区域水环境承载力评价指标体系及方法研究

研究和评价区域水环境承载力具有十分重要的现实意义。基于水环境承载力的内涵和本质,从资源环境、技术管理、社会经济和生态四个角度出发,构建了一个普遍适用的水环境承载力评价指标体系。考虑到水环境承载力本身具有模糊性、多指标性,采用模糊优选原理进行评价,并用层次分

区域水环境承载力评价指标体系及方法研究*

杨梅，李如忠，钱家忠，洪天求

合肥工业大学资源与环境工程学院，合肥(230009)

E-mail：摘 要：研究和评价区域水环境承载力具有十分重要的现实意义。基于水环境承载力的内涵和本质，从资源环境、技术管理、社会经济和生态四个角度出发，构建了一个普遍适用的水环境承载力评价指标体系。考虑到水环境承载力本身具有模糊性、多指标性，采用模糊优选原理进行评价，并用层次分析法（AHP）确定指标权重。从而提出了AHP—模糊优选模型。作为案例，将上述理论方法应用于某一城市的水环境承载力评价，取得了较好效果。 关键词：区域，水环境承载力，评价指标体系，模糊优选评价模型

水环境承载力(Water Environmental Carrying Capacity, WECC)是承载力概念与水资源和水环境领域的自然结合[1]，是衡量区域经济发展活动与水环境条件适配程度的重要指标，受到世界各国的普遍重视[2]。九十年代初 WECC概念在我国得以提出, 随后WECC研究方向在环境科学领域独立发展逐渐完善[2-6],但对水环境承载系统各要素的内涵、特征、变化关系和定量化表征等尚未见有较为系统的理论成果。本文从水环境承载力评价所涉及的资源环境、技术管理、社会经济和生态四个角度出发，结合我国的区域状况，提出了区域水环境承载力评价指标体系，建立了水环境承载力评价的AHP—模糊优选模型。实例研究表明，所建模型对包含多指标、多因素的水环境承载力评价具有很好的效果。

1. 评价指标体系

建立水环境承载力评价指标体系，应根据区域水资源特点，考虑到区域社会经济发展的不平衡性、科技文化水平的差异性、以及水资源开发利用程度和水环境的状况及其变化趋势等。

1.1 评价指标选取原则

在借鉴国际上对水环境承载力评价的基础上，以科学、实用、简明的选取原则，具体考虑以下几个方面[7]：

（1）科学性原则，即按照科学理论，特别是可持续发展理论定义的指标概念和计算方法； （2）整体性原则，即综合反映社会、经济、人口、生态、环境、资源等发展指标； （3）动态性与静态性相结合原则，即指标体系反映系统的发展状态及其发展过程； （4）定性与定量相结合原则，即选择可量化指标，难以量化的重要指标采用定性描述指标； （5）可比性原则，即尽可能采用标准的名称、概念、计算方法，考虑国际、国内状况； （6）简明、实用、可行性原则，即指标体系要充分考虑到资料的来源和现实可行性。

1.2 评价指标体系的构建

目前，还难以找到对我国不同省(地)区、不同流域都能适用的、统一的水环境承载力评价指标体系。参照相关文献[7,11],从水环境承载力评价所涉及的社会、经济、生态、环境技术、管理等角度，侧重我国东部城市地区，建立了水环境承载力评价指标体系如图1所示。

本课题得到国家基础研究重大项目前期研究专项（2003CCC00400），安徽省自然科学基金(050450303)的资助。

研究和评价区域水环境承载力具有十分重要的现实意义。基于水环境承载力的内涵和本质,从资源环境、技术管理、社会经济和生态四个角度出发,构建了一个普遍适用的水环境承载力评价指标体系。考虑到水环境承载力本身具有模糊性、多指标性,采用模糊优选原理进行评价,并用层次分

图1 水环境承载力评价指标体系 Fig.1 Indicator system for evaluating WECC

2. AHP－模糊优选评价方法及其应用实例

WECC是处理水环境与人类社会经济活动之间关系的有力工具,目前已经在多个方面取得进展,特别是量化方法呈现出多样化的态势[8,9]。但各种方法均有优劣点，还需要作进一步的研究。水环境承载力是一个模糊概念，也是一个多指标评价、决策问题，因此，考虑采用AHP-模糊优选原理[10,11]对区域水环境承载力状态及其变化态势进行评价。

2.1 基本资料

某城市1994~2002年资源、环境、技术管理、社会经济及生态等各指标统计结果如表1所示。

2.2 水环境承载力变化态势分析

（1）构造评价样本和评价指标集合

A = { 1994年，1996年，1998年 ，2000年，2002年}= { a1, a2, a3 , a4 , a5} F＝{指标l，指标2，…，指标17}={f1，f2，…，f17}

将待评样本ai对fk的属性值记为xki (k=1，2，…，17； i=1，2，…，5)。 （2）构造二维决策矩阵M ，即区域水环境承载力评价的决策矩阵。

M=(xki)m×n (1)

（3）决策矩阵规格化

在决策矩阵M中，评价指标属性值量纲可能不完全相同，为消除量纲不同带来的影响，在评价前需对决策矩阵M中各元素作规格化处理，记：

xmax＝max{ xki }， 1≤k≤m，1≤i≤n (2) xmin＝min{ xki }, 1≤k≤m，1≤i≤n (3)

这里，xmax和xmin分别表示所有评价样本中指标fk的最大值和最小值。

考虑到评价样本中有的指标变化范围可能较大，而有的变化范围则很小，为避免夸大变化范围小的指标在决策中的相对作用，可采用下列优属度计算公式。本文将表1中17个指标进行划分，f2 ，f3 ，f4， f5， f6， f7 ，f10 ，f11 ，f12 ，f14 ，f15 ，f16为正效指标，f1 ，f8， f9， f13 ，f17为负效指标。

研究和评价区域水环境承载力具有十分重要的现实意义。基于水环境承载力的内涵和本质,从资源环境、技术管理、社会经济和生态四个角度出发,构建了一个普遍适用的水环境承载力评价指标体系。考虑到水环境承载力本身具有模糊性、多指标性,采用模糊优选原理进行评价,并用层次分

对于属性值越大，表示水环境承载力越大的正效指标，令

rki=xki/( xkmax+ xkmin) (4)

对于属性值越大，导致水环境承载力越小的负效指标，则

rki=1-xki/( xkmax+ xkmin) (5) 其中rki为待评样本ai对于指标fk的相对优属度。

经过上述规格化处理，可将决策矩阵式(1)转化为规格化处理后的矩阵R，如表2所示

R＝(rki) m×n (6)

其中，0≤rki≤1， k=1，2，…，m； i=1，2，…，n。

表1 某城市水环境承载力评价基本指标及其1994~~2002年各指标值 Table 1 Indicators and the index status for assessment of WECC from 1994~2002

（4）构造虚拟优、劣向量 根据式（7），得最优指标向量为：

G = (g1 , g2 , g3 , g4 , g5 , g6 , g7 , g8 , g9 , g10 , g11 , g12 , g13, g14 , g15 , g16 , g17 ) T

= (0.692 0.649 0.523 0.526 0.529 0.625 0.538 0.631 0.620 0.620 0.602 0.561 0.511

0.548 0.600 0.667 0.559 ) T

根据式（8），得最劣指标向量为：

B = (b1 , b2 , b3 , b4 , b5 , b6 , b7, b8 , b9 , b10 , b11 , b12 , b13, b14 , b15 , b16 , b17)T

= (0.308 0.351 0.477 0.474 0.471 0.375 0.462 0.369 0.380 0.380 0.398 0.439 0.489 0.452 0.400 0.333 0.441 ) T （5）指标定权

运用层次分析法[12-14]得到四个指标相对于总目标的组合权重分别为：

研究和评价区域水环境承载力具有十分重要的现实意义。基于水环境承载力的内涵和本质,从资源环境、技术管理、社会经济和生态四个角度出发,构建了一个普遍适用的水环境承载力评价指标体系。考虑到水环境承载力本身具有模糊性、多指标性,采用模糊优选原理进行评价,并用层次分

W = (0.1584 0.0990 0.0363 0.0363 0.1254 0.0825 0.0561 0.0396 0.20264 0.0544

T

0.0544 0.0306 0.0204 0.0102 0.0731 0.0731 0.0238) （6）计算样本相对加权距优、距劣距离

据上述计算得样本相对加权距优距离Dgi、距劣距离Dbi分别如下：

Dg =(Dg1, Dg2, Dg3, Dg4, Dg5 )= ( 0.038 , 0.028 , 0.051 , 0.051, 0.070 ) T Db =(Db1 , Db2 , Db3, Db4, Db5)= ( 0.070 , 0.058 , 0.034 , 0.043, 0.038 )T

（7）计算待评样本优属度ui，由式（12）最终求得待评样本的优属度U ，即：

U = ( u1 , u2 , u3 , u4 , u5) T = ( 0.772, 0.811, 0.308, 0.416,0.228 ) T

根据上述五个样本优属度的相对大小，可以对该区域五个年头下水环境承载力状况进行优劣排序，即1996年>1994年>2000年>1998年>2002年。

2.3 结果分析

将各个年该地区所对应的水环境承载力的相对优属度（即：年份值记为横坐标，相对优属度记为纵坐标）绘制成散点图的形式。由图1，可以看出该城市1994~2002年水环境承载力变化态势。 表2经决策化后的矩阵

总体上讲，区域的社会经济发展了， Table2 The practiced matrix 但水环境承载力却下降了。1996年和1994 0.692 0.590 0.436 0.410 0.308 年的水环境承载力的相对优属度较大(在0.649 0.573 0.534 0.473 0.351 00附近),属于较好状态；而1998、2000、2 0.480 0.477 0.496 0.523 0.494 002则低于0.500，水环境承载力的相对优属 0.526 0.474 0.496 0.512 0.499 度较小，水环境状况较差。 0.471 0.489 0.506 0.517 0.529

区域的自然因素、社会因素两方面，即 0.375 0.450 0.550 0.600 0.62 资源环境、生态状况、社会经济、管理因素 0.462 0.492 0.508 0.538 0.538 是相互影响、相互制约的。它们共同作用的 0.369 0.451 0.497 0.601 0.631

结果决定了该地区的水环境的承载能力。另 0.380 0.474 0.543 0.589 0.620 外，一些重大环保措施的实施也会给区域水 0.380 0.421 0.500 0.564 0.620 环境承载力带来很大影响，这一点在图1中 0.602 0.572 0.500 0.447 0.398 也能够很好地反映出来。比如：因环境污染 0.439 0.461 0.495 0.529 0.561 的难降解、易富集、不可逆性，WECC有随时 0.504 0.511 0.496 0.489 0.496 间而逐渐变小的趋势。而2000年的WECC明 0.452 0.476 0.496 0.521 0.548 显高于1998年这与20世纪末我国整治水体 0.600 0.560 0.520 0.400 0.440 环境而提出和实施的“零点计划”有明显关 0.333 0.667 0.333 0.667 0.667 系。 0.441 0.485 0.529 0.559 0.559

研究和评价区域水环境承载力具有十分重要的现实意义。基于水环境承载力的内涵和本质,从资源环境、技术管理、社会经济和生态四个角度出发,构建了一个普遍适用的水环境承载力评价指标体系。考虑到水环境承载力本身具有模糊性、多指标性,采用模糊优选原理进行评价,并用层次分

图2 1994-2002年间水环境承载力变化趋势 Fig .2 The relative value of the subordinate from 1994-2002

3. 结论与展望

（1）本文研究了区域水环境承载力评价体系的结构和内容，基于区域水环境—社会经济系统的不确定性，依据模糊优选原理建立了一个评价水环境承载力概念模糊性的WECC模糊优选模型，并以层次分析法定权。实例研究表明，该模型较传统的水环境承载力评价方法能够更客观、真实地反映区域水环境承载力状况，对于制定区域水资源规划具有重要意义。

（2）本论文在建立分析评价指标体系时，力求全面。由于WECC本身的模糊性，评价指标以 确定性指标形式进行计算，实际上是忽视了水环境一社会经济系统的客观不确定性。如何将非确 定性的指标加以确定性地表示，且能够保障确定化后的数据是科学合理的将是以后研究的一个重 要方面。

（3）鉴于现有WECC的量化体系和方法存在的缺陷，应以基础理论为前提,研究适用于不同承载力内涵的量化体系和量化方法 。应进一步加强WECC的基础理论的研究，完善WECC的支撑理论，使之具有更加广泛的应用前景。

参考文献

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(2)：6-10

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研究和评价区域水环境承载力具有十分重要的现实意义。基于水环境承载力的内涵和本质,从资源环境、技术管理、社会经济和生态四个角度出发,构建了一个普遍适用的水环境承载力评价指标体系。考虑到水环境承载力本身具有模糊性、多指标性,采用模糊优选原理进行评价,并用层次分

Study of Index System and Evaluation Method for Regional

Water Environmental Carrying Capacity

Yang Mei，Li Ruzhong，Qian Jiazhong，Hong Tianqiu

School of Natural Resources and Environmental Engineering，Hefei University of Technology，Hefei

(230009)

Abstract

It is significant to study and assess regional water environmental carrying capacity (WECC) correctly. Based on the concept and essence of WECC, a widely used index system has been built from four aspects which are resource and environment 、technology and management、society and economy 、ecology. Considered the fuzziness and multi-index of WECC, fuzzy optional decision model was chosen to evaluate WECC, and the index weights are allocated by Analytic Hierarchy Process (AHP). As a case, the model proposed here was used to assess the WECC of a city, well effect has been received. Keywords：region，water environmental carrying capacity，evaluation index system，fuzzy optional decision model

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/tvmi.html