他因子的间接作用均较大，致使其综合影响显著，而工业万元产值废水排放量因直接间接作用正负抵消，综合影响不显著。
相关分析和通径分析表明，因子间直接作用和间接作用的综合效益使得人口密度、经济密度、人均GDP、单位面积水资源消耗等众多区域社会功能和经济功能因子与水环境容量紧缺度之间达极显著或显著正相关关系，说明区域水环境容量虽可促进区域社会功能和经济功能的提高，但随着社会功能和经济功能的发展，生活和工业耗水量、废水排放量和污染物排放量也随之增加，致使区域水环境容量总量降低，区域水环境容量紧缺度增加。此外，众所周知，区域生态环境的优越与否和区域生态功能的高低不仅影响区域社会、经济功能的发展，还直接影响水环境净化、降解污染物的能力与速率[11]，从而影响区域水环境容量，引起区域水环境容量紧缺。因此，区域功能与区域水环境容量紧缺度相互影响、相互制约，即在现有技术条件下，水环境容量紧缺度小的区域能承载更大的社会功能和经济功能，但区域社会功能、经济功能发展的同时，生活和工业耗水量、废水排放量和污染物排放量等环境破坏性因子也随之增加，这会恶化区域水环境，降低其生态功能和水环境容量，致使区域水环境容量紧缺度增加。
4 结论
水环境容量是影响和决定区域可持续发展的一种重要因素。对中国各省(市)2005年水环境容量、水环境容量紧缺度及其与区域功能的相互作用研究表明：
(1)中国水环境容量具有明显的空间分异性，水环境容量丰裕度指数呈现出从东南沿海向西部内陆逐渐递减的趋势。根据各省市水环境丰裕度指数空间分布格局将各省市水环境容量分为充沛区、充足区、中等区、较少区和匮乏区5区。
(2)中国各省市COD容量紧缺度指数空间差异明显，除宁夏外，各省(市)COD容量紧缺度指数呈现从东南沿海至西北内陆逐渐减小的分布格局。天津、上海和宁夏紧缺度指数最高，COD容量超载严重；北京、河北和山西次之，COD容量超载较轻；其余省(市)除江苏和山东两省COD容量较接近其排放量外，均有大量COD容量剩余。
(3)除宁夏和湖南外，中国各省市-N容量紧缺度指数呈现从东至西逐步减小的态势。其中天津、宁夏、上海、北京、河北、山西和山东氨氮容量紧缺度指数最高，超载严重；辽宁、河南和江苏-N容量紧缺度指数次之，部分超载；其余省市最低，均有-N容量未利用。整体上，我国水环境中-N的环境压力较COD严峻。
(4)区域功能与区域水环境容量紧缺度相互影响、相互制约。在现有技术条件下，区域社会、经济功能随区域水环境容量的增大而增强，但随着区域社会、经济功能的增强，随之产生的生活和工业耗水量、废水排放量和污染物排放量不断增加，从而改变区域生态结构，降低区域生态功能和水环境容量，增加区域水环境容量紧缺度。