基于云理論的北京市水環(huán)境承載力綜合評價

門寶輝，麗娜·托庫

(華北電力大學可再生能源學院，北京 102206)

0 引 言

水資源與人類的生產(chǎn)生活相互作用，水環(huán)境的好壞維系人類的存亡及發(fā)展。隨著人類社會與經(jīng)濟的發(fā)展以及人口的不斷擴大，人類和自然之間的矛盾日漸突出，資源和環(huán)境承載力問題越來越成為衡量某個國度或地域的發(fā)展質(zhì)量的重要指標，更是受到全世界的廣泛關(guān)注[1]。水環(huán)境是重要的人類賴以生存的環(huán)境，對水環(huán)境承載力方面的研究歷時很長，雖取得了許多研究進展，在概念上仍沒有得到一致意見，細究現(xiàn)有的關(guān)于水環(huán)境承載力的表述，其實際內(nèi)容還是有許多相通之處[2]。實質(zhì)上，即便不同領域在水環(huán)境承載力的界定有所不同，但都是對水環(huán)境與經(jīng)濟發(fā)展和人類活動之間關(guān)系的表述。宏觀上來講，水環(huán)境承載力是指在特定的前提下能支持人類生產(chǎn)生活和社會經(jīng)濟發(fā)展的基本能力；微觀上來講，指的是在保證自身正常的基礎上，水環(huán)境能夠有效降解各種污染物以及實現(xiàn)各種能量的有效循環(huán)的能力。無論研究類型有何不同，水環(huán)境都會隨著人類社會發(fā)展的不斷演變而發(fā)生變化，而且實際的承載力也有一定的限值，一旦超過了這個限值，水環(huán)境將會受到巨大的影響，進而影響到人類正常的生產(chǎn)生活[3]。

圖1 北京市水環(huán)境承載力評價指標系統(tǒng)

隨著研究的不斷深入，國內(nèi)外學者采用不同的方法對環(huán)境承載力進行研究，取得了不少成效。Wang等[4]在分析北京市濕地水資源系統(tǒng)的基礎上，通過系統(tǒng)動力學模型評價了水資源承載力，并對城市濕地管理政策提出了優(yōu)化建議；王晗等[5]以鄭州市為研究對象，使用熵權(quán)法對2007年～2016年相應指標進行權(quán)重分配，運用TOPSIS模型對水資源承載力水平進行評價；李慶航等[6]以武漢市中心城區(qū)為研究對象，根據(jù)城市水資源系統(tǒng)的特點，建立水資源優(yōu)化配置模型，以灰色理論為基礎，運用極大熵原理求解并與灰色聚類方法進行對比，分析了其水資源承載力的基本狀況；席銳超等[7]以天津市為研究對象，通過主成分分析，將影響水資源承載力變化的7個驅(qū)動因子歸納為3類，得到影響水資源承載力的主要因子，預測2020年及2030年的用水總量，并結(jié)合水資源現(xiàn)狀提出了相應的建議；曉蘭等[8]以赤峰市為研究對象，對2010年～2014年的水資源生態(tài)足跡進行了計算與分析；王洋[9]以細河流域為研究對象，以水資源—生態(tài)—社會經(jīng)濟系統(tǒng)構(gòu)建指標體系，創(chuàng)建基于系統(tǒng)動力學(SD)模型，推求不同情勢下的水資源承載能力，進而分析提高該流域水資源承載力的方法?？梢?，環(huán)境承載力的研究方法為不同區(qū)域的環(huán)境承載力提升提供了理論指導。

本文通過指標體系綜合評價法構(gòu)建相應的評價體系，以北京市為評價對象，結(jié)合熵權(quán)法，對2004年～2017年相關(guān)數(shù)據(jù)指標進行權(quán)重分配，并在此基礎上采用云理論進行相應的承載力評價，以期為協(xié)調(diào)北京市社會經(jīng)濟發(fā)展與自然環(huán)境之間的聯(lián)系提供參考。

1 評價指標體系的建立

水環(huán)境不僅為社會經(jīng)濟的發(fā)展和生態(tài)提供必需的物質(zhì)基礎，也是承受污染的場所，提供良好的物質(zhì)基礎和較高的納污能力可有效促進人類社會的發(fā)展。為保證政策建議的科學性與適用性，也為保障評價結(jié)果的準確性和合理性，需構(gòu)建合理而又完整的指標系統(tǒng)，這也是定量評價水環(huán)境承載力的根本[1]。經(jīng)濟發(fā)展和社會需求將對水環(huán)境產(chǎn)生驅(qū)動力，人類的活動會對水環(huán)境施加壓力。驅(qū)動力及壓力改變了水環(huán)境的狀態(tài)，而社會根據(jù)環(huán)境現(xiàn)狀做出響應，從而緩解經(jīng)濟、社會和人類活動等對水環(huán)境的壓力，維持水環(huán)境系統(tǒng)的健康與穩(wěn)定[9]。通過驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-響應評估模型，可以較好地體現(xiàn)上述邏輯關(guān)系。而各指標的選取應根據(jù)研究區(qū)域的實際情況，需具有代表性，且需考慮指標數(shù)據(jù)獲取及處理的難度?；谝陨峡紤]，本文采用的北京市的水環(huán)境承載力的評價指標系統(tǒng)見圖1。

根據(jù)各項指標的真實情況，參考國內(nèi)外各指標的平均水準，將評價標準分為5個等級。其中，I級代表在該狀態(tài)下的承載能力極弱，水資源超載現(xiàn)象嚴重；Ⅱ級代表該狀態(tài)下的承載能力比較弱，有輕微的水資源超載現(xiàn)象；Ⅲ級代表該狀態(tài)下的承載能力與經(jīng)濟發(fā)展相匹配；Ⅳ級代表該狀態(tài)下的承載能力比較強，有較大的可供開發(fā)和利用的潛力；V級代表該狀態(tài)下的承載能力極強，有巨大的可供開發(fā)和利用的潛力。具體等級標準劃分見表1。

表1 北京市水環(huán)境承載力評價等級標準

2 評價方法

2.1 云理論

在進行水環(huán)境承載力評價時，會用到類似強承載、一般、弱超載等具有一定模糊性的詞匯，沒有與之對應的具體數(shù)值，只有模糊的數(shù)值范圍。而不同的人定義的數(shù)值范圍也不一樣，隨機性較強，沒有一個統(tǒng)一的標準。云模型[11]可科學而有效地應對這種語言存在的模糊性和隨機性。該方法主要是利用云模型轉(zhuǎn)換法，把生產(chǎn)生活中存在的定性語言進行定量表征，加強對不確定性事物的定量分析與數(shù)據(jù)操作性。

2.1.1云理論概念

假定U表示論域，由精確的數(shù)值表示，A是U上的定性概念，x為U上的定性語言值。x對應于A的隸屬度y(0≤y≤1)是具有穩(wěn)定趨勢的隨機數(shù)，U上的y的分布被稱為隸屬云，簡稱為云，每組(x，y)成為1個云滴。云是從論域U到區(qū)間[0，1]的映射[12]。

云使用Ex(期望)、En(熵)和He(超熵)等數(shù)字特征來體現(xiàn)其不確定性的概念。上述3個數(shù)字特征可以統(tǒng)一模糊性和隨機性，且在定性概念和定量數(shù)值之間形成一種相互聯(lián)系的映射關(guān)系[13]。

2.1.2云的數(shù)字特征確定

期望Ex是定性概念的數(shù)值，決定了云的重心。計算方法為

Ex=(Bmin+Bmax)/2

(1)

式中，Bmin、Bmax分別表示某個評價等級的最小邊界和最大邊界。

熵En是對定性概念的不確定性的度量。由于邊界值是一種處于過渡狀態(tài)的模糊界限，同時對應于2種級別，即2種級別的隸屬度相當，因此有

(2)

超熵He是對熵的模糊性度量，決定了云的厚度。計算方法為

He=k

(3)

式中，k為常數(shù)，根據(jù)變量本身的模糊閾值確定[10]，本文中，取k=0.1。

2.1.3正向正態(tài)云發(fā)生器

由正向云發(fā)生器基于云的數(shù)字特征(Ex，En，He)產(chǎn)生的云滴，是從定性到定量的映射。本文主要使用的是正向云發(fā)生器，計算方法為[14]：

(3)重復上述過程，直至生成n個云滴。

2.1.4隸屬度矩陣

由正向云發(fā)生器相關(guān)步驟計算相應的隸屬度R

式中，n=1，2，…，5；m=1，2，…，12。

2.1.5水資源承載力的評價等級值

水資源承載力的評價等級值P=(p1，p2，…，pn)的計算方法為

P=W×R

(4)

式中，W是各指標權(quán)重，本文采用熵權(quán)法來確定。

2.2 熵權(quán)法

熵權(quán)法是一種利用原始數(shù)據(jù)，能夠較為全面且客觀地反映指標數(shù)據(jù)所包含信息的特點的方法，廣泛應用于統(tǒng)計學的各個領域。基本思路是根據(jù)指標變異程度來確定權(quán)重，指標變異程度越大，則權(quán)重越大，對評價結(jié)果影響越明顯。本文采用熵權(quán)法分配評價指標權(quán)重，具體步驟如下：

(1)數(shù)據(jù)歸一化處理。為消除每個指標值的量綱，以及統(tǒng)一每個指標值的變化幅度，采用以下公式進行歸一化處理，即

(5)

式中，xij指第i個待評價指標在第j年的初始值；yij指第j年指標標準化值；xjmax、xjmin指該(第i個)指標序列的最大、最小值。

(2)評價指標權(quán)重確定。各評價指標對水環(huán)境承載力的評價有程度不同的影響，所以評價指標也應有不相同的權(quán)重。信息熵wj計算公式如下

(6)

3 北京市水環(huán)境承載力評價

受地理和氣候條件的影響，北京市的降雨年際豐枯不均勻，年內(nèi)時空分布也不均勻，而2017年末人均水資源占有量僅為137 m3，是典型的水資源嚴重短缺的特大城市。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，北京市近年的人均GDP迅速增長，隨之而來的對水的需求也大幅上漲，水資源問題已經(jīng)迫在眉睫。

表2 云的數(shù)字特征

3.1 數(shù)據(jù)資料

本文對2004年～2017年北京市水環(huán)境承載力進行評價，所需數(shù)據(jù)來源于國家統(tǒng)計局、《北京市水資源公報》、《北京市統(tǒng)計年鑒》等。通過簡單計算，最終各指標的數(shù)值見圖2。圖2中，A3、B2、C1、C2數(shù)據(jù)以右側(cè)縱坐標軸為基準，其他各指標數(shù)據(jù)均以左側(cè)縱坐標軸為基準。自2011年以來，化學需氧量(COD)排放量指標的統(tǒng)計口徑和核算方法已經(jīng)調(diào)整。

圖2 各指標原始數(shù)據(jù)

3.2 結(jié)果及分析

為減少人為主觀因素對權(quán)重分配的影響，首先由式(5)對圖2中的數(shù)據(jù)進行歸一化處理，再由熵權(quán)法的式(6)計算各個指標的權(quán)重，最終所得權(quán)重依次為0.092、0.030、0.172、0.121、0.037、0.137、0.064、0.057、0.082、0.040、0.049、0.119。將該權(quán)重代入云理論，由式(1)～(3)得出云的數(shù)字特征，結(jié)果見表2。

根據(jù)對應的指標值、權(quán)重及數(shù)字特征，利用正向發(fā)生器算法產(chǎn)生隸屬度矩陣，進而得到承載力評價結(jié)果，見表3。為了進一步分析近年來北京市水環(huán)境承載力的發(fā)展趨勢，依據(jù)表3的結(jié)果繪制2004年～2017年各年承載力的趨勢，見圖3。由熵權(quán)法的原理及建立的評價等級標準可知，水環(huán)境承載力評價值越大，則表明水環(huán)境承載力狀況越好。從圖3可知：

(1)過去的14年，北京市的水環(huán)境承載力在經(jīng)歷迅速改善后進入一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)。2004年～2010年，水環(huán)境承載力水平逐年迅速提高，其原因可能是2004年前后城市化率低，受技術(shù)水平影響，單位面積有效灌溉率不高，化學需氧量、污水處理率等都有進步空間，民眾環(huán)保意識不夠強。但隨著城市的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的改變。北京市年工業(yè)產(chǎn)值一直呈增長趨勢，而工業(yè)用水卻在持續(xù)減少，萬元地區(qū)生產(chǎn)總值水耗的不斷下降可在一定程度上說明這一點；農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)正逐步向節(jié)水型農(nóng)業(yè)的方向調(diào)整，使得有效灌溉面積占播種面積比例逐年提高，進而可稍稍緩解承載力超載情況。

表3 評價結(jié)果

圖3 北京市水環(huán)境承載力趨勢

(2)2010年～2014年有略微下降，對應的常住人口密度持續(xù)增長，在一定程度上增加水環(huán)境承載壓力。人們的用水形式發(fā)生了根本性的改變，如食宿行業(yè)的迅速發(fā)展、家用淋浴設備以及用水電器的普及、水價的調(diào)整以及節(jié)水設備的裝備等，在一方面又會緩解壓力，人均日生活用水量的波動可反映這一點。而2011年以來已經(jīng)調(diào)整了化學需氧量(COD)排放量指標的統(tǒng)計口徑和核算方法，故2010年前后化學需氧排放量有較為明顯的波動，勢必會在評價結(jié)果中影響較大，可能導致了2010年水環(huán)境承載力水平呈現(xiàn)最高，2010年之后降低的情況。

(3)2014年水資源總量相較于其他年份偏低，雖技術(shù)水平有所提高，但由于水資源環(huán)境受氣候影響較大，承載力水平略有下降。承載力在2014年之后有緩慢提升，生態(tài)用水率在該年后有迅速增長的趨勢，森林覆蓋率從2013年起也有了緩慢的增加，說明人們越來越意識到環(huán)境保護的重要性，再加上南水北調(diào)工程的實施，可相對緩解北京市的用水壓力。2015年～2017年的化學需氧排放量有降低的趨勢，也在一定程度上緩解水環(huán)境承受的壓力，但是可能由于人口基數(shù)大等因素限制，承載力沒有出現(xiàn)大幅的提升。

4 結(jié) 語

本文在驅(qū)動力—壓力—狀態(tài)—響應模型基礎上構(gòu)建評價指標體系，結(jié)合熵權(quán)法與云理論，在北京市水環(huán)境承載力評價中加以應用。熵權(quán)法可以減少人為因素對權(quán)重分配的干擾，云理論可有效兼顧概念的模糊性和隨機性，2種方法均具有結(jié)果較為客觀的特點。因此，將兩者有機組合而建立的評價模型，可得出較為可靠的評價結(jié)果。