基于層次分析-模糊綜合評(píng)價(jià)模型的東遼河流域水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)

程兵芬，羅先香，王 剛

(1.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100;2.中國水利水電科學(xué)研究院水資源研究所，北京 100038)

人多水少、水資源分布不均、水資源與生產(chǎn)力分布不相匹配是我國的基本國情和基本水情，長期以來形成的水資源過度開發(fā)、粗放利用、污染嚴(yán)重、生態(tài)惡化的狀況未有根本改變，水資源問題仍然是制約可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸[1]。水環(huán)境承載力WECC(water environment carrying capacity)是人們?cè)趯?duì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展與水環(huán)境相互關(guān)系有了較深刻認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上被提出來的[2]，指某一地區(qū)、某一時(shí)期、某個(gè)狀態(tài)下的水環(huán)境條件對(duì)該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和生活需求的支持能力[3]，它的大小是決定社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展及其規(guī)模的一個(gè)重要因素。目前對(duì)水環(huán)境承載力的研究主要集中在國內(nèi)，國外的專門研究還比較少，尚未形成統(tǒng)一的概念和完善的理論體系，研究方法多樣化，但缺乏對(duì)水環(huán)境承載力動(dòng)態(tài)性的兼顧，需進(jìn)一步完善[2，4]。東遼河是吉林省主要河流之一，流域內(nèi)資源型缺水和水質(zhì)型缺水共存，水資源供需矛盾比較突出。國民經(jīng)濟(jì)用水對(duì)河道生態(tài)用水的過度擠占、嚴(yán)重超采地下水等不合理的開發(fā)利用活動(dòng)造成河流干涸、斷流以及生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，對(duì)流域的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[5]，因此，評(píng)價(jià)該流域的水環(huán)境承載能力對(duì)區(qū)域水資源的持續(xù)利用與實(shí)現(xiàn)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[6]。筆者采用層次分析-模糊綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)吉林省區(qū)域內(nèi)東遼河河段的水環(huán)境承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)，為東遼河流域的治理及可持續(xù)發(fā)展提供理論支撐。

1 研究區(qū)概況

東遼河流域位于吉林省的西南部，流域面積為1450 km2，地跨遼源市、東遼縣、梨樹縣、雙遼市后進(jìn)入遼寧省境內(nèi)，在富德店與西遼河匯合，是遼河流域的三級(jí)流域。依據(jù)地形特點(diǎn)，自東向西將東遼河分為山地、丘陵和平原。東遼河流域處于半濕潤中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，多年平均氣溫3.8℃，多年平均降雨量470～700 mm，主要集中在6—8月，降雨量約占年降水量50%以上。東遼河流域是吉林省重要的商品糧基地，現(xiàn)有耕地面積43.48萬hm2，其中水田5.70 萬 hm2，旱田 37.78 萬 hm2(含水澆地3.28萬 hm2)，年均供水量中，農(nóng)業(yè)供水量占85.7%。二龍山水庫為保證四平市居民生活用水和工業(yè)生產(chǎn)用水，不得不減少農(nóng)業(yè)供水規(guī)模，已先后停止向3個(gè)萬畝以上灌區(qū)供水，水資源開發(fā)量也已超過水資源可利用量的58.3%[5]，水資源供需矛盾嚴(yán)重制約著流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[5，7]。

2 水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)模型

水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)的影響因子多、復(fù)雜且難以量化，涉及范圍廣，是一種典型的多指標(biāo)決策、評(píng)價(jià)問題。模糊綜合評(píng)價(jià)是一種常用的定性分析與定量分析綜合集成的方法，客觀、準(zhǔn)確的確定各指標(biāo)的權(quán)重是其研究的難點(diǎn)之一[8-9]。層次分析法(AHP)是20世紀(jì)70年代中期由美國學(xué)者Saaty等[10]創(chuàng)立的一種能用來處理復(fù)雜的社會(huì)、政治、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)技術(shù)等決策問題的新方法，也是一種定量與定性相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法，在判斷目標(biāo)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且缺乏必要數(shù)據(jù)的情況下，能把其他方法難以量化的評(píng)價(jià)因素通過兩兩比較加以量化，把復(fù)雜的評(píng)價(jià)因素構(gòu)建為層次結(jié)構(gòu)，有效確定多因素指標(biāo)的相對(duì)重要程度，計(jì)算權(quán)值，確定關(guān)鍵影響因素，比較適合復(fù)雜的模糊綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)。

層次分析-模糊綜合評(píng)價(jià)模型是指用層次分析方法確定各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，然后通過模糊綜合評(píng)價(jià)的方法來評(píng)價(jià)水環(huán)境承載力。具體步驟為:①構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;②運(yùn)用9級(jí)標(biāo)度準(zhǔn)則(表1)比較各個(gè)因子的相對(duì)重要性構(gòu)建判斷矩陣，計(jì)算各因子相對(duì)于上層因子的權(quán)重并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，若不符合一致性檢驗(yàn)就對(duì)矩陣進(jìn)行調(diào)整，直到滿意為止[8];③逐層推算出各個(gè)指標(biāo)因子對(duì)于總目標(biāo)層的權(quán)重向量W;④構(gòu)建評(píng)價(jià)集合U及評(píng)價(jià)等級(jí)集合V[9];⑤確定從U到V的模糊關(guān)系矩陣R[9];⑥運(yùn)算得到子目標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)矩陣B=WR，將B歸一化后與評(píng)價(jià)向量V相乘，得到水環(huán)境承載力的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)。

表1 判斷矩陣標(biāo)度準(zhǔn)則

3 模型應(yīng)用

3.1 東遼河流域水環(huán)境承載力指標(biāo)體系

平衡社會(huì)環(huán)境和水環(huán)境承載力之間的相互關(guān)系是當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，而指標(biāo)體系的建立可以量化承載主客體之間相互關(guān)系的大小[11]，因此指標(biāo)的選取需反映出水環(huán)境的自然屬性以及人類活動(dòng)的影響，即水環(huán)境的功能。近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對(duì)水資源的需求及影響增加，東遼河流域的水量大幅度減少，加之干旱的影響以及生態(tài)環(huán)境的惡化，使得東遼河流域水資源的供需矛盾日漸突出。根據(jù)指標(biāo)層篩選的完整性、簡明性、層次性、可比性和動(dòng)態(tài)性[12-16]原則確定指標(biāo)層，建立評(píng)價(jià)東遼河流域水環(huán)境承載力的指標(biāo)體系(圖1)。

圖1 水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.2 單一準(zhǔn)則下各指標(biāo)的權(quán)重確定

3.2.1 A-Bi層指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

根據(jù)上述方法，對(duì)應(yīng)準(zhǔn)則A、B層得判斷矩陣如表2所示。

表2 A-Bi的判斷矩陣

根據(jù)表2計(jì)算出判斷矩陣的最大特征值λmax=3.0092，特征向量 W=(W1，W2，W3)T=(0.174 4，0.6337，0.191 9)T，其一致性指標(biāo)0.0046，平均隨機(jī)一致性指標(biāo) RI=0.58，一致性比例 CR=CI/RI=0.0079 ＜0.1。因此，判斷矩陣具有滿意的一致性，符合要求。

3.2.2 B-C層、C層單排序及一致性檢驗(yàn)

采用同樣的方法，可得到C層對(duì)B層的相對(duì)權(quán)重，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)(表3)，最后得出各指標(biāo)的權(quán)值。

表3 各要素層對(duì)于相應(yīng)各評(píng)價(jià)層的特征向量及一致性檢驗(yàn)

3.2.3 層次總排序結(jié)果

各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重及排序見表4。

表4 各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重及排序

3.3 模糊綜合評(píng)價(jià)

水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)等級(jí)分為“差、較差、一般、較好、好”5個(gè)級(jí)別，對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)范圍分別為0～0.2、0.2 ～ 0.3、0.3 ～ 0.7、0.7 ～ 0.8、0.8 ～ 1.0。U 為水環(huán)境承載力的因素集合，即 U={C1，C2，C3，C4，C5，C6，C7，C8，C9，C10，C11，C12，C13}，依據(jù)當(dāng)前東遼河流域吉林省內(nèi)的現(xiàn)狀，及東遼河水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)等級(jí) V={0.1，0.25，0.5，0.75，0.9}，得 U 到 V 模糊判斷矩陣模糊綜合評(píng)判的數(shù)學(xué)模型為B=WR=(0.257 4，0.3633，0.2643，0.0778，0.0372)，對(duì) B 進(jìn)行歸一化處理得 B'=(0.257 4，0.363 3，0.264 3，0.077 8，0.0372)，將B'與模糊評(píng)判向量V相乘得出綜合評(píng)價(jià)結(jié)果即G=B'VT=0.3407，根據(jù)模糊評(píng)價(jià)等級(jí)，得東遼河的水環(huán)境承載力為“一般”。

4 結(jié)語

通過層析分析-模糊綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)東遼河流域的水環(huán)境承載力進(jìn)行了評(píng)價(jià)，得綜合指數(shù)為0.3407，承載力為“一般”，且接近較差的評(píng)價(jià)等級(jí)。由表4可見，年均供水量(0.335 4)、水資源開發(fā)利用率(0.1699)和水污染指數(shù)(0.1045)對(duì)東遼河水環(huán)境承載力的影響較大。近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)水資源的需求不斷增加，加之氣候變化的影響，使得水量已經(jīng)大幅度減少的東遼河流域供需矛盾越發(fā)突出。為了保證流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的健康、快速發(fā)展，必須提出可持續(xù)發(fā)展的治理方案，結(jié)合本文的研究結(jié)果，對(duì)東遼河流域的治理提出幾點(diǎn)建議。

a.水資源的優(yōu)化配置。東遼河流域是吉林省重要的商品糧基地，隨著城市化的進(jìn)程，農(nóng)業(yè)用水與城市用水、生活用水的矛盾已日益突出。應(yīng)采取以下措施:①推廣先進(jìn)的灌水技術(shù)，提高灌溉效率，減少農(nóng)業(yè)用水;②推行節(jié)水、生態(tài)、高效和綠色的農(nóng)業(yè)發(fā)展道路;③發(fā)揮水價(jià)在水資源配置中的作用，提高人們的節(jié)水意識(shí)，支持東遼河流域水資源的合理開發(fā)和高效利用;④優(yōu)化工農(nóng)等各行業(yè)的用水結(jié)構(gòu)。

b.加強(qiáng)水污染的監(jiān)測(cè)和治理。東遼河水質(zhì)污染情勢(shì)嚴(yán)峻，對(duì)供水安全已經(jīng)產(chǎn)生很大的威脅，必須進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)東遼河的監(jiān)控和治理:①發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)，控制化肥和農(nóng)藥進(jìn)入流域的量;②推動(dòng)污水資源化，降低污染大戶污水排放量，加大城市工業(yè)生產(chǎn)污水和居民生活廢水的處理力度，力爭實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。c.增加外調(diào)水源。本著開源節(jié)流的原則，在節(jié)水的基礎(chǔ)上，也要增加開源的渠道。東遼河流域是水資源缺乏的河流，節(jié)水和污水回用的能力有限，為滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活的需求，可以進(jìn)行區(qū)域和水域間的水量調(diào)配，促進(jìn)流域的可持續(xù)發(fā)展。

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