基于層次分析法的遼河流域水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究

朱悅

（ 遼寧省生態(tài)環(huán)境保護(hù)科技中心，遼寧沈陽(yáng) 110161）

1 引言

水環(huán)境承載力作為區(qū)域水環(huán)境安全的一個(gè)基本度量，是服務(wù)和助推生態(tài)文明建設(shè)的重要方面。而科學(xué)合理地構(gòu)建水環(huán)境承載力指標(biāo)體系并確定其權(quán)重能夠保證區(qū)域水環(huán)境承載力定量化評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確度。因此， 深入開展遼河流域水環(huán)境承載力指標(biāo)體系研究，對(duì)科學(xué)有效管理遼河流域水環(huán)境，改善水環(huán)境保護(hù)措施， 促進(jìn)遼寧省經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整具有重要意義。

2 研究背景

承載力， 是衡量人類活動(dòng)與自然生態(tài)環(huán)境間相互關(guān)系的一個(gè)科學(xué)概念［1-2］，最早出自生態(tài)學(xué)［3］。 近年來(lái)，眾多學(xué)者圍繞資源、環(huán)境、生態(tài)等方面，從不同的側(cè)重點(diǎn)出發(fā)， 提出各自的承載力概念及其變化趨勢(shì)［4-9］?！?十三五”期間，基于生態(tài)文明理論的發(fā)展，水體的承載能力在水生態(tài)承載力和水環(huán)境容量的基礎(chǔ)上得以擴(kuò)展和延伸， 基于水資源—水環(huán)境—水生態(tài)的“ 三水”復(fù)合系統(tǒng)研究開始被用于全面綜合地評(píng)價(jià)流域水環(huán)境承載力。

當(dāng)前，遼河流域承載力研究基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，前人多從水資源［10］、水環(huán)境［11］、水生態(tài)［12］單方面進(jìn)行探索，缺乏在“ 三水”層面上綜合全面評(píng)估其水環(huán)境承載力。

為全面診斷遼河流域控制單元水環(huán)境狀況，本研究擬從“ 水環(huán)境—水生態(tài)—水資源”即“ 三水”內(nèi)涵出發(fā)，構(gòu)建遼河流域水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并運(yùn)用層次分析法確定其指標(biāo)權(quán)重， 以期為遼河流域水環(huán)境承載力科學(xué)定量評(píng)估提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。 水環(huán)境承載力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 水環(huán)境承載力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.1 指標(biāo)體系構(gòu)建原則

水環(huán)境承載力的評(píng)價(jià)對(duì)象是一個(gè)由人類和水環(huán)境組成的復(fù)雜系統(tǒng)，因此指標(biāo)體系是由多變量組成的。一般而言，指標(biāo)體系的建立要遵循以下幾個(gè)原則［13］。

3.1.1 全面性原則

選取的指標(biāo)體系應(yīng)包含水環(huán)境承載力的內(nèi)涵，盡量充分反映水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等方面的狀況。只有遵循全面性原則，才能使評(píng)價(jià)工作更科學(xué)、更準(zhǔn)確。

3.1.2 科學(xué)性原則

在正確的理論指導(dǎo)下， 選取的指標(biāo)應(yīng)既能正確表達(dá)基本概念，又能保證符合邏輯結(jié)構(gòu)且能嚴(yán)謹(jǐn)、合理地表達(dá)評(píng)價(jià)對(duì)象的客觀性質(zhì)。 只有保證指標(biāo)的科學(xué)性， 才能對(duì)水環(huán)境承載力的客觀實(shí)際描述得更清楚、簡(jiǎn)練，更符合實(shí)際。

3.1.3 區(qū)域性原則

環(huán)境承載力在不同空間、 時(shí)間上具有較大的差異性，而統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)在衡量不同區(qū)域環(huán)境承載力時(shí)，難以充分發(fā)揮各地特點(diǎn)。 因此，建立指標(biāo)體系時(shí)，應(yīng)包含反映區(qū)域特色的指標(biāo)， 即使在相同層次的指標(biāo)體系中， 環(huán)境承載力指標(biāo)體系也應(yīng)盡可能反映區(qū)域間的差別。

3.1.4 實(shí)用性原則

指標(biāo)選取盡量使用量化指標(biāo)， 要考慮指標(biāo)獲得的可比性，包括時(shí)間上和空間上的可比性。 同時(shí)，選擇的指標(biāo)要在一定時(shí)期內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定，計(jì)算簡(jiǎn)便，有較強(qiáng)的可操作性和應(yīng)用性。

3.1.5 動(dòng)態(tài)化原則

水環(huán)境承載力是動(dòng)態(tài)發(fā)展的變量， 由于影響環(huán)境的因素始終隨時(shí)間及周圍條件的變化而隨機(jī)變化，因此，選取的指標(biāo)應(yīng)盡可能體現(xiàn)評(píng)價(jià)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)性特點(diǎn)。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

根據(jù)遼河流域控制單元的水環(huán)境特征， 本文基于水環(huán)境承載力最新內(nèi)涵， 采取目標(biāo)—準(zhǔn)則—指標(biāo)層級(jí)關(guān)系框架， 兼顧指標(biāo)科學(xué)性、 全面性等選取原則，結(jié)合國(guó)家“ 三線一單”管控需求以及多領(lǐng)域?qū)＜医?jīng)驗(yàn)判斷，構(gòu)建了遼河流域水環(huán)境承載力指標(biāo)體系。

該指標(biāo)體系圍繞“ 水環(huán)境、水生態(tài)、水資源承載力”三大準(zhǔn)則、“ 水環(huán)境納污、水環(huán)境凈化、水生生境、水生生物、水資源稟賦、水資源利用”六大目標(biāo)，最終提出16 個(gè)代表性水環(huán)境承載力評(píng)估指標(biāo)。指標(biāo)體系見表1。

表1 遼河流域控制單元水環(huán)境承載力評(píng)估指標(biāo)體系

3.2.1 水環(huán)境準(zhǔn)則層（ B1）

從水環(huán)境納污和水環(huán)境凈化兩方面選取指標(biāo)，其中：

（ 1）水環(huán)境納污相關(guān)指標(biāo)：包括工業(yè)增加值排污強(qiáng)度（ C1）、農(nóng)業(yè)增加值排污強(qiáng)度（ C2）、第三產(chǎn)業(yè)增加值排污強(qiáng)度（ C3）、環(huán)境容量利用率（ C4）、固定源在線監(jiān)測(cè)達(dá)標(biāo)率（ C5）等5 個(gè)指標(biāo)；

（ 2）水環(huán)境凈化相關(guān)指標(biāo)：包括斷面水質(zhì)年達(dá)標(biāo)率（ C6）、斷面水質(zhì)在線數(shù)據(jù)達(dá)標(biāo)率（ C7）等2 個(gè)指標(biāo)。

3.2.2 水生態(tài)準(zhǔn)則層（ B2）

從水生生境提供、 水生生物棲息兩方面選取指標(biāo)，其中：

（ 1）水生生境提供相關(guān)指標(biāo)：包括生態(tài)流量保證率（ D1）、藻類多樣性指數(shù)（ D2）、河岸帶植被覆蓋率（ D3）等3 個(gè)指標(biāo)。

（ 2）水生生物棲息相關(guān)指標(biāo)：包括大型底棲動(dòng)物BI 指數(shù)（ D4）1 個(gè)指標(biāo)。

3.2.3 水資源準(zhǔn)則層（ B3）

從水資源稟賦和水資源利用兩方面選取指標(biāo)，其中：

（ 1）水資源稟賦相關(guān)指標(biāo)：包括人均水資源量（ E1）、水資源模數(shù)（ E2）、水資源開發(fā)利用率（ E3）等3個(gè)指標(biāo)。

（ 2）水資源利用相關(guān)指標(biāo)：包括萬(wàn)元GDP 用水量（ E4）、降水變異系數(shù)（ E5）等2 個(gè)指標(biāo)。

3.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定

層次分析法是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家匹茨堡大學(xué)教授薩蒂于20 世紀(jì)70 年代初提出的一種層次權(quán)重決策分析方法。 該方法利用較少的定量信息使決策的思維過(guò)程數(shù)學(xué)化，從而為多目標(biāo)、多準(zhǔn)則或無(wú)結(jié)構(gòu)特性的復(fù)雜決策問(wèn)題提供簡(jiǎn)便的決策方法。 本文利用層次分析法確定水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各指標(biāo)的權(quán)重。 采用1～9 標(biāo)度法對(duì)同層次的各元素進(jìn)行兩兩比較，確定各個(gè)因素相對(duì)重要性，構(gòu)建判斷矩陣。 利用matlab 計(jì)算判斷矩陣的最大特征值， 同時(shí)進(jìn)行判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)。 最終， 通過(guò)特征向量確定權(quán)重。

3.3.1 判斷矩陣的構(gòu)造

指標(biāo)層的每個(gè)因素對(duì)同一準(zhǔn)則層的相對(duì)重要性是不同的， 準(zhǔn)則層的每個(gè)因素對(duì)總目標(biāo)的相對(duì)重要性也是不同的。因此，同一層次比較任意2 個(gè)因素的重要性時(shí)，需要對(duì)它們的相對(duì)重要性做出判斷，給予量化，得到相應(yīng)的判斷矩陣。 AHP 法標(biāo)度見表2。

以水環(huán)境承載力為總目標(biāo)（ A），根據(jù)水環(huán)境、水生態(tài)、水資源三大準(zhǔn)則層（ B1，B2，B3）對(duì)水環(huán)境承載力的相對(duì)重要性，構(gòu)造判斷矩陣；同樣，根據(jù)表2 打分可以得出水環(huán)境、水生態(tài)、水資源3 個(gè)子系統(tǒng)的判斷矩陣。本次指標(biāo)由10 位國(guó)家級(jí)及省級(jí)環(huán)境、生態(tài)、水利專家分別進(jìn)行打分。

3.3.2 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算步驟

由于層次分析法主要依靠專家打分， 構(gòu)成判斷矩陣時(shí)會(huì)帶有主觀性，存在一定的誤差，因此，必須對(duì)矩陣進(jìn)行相容性和誤差分析， 即對(duì)判斷矩陣的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)。

當(dāng)一致性指標(biāo)CR＜0.1 時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的，權(quán)重分配合理；當(dāng)CR≥0.1 時(shí)，說(shuō)明在比較或者判斷的過(guò)程中前后元素重要性可能出現(xiàn)了矛盾，需要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行調(diào)整修改。經(jīng)調(diào)整處理后的矩陣再通過(guò)上述步驟計(jì)算權(quán)重， 直至矩陣一致性檢驗(yàn)通過(guò)，調(diào)整工作結(jié)束。

現(xiàn)以某專家打分的判斷矩陣為例， 說(shuō)明指標(biāo)權(quán)重計(jì)算過(guò)程。

（ 1）三大準(zhǔn)則層的判斷矩陣A-Bi（ i=1，2，3）判斷矩陣A-Bi（ 三大準(zhǔn)則）見表3。

表3 判斷矩陣A-Bi（三大準(zhǔn)則）

根據(jù)該判斷矩陣， 計(jì)算得出最大特征值λmax=3.025 1，進(jìn) 而 計(jì) 算 出CI，CR 的 值 分 別 為0.012 6，0.024 1。因?yàn)镃R＜0.1，矩陣一致性通過(guò)。通過(guò)矩陣最大特征值對(duì)應(yīng)特征向量歸一化， 得到水環(huán)境、 水生態(tài)、 水資源3 個(gè)準(zhǔn)則層權(quán)重依次為0.659 2，0.184 6和0.156 2。

（ 2）水環(huán)境指標(biāo)的判斷矩陣B1-Ci（ i=1，2，…，7）

判斷矩陣B1-Ci（ 水環(huán)境指標(biāo)）見表4。

表4 判斷矩陣B1-Ci（水環(huán)境指標(biāo)）

根據(jù)該判斷矩陣， 計(jì)算得出最大特征值λmax=7.725 6，進(jìn) 而 計(jì) 算 出CI，CR 的 值 分 別 為0.120 9，0.088 9。因?yàn)镃R＜0.1，矩陣一致性通過(guò)。通過(guò)矩陣最大特征值對(duì)應(yīng)特征向量歸一化， 得到水環(huán)境指標(biāo)權(quán)重（ C1-C7）依次為0.030 5，0.022 0，0.043 4，0.076 3，0.082 8，0.313 2，0.431 7。

（ 3）水生態(tài)指標(biāo)的判斷矩陣B2-Di（ i=1，2，…，4）

判斷矩陣B2-Di（ 水生態(tài)指標(biāo)）見表5。

表5 判斷矩陣B2-Di（水生態(tài)指標(biāo)）

根據(jù)該判斷矩陣， 計(jì)算得出最大特征值λmax=4.287 4，進(jìn) 而 計(jì) 算 出CI，CR 的 值 分 別 為0.095 8，0.107 6。因CR＞0.1，矩陣一致性不通過(guò)。通過(guò)計(jì)算偏離距離，對(duì)判斷矩陣進(jìn)行調(diào)整修改。調(diào)整后的最大特征值λmax=4.194 9， 進(jìn)而計(jì)算出CI，CR 的值分別為0.065 0，0.073 0。此時(shí)CR＜0.1，說(shuō)明調(diào)整后的矩陣一致性通過(guò)。 通過(guò)新矩陣最大特征值對(duì)應(yīng)特征向量歸一化，得到水生態(tài)指標(biāo)權(quán)重（ D1-D4）依次為0.686 6，0.106 7，0.056 6，0.150 1。

（ 4）水資源指標(biāo)的判斷矩陣B3-Ei（ i=1，2，…，5）

判斷矩陣B3-Ei（ 水資源指標(biāo)）見表6。

表6 判斷矩陣B3-Ei（水資源指標(biāo)）

根據(jù)該判斷矩陣， 計(jì)算得出最大特征值λmax=5.451 1，進(jìn) 而 計(jì) 算 出CI，CR 的 值 分 別 為0.112 8，0.100 7。因CR＞0.1，矩陣一致性不通過(guò)。需要通過(guò)計(jì)算偏離距離，對(duì)判斷矩陣進(jìn)行調(diào)整修改。調(diào)整后的最大特征值λmax=5.232 3，進(jìn)而計(jì)算出CI，CR 的值分別為0.058 1，0.051 9。 此時(shí)CR＜0.1，說(shuō)明調(diào)整后的矩陣一致性通過(guò)。 通過(guò)新矩陣最大特征值對(duì)應(yīng)特征向量歸一化，得到水資源指標(biāo)權(quán)重（ E1-E5）依次為0.122 8，0.043 4，0.491 2，0.066 5，0.276 1。

4 結(jié)果與分析

本次指標(biāo)由10 位專家打分。關(guān)于群組層次分析法權(quán)重計(jì)算，分為兩大類：一是判斷矩陣元素的加權(quán)平均法；二是排序向量的加權(quán)平均法。從保序性原則出發(fā)， 排序向量的加權(quán)平均法要比判斷矩陣元素的加權(quán)平均法為優(yōu)， 而且判斷矩陣元素的加權(quán)平均法構(gòu)造綜合判斷矩陣在一致性、 互反性上所遇到的問(wèn)題難以處理。因此，本文采用排序向量的加權(quán)平均法計(jì)算各指標(biāo)層綜合權(quán)重， 即各指標(biāo)層綜合權(quán)重由各個(gè)專家打分矩陣計(jì)算權(quán)重后加權(quán)平均生成。 指標(biāo)體系最終權(quán)重由準(zhǔn)則層權(quán)重和指標(biāo)層綜合權(quán)重相乘得出。

層次分析法確定的各指標(biāo)權(quán)重值見表7。

表7 遼河流域控制單元水環(huán)境承載力指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)計(jì)算結(jié)果， 各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)水環(huán)境承載力響應(yīng)程度較大的依次為：生態(tài)流量保證率＞工業(yè)增加值排污強(qiáng)度＞斷面水質(zhì)在線數(shù)據(jù)達(dá)標(biāo)率＞斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)率＞人均水資源量＞降水變異系數(shù)＞水資源開發(fā)利用率＞水資源模數(shù)＞環(huán)境容量利用率， 以上9 個(gè)指標(biāo)累計(jì)權(quán)重達(dá)到0.794 4；從各目標(biāo)層看，水環(huán)境準(zhǔn)則層對(duì)水環(huán)境承載力的作用最為顯著， 其次為水資源準(zhǔn)則層，而水生態(tài)準(zhǔn)則層對(duì)水環(huán)境承載力影響略小。

5 工作展望

5.1 典型優(yōu)控單元水環(huán)境承載力指標(biāo)權(quán)重確定

目前， 層次分析法建立的遼河流域水環(huán)境承載力指標(biāo)體系以專家打分為基礎(chǔ)， 打分時(shí)不免存在主觀因素。因此，在確定控制單元的水環(huán)境承載力指標(biāo)權(quán)重時(shí)，將根據(jù)各控制單元實(shí)際情況，采用“ 層次分析法＋熵值法”主客觀結(jié)合賦權(quán)方式，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重確定， 將管理決策人員的主觀意志與決策問(wèn)題的客觀實(shí)際有機(jī)結(jié)合。

5.2 水環(huán)境承載力評(píng)估

目前，參考相關(guān)學(xué)者的研究成果，將水環(huán)境承載力承載狀態(tài)分為“ 不超載、臨界超載、超載”3 個(gè)級(jí)別，對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)范圍分別是（ 0，0.2），［0.2，0.8］和（ 0.8，1）。 未來(lái)將根據(jù)流域不同承載狀態(tài)范圍，將水環(huán)境承載力綜合指數(shù)進(jìn)行細(xì)化分類， 運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法評(píng)估各控制單元水環(huán)境承載狀態(tài)。

5.3 水環(huán)境承載力預(yù)警

目前，根據(jù)水利、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等相關(guān)部門制定的水資源，水環(huán)境，水生態(tài)技術(shù)導(dǎo)則、規(guī)劃等相關(guān)文件，對(duì)水環(huán)境承載力評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)，即評(píng)估指標(biāo)分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ4 個(gè)警級(jí)，分別對(duì)應(yīng)無(wú)警、輕警、中警和重警4 個(gè)警度。 未來(lái)將運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)法對(duì)水環(huán)境承載力進(jìn)行預(yù)警， 并通過(guò)隸屬度判定水環(huán)境承載力預(yù)警級(jí)別和警度。

6 結(jié)語(yǔ)

立足于遼寧省發(fā)展規(guī)劃與遼河流域水環(huán)境管理，扎根于生態(tài)文明建設(shè)戰(zhàn)略決策，遼河流域水環(huán)境承載力研究是十分必要的。 應(yīng)通過(guò)科學(xué)合理地構(gòu)建水環(huán)境承載力指標(biāo)體系， 最終搭建完成科學(xué)統(tǒng)一的“ 水環(huán)境承載力指標(biāo)體系—量化評(píng)估—分級(jí)預(yù)警”遼河流域優(yōu)控單元水環(huán)境承載力理論體系， 為遼寧地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)與水資源、水生態(tài)、水環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展提供助力。