基于向量模法的南寧市水環(huán)境承載力評價分析

鄭毅，蔣進元，楊延梅，何連生

(1.重慶交通大學(xué)，重慶 400074；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012)

基于向量模法的南寧市水環(huán)境承載力評價分析

鄭毅1，蔣進元2，楊延梅1，何連生2

(1.重慶交通大學(xué)，重慶 400074；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012)

為深入了解南寧市水環(huán)境承載力狀況，從廣義水環(huán)境承載力定義出發(fā)，結(jié)合研究地區(qū)實際情況，構(gòu)建了五級層次結(jié)構(gòu)的水環(huán)境承載力評價指標體系，采用向量模法對南寧市2010—2014年的水環(huán)境承載力進行了評價和分析。結(jié)果表明，2011南寧年水環(huán)境承載力有所下降，而2011—2014年呈小幅上升趨勢；萬元工業(yè)產(chǎn)值COD排放量、萬元工業(yè)產(chǎn)值NH3-N排放量以及COD排放量對水環(huán)境承載力的影響較大，其中COD排放量對水環(huán)境承載力的影響效應(yīng)最大；水資源數(shù)量已不是影響南寧市水環(huán)境承載力提升的重要因素，應(yīng)加大污染源治理。

水環(huán)境承載力；向量模法；南寧市；評價

隨著人口的逐年增多，資源的逐年消耗，環(huán)境問題的持續(xù)惡化，解決人口—資源—環(huán)境這個問題成為當(dāng)今世界共同關(guān)注的一個課題，其中承載力研究已成為探討國家或區(qū)域可持續(xù)發(fā)展問題的重要組成部分。承載力的概念來源于生態(tài)學(xué)領(lǐng)域[1]，其原始定義是指各種生物資源能夠維持特定生物物種的最大值[2]，而隨著各類學(xué)科的發(fā)展，各種不同內(nèi)涵的承載力概念和理論也得到了發(fā)展和應(yīng)用，如環(huán)境承載力[3-4]、水資源承載力[5]、生態(tài)承載力[6]、人口承載力[7]、土地承載力[8]等。由于工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進程的加快，大量廢水造成的水體污染問題導(dǎo)致水環(huán)境承載力、水體納污能力、水環(huán)境容量等概念也相繼被提出，并受到世界各國的普遍重視與應(yīng)用[9]。我國對水環(huán)境承載力的研究始于20世紀90年代[10]，對其定義的論述有狹義和廣義之分。狹義的內(nèi)涵是將水環(huán)境承載力等同于“水環(huán)境容量”、“水環(huán)境納污能力”或者“水環(huán)境容許污染負荷量”等，而廣義的內(nèi)涵更多的是將水環(huán)境承載力界定為某一時期、某種環(huán)境狀態(tài)下，某一水域環(huán)境對人類社會、經(jīng)濟活動的支持能力[11]。廣義的內(nèi)涵實質(zhì)上反映了水環(huán)境與人類社會、經(jīng)濟活動之間的相互關(guān)系——相互影響、互為約束的關(guān)系。而如何反映和協(xié)調(diào)這種關(guān)系，確保環(huán)境保護與經(jīng)濟社會持續(xù)健康發(fā)展，是一項重要的課題。因此，進行水環(huán)境承載力評價就具有重要的意義。

本文從水環(huán)境承載力的廣義定義出發(fā)，結(jié)合南寧市的實際情況，建立水環(huán)境承載力評價指標體系，利用向量模法對南寧市的水環(huán)境承載力進行評價分析，以期為提升南寧市的水環(huán)境承載力提供理論參考。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

南寧市位于廣西南部，東經(jīng)107°45′—108°51′，北緯 22°13′—23°32′，行政轄區(qū)土地總面積為22 112 km2，至2015年末，全市戶籍人口740.23萬人，市區(qū)人口290.46萬人。研究區(qū)域地處亞熱帶地區(qū)，平均海拔76.5 m，氣候溫和，雨量充沛，年平均氣溫21.7℃，年平均降雨量1298 mm，河系發(fā)達，河流眾多，水資源豐富，流域集水面積在200 km2以上的河流有39條，多年平均水資源總量約139.9億m3。

1.2 研究方法

1.2.1 水環(huán)境承載力指標體系構(gòu)建

水環(huán)境承載力評價就是將影響水環(huán)境承載力的因子量化，由定性轉(zhuǎn)向定量來描述水環(huán)境承載力的狀態(tài)。因此，評價指標的確定是水環(huán)境承載力進行定量評價的基礎(chǔ)。方曉波指出水環(huán)境承載力與區(qū)域自然條件、經(jīng)濟發(fā)展模式、水體納污能力及相應(yīng)的水資源與水污染防治對策密切相關(guān)[9]。Tianxiang Wang等指出水環(huán)境承載能力是經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，但也受許多因素，如水資源、水質(zhì)、經(jīng)濟、人口和環(huán)境保護的影響[12]。因此文章結(jié)合南寧市社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃要求、水資源和環(huán)境特征，將水環(huán)境承載力涉及的社會經(jīng)濟發(fā)展能力、資源支撐能力、水資源及水環(huán)境利用效率、水污染控制能力以及陸域生態(tài)環(huán)境等方面選擇12個評價變量，構(gòu)造了一個具有五級層次結(jié)構(gòu)的指標體系。表1為構(gòu)建的南寧市水環(huán)境承載力指標體系。

1.2.2 向量模法

水環(huán)境承載力的評價方法有很多，常用的有向量模法[13-14]、多目標決策分析法[15]、系統(tǒng)動力學(xué)方法[16]、模糊物元法[17]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[18]等。其中，向量模法作為一種綜合指標體系評價方法，由于其數(shù)學(xué)理論堅實、形式簡單直觀、運算易行、結(jié)果客觀合理[19]，可用于橫向(不同地區(qū)同一時間)和縱向(同一地區(qū)不同時間)的水環(huán)境承載能力狀況綜合比較[20]等優(yōu)點，而得到了廣泛應(yīng)用。因此本研究采用向量法對南寧市水環(huán)境承載力進行評價分析。

向量模法假設(shè)有m個不同的水平年；或者假設(shè)對于同一水平年有m個不同的分區(qū)，這兩種情況都會有m個水環(huán)境承載力評價值，設(shè)此m個評價值為Ej(j= 1，2，…，m)，再設(shè)每個評價值包括n個具體指標確定的分量，即有：

表1 南寧市水環(huán)境承載力指標體系

Ej=(E1j,E2j,…,Enj)

(1)

將指標歸一化：

Ej=(E1j,E2j,…,Enj)

(2)

其中，對于正向指標采用線性標準化方法。標準化計算公式為：

(3)

對于負向指標，首先，將原始數(shù)據(jù)按公式(4)進行一次標準化，再按公式(5)進行二次標準化，從而使負向指標與正向指標的作用效應(yīng)同向。

(4)

(5)

于是，水環(huán)境承載力的值按下式即可計算：

(6)

式中，Wi為水環(huán)境承載力的第i個指標的權(quán)重。

指標權(quán)重Wi采用熵值法進行確定。其優(yōu)點是能夠利用決策舉證給出的信息計算權(quán)重，而無須引入決策者的主觀判斷。因此，權(quán)重計算結(jié)果相對來說更具有客觀性，由此水環(huán)境承載力的評價結(jié)果也就更具有客觀性。

2 南寧市水環(huán)境綜合承載力評價

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文研究數(shù)據(jù)主要來源于2011—2015年《廣西壯族自治區(qū)統(tǒng)計年鑒》、2015年《南寧市統(tǒng)計年鑒》，數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用了Excel軟件。

2.2 評價結(jié)果與分析

2.2.1 水環(huán)境承載力評價指標值

通過查閱相關(guān)資料，收集到了2010—2014年南寧市的相關(guān)指標值，見表2。

2.2.2 指標權(quán)重的確定

為合理確定指標權(quán)重，需要將負指標求倒數(shù)后，再根據(jù)熵值法計算原則，計算各年份評價指標的權(quán)重。指標權(quán)重計算結(jié)果見表3。

2.2.3 指標歸一化

按照向量模法指標歸一化計算方法，對研究地區(qū)2010—2014年的12個評價指標進行歸一化處理，計算結(jié)果見表4。

表2 2010—2014年水環(huán)境承載力評價指標值

表3 評價指標權(quán)重

表4 2010—2014年評價指標歸一化值

2.2.4 水環(huán)境承載力評價值計算

根據(jù)指標權(quán)重與歸一化的計算結(jié)果，按照式(6)計算水環(huán)境承載力，結(jié)果見表5。

表5 水環(huán)境承載力計算結(jié)果

從表5看出，2010—2014年，南寧市水環(huán)境承載力總體波動不大。相比2010年，2011年水環(huán)境承載力有所降低，分析其降低的可能原因：2011年南寧市水污染控制能力降低，廢水排放量、COD排放量和NH3-N排放量分別較2010年增加7.7%、0.9%和4.8%，同時城市污水處理率下降幅度較大，由2010年的93.27%降到64.64%?？梢?，水污染控制能力對水環(huán)境承載力影響明顯。

2011—2014年，南寧市水環(huán)境承載力呈現(xiàn)小幅上升趨勢，其評價值由2011年的0.0442提高到2014年的0.0458，分析其提高的可能原因：(1)資源支持能力總體不斷提高，尤其2013年水資源總量增加到175.82億m3，水資源總量的增加不僅提高了區(qū)域水資源的供水能力，而且也提高了水體的環(huán)境容量；(2)水資源及水環(huán)境利用效率不斷提高，人均生活用水量、萬元GDP用水量、萬元工業(yè)產(chǎn)值的COD排放量以及萬元工業(yè)產(chǎn)值的NH3-N排放量均呈下降趨勢；(3)水污染控制能力有所提升，其中COD排放量連續(xù)4年下降，年均降幅3.6%。廢水和NH3-N排放量在2013年雖有所增加，但各自權(quán)重僅為0.0008和0.0021，與COD的權(quán)重0.8277相比，不足以影響水環(huán)境承載力總體呈上升的趨勢。此外城市污水處理率總體呈增加趨勢，由2011年的64.64%提高到2014年的87.10%，城市污水治理能力得到不斷加強；(4)森林覆蓋率逐年增加，由2011年的46.01%增加到2014年的47.50%，提高了水土保持和水源涵養(yǎng)能力，改善了區(qū)域陸域生態(tài)環(huán)境。

從表3指標權(quán)重看，影響南寧市水環(huán)境承載力波動顯著的指標有萬元工業(yè)產(chǎn)值COD排放量、萬元工業(yè)產(chǎn)值NH3-N排放量和COD排放量。其中COD排放量權(quán)重最高，說明COD的排放對水環(huán)境承載力的影響很大，從2011年水環(huán)境承載力下降原因分析以及2013年廢水、NH3-N、COD排放量增減變化分析，也可反映出COD排放量對水環(huán)境承載力的影響效應(yīng)較大。因此，必須加強污染源治理，重點加大南寧市排污高行業(yè)污染治理，如造紙和紙制品業(yè)，酒、飲料和精制茶制造業(yè)，農(nóng)副食品加工業(yè)，化學(xué)原料和化學(xué)制品制造業(yè)，醫(yī)藥制造業(yè)等；加強生活源污染治理，提高污水處理廠處理規(guī)模和處理能力；加大農(nóng)業(yè)面源污染治理，重點加強畜禽養(yǎng)殖污染治理。萬元工業(yè)產(chǎn)值COD排放量和萬元工業(yè)產(chǎn)值NH3-N排放量兩個指標權(quán)重較大，反映了企業(yè)排污與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不合理。因此應(yīng)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，限制企業(yè)排污，實施排污權(quán)交易。其他指標對水環(huán)境承載力的影響總體較小，并從中可見水資源已不是影響南寧市水環(huán)境承載力提升的重要因素。

3 結(jié)論

(1)2011年南寧市水環(huán)境承載力出現(xiàn)了下降，而2011年到2014年呈小幅上升趨勢，承載力由2011年的0.0442提高到2014年的0.0458。

(2)水環(huán)境承載力下降的一個重要原因是2011年南寧市水污染控制能力大幅下降，具體表現(xiàn)為廢水排放量、COD排放量和NH3-N排放量出現(xiàn)增加，而城市污水處理率出現(xiàn)降低。

(3)水環(huán)境承載力得到提高的原因表現(xiàn)為水資源總量、森林覆蓋率增加，人均生活用水量、萬元GDP用水量、萬元工業(yè)產(chǎn)值COD和NH3-N排放量以及污染物排放量降低。

(4)從指標權(quán)重看，影響南寧市水環(huán)境承載力波動顯著的指標有萬元工業(yè)產(chǎn)值COD排放量、萬元工業(yè)產(chǎn)值NH3-N排放量和COD排放。其中，COD排放量對水環(huán)境承載力的影響效應(yīng)最大，萬元工業(yè)產(chǎn)值COD排放量和萬元工業(yè)產(chǎn)值NH3-N排放量的影響次之。水資源數(shù)量已不是南寧市影響水環(huán)境承載力提升的重要因素，應(yīng)進一步提升污染源治理能力。

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Assessment and Analysis on Water Environment Carrying Capacity Based on Vector Norm Method in Nanning

ZHENG Yi1，JIANG Jin-yuan2，YANG Yan-mei1，HE Lian-sheng2

(1.Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China; 2.Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China)

In order to deeply understand the water environment carrying capacity in Nanning, this paper started with the definition of extended water environment carrying capacity, combined with the actual status of Nanning, and then constructed a five-level evaluation indicator system for water environment carrying capacity. The vector norm method was used to evaluate and analyze the water environment carrying capacity in the study area from 2010 to 2014. The results showed that the water environment carrying capacity declined in 2011, and had a slight upward trend from 2011 to 2014. COD emission per 10 000 yuan of output industrial value,NH3-N emission per 10 000 yuan of output industrial value and COD emission had greater impacts on the water environment carrying capacity, in which the greatest influence factor was COD emission. Water resource was no longer an important factor for enhancing water environment carrying capacity in Nanning, and the ability of pollution source control should be strengthened.

water environment carrying capacity; vector norm method; Nanning; assessment

2016-12-19

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2014ZX07504 003)

鄭毅(1990—)，男，碩士研究生，主要研究方向為水質(zhì)模擬與評價，E-mail：m15823233453@163.com

蔣進元(1974—)，男，研究員，博士，主要研究方向為水污染控制技術(shù)，E-mail：jiangjy@craes.org.cn

10.14068/j.ceia.2017.01.016

X143

A

2095-6444(2017)01-0065-04