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1994~2002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 }, 1≤k ≤m ,1≤i ≤n (2 x min =min{ x ki }, 1≤k ≤m ,1≤i ≤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 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,0≤r 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1994~~2002年各指标值 Table 1 Indicators and the index status for assessment of WECC from 1994~2002(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 , g15 , 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 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 , b15 , 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 0.0396 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1994~2002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 practiced 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 0.600 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、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。