区域水环境承载力评价指标体系及方法研究

1、区域水环境承载力评价指标体系及方法研究*杨梅,李如忠,钱家忠,洪天求合肥工业大学资源与环境工程学院,合肥(230009E-mail:qjz_mail摘要:研究和评价区域水环境承载力具有十分重要的现实意义。基于水环境承载力的内涵和本质,从资源环境、技术管理、社会经济和生态四个角度出发,构建了一个普遍适用的水环境承载力评价指标体系。考虑到水环境承载力本身具有模糊性、多指标性,采用模糊优选原理进行评价,并用层次分析法(AHP确定指标权重。从而提出了AHP模糊优选模型。作为案例,将上述理论方法应用于某一城市的水环境承载力评价,取得了较好效果。关键词:区域,水环境承载力,评价指标体系,模糊优选评价模型水

2、环境承载力(Water Environmental Carrying Capacity, WECC是承载力概念与水资源和水环境领域的自然结合1,是衡量区域经济发展活动与水环境条件适配程度的重要指标,受到世界各国的普遍重视2。九十年代初 WECC概念在我国得以提出, 随后WECC研究方向在环境科学领域独立发展逐渐完善2-6,但对水环境承载系统各要素的内涵、特征、变化关系和定量化表征等尚未见有较为系统的理论成果。本文从水环境承载力评价所涉及的资源环境、技术管理、社会经济和生态四个角度出发,结合我国的区域状况,提出了区域水环境承载力评价指标体系,建立了水环境承载力评价的AHP模糊优选模型。实例研究表

3、明,所建模型对包含多指标、多因素的水环境承载力评价具有很好的效果。1. 评价指标体系建立水环境承载力评价指标体系,应根据区域水资源特点,考虑到区域社会经济发展的不平衡性、科技文化水平的差异性、以及水资源开发利用程度和水环境的状况及其变化趋势等。1.1 评价指标选取原则在借鉴国际上对水环境承载力评价的基础上,以科学、实用、简明的选取原则,具体考虑以下几个方面7:(1科学性原则,即按照科学理论,特别是可持续发展理论定义的指标概念和计算方法;(2整体性原则,即综合反映社会、经济、人口、生态、环境、资源等发展指标;(3动态性与静态性相结合原则,即指标体系反映系统的发展状态及其发展过程;(4定性与定量相

4、结合原则,即选择可量化指标,难以量化的重要指标采用定性描述指标;(5可比性原则,即尽可能采用标准的名称、概念、计算方法,考虑国际、国内状况;(6简明、实用、可行性原则,即指标体系要充分考虑到资料的来源和现实可行性。1.2 评价指标体系的构建目前,还难以找到对我国不同省(地区、不同流域都能适用的、统一的水环境承载力评价指标体系。参照相关文献7,11,从水环境承载力评价所涉及的社会、经济、生态、环境技术、管理等角度,侧重我国东部城市地区,建立了水环境承载力评价指标体系如图1所示。本课题得到国家基础研究重大项目前期研究专项(2003CCC00400,安徽省自然科学基金(050450303的资助。 图

5、1 水环境承载力评价指标体系 Fig.1 Indicator system for evaluating WECC2. AHP -模糊优选评价方法及其应用实例WECC 是处理水环境与人类社会经济活动之间关系的有力工具,目前已经在多个方面取得进展,特别是量化方法呈现出多样化的态势8,9。但各种方法均有优劣点,还需要作进一步的研究。水环境承载力是一个模糊概念,也是一个多指标评价、决策问题,因此,考虑采用AHP-模糊优选原理10,11对区域水环境承载力状态及其变化态势进行评价。2.1 基本资料某城市19942002年资源、环境、技术管理、社会经济及生态等各指标统计结果如表1所示。2.2 水环境承载力

6、变化态势分析(1构造评价样本和评价指标集合A = 1994年,1996年,1998年 ,2000年,2002年= a 1, a 2, a 3 , a 4 , a 5 F =指标l ,指标2,指标17=f 1,f 2,f 17将待评样本a i 对f k 的属性值记为x ki (k =1,2,17; i =1,2,5。 (2构造二维决策矩阵M ,即区域水环境承载力评价的决策矩阵。m n M (ki x ×= (1(3决策矩阵规格化在决策矩阵M 中,评价指标属性值量纲可能不完全相同,为消除量纲不同带来的影响,在评价前需对决策矩阵M 中各元素作规格化处理,记:x max =max x ki

7、, 1k m ,1i n (2 x min =min x ki , 1k m ,1i n (3这里,x max 和x min 分别表示所有评价样本中指标f k 的最大值和最小值。考虑到评价样本中有的指标变化范围可能较大,而有的变化范围则很小,为避免夸大变化范围小的指标在决策中的相对作用,可采用下列优属度计算公式。本文将表1中17个指标进行划分,f 2 ,f 3 ,f 4, f 5, f 6, f 7 ,f 10 ,f 11 ,f 12 ,f 14 ,f 15 ,f 16为正效指标,f 1 ,f 8, f 9, f 13 ,f 17为负效指标。对于属性值越大,表示水环境承载力越大的正效指标,令r

8、 ki =x ki /( x k max + x k min (4对于属性值越大,导致水环境承载力越小的负效指标,则r ki =1-x ki /( x k max + x k min (5 其中ki r 为待评样本i a 对于指标k f 的相对优属度。经过上述规格化处理,可将决策矩阵式(1转化为规格化处理后的矩阵R ,如表2所示R =(r ki m×n (6其中,0r ki 1, k=1,2,m ; i=1,2,n 。表1 某城市水环境承载力评价基本指标及其19942002年各指标值 Table 1 Indicators and the index status for assess

9、ment of WECC from 19942002 (4构造虚拟优、劣向量 根据式(7,得最优指标向量为:G = (g 1 , g 2 , g 3 , g 4 , g 5 , g 6 , g 7 , g 8 , g 9 , g 10 , g 11 , g 12 , g 13, g 14 , g 15 , g 16 , g 17 T= (0.692 0.649 0.523 0.526 0.529 0.625 0.538 0.631 0.620 0.620 0.602 0.561 0.5110.548 0.600 0.667 0.559 T根据式(8,得最劣指标向量为:B = (b 1 , b

10、2 , b 3 , b 4 , b 5 , b 6 , b 7, b 8 , b 9 , b 10 , b 11 , b 12 , b 13, b 14 , b 15 , b 16 , b 17T= (0.308 0.351 0.477 0.474 0.471 0.375 0.462 0.369 0.380 0.380 0.398 0.439 0.489 0.452 0.400 0.333 0.441 T (5指标定权运用层次分析法12-14得到四个指标相对于总目标的组合权重分别为:W = (0.1584 0.0990 0.0363 0.0363 0.1254 0.0825 0.0561 0.

11、0396 0.20264 0.05440.0544 0.0306 0.0204 0.0102 0.0731 0.0731 0.0238 T(6计算样本相对加权距优、距劣距离据上述计算得样本相对加权距优距离D gi、距劣距离D bi分别如下:D g =(D g1, D g2, D g3, D g4,D g5 = ( 0.038 , 0.028 , 0.051 , 0.051, 0.070 TD b=(D b1 , D b2 , D b3, D b4, D b5= ( 0.070 , 0.058 , 0.034 , 0.043, 0.038 T(7计算待评样本优属度u i,由式(12最终求得待评样

12、本的优属度U ,即:U = ( u1 , u2 , u3 , u4 , u5 T = ( 0.772, 0.811, 0.308, 0.416,0.228 T根据上述五个样本优属度的相对大小,可以对该区域五个年头下水环境承载力状况进行优劣排序,即1996年>1994年>2000年>1998年>2002年。2.3 结果分析将各个年该地区所对应的水环境承载力的相对优属度(即:年份值记为横坐标,相对优属度记为纵坐标绘制成散点图的形式。由图1,可以看出该城市19942002年水环境承载力变化态势。表2经决策化后的矩阵总体上讲,区域的社会经济发展了,Table2 The prac

13、ticed matrix但水环境承载力却下降了。1996年和1994 0.692 0.590 0.436 0.410 0.308年的水环境承载力的相对优属度较大(在0.8 0.649 0.573 0.534 0.473 0.35100附近,属于较好状态;而1998、2000、20.480 0.477 0.496 0.523 0.494002则低于0.500,水环境承载力的相对优属0.526 0.474 0.496 0.512 0.499度较小,水环境状况较差。0.471 0.489 0.506 0.517 0.529区域的自然因素、社会因素两方面,即0.375 0.450 0.550 0.60

14、0 0.62资源环境、生态状况、社会经济、管理因素0.462 0.492 0.508 0.538 0.538是相互影响、相互制约的。它们共同作用的0.369 0.451 0.497 0.601 0.631结果决定了该地区的水环境的承载能力。另0.380 0.474 0.543 0.589 0.620外,一些重大环保措施的实施也会给区域水0.380 0.421 0.500 0.564 0.620环境承载力带来很大影响,这一点在图1中0.602 0.572 0.500 0.447 0.398也能够很好地反映出来。比如:因环境污染 0.439 0.461 0.495 0.529 0.561的难降解、

15、易富集、不可逆性,WECC有随时0.504 0.511 0.496 0.489 0.496间而逐渐变小的趋势。而2000年的WECC明0.452 0.476 0.496 0.521 0.548显高于1998年这与20世纪末我国整治水体0.600 0.560 0.520 0.400 0.440环境而提出和实施的“零点计划”有明显关0.333 0.667 0.333 0.667 0.667系。0.441 0.485 0.529 0.559 0.559 图2 1994-2002年间水环境承载力变化趋势Fig .2 The relative value of the subordinate from

16、1994-20023. 结论与展望(1本文研究了区域水环境承载力评价体系的结构和内容,基于区域水环境社会经济系统的不确定性,依据模糊优选原理建立了一个评价水环境承载力概念模糊性的WECC模糊优选模型,并以层次分析法定权。实例研究表明,该模型较传统的水环境承载力评价方法能够更客观、真实地反映区域水环境承载力状况,对于制定区域水资源规划具有重要意义。(2本论文在建立分析评价指标体系时,力求全面。由于WECC本身的模糊性,评价指标以确定性指标形式进行计算,实际上是忽视了水环境一社会经济系统的客观不确定性。如何将非确定性的指标加以确定性地表示,且能够保障确定化后的数据是科学合理的将是以后研究的一个重要

17、方面。(3鉴于现有WECC的量化体系和方法存在的缺陷,应以基础理论为前提,研究适用于不同承载力内涵的量化体系和量化方法。应进一步加强WECC的基础理论的研究,完善WECC的支撑理论,使之具有更加广泛的应用前景。参考文献1. 龙腾锐,姜文超.水资源(环境承载力的研究进展.水科学进展,2003, (2:249-2522. 钱华,李贵宝,许佩瑶.水环境承载力的研究进展.中国水利水电科学研究院,北京,20043. 崔凤军.城市水环境承载力及其实证研究.自然资源学报, 1998, 13(1: 58-624. 唐剑武.环境承载力及其在环境规划中的初步应用.中国环境科学, 1997, 17: 6-95. 彭

18、再德,杨凯,王云.区域环境承载力研究方法处探.中国环境科学,1996 ,16(2:6-106. 郭怀成.我国新经济开发区水环境规划研究.环境科学进展,1994,2(5:14-227. 张文国,杨志峰.基于指标体系的地下水环境承载力评价.环境科学学报,2002, 22(4 :541-5448. 阮本青,沈 晋.区域水资源适度承载能力计算模型研究.土壤侵蚀与水土保持学报,1998 ,4(3:57-616.9. 李清龙,阎新兴.水环境承载力量化方法研究进展与展望.地学前缘,2005, 12(特刊: 43-4810. 李如忠,钱家忠,孙世群.模糊随机优选模型在区域水环境承载力评价中的应用.中国农村水利

19、水电,2005 (1 :31-3411. 李如忠.基于指标体系的区域水环境动态承载力评价研究.中国农村水利水电,2006(9:42-4612. 谢崇宝,袁宏源,郭元裕.多指标权重分配模型.华北水利水电学院学报, 1996 ,17(4:30-3513. 闫家杰.确定指标权重分配的AHP方法.郑州工学院学报,1994 15(1:102-10714. 韦鹤平.环境系统工程.同济大学出版社, 1993, 25-29 Study of Index System and Evaluation Method for Regional Water Environmental Carrying Capacity Yang Mei，Li Ruzhong，Qian Jiazhong，Hong Tianqiu School of Natural Resources and Environmental Engineering，Hefei University of Technology，Hefei (230009 Abstract It is significant to study and assess regi