桑干河流域水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)

李潤(rùn)卓，趙雪花，王 暢

（太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原030024）

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，水資源短缺、水污染、水生態(tài)破壞等水環(huán)境問(wèn)題日益突出，已成為制約人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸［1］。為了檢驗(yàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)與水環(huán)境之間的協(xié)調(diào)程度，水環(huán)境承載力（water environment carrying capacity，WECC）成為達(dá)成這一目的的重要手段。WECC是檢驗(yàn)人類水環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的有力理論工具，試圖在保證水質(zhì)達(dá)標(biāo)和增長(zhǎng)的前提下實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和人口的最大化發(fā)展［2］。以期為區(qū)域內(nèi)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、水環(huán)境治理、水資源高效利用提供決策支持。

水環(huán)境承載力相關(guān)的理論及方法研究始于20 世紀(jì)80年代，至今已取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。主要的研究方法包括：多目標(biāo)規(guī)劃［3］、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法［4，5］、指標(biāo)體系法、機(jī)器學(xué)習(xí)［6］等。其中指標(biāo)體系法應(yīng)用廣泛，評(píng)價(jià)方法多樣，包括模糊綜合評(píng)價(jià)法［7］、向量模法［8］、可變模糊識(shí)別模型［9］等，為區(qū)域水環(huán)境保護(hù)、治理提供了很好的思路。但模糊綜合評(píng)價(jià)法通過(guò)最大隸屬度確定承載等級(jí)存在信息遺失的問(wèn)題［10］。這些方法將多維指標(biāo)壓縮為一維指標(biāo)得出評(píng)價(jià)結(jié)果，不具備幾何意義。吳瓊［11］等提出的全排列多邊形圖示指標(biāo)法是一種多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)方法，將傳統(tǒng)加法改為多維乘法，通過(guò)多邊形面積比值，來(lái)確定評(píng)價(jià)綜合指數(shù)，既有幾何直觀圖示，又有代數(shù)解析數(shù)值，既有靜態(tài)指標(biāo)，又有動(dòng)態(tài)趨勢(shì)［11］。與傳統(tǒng)簡(jiǎn)單加權(quán)法相比，不用專家主觀評(píng)判權(quán)系數(shù)的大小，只要確定與決策相關(guān)的上限、下限和臨界值即可，減少了主觀隨意性［12］，代數(shù)解析計(jì)算也相對(duì)簡(jiǎn)單。在生態(tài)城市評(píng)價(jià)［13］、水安全評(píng)估［14］、土地集約利用［15］、水質(zhì)評(píng)價(jià)［16］等方面取得廣泛應(yīng)用。該方法在建立指標(biāo)體系時(shí)要求指標(biāo)之間相互獨(dú)立，但完全相互獨(dú)立的指標(biāo)體系過(guò)于理想。李飛鵬［17］對(duì)此進(jìn)行了改進(jìn)，采用秩相關(guān)系數(shù)衡量指標(biāo)之間的相關(guān)性。本文采用改進(jìn)后的全排列多邊形圖示指標(biāo)法對(duì)桑干河流域進(jìn)行水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

桑干河位于山西省北部，屬海河水系，為永定河的上游，流域位于山西省內(nèi)的面積為16 767 km2，年降水量均值多介于350～520 mm 之間，天然河川徑流量多年平均值為53 865 億m3。流域內(nèi)主要包括大同市、朔州市和忻州市，是我國(guó)重要的能源基地。總體水資源供需矛盾突出、水污染問(wèn)題嚴(yán)重。

本次研究的數(shù)據(jù)來(lái)自于《山西省統(tǒng)計(jì)年鑒》、《山西省環(huán)境狀況公報(bào)》、《山西省水資源公報(bào)》、《中國(guó)城鄉(xiāng)建設(shè)年鑒》等。

1.2 全排列多邊形圖示指標(biāo)法

全排列多邊形圖示指標(biāo)法定義為：設(shè)共有n個(gè)指標(biāo)（標(biāo)準(zhǔn)化后的值），以這些指標(biāo)的上限值為半徑構(gòu)成一個(gè)中心n邊形，各指標(biāo)的連線構(gòu)成一個(gè)不規(guī)則中心n邊形，這個(gè)不規(guī)則中心n邊形的頂點(diǎn)是n個(gè)指標(biāo)的一個(gè)首尾相接的全排列，n個(gè)指標(biāo)總共可以構(gòu)成（n-1）！/2個(gè)不同的不規(guī)則中心n邊形，綜合指數(shù)定義為所有這些不規(guī)則多邊形面積的均值與中心多邊形面積的比值。

采用雙曲標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)對(duì)指標(biāo)數(shù)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化：

F（X）滿足：F(X)|X=L= -1，F(xiàn)(X)|X=T= 0，F(xiàn)(X)|X=U= +1。

式中：U為指標(biāo)上限值；L為指標(biāo)下限值；T為指標(biāo)的臨界值。

由以上3個(gè)條件可得：

標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)將位于區(qū)間［U，L］的指標(biāo)值映射到［-1，1］之間，且改變了指標(biāo)的增長(zhǎng)速度，當(dāng)指標(biāo)值位于臨界值以下時(shí)，指標(biāo)增長(zhǎng)速度逐漸降低，當(dāng)指標(biāo)值位于臨界值以上時(shí)，指標(biāo)增長(zhǎng)速度逐漸增加。

指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算公式為：

利用n個(gè)指標(biāo)可以構(gòu)成一個(gè)中心n邊形，n邊形的頂點(diǎn)是Si=1，中心點(diǎn)是Si=-1，中心點(diǎn)到頂點(diǎn)之間為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值所在的區(qū)間。Si=0 時(shí)構(gòu)成的多邊形為指標(biāo)的臨界區(qū)，臨界區(qū)以內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化值為負(fù)，之外為正。

在評(píng)價(jià)模型中考慮指標(biāo)之間的相關(guān)性，并采用相關(guān)系數(shù)來(lái)衡量。通常變量之間的相關(guān)性可由Pearson 積矩相關(guān)系數(shù)、Spearman 秩相關(guān)系數(shù)和Kendall 秩相關(guān)系數(shù)來(lái)衡量。Spearman或Kendall 秩相關(guān)系數(shù)用來(lái)判斷兩個(gè)變量在高維空間中的共變趨勢(shì)，而不考慮其變化的幅度，能反映更復(fù)雜的相關(guān)程度。本文采用Spearman秩相關(guān)系數(shù)衡量評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的相關(guān)性。

如果兩指標(biāo)之間存在相關(guān)性，則它們圍成的三角形的面積小于指標(biāo)獨(dú)立的情形。rij為指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)，Si+1 為第i個(gè)指標(biāo)到中心點(diǎn)的距離，即三角形的一個(gè)邊長(zhǎng)；指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值區(qū)間為［-1，1］，長(zhǎng)度為2。

若不考慮兩指標(biāo)之間的相關(guān)性，它們圍成的三角形面積為：

若考慮兩指標(biāo)之間的相關(guān)性，它們圍成的三角形面積為：

秩相關(guān)系數(shù)加上絕對(duì)值意味著不考慮指標(biāo)之間的負(fù)相關(guān)，指標(biāo)越相關(guān)，它們組成的三角形的面積就越小。

從n個(gè)指標(biāo)中任意選取兩個(gè)指標(biāo)，共有種選法。最理想的指標(biāo)構(gòu)成的多邊形面積為：

某一評(píng)價(jià)對(duì)象的各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值圍成的不規(guī)則多邊形面積為：

全排列多邊形綜合指數(shù)計(jì)算式改寫(xiě)為：

1.3 障礙度分析

對(duì)影響區(qū)域水環(huán)境承載力的主要障礙因素進(jìn)行診斷與分析，可以針對(duì)性的調(diào)整相關(guān)政策。具體方法［18］如下：引入3個(gè)基本變量（因子貢獻(xiàn)度Fi，指標(biāo)偏離度Ii，障礙度Oi），因子貢獻(xiàn)度Fi表示單一指標(biāo)對(duì)總目標(biāo)的貢獻(xiàn)大小，一般可用各指標(biāo)權(quán)重γi表示；指標(biāo)偏離度Ii為各指標(biāo)實(shí)際值與最優(yōu)目標(biāo)值之間的差距，可以用1 與各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值kij之差表示；障礙度Oi的大小可以表示子系統(tǒng)或各指標(biāo)對(duì)區(qū)域水環(huán)境承載力影響程度的高低，計(jì)算公式如下：

2 評(píng)價(jià)結(jié)果及討論

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建及指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的確定

指標(biāo)體系的構(gòu)建以及指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的劃分是承載力評(píng)價(jià)的重點(diǎn)。水環(huán)境承載力是諸多因素綜合作用的系統(tǒng)，人類從自然界取水用以滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)和日常生活的用水需求，水環(huán)境為人類提供了適宜的生存和發(fā)展場(chǎng)所；污水排放會(huì)對(duì)水環(huán)境造成破壞，水資源短缺也會(huì)限制社會(huì)的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)社會(huì)、水資源、水環(huán)境三者相互制約。水環(huán)境承載力的概念也包含了這3個(gè)基本要素。所以本文從經(jīng)濟(jì)社會(huì)、水資源和水環(huán)境三方面依據(jù)科學(xué)性、系統(tǒng)性、去冗余性等原則選取指標(biāo)，并根據(jù)數(shù)據(jù)可獲得性進(jìn)行調(diào)整，最終選擇了13個(gè)指標(biāo)構(gòu)成桑干河流域水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

經(jīng)濟(jì)社會(huì)子系統(tǒng)指標(biāo)共4 項(xiàng)，人均GDP 反映當(dāng)?shù)厣a(chǎn)力發(fā)展情況，城鎮(zhèn)化率和第三產(chǎn)業(yè)GDP 占比反映第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平，人口密度體現(xiàn)人口數(shù)量對(duì)資源環(huán)境的壓力。人均水資源量反映當(dāng)?shù)厮Y源稟賦，萬(wàn)元GDP 用水量、農(nóng)灌用水量、城鎮(zhèn)居民生活用水量反映水資源利用與節(jié)約水平，水資源開(kāi)發(fā)利用率反應(yīng)水資源供需平衡現(xiàn)狀，以上5 項(xiàng)構(gòu)成水資源子系統(tǒng)。水環(huán)境子系統(tǒng)選取4 項(xiàng)指標(biāo)，萬(wàn)元GDP 化學(xué)需氧量排放量、萬(wàn)元GDP氨氮排放量反映經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水環(huán)境的壓力，污水處理率、建成區(qū)綠化覆蓋率反應(yīng)污染治理水平和生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀。

各地經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平不一，水資源、水環(huán)境狀況不同，所以指標(biāo)限值的確定具有很強(qiáng)的地域性。為保證評(píng)價(jià)結(jié)果的合理性，采用以下方法確定指標(biāo)的上限值、下限值和臨界值：①采用國(guó)家或地方現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和規(guī)劃；②參考相關(guān)文獻(xiàn)的研究成果；③統(tǒng)計(jì)該指標(biāo)在周?chē)貐^(qū)的發(fā)展情況；④咨詢專家經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，將數(shù)值增長(zhǎng)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果產(chǎn)生消極影響的指標(biāo)劃分為負(fù)效應(yīng)指標(biāo)，反之為正效應(yīng)指標(biāo)。評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見(jiàn)表1，指標(biāo)限值見(jiàn)表2。

表1 桑干河流域水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.1 Evaluation index system of water environment carrying capacity in Sanggan River Basin

表2 指標(biāo)限值Tab.2 Threshold of indicators

2.2 評(píng)價(jià)結(jié)果及分析

采用桑干河流域水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和全排列多邊形圖示指標(biāo)法，分經(jīng)濟(jì)社會(huì)、水資源和水環(huán)境三部分進(jìn)行子系統(tǒng)評(píng)價(jià)，最后進(jìn)行流域水環(huán)境承載力綜合評(píng)價(jià)。

首先計(jì)算指標(biāo)間的Spearman 秩相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表3。指標(biāo)相關(guān)系數(shù)最大的是萬(wàn)元GDP 氨氮排放量和萬(wàn)元GDP 化學(xué)需氧量排放量，為0.958；其次萬(wàn)元GDP 化學(xué)需氧量排放量與城鎮(zhèn)化水平之間的相關(guān)系數(shù)為0.929。

表3 指標(biāo)相關(guān)系數(shù)表Tab.3 Indicators correlation coefficient

2.2.1 子系統(tǒng)評(píng)價(jià)

各子系統(tǒng)評(píng)價(jià)結(jié)果如圖1。子系統(tǒng)綜合指數(shù)演變趨勢(shì)各不相同。其中，經(jīng)濟(jì)社會(huì)子系統(tǒng)承載狀況逐年提升，主要是由于近些年桑干河流域的經(jīng)濟(jì)和城市化水平不斷提高，人均GDP 由3.22 萬(wàn)元增加到4.02 萬(wàn)元，第三產(chǎn)業(yè)GDP 占比從2011年的35.51%提高到2018年的53.9%，城鎮(zhèn)化水平也上漲了接近9%。水資源子系統(tǒng)則呈現(xiàn)先降后升的變化動(dòng)態(tài)，綜合指數(shù)由2011年的0.293 下降到2012-2013年的0.18 左右，再提升至2018年的0.244，是因?yàn)樵谌司Y源量沒(méi)有大幅提高的同時(shí)城市居民生活用水量從2011年的59.47 L/d 增長(zhǎng)到2014年的89.07 L/d，再次提升則是因?yàn)槿司Y源量較2016年上漲26.1%；水資源開(kāi)發(fā)利用率雖然從2012年的107.32%降低到2018年的75.09%，但仍然遠(yuǎn)高于國(guó)際公認(rèn)的40%水資源開(kāi)發(fā)利用限值；說(shuō)明桑干河流域水資源開(kāi)發(fā)強(qiáng)度大，供求矛盾突出，水資源量對(duì)水環(huán)境承載力的制約作用顯著。水環(huán)境子系統(tǒng)評(píng)價(jià)綜合指數(shù)雖然高于社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)和水資源子系統(tǒng)，但承載力水平也較低，綜合指數(shù)在2017年達(dá)到最大值僅0.36，且萬(wàn)元GDP化學(xué)需氧量排放量始終高于2.5 kg，水環(huán)境污染問(wèn)題不容忽視。

圖1 子系統(tǒng)評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.1 Evaluation results of three subsystems for water environment carrying capacity

2.2.2 水環(huán)境承載力綜合評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)圖2。2011-2018年桑干河流域水環(huán)境承載力水平整體偏低，各年承載力綜合指數(shù)均不超過(guò)0.3，在2017年達(dá)到最大值0.262。變化動(dòng)態(tài)則以2014年為分界點(diǎn)，2011-2014年在低水平波動(dòng)，綜合指數(shù)均值0.19；2014年后承載力得到一定提升。這主要得益于出臺(tái)了一系列環(huán)保條例和規(guī)劃，包括2011年批復(fù)的《山西省水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)規(guī)劃》、2013年通過(guò)的《山西省節(jié)約用水條例》、2013年出臺(tái)的《山西省加快實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理制度試點(diǎn)方案》等，這些條例規(guī)劃著眼于城市發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程中的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，從源頭管控，破解環(huán)境難題，但由于桑干河流域內(nèi)城市長(zhǎng)期粗放型的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，這些法規(guī)并不能立即使相關(guān)問(wèn)題得到解決，造成流域水環(huán)境承載力在低水平范圍內(nèi)波動(dòng)。2014年之后，水生態(tài)文明建設(shè)的效益開(kāi)始顯現(xiàn)，流域水環(huán)境承載力得到提升。

圖2 桑干河流域水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.2 Evaluation results of water environment carrying capacity in Sanggan River Basin

2.2.3 方法對(duì)比評(píng)價(jià)

圖2表示出模糊綜合評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)結(jié)果，將兩種評(píng)價(jià)結(jié)果所呈現(xiàn)的逐年變化趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比。由兩種評(píng)價(jià)方法得出的結(jié)果的逐年變化趨勢(shì)大體接近：2011-2014年水環(huán)境承載力在低水平波動(dòng)，在2014-2015年出現(xiàn)較大提升，并在2017年達(dá)到參評(píng)年份中的最高水平；不同點(diǎn)僅在于變化幅度不同。綜上，將改進(jìn)后的全排列多邊形圖示指標(biāo)法用于水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)得出的結(jié)果是可靠的。

2.2.4 障礙度檢測(cè)及分析

根據(jù)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)［18］中的熵權(quán)理論計(jì)算指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值和權(quán)重，基于式（4）計(jì)算各年指標(biāo)的障礙度，2011、2014、2015、2018年的指標(biāo)障礙度成果如圖3所示。就指標(biāo)障礙度的變化趨勢(shì)來(lái)看，水環(huán)境子系統(tǒng)中指標(biāo)的障礙度逐年降低，表明環(huán)境治理投資不斷提高，相關(guān)法規(guī)日益嚴(yán)格，水污染監(jiān)管力度不斷加大，水環(huán)境狀況在好轉(zhuǎn)。水資源子系統(tǒng)中，人均水資源量的障礙度始終比較突出，農(nóng)灌用水量的指標(biāo)障礙度逐年下降，并在2014年之后不再成為限制水環(huán)境承載力的主要因素，城鎮(zhèn)居民生活用水量則逐漸成為水環(huán)境承載力提升的障礙因子，說(shuō)明隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，流域內(nèi)農(nóng)業(yè)節(jié)水措施不斷推廣，而城鎮(zhèn)居民的節(jié)水意識(shí)沒(méi)有隨著城鎮(zhèn)化水平的提高而增強(qiáng)，水資源依舊緊張。污水處理率沒(méi)有隨經(jīng)濟(jì)規(guī)模的增長(zhǎng)而提升，已經(jīng)與其他指標(biāo)的發(fā)展不相協(xié)調(diào)，在2018年障礙度突出。

圖3 指標(biāo)障礙度成果Fig.3 Obstacle degree of evaluation indicators

通過(guò)障礙度檢測(cè)，影響桑干河流域水環(huán)境承載力的障礙因子集中于水資源子系統(tǒng)，城鎮(zhèn)居民生活用水量走高，水資源開(kāi)發(fā)利用率居高不下，人均水資源量偏少。雖然萬(wàn)元GDP 氨氮排放量、萬(wàn)元GDP 化學(xué)需氧量排放量等指標(biāo)的障礙度逐漸降低，但指標(biāo)發(fā)展水平仍處于較低層次。

3 結(jié) 論

本文利用改進(jìn)全排列多邊形圖示指標(biāo)法對(duì)桑干河流域2011-2018年的水環(huán)境承載力進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并將評(píng)價(jià)結(jié)果與模糊綜合評(píng)價(jià)法的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：在2011-2018年間，桑干河流域水環(huán)境承載力總體呈向好趨勢(shì)；改進(jìn)全排列多邊形圖示指標(biāo)法用于水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)得出的結(jié)果是可靠的。

通過(guò)障礙度檢測(cè)，阻礙桑干河流域水環(huán)境承載力提高的障礙因素主要集中于水資源層面。政府有關(guān)部門(mén)應(yīng)對(duì)用水總量進(jìn)行控制，推進(jìn)節(jié)水技術(shù)改造和節(jié)水型社會(huì)建設(shè)。同時(shí)提高流域內(nèi)的污水處理能力，推進(jìn)污水處理項(xiàng)目提標(biāo)改造，嚴(yán)格控制污染物的排放強(qiáng)度?！?/p>