承德市水環(huán)境承載力研究

段志新

（承德水文水資源勘測(cè)局，河北 承德 067000）

0 引言

承載力指的是系統(tǒng)中研究對(duì)象在承受最大極限載荷時(shí)不會(huì)產(chǎn)生任何損失[1]。生態(tài)承載力是指，在特定的自然環(huán)境中，生物與植物能承受生活空間、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、陽(yáng)光等生存必須的生態(tài)因子的最低限度。后來(lái)，它被應(yīng)用各個(gè)自然科學(xué)研究領(lǐng)域，產(chǎn)生各個(gè)學(xué)科交叉的承載力概念。水環(huán)境就是水資源系統(tǒng)的整體環(huán)境，它是水資源整體現(xiàn)狀以及水環(huán)境系統(tǒng)中生物所利用到資源的綜合環(huán)境。評(píng)價(jià)水環(huán)境質(zhì)量的好壞將直接影響到人類(lèi)的生產(chǎn)生活與地區(qū)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)。水環(huán)境承載力是承載力理論與水環(huán)境理論的結(jié)合產(chǎn)物，是評(píng)價(jià)流域整體健康程度的重要指標(biāo)，對(duì)流域的污染治理與可持續(xù)發(fā)展有著重要的作用[2]。

1 研究區(qū)概況

圖1 承德市水系流域分布圖

承德市是河北省地級(jí)市。流域有灤河、潮白池運(yùn)河、遼河、灤河流域占總面積72.5%，面積28000 km2[3]。潮白池流域面積約6700 km2，占全市總面積的17%。遼河總面積為4100 km2，將承德市分為南北兩部分。受地形因素影響，降水和年平均徑流深度分布不均，由北向南、由上游向下游逐漸增大。年降水量以6 月～9 月為中心，占80%以上。這種比率在強(qiáng)降雨期間達(dá)到90%以上[4]。承德市污染物排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于河流生態(tài)污染，水污染嚴(yán)重，制約著當(dāng)?shù)厝嗣裆詈徒?jīng)濟(jì)發(fā)展。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)提取自《河北省統(tǒng)計(jì)年鑒》（2012 年～2018 年）、《承德市統(tǒng)計(jì)年鑒》（2012 年～2018 年），污徑比數(shù)據(jù)來(lái)自《承德市環(huán)境狀況公報(bào)》（2012 年～2018 年）。

2.2 選取評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文對(duì)水環(huán)境承載力的綜合影響進(jìn)行分析，以系統(tǒng)理論為中心思想，綜合考慮社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、和水生態(tài)對(duì)水環(huán)境的影響，來(lái)構(gòu)造一個(gè)水環(huán)境承載力綜合評(píng)價(jià)體系[5]。基于這些方面，根據(jù)指標(biāo)選取原則，共構(gòu)建9 個(gè)指標(biāo)，見(jiàn)圖2。

圖2 水環(huán)境承載力體系構(gòu)件圖

2.3 指標(biāo)權(quán)重的確定

在水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，各變量的權(quán)重大小不同，其對(duì)最終綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的影響程度就會(huì)不同。本文采用層次分析法（AHP）確定各類(lèi)規(guī)定的因素，在指標(biāo)體系中的權(quán)重大小。層次分析法（AHP）是1970 年代提出的定量和定性相結(jié)合的系統(tǒng)級(jí)決策分析方法，它強(qiáng)調(diào)了角色的思維來(lái)判斷決策的過(guò)程中，通過(guò)某些模型決策思維過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化[6]。適合兩個(gè)定量指標(biāo)和定性指標(biāo)，根據(jù)從屬關(guān)系的因素分為上部和下部幾個(gè)層次的決策問(wèn)題。具體步驟如下:

（1）構(gòu)造判斷分析矩陣；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型決定了各個(gè)指標(biāo)上下層之間的從屬關(guān)系。相同層級(jí)之間的元素，以相鄰的上一層級(jí)元素為準(zhǔn)，成對(duì)進(jìn)行比較[7]。

（2）計(jì)算判斷矩陣的最大特征值與特征向量。層次分析法的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是確定判斷矩陣的最大特征值和相應(yīng)的特征向量。本文采用規(guī)范列平均法計(jì)算[8]:

計(jì)算各列的歸一化：

求規(guī)范列的平均：

向量Wi是所求的特征向量。計(jì)算判斷矩陣B 的最大特征值：

2.4 水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)模型

（1）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

距離變換法能很好地實(shí)現(xiàn)上述數(shù)據(jù)處理要求；距離變換法是統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)中的一種方法。標(biāo)準(zhǔn)化后的新數(shù)據(jù)，每個(gè)指標(biāo)值的最大值為1，最小值為0，其余值在0 和1 之間，從而簡(jiǎn)化了計(jì)算的數(shù)據(jù)量。

區(qū)間變換法對(duì)應(yīng)的效益指標(biāo)計(jì)算公式如下[10]：

式中:x 為指標(biāo)數(shù)據(jù)初始值；y 為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的值。

（2）評(píng)價(jià)模型

若以Si表示變量層各變量對(duì)水環(huán)境承載力支持強(qiáng)度的相對(duì)指數(shù)，則有[11]：

式中：（BW）i為向量BW 中的第i 個(gè)元素。

（3）一致性檢查。通過(guò)使用和乘積法，獲得每一個(gè)判斷矩陣的最大特征根λmax和其對(duì)應(yīng)的特征向量W，正?；淖畲筇卣鞲鶎?duì)應(yīng)的特征向量hmax, 每個(gè)元素的相對(duì)重要性權(quán)重下一級(jí)相對(duì)于以前的水平可以獲得相應(yīng)的元素。然后，根據(jù)一致性比率CR，對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。CR 的計(jì)算公式如下[9]:

（4）分層排序和一致性檢查；相對(duì)重要性權(quán)重因素在同一水平相對(duì)于高層確定標(biāo)準(zhǔn)，所有因素的相對(duì)重要性權(quán)重在每個(gè)水平相對(duì)于最高水平可以在此基礎(chǔ)上，計(jì)算被稱(chēng)為層次結(jié)構(gòu)的權(quán)重。

表1 指標(biāo)選擇及其權(quán)重結(jié)果

表2 水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)核算標(biāo)準(zhǔn)

式中：Sik為水環(huán)境承載力的支持強(qiáng)度；Xik為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值；Wij為第i 個(gè)指標(biāo)在j 個(gè)變量中的權(quán)重。

在上述指標(biāo)層因子評(píng)價(jià)結(jié)果基礎(chǔ)上,采用加權(quán)求和方法得到表征區(qū)域水環(huán)境承載力相對(duì)大小的綜合指數(shù)評(píng)價(jià)模型Sw：

式中：Sw為水環(huán)境承載力綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，其值越大表示承載力越大。

3 結(jié)果分析

基于表1、表2，通過(guò)對(duì)各項(xiàng)原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算，利用水環(huán)境承載力計(jì)算模型，可以計(jì)算出承德市2012 年～2018 年水環(huán)境承載力變化趨勢(shì)。見(jiàn)表3、圖3。

表3 承德市水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)值

根據(jù)所有指標(biāo)的范圍限制和評(píng)價(jià)方法本身的計(jì)算特性，分別計(jì)算最大數(shù)據(jù)變化范圍內(nèi)的評(píng)價(jià)范圍[12]。水環(huán)境承載力值在0～1 之間。當(dāng)所有指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，其值越大，其最大值越接近1，否則趨于0 的最小值。根據(jù)國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)城市評(píng)價(jià)指標(biāo)中的指標(biāo)數(shù)據(jù)值的分類(lèi)，結(jié)合承德市長(zhǎng)期建設(shè)規(guī)劃指標(biāo)數(shù)據(jù)，收集社會(huì)運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)和指標(biāo)本身的取值范圍，并參考其他文獻(xiàn)，獲得了適用于承德市水環(huán)境承載力的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表4。

表4 承載力與可承載類(lèi)型對(duì)照

根據(jù)表4 中的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，承德市水環(huán)境承載力總體評(píng)價(jià)差、極差和一般，2018 年的水環(huán)境承載力類(lèi)型評(píng)價(jià)為一般，2012 年的水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)為“極差”，其余各年均在“差”的指標(biāo)，反映了承德市經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)發(fā)展仍有許多方面有待加強(qiáng)。但是整體情況正在好轉(zhuǎn)。

圖3 水環(huán)境承載力變化趨勢(shì)圖

圖3顯示了水環(huán)境承載力模型計(jì)算的承德市水環(huán)境承載力的水平趨勢(shì)。結(jié)果表明，線性回歸趨勢(shì)線斜率大于0，表明水環(huán)境承載力總體上呈現(xiàn)出逐年升高的趨勢(shì)，在2015 年出現(xiàn)少量回落，2016 年～2017 年的增長(zhǎng)率最高，總體增長(zhǎng)率為217.6%。承德市2013 年～2017 年間的水環(huán)境承載力在0.2～0.5 之間，2012 年的水環(huán)境承載力小于0.2，2018 的水環(huán)境承載力大于0.5。最大波動(dòng)幅度在2016 年～2017 年之間。

表5 承德市水環(huán)境分承載力計(jì)算值

圖4 分承載力變化圖

由圖4、表5 計(jì)算可得，承德市2012 年～2018 年生態(tài)分承載力、社會(huì)分承載力和經(jīng)濟(jì)分承載力的增長(zhǎng)率分別為189.9%、114.4%和338.8%。受到可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)的調(diào)控，經(jīng)濟(jì)增速加快的同時(shí)，經(jīng)濟(jì)分承載力也取得了較大的增長(zhǎng)率。由于人均GDP 增速加快，承德市城市化進(jìn)程加快，城市空間擴(kuò)大，遷入人口增加，而人均水資源配套體系卻并未完善，人均水資源量減少，導(dǎo)致社會(huì)承載力從2013 年～2015 年出現(xiàn)了陡降的現(xiàn)象。其余指標(biāo)均表現(xiàn)為逐年升高的趨勢(shì)。

承德市應(yīng)繼續(xù)提高地表水整體環(huán)境質(zhì)量，提高城市污水處理的效率。同時(shí)促進(jìn)節(jié)能減排工作的推進(jìn)，減少水資源消耗，合理分配地區(qū)水資源。使得水環(huán)境承載力繼續(xù)穩(wěn)步升高，為地區(qū)經(jīng)濟(jì)與民生發(fā)展夯實(shí)基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

本文在分析承德市水資源現(xiàn)狀和水環(huán)境現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，利用水環(huán)境承載力模型，構(gòu)建了由九個(gè)指標(biāo)構(gòu)成的水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)體系來(lái)評(píng)價(jià)承德市水環(huán)境承載力。

（1）總體增長(zhǎng)率為217.6%。承德市2013 年～2017 年間的水環(huán)境承載力在0.2～0.5 之間，2012 年的水環(huán)境承載力小于0.2，2018 的水環(huán)境承載力大于0.5。

（2）根據(jù)承載力評(píng)價(jià)類(lèi)型，承德市2012 年的水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)為“極差”；2013 年～2017 年水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)為“差”，2018 年時(shí)，水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)為“一般”，有了明顯的改善趨勢(shì)。

（3）對(duì)分承載力的計(jì)算中表明，經(jīng)濟(jì)承載力增長(zhǎng)189.9%，社會(huì)承載力增長(zhǎng)114.4%，經(jīng)濟(jì)承載力增長(zhǎng)338.8%。

水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)是從系統(tǒng)角度分析的過(guò)程，在評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)構(gòu)建出所有能對(duì)水環(huán)境產(chǎn)生影響的指標(biāo)。本文由于資料有限，僅選取出了對(duì)水環(huán)境承載力影響最重要的9 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析。在今后的研究應(yīng)該盡量客觀、全面的展開(kāi)。