遼河流域水環(huán)境承載力研究評價

葛 秋

（遼寧省河庫管理服務(wù)中心（遼寧省水文局），遼寧 沈陽 110003）

水環(huán)境承載力（Water Environmental Carrying Capacity,WECC）是指一定時期、某種水環(huán)境狀態(tài)下，具體區(qū)域范圍內(nèi)水環(huán)境對人類社會經(jīng)濟(jì)活動支持能力的閾值。它是評價區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要依據(jù)和有效方式，其也可以作為衡量區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)程度的一種判據(jù)。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。評價水環(huán)境質(zhì)量的好壞將直接影響到人類的生產(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)境理論相結(jié)合產(chǎn)物。他對于評價流域整體健康程度，對流域的污染治理與可持續(xù)發(fā)展有著重要的作用[1]。

1 研究區(qū)概況

圖1 遼河流域位置圖

遼河流域（吉林省部分，成為遼河源頭區(qū)）位于吉林省西南部，流域面積15746 km2，約占全省總土地面積的8%，主要河流有東遼河、西遼河、招蘇臺河。見圖1。該流域地處松遼平原中部，低山、丘陵和平原兼?zhèn)?，位于遼河流域上游，地勢由東南向西北緩降。東南部為低山丘陵地帶，山高谷寬，山間夾雜小的溝川平地，土質(zhì)肥沃，山體表層土質(zhì)較好。中西部為平原區(qū)，為起伏的臺地和平緩的平原，東遼河、招蘇臺河穿行其間，沿河兩岸地勢低平。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

該文各項(xiàng)評價指標(biāo)原始數(shù)據(jù)提取自《遼寧省統(tǒng)計年鑒》（2012 年～2018 年）、《吉林省統(tǒng)計年鑒》（2012 年～2018 年）、《吉林市環(huán)境狀況公報》（2012 年～2018 年）。

2.2 選取評價指標(biāo)

本文對水環(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、經(jīng)濟(jì)、和水生態(tài)對水環(huán)境的影響，來構(gòu)造一個水環(huán)境承載力綜合評價體系[2]。基于這些方面，根據(jù)指標(biāo)選取原則，共構(gòu)建9 個指標(biāo)，見圖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)境承載力評價指標(biāo)體系中，各變量的權(quán)重大小不同，其對最終綜合評價結(jié)果的影響程度就會不同。本文采用層次分析法（AHP）確定各類規(guī)定的因素，指標(biāo)體系中的權(quán)重大小。層次分析法AHP 在1970 年代提出了定量和定性相結(jié)合的系統(tǒng)級決策分析方法，它強(qiáng)調(diào)了角色的思維來判斷決策的過程中，通過某些模型決策思維過程標(biāo)準(zhǔn)化[3]。適合兩個定量指標(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層次的決策問題。具體步驟如下：

（1）構(gòu)造判斷分析矩陣；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型決定了各個指標(biāo)上下層之間的從屬關(guān)系。相同層級之間的元素，以相鄰的上一層級元素為準(zhǔn)，成對進(jìn)行比較[4]：

（2）計算判斷矩陣的最大特征值與特征向量。層次分析法的一個關(guān)鍵問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)范列平均法計算[5]：

計算各列的歸一化：

向量Wi是所求的特征向量。計算判斷矩陣B 的最大特征值：

式中：（BW）i為向量BW 中的第i 個元素。

（3）一致性檢查。通過使用和乘積法，獲得每一個判斷矩陣的最大特征根λmax和其對應(yīng)的特征向量W，正常化的最大特征根對應(yīng)的特征向量hmax，每個元素的相對重要性權(quán)重下一級相對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，對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。CR 的計算公式如下[6]：

（4）分層排序和一致性檢查；相對重要性權(quán)重因素在同一水平相對于高層確定標(biāo)準(zhǔn)，所有因素的相對重要性權(quán)重在每個水平相對于最高水平可以在此基礎(chǔ)上，計算被稱為層次結(jié)構(gòu)的權(quán)重[7]。

圖3 指標(biāo)權(quán)重結(jié)果

表1 水環(huán)境承載力評價指標(biāo)核算標(biāo)準(zhǔn)

2.4 水環(huán)境承載力評價模型

（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)計數(shù)學(xué)中的一種方法。標(biāo)準(zhǔn)化后的新數(shù)據(jù)，每個指標(biāo)值的最大值為1，最小值為0，其余值在0 和1 之間，從而簡化了計算的數(shù)據(jù)量。

區(qū)間變換法對應(yīng)的效益指標(biāo)計算公式如下[8]：

其中，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）評價模型

若以Si表示變量層各變量對水環(huán)境承載力支持強(qiáng)度的相對指數(shù)，則有[9]：

式中：Sik為水環(huán)境承載力的支持強(qiáng)度，Xik為評價標(biāo)準(zhǔn)值，Wij為第i 個指標(biāo)在j 個變量中的權(quán)重。在上述指標(biāo)層因子評價結(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)境承載力相對大小的綜合指數(shù)評價模型Sw即：

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

3 結(jié)果分析

3.1 水環(huán)境分承載力計算

分別計算社會承載力、生態(tài)承載力和經(jīng)濟(jì)承載力指標(biāo)，見圖4、表2。

圖4 分承載力變化趨勢圖

表2 遼河流域水環(huán)境分承載力計算值

由圖4、表2 計算可得，遼河流域2012 年～2018 年生態(tài)分承載力、社會分承載力和經(jīng)濟(jì)分承載力的增長率分別為172.3.9%、125.6%和342.7%。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，經(jīng)濟(jì)分承載力也取得了較大的增長率。

3.2 水環(huán)境總承載力計算

通過對數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化，根據(jù)以上算法，利用水環(huán)境承載力計算模型，可以計算出遼河流域2012 年～2018 年水環(huán)境承載力變化趨勢。見表3、圖5。

表3 遼河流域水環(huán)境承載力評價值

根據(jù)所有指標(biāo)的范圍限制和評價方法本身的計算特性，分別計算最大數(shù)據(jù)變化的評價范圍。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，其值越大，其最大值越接近1，否則趨于0 的最小值。根據(jù)國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)城市評價指標(biāo)中的指標(biāo)數(shù)據(jù)值的分類，結(jié)合遼河流域長期建設(shè)規(guī)劃指標(biāo)數(shù)據(jù)，收集社會運(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)，獲得了適用于遼河流域水環(huán)境承載力的分類標(biāo)準(zhǔn)，見表4。

表4 承載力與可承載類型對照[9]

圖5 水環(huán)境承載力變化趨勢圖

根據(jù)表4 中的分類標(biāo)準(zhǔn)，遼河流域水環(huán)境承載力總體評價差、極差和一般，2018 年的水環(huán)境承載力類型評價為一般，2012 年的水環(huán)境承載力評價為“極差”，其余各年均在“差”的指標(biāo)，反映了遼河流域經(jīng)濟(jì)、社會和生態(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5 顯示了水環(huán)境承載力模型計算的遼河流域水環(huán)境承載力的變化趨勢。結(jié)果表明，遼河流域水環(huán)境承載力總體呈現(xiàn)出增大的趨勢，2012 年～2013 年的變化率最高，從0.152 增至0.413，然后出現(xiàn)降低，總體增大0.468。說明整個流域的水環(huán)境正在往好的方向過渡。

3.3 水環(huán)境承載力空間分布

結(jié)合計算出的水環(huán)境承載力值，分別計算2018 年遼河流域地區(qū)各行政區(qū)劃的分承載力，利用ARCGIS10.4 軟件的差值功能，對遼河流域不同行政區(qū)劃的水環(huán)境承載力進(jìn)行評價。

圖6 各行政區(qū)劃水環(huán)境承載力空間分布

由圖6 可以看出，吉林市水環(huán)境評價結(jié)果為崩潰，四平與興安盟市評價結(jié)果最好。白城市與松原市評價結(jié)果為一般，遼源市和長春市評價結(jié)果為脆弱。

以上分析結(jié)果反映出遼河流域水環(huán)境承載力空間格局演化與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展實(shí)力及水資源稟賦密切相關(guān)。遼河流域應(yīng)繼續(xù)提高地表水整體環(huán)境質(zhì)量，吉林市對于水環(huán)境的治理應(yīng)該加強(qiáng)。提高城市污水處理的效率。同時促進(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)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

本文基于層次分析法判斷出遼河流域各因子的影響權(quán)重，然后利用水環(huán)境承載力模型，分別計算出社會承載力、生態(tài)承載力、經(jīng)濟(jì)承載力和總承載力大小。得出：生態(tài)分承載力、社會分承載力和經(jīng)濟(jì)分承載力的增長率分別為172.3.9%、125.6%和342.7%?？偝休d力由崩潰過渡為一般。并對遼河流域各個行政區(qū)域的水環(huán)境承載力值進(jìn)行評價。