基于層次分析和地理信息系統(tǒng)的水環(huán)境容量動(dòng)態(tài)分配

雷宏軍，姜麗光，魏義長(zhǎng)

(華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州 450011)

基于層次分析和地理信息系統(tǒng)的水環(huán)境容量動(dòng)態(tài)分配

雷宏軍，姜麗光，魏義長(zhǎng)

(華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州 450011)

以廣西壯族自治區(qū)為例，運(yùn)用層次分析法，建立了系統(tǒng)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境指標(biāo)體系;在不同發(fā)展階段，通過動(dòng)態(tài)改變指標(biāo)權(quán)重，使分配結(jié)果更為公平合理;運(yùn)用地理信息系統(tǒng)技術(shù)，將分配結(jié)果生成等級(jí)圖，結(jié)合各污染源的空間特征分析，實(shí)現(xiàn)了評(píng)價(jià)結(jié)果空間格局的動(dòng)態(tài)顯示，從而為環(huán)境管理提供決策支持.

地理信息系統(tǒng);層次分析法;水環(huán)境容量;動(dòng)態(tài)分配

水環(huán)境容量分配的核心是保證分配的公平性和水質(zhì)可達(dá)性.由于經(jīng)濟(jì)條件和社會(huì)發(fā)展需求所限，公平和水質(zhì)達(dá)標(biāo)往往存在著矛盾，因此在選擇方法時(shí)，需要均衡考慮這兩方面的需求.但區(qū)域內(nèi)水污染物排放總量分配涉及到各污染源的排污、納污、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等多種因素，在每種因素中又包含了若干種定性和定量因子［1］.崔振平［2］運(yùn)用基尼系數(shù)方法，建立了水污染物排放總量的區(qū)域分配模型;呂俊［3］構(gòu)建了杭州市水環(huán)境容量計(jì)算模型，計(jì)算出杭州市行政區(qū)域及流域水系的水環(huán)境容量，并提供各種空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理、可視化顯示等，在此基礎(chǔ)上得到杭州市水環(huán)境總量分配方案;王濤［4］采用盲數(shù)理論模型測(cè)算了水環(huán)境容量，采用不確定性層次分析法制定了污染物總量控制分配方案，這兩種方法均以不確定性理論為基礎(chǔ)，制定了排污總量的分配方案和削減標(biāo)準(zhǔn).目前對(duì)水環(huán)境總量的控制多是單一的定性和定量分配，或簡(jiǎn)單地對(duì)水環(huán)境容量分配結(jié)果進(jìn)行空間分布格局的展示，沒有真正地把二者有機(jī)結(jié)合起來.

筆者以廣西壯族自治區(qū)為例，采用層次分析法進(jìn)行區(qū)域污染源的總量分配，從區(qū)域內(nèi)各地市的耕地、容量利用率、現(xiàn)狀污染負(fù)荷、GDP、人口、水資源總量等因素著手，建立了污染源總量分配模型;運(yùn)用地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)組件技術(shù)(ArcGIS Engine，AE)［5］實(shí)現(xiàn)分配結(jié)果的空間格局展示、區(qū)域污染源分級(jí)渲染及動(dòng)態(tài)分析.

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

1∶25萬廣西行政區(qū)劃圖來源于廣西壯族自治區(qū)測(cè)繪地理信息局，《廣西統(tǒng)計(jì)年鑒》(2001—2008年)來源于廣西壯族自治區(qū)統(tǒng)計(jì)局.

1.2 數(shù)據(jù)處理平臺(tái)與研究方法

研究工作平臺(tái)為 ArcGIS 9.3，ArcEngine 9.3 和VS 2008［5］.水環(huán)境容量多要素綜合評(píng)價(jià)采用層次分析法.運(yùn)用VS 2008編程和ArcEngine 9.3地理信息二次開發(fā)平臺(tái)來實(shí)現(xiàn).屬性數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化等處理由程序自動(dòng)完成，主要對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.

1.3 研究工作流程

在調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)建區(qū)域排污分配指標(biāo)體系框架;通過專家咨詢構(gòu)建判斷矩陣;確定各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重;依據(jù)各污染源現(xiàn)狀，確定排污總量分配方案.借助GIS技術(shù)，將廣西壯族自治區(qū)各地市作為一系列獨(dú)立的評(píng)價(jià)單元，對(duì)不同的評(píng)價(jià)單元運(yùn)用層次分析法進(jìn)行評(píng)價(jià)分配并建立結(jié)果屬性數(shù)據(jù)庫，運(yùn)用GIS技術(shù)動(dòng)態(tài)地加入空間圖形數(shù)據(jù)庫;利用分配結(jié)果字段對(duì)各市進(jìn)行分級(jí)渲染，生成分配結(jié)果專題圖，從而揭示各區(qū)域容量分配的空間格局，結(jié)合發(fā)展情況、容量利用、污染情況等，使管理者能夠從不同程度(深度和廣度)對(duì)區(qū)域進(jìn)行容量控制與分配.

2 結(jié)果與分析

2.1 水環(huán)境容量多要素綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

由于各市的排污量、經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況不同，人口、耕地面積等都不同，為了考慮更多因素，使污染物削減量與排放量更加公平合理，將排污削減量由區(qū)級(jí)分配到市級(jí)時(shí)采用層次分析法.以自治區(qū)水污染物削減為目標(biāo)，以耕地、人口、GDP、水資源總量、容量利用率、現(xiàn)狀污染負(fù)荷為準(zhǔn)則，14個(gè)城市為決策層構(gòu)建指標(biāo)體系.指標(biāo)體系及數(shù)據(jù)見表1.

表1 指標(biāo)體系及數(shù)據(jù)

2.2 水環(huán)境容量多要素綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

采用9標(biāo)度法以問卷調(diào)查的方式向10個(gè)專家調(diào)查，由專家對(duì)各分項(xiàng)指標(biāo)兩兩之間相對(duì)重要程度評(píng)分，運(yùn)用幾何平均值法對(duì)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì).根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果構(gòu)造判斷矩陣，編制程序計(jì)算判斷矩陣最大特征值λmax=6.05，其對(duì)應(yīng)的特征向量歸一化后即為各個(gè)分項(xiàng)指標(biāo)對(duì)總量分配影響重要性的權(quán)重向量:W=(0.17，0.08，0.14，0.17，0.16，0.28)T，對(duì)上述判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn):CI=(λmax－n)/(n－1)=0.010 4，CR=CI/RI=0.008 5 ＜0.10.

2.3 總量分配

以決策層相對(duì)總目標(biāo)的組合權(quán)重代表各區(qū)域應(yīng)分?jǐn)偟呐盼巯鳒p份額比重，按此比例進(jìn)行排污量削減分?jǐn)?將表1中各地市指標(biāo)在全區(qū)中的比例與各指標(biāo)的權(quán)重相乘即可得各地市削減量占全區(qū)削減量的比例.基于2007年的全區(qū)污染物入河量，按照一定的削減比例(這里可動(dòng)態(tài)設(shè)置)得出目標(biāo)年(2015年)的削減量，結(jié)果如圖1所示.在此基礎(chǔ)上，按照各區(qū)域組合權(quán)重進(jìn)行分配.

圖1 分配結(jié)果

2.4 空間格局展示

用屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)中的公共字段“城市名稱”，通過IFeatureCursor接口遍歷各要素，與屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，將分配結(jié)果(存儲(chǔ)在內(nèi)存中)動(dòng)態(tài)寫入

圖2 2015年各地市COD削減空間格局(單位:t)

2.5 污染物削減結(jié)果

由于削減量是基于2007年全區(qū)的入河量按一定削減比例分配到各市的，分配結(jié)果與各市2007年排放量基本一致，分配結(jié)果比較理想.由空間分布格局可知，南寧市污染物排放量最大，削減量也最大，河池市排污量最小，削減分配量也較少.

3 結(jié)語

將層次分析法與GIS相結(jié)合是進(jìn)行水環(huán)境容量動(dòng)態(tài)分配行之有效的方法之一.層次分析法在多要素綜合評(píng)價(jià)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但不能反映評(píng)價(jià)結(jié)果的空間分布格局，不能對(duì)其空間格局進(jìn)行深入分析，而GIS技術(shù)強(qiáng)大的空間分析能力正好彌補(bǔ)了層次分析的不足.運(yùn)用GIS技術(shù)，將分配結(jié)果生成等級(jí)圖，結(jié)合各污染源的空間特征進(jìn)行分析，為后續(xù)管理工作提供決策支持，實(shí)現(xiàn)了評(píng)價(jià)結(jié)果空間格局的動(dòng)態(tài)顯示，使管理者能夠從不同程度對(duì)區(qū)域進(jìn)行容空間數(shù)據(jù)的“分配”字段，然后通過IClassBreaksRenderer接口，利用該字段進(jìn)行分級(jí)渲染.這里主要利用AE+C#完成該功能.2015年COD、氨氮削減量分配空間格局如圖2和圖3所示.量控制與分配.在不同發(fā)展階段，通過動(dòng)態(tài)改變指標(biāo)權(quán)重使分配結(jié)果更為公平合理.

圖3 2015年各地市氨氮削減空間格局(單位:t)

水環(huán)境容量動(dòng)態(tài)分配需要充分發(fā)揮政府在環(huán)境治理工作中的宏觀調(diào)控能力，建立有效的監(jiān)督檢查機(jī)制，依據(jù)現(xiàn)有的法律法規(guī)依法治污.

［1］彭文啟，張祥偉.現(xiàn)代水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)理論與方法［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［2］崔振平.天津?yàn)I海新區(qū)水環(huán)境容量計(jì)算及總量分配方法研究［D］.天津:天津大學(xué)，2008.

［3］呂俊.基于GIS的杭州市水環(huán)境容量計(jì)算及總量分配系統(tǒng)研制［D］.南京:河海大學(xué)，2007.

［4］王濤.區(qū)域水環(huán)境容量測(cè)算方法及總量控制研究［D］.北京:北京交通大學(xué)，2009.

［5］陳正江，湯國安，任曉東.地理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)［M］.北京:科學(xué)出版社，2005.

Dynamic Allocation of Water Environmental Capacity Based on Analytic Hierarchy Process and Geographical Information System

LEI Hong-jun，JIANG Li-guang，WEI Yi-chang
(North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China)

Combined with quantitative and qualitative analysis，a systematic index system composing of social，economic，resource and environmental indexes was established，and the analytic hierarchy process method was used in the case of Guangxi Zhuang Autonomous Region.According to the dynamical adjustment of the index weight，the total amount control of pollutants could be allocated fairly in different development stages of Guangxi Zhuang Autonomous Region.By coupling Geographical Information System(GIS)technique，the spatial characteristics of water environment capacity were generated，thus providing dynamic support for the decision maker.Therefore，the combination of analytic hierarchy process and GIS technique is a well-proven approach for dynamic allocation of water environmental capacity.

Geographical Information System;analytic hierarchy process;water environmental capacity;dynamic allocation

1002－5634(2012)03－0001－03

2012－03－11

環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201109010－04);河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(102102110047).

雷宏軍(1975—)，男，湖北大冶人，副教授，博士，主要從事水土資源高效利用方面的研究.

(責(zé)任編輯:喬翠平)