基于不同方法在水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

宋明遠(yuǎn)

(遼寧省阜新水文局,遼寧 阜新 123000)

0 引 言

水環(huán)境承載力在狹義上通常指水體納污能力或水體容許污染的負(fù)荷量,然而,隨著人類社會(huì)生產(chǎn)力的快速發(fā)展,水環(huán)境的污染問題也越來(lái)越嚴(yán)重。部分地區(qū)對(duì)資源的過(guò)度開發(fā)造成的環(huán)境污染威脅著人類的生存,為謀求健康的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式,人們很自然地對(duì)水環(huán)境承載力有了新的定義,即特定的時(shí)期、特定的空間范圍內(nèi),在區(qū)域水體能夠自我調(diào)節(jié)、自我維持、可持續(xù)發(fā)展的前提下,是支撐人口、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的最大容量[1-4]。在當(dāng)今社會(huì),把水環(huán)境承載力看作是衡量經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與水環(huán)境協(xié)調(diào)程度的重要指標(biāo)。水環(huán)境承載力健康評(píng)價(jià)不僅可以為區(qū)域水環(huán)境保護(hù)與管理提供科學(xué)依據(jù),而且對(duì)于解決生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與人類社會(huì)發(fā)展之間的矛盾具有重大意義[5-7]。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立

依據(jù)水環(huán)境承載力指標(biāo)的選取原則并考慮本溪地區(qū)水環(huán)境的特色與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展等方面,確定了水環(huán)境承載力包含生態(tài)承載、人口承載以及經(jīng)濟(jì)承載3個(gè)方面。

1.1 生態(tài)承載方面

本溪是一個(gè)以工業(yè)為主的城市,森林覆蓋率位居遼寧省省第一,森林覆蓋率高是當(dāng)?shù)氐囊淮筇攸c(diǎn)。廢水的排放也是影響生態(tài)承載力的一個(gè)主要因素,生活污水和工業(yè)廢水中含有的有毒有害的化學(xué)物質(zhì)排放到水體后,不能被完全生物降解,造成河流的污染和水生動(dòng)植物的死亡。近年來(lái),我國(guó)對(duì)城鎮(zhèn)生活污水處理的建設(shè)有了很大的發(fā)展,本溪市近10a的城鎮(zhèn)生活污水處理率有了大幅度的提升。

1.2 人口承載方面

本溪地區(qū)城市化比例較高也是本溪市的一大特點(diǎn)。大量農(nóng)村勞動(dòng)力從第一產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)向第二產(chǎn)業(yè),隨之而來(lái)的是棄耕拋荒問題和大量工業(yè)廢水排放;人均GDP是衡量一個(gè)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展最重要的指標(biāo),本溪市2010—2013年期間GDP處于上升階段,2014—2015年略有下降,而2016年開始隨著當(dāng)?shù)氐诙a(chǎn)業(yè)的迅速衰退,GDP開始大幅下降;生活污水的排放同樣制約著地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,本溪市的人均生活污水排放量略高于國(guó)家的平均水平,需要政府相關(guān)部門加大管控力度。

綜上所述,選取城鎮(zhèn)化率、人均GDP以及人均生活污水排放量作為人口承載力的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.3 經(jīng)濟(jì)承載方面

工業(yè)方面,主要考慮了GDP與廢水排放總量、氨氮排放還有生活污水排放的關(guān)系;農(nóng)業(yè)方面,化肥的施用形成農(nóng)業(yè)面源污染造成的水體富營(yíng)養(yǎng)化同樣對(duì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生制約,在農(nóng)業(yè)化肥的施用中,氮肥施用量最大,對(duì)水環(huán)境污染最大,因此選取單位農(nóng)田面積氮肥施用量作為一項(xiàng)承載力指標(biāo)。

綜合考慮上述3個(gè)方面,共選取12個(gè)相關(guān)指標(biāo)作為水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo),如表1所示。2010—2018年各項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)值,見表2。

表1 水環(huán)境承載力指標(biāo)

3 模型建立

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)劃分

水環(huán)境承載力受眾多條件影響,涵蓋自然地理,人類活動(dòng)等諸多因素,文章通過(guò)對(duì)現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與地方標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合、查閱相關(guān)文獻(xiàn)、計(jì)算相關(guān)指標(biāo)的發(fā)展趨勢(shì)以及對(duì)比專家以往的經(jīng)驗(yàn)值四種方法,對(duì)水環(huán)境承載力指標(biāo)劃分成了五個(gè)等級(jí),以便于定量且直觀反映各等級(jí)因素對(duì)承載力的影響程度。評(píng)價(jià)指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)極性及等級(jí)劃分表

3.2 指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算

為了避免主觀因素對(duì)指標(biāo)權(quán)重的影響,同時(shí)考慮到權(quán)重計(jì)算中人的價(jià)值,保證權(quán)重計(jì)算的全面性,所以采用組合權(quán)重法來(lái)確定指標(biāo)的權(quán)重,首先采用模糊層次分析法計(jì)算主觀權(quán)重,根據(jù)表2確定的評(píng)價(jià)指標(biāo)集以及表3中制定的數(shù)量標(biāo)度,建立水環(huán)境承載力的模糊一致判斷矩陣。

得出矩陣后,根據(jù)a=(n-1)/2,計(jì)算出準(zhǔn)則層a取1,3個(gè)指標(biāo)層a分別取2,1.5和1.5。再根據(jù)式(6-5)求得各指標(biāo)的主觀權(quán)重見表6～15。接著用熵權(quán)法計(jì)算客觀權(quán)重,根據(jù)12個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)2010—2018年的數(shù)據(jù)資料構(gòu)造熵權(quán)法的判斷矩陣R=(rij)n×m,然后根據(jù)指標(biāo)的極性,對(duì)得到的矩陣進(jìn)行歸一處理,得到新的標(biāo)準(zhǔn)化矩陣,再計(jì)算各指標(biāo)客觀權(quán)重及組合權(quán)重,利用各指標(biāo)客觀權(quán)重乘以其指標(biāo)實(shí)際值的和構(gòu)成準(zhǔn)則層判斷矩陣,根據(jù)熵權(quán)法得到準(zhǔn)則層標(biāo)準(zhǔn)化矩陣,最后得到準(zhǔn)組層的客觀權(quán)重及綜合權(quán)重,見表4。

表4 水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值

4 結(jié)果及分析

4.1 模糊綜合評(píng)判評(píng)價(jià)

將2010—2018年各個(gè)指標(biāo)的具體數(shù)值按照指標(biāo)極性和大小的分類并進(jìn)行計(jì)算,得到本溪地區(qū)2010—2018年的隸屬度矩陣,將得到的權(quán)重矩陣與隸屬度矩陣相乘,得到模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣,最后進(jìn)行量化得出最終的評(píng)價(jià)結(jié)果,見表5。

表5 本溪市水環(huán)境承載力模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

從表5中可以看出,本溪地區(qū)的水環(huán)境承載力水平比較穩(wěn)定,且穩(wěn)定在“Ⅲ級(jí)一般可承載”狀態(tài)。而且從綜合評(píng)價(jià)的數(shù)值變化可以看出,模糊綜合評(píng)價(jià)值基本集中在0.4～0.5之間,且豐水年的水環(huán)境承載力普遍高于枯水年。MK趨勢(shì)分析結(jié)果表明,水環(huán)境承載力模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的Z值為-0.42,表明2010—2018年間本溪市水環(huán)境承載力有下降的趨勢(shì),但未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

4.2 物元分析評(píng)價(jià)

將各個(gè)指標(biāo)的數(shù)據(jù)按照其所在的經(jīng)典域和節(jié)域分別計(jì)算出每個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的經(jīng)典域的關(guān)聯(lián)度。再將各個(gè)經(jīng)典域的關(guān)聯(lián)度歸一處理,得到綜合關(guān)聯(lián)度。其中指標(biāo)的承載力等級(jí)屬于綜合關(guān)聯(lián)度值最大的經(jīng)典域。

計(jì)算2010—2018年各指標(biāo)的評(píng)價(jià)等級(jí),見表6,各年份的評(píng)價(jià)等級(jí),見表7。

表6 各年份水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)各評(píng)價(jià)等級(jí)

表7 各年份水環(huán)境承載力對(duì)各評(píng)價(jià)等級(jí)的綜合關(guān)聯(lián)度

通過(guò)表7可以看出,水資源開發(fā)利用率、森林覆蓋率對(duì)水環(huán)境承載力起到支撐作用,而廢水排放量、城鎮(zhèn)化率、人均生活污水排放量和萬(wàn)元GDP廢水排放總量是制約水環(huán)境提高改善的不利因素[8-10]。從表中還可以看出人均生活污水排放量和萬(wàn)元GDP廢水排放量由于人口的GDP的減少和廢水排量的增加有明顯變差的趨勢(shì)。森林覆蓋率、城鎮(zhèn)污水處理率、人均GDP、單位農(nóng)田面積氮肥施用量4個(gè)指標(biāo)有不斷提高改善的趨勢(shì),對(duì)近幾年水環(huán)境的改善和提高起到一定的支撐作用。

由表7可以看出,2011年、2012年、2015年和2018年的承載力等級(jí)較差,2013年的承載力結(jié)果為較好,其他年份的承載力等級(jí)都為一般。2011年之后,水環(huán)境承載力呈現(xiàn)變好的趨勢(shì),一直持續(xù)到2013年;2013年之后的評(píng)價(jià)結(jié)果基本為一般承載或有向一般承載轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)。

5 結(jié) 語(yǔ)

目前本溪地區(qū)的水環(huán)境承載力基本處于一般承載狀態(tài),但隨著城市人口的增加,社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及氣候環(huán)境的變化,水環(huán)境將會(huì)面臨更大的壓力,因此需要更加重視水環(huán)境的保護(hù),分析水環(huán)境承載力相關(guān)指標(biāo)的變化趨勢(shì),找到所面臨的問題并給出解決方案。經(jīng)過(guò)分析得知呈現(xiàn)這一變化的原因主要是近幾年人們開始重視對(duì)污水的處理,廢水排放的處理率有所提升,森林覆蓋率與之前相比也有小幅度的提升,有利于水環(huán)境承載力的提升,但2015年之后,人均GDP隨著本溪地區(qū)工業(yè)的衰退而變少,相關(guān)部門對(duì)廢水的排放量控制力度不足,這兩方面因素又使水環(huán)境承載力向不利的方向發(fā)展。因此想要改變水環(huán)境承載力的下降趨勢(shì),需要協(xié)調(diào)好經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源利用之間的關(guān)系,優(yōu)化工藝,減少工業(yè)廢水排放以及加強(qiáng)對(duì)生活污水排放的管理措施。

從不同的子系統(tǒng)來(lái)看,首先,人口承載力子系統(tǒng)所占權(quán)重最高,但是其中的各個(gè)指標(biāo)的等級(jí)均不高于人口的城市化,經(jīng)濟(jì)的發(fā)展給水環(huán)境造成很大壓力,因此還需提高用水效率,合理控制人口,提倡市民節(jié)約用水。其次,生態(tài)承載力子系統(tǒng)的權(quán)重排在第二,其中各指標(biāo)的等級(jí)相對(duì)較高,由此可知,本溪地區(qū)自然環(huán)境較好,對(duì)水環(huán)境承載力的影響較為有利。最后,經(jīng)濟(jì)承載子系統(tǒng)的權(quán)重最低,但由于3個(gè)子系統(tǒng)的權(quán)重分布較為平均,因此經(jīng)濟(jì)承載子系統(tǒng)對(duì)整體承載力的影響同樣不可忽略,經(jīng)濟(jì)承載的四個(gè)指標(biāo)等級(jí)均不高,說(shuō)明本溪地區(qū)在發(fā)展工業(yè)和農(nóng)業(yè)的同時(shí),有害物質(zhì)的排放量較大,因此要提高水環(huán)境承載力需要協(xié)調(diào)好人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與自然環(huán)境之間的關(guān)系,在發(fā)展工業(yè),提升經(jīng)濟(jì)的同時(shí)減少對(duì)水環(huán)境的污染。

從表6可以看出單個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)變化趨勢(shì),其中水資源開發(fā)利用率、森林覆蓋率這兩個(gè)指標(biāo)一直保持較高等級(jí),對(duì)水環(huán)境承載力的保持有較大貢獻(xiàn)。與此相反,城鎮(zhèn)化率和人均GDP兩個(gè)指標(biāo)等級(jí)始終較低,二者是制約水環(huán)境的承載力提高的主要限制性因素。而單位農(nóng)田面積氮肥施用量、城市污水處理率、萬(wàn)元GDP工業(yè)氨氮排放量3個(gè)指標(biāo)雖然有波動(dòng),但整體呈現(xiàn)變好的趨勢(shì)。造成水環(huán)境承載力在較差與較好等級(jí)之間波動(dòng)的主要原因是廢水總排放量、人均生活污水排放量、萬(wàn)元GDP廢水排放總量以及萬(wàn)元GDP生活污水排放總量這四個(gè)指標(biāo),他們的變化趨勢(shì)不是單純的增加或減少,而是隨著當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展在不斷變化。