哈爾濱水環境承載力評價指標體系的構建

孟繁宇，樊慶鋅，李 穎

(哈爾濱工業大學 市政環境工程學院，哈爾濱150090)

水環境承載力( Water Environmental Carrying Capacity，簡稱WECC) 是承載力概念與水環境領域的自然結合，它表明水體對特定區域內的人口和社會發展具有支撐能力［1］。定量考慮水環境承載能力是全面評價城市水環境可持續發展的重要基礎［2］。

由于水環境承載力系統的復雜性，目前對其評價指標體系構建的方法尚未形成統一認識，研究者一般通過分析所研究區域的特點，基于數據資料的可獲得性原則，采用專家打分法構建評價指標體系。雖然這種方法可操作性強，但是容易引入較多的主觀因素［3］。為了有效避免指標選取過程中的主觀性和不一致性，國內外學者進行了大量的研究和嘗試［4～5］。其中，根據水環境承載力系統中各影響因素間的高度非線性關系，利用灰色關聯理論［6］對評價指標進行分析和篩選，進而確定指標權重的方法得到了普遍的認可。該方法具有計算方便，快捷的優點，并且有效克服了指標篩選和權重確定過程中的主觀因素，可以較好地體現各指標之間的區分度。

哈爾濱市作為黑龍江省政治、經濟、文化中心，人均占有水資源量僅為世界水平的1/8、全國水平的1/2，存在著嚴重的水資源利用率低、供需矛盾突出、水環境污染嚴重等問題［7］，制約了經濟的發展和人民生活水平的提高。因此，研究哈爾濱市水環境承載力對探索科學開發利用和保護水資源的途徑，促進哈爾濱市經濟社會持續發展具有重要意義。本文根據哈爾濱市水環境現狀，采用灰色關聯法建立相對客觀的水環境承載力評價指標體系，并利用向量模法對哈爾濱市水環境承載力進行了評價與分析。

1 水環境承載力研究的方法

1.1 灰色關聯度模型

灰色關聯分析法是針對缺乏物理原型或物理原型不明晰的灰色系統，將這種灰色關系進行序列化、模型化而建立的一種分析方法，它通過比較系統各因素統計數列的幾何關系來確定系統中多因素間的關聯程度［8］，并同時實現自動賦權。

根據灰色關聯分析法構建水環境承載力評價指標體系的過程如下:

收集并分析原始數據，建立系統的灰色關聯集合; 設X= {x0，x1，…，xm} 為因子集，其中，x0為參照序列，xi為比較序列，x0( k) 與xi( k) 分別為x0與xi在第k個點的數值。對各數據序列進行無量綱初始化處理:

式中: ρ 為分辨系數，取值范圍為0 ＜ρ ＜1，通常取0.5。關聯度計算公式為:

對計算得到的各因素關聯度進行歸一化，求出各因素在評估系統中所占的權重。計算公式為:

1.2 向量模法計算水環境承載力

設水環境承載力動態研究時間為m年，那么對應有m個水環境承載力指數。令m個水環境承載力為Bj( j = 1，2，…，m) ，同時每個水環境承載力又由n個具體評價指標來表達，即

由于水環境承載力各評價指標的量綱不同，應首先對其進行歸一化處理，即:

水環境承載能力指數的向量模模型為:

式中: Wij為第j個水環境承載力中第i個指標的權重。

2 哈爾濱市水環境承載力評價指標體系的構建與分析

2.1 評價指標體系的構建

城市水環境承載力系統極為復雜，影響因素繁多。本文通過全面分析水資源與水環境系統的特點，參照相關研究［9］所建立的評價指標體系，選擇以下16個影響因素作為哈爾濱市水環境承載能力綜合評價的待選指標。具體指標見圖1 所示。

圖1 哈爾濱市水環境承載力待選指標體系

通過查閱哈爾濱市統計年鑒、環境質量公報等相關資料，收集全部待選指標在2003—2006年的原始數據，見表1。

對16個待選指標進行原始數據的初始化處理后，由于水資源開發利用率是影響水資源水環境的關鍵因素，故將其初始化后的數列C0＇作為參照數列，根據公式(2) ～(5) 得到比較數列對參照數列的關聯系數和關聯度，結果見表2。

表1 待選指標原始數據

表2 待選指標與參考指標之間的關聯系數及關聯度

對表2 中各指標關聯度排序結果為: γ03＞γ08＞γ02＞γ07＞γ015＞γ05＞γ011＞γ010，這8個指標與水資源開發利用率得關聯度最高，可選入哈爾濱市水環境承載力評價指標體系。此外，由于工業廢水是城市水環境的主要污染源，是影響水環境承載力的關鍵因素，但單位廢水排放量工業產值與參照指標的關聯度卻相對較小，因此本文進一步分析了相關研究成果，并咨詢有關專家意見，最終也將其入選評價指標體系。從而構建了包含10個指標的哈爾濱市水環境承載力評價指標體系。

2.2 評價指標權重的確定

本文對篩選出的10個評價指標采用灰色關聯法［10］確定評價指標的權重。首先，構建10個評價指標的關聯數列:{ 水資源開發利用率，工業用水重復利用率，城市化水平，人均工業產值，農田灌溉面積，單位水資源灌溉面積，單位廢水排放量工業產值，人均污水排放量倒數，人均需水量倒數，供水量}。

其次，將每個指標分別作為參照指標，按公式(4) 計算比較指標對于每個參照指標的灰色關聯度，得到一個關于評價指標的關聯矩陣R。求出關聯矩陣R 中各行平均值再進行歸一化處理，最終得到各指標權重見表3。

2.3 哈爾濱市水環境承載力分析

將篩選出的評價指標及其權重代入向量模法計算公式，得到哈爾濱市2003—2006年的水環境承載力指數，見表4。

表3 哈爾濱市水環境承載力評價指標權重

表4 哈爾濱市水環境承載力指數

由表4 可見，近幾年哈爾濱市水環境承載力指數逐步上升，4 a間提高了近13.5%。分析評價指標原始值可以看出，除人均污水排放量倒數、人均需水量倒數等個別指標外，其他指標基本上呈逐年增加的趨勢，這是導致哈爾濱市水環境承載力上升的直接原因。從哈爾濱市社會經濟發展水平來看，由于積極推動產業體制改革，嚴格貫徹振興東北老工業基地等經濟政策，導致哈爾濱市工農業生產規模不斷擴大，全市國內生產總值逐年增加，人民生活質量不斷提高，使得指標x3，x4，x5，x9，均有一定增幅。另一方面，由于哈爾濱市加大水利投資力度，開發建設了磨盤山水庫作為城市供水第二水源，同時采用多種節水措施提高工業用水重復利用率和有效農灌系數，因此指標x1，x2，x6，x10，亦有所增加。在污水治理方面，工業廢水排放量得到了有效控制，指標x7，在2006年有顯著提高;然而人均污水排放量卻未能表現出同樣樂觀的發展趨勢，這說明在日常生活中，節水宣傳力度仍然不夠，污水治理措施和懲戒機制還存在不到位的地方。盡管上述各指標值差異很大，但是哈爾濱市水環境承載力整體上升的變化趨勢，反映了該市水資源和水環境系統對城市發展和社會進步的支撐能力在不斷提高。

3 結 論

灰色關聯理論應用于水環境承載力評價指標體系的構建，能夠較為客觀地反映城市水環境承載力的影響因素，較好地解決了傳統方法建立指標體系存在主觀性的問題。在指標體系確立的基礎上，利用向量模法計算水環境承載力指數，結果表明:近4 a來哈爾濱市水環境承載力呈逐年上升趨勢，但是這種提升的空間究竟有多少，這種支撐能力是否以犧牲生態環境用水為代價等問題仍需做進一步研究。

［1］FengLi-Hua，Zhang Xing-Cai，Luo Gao-Yuan. Application of system dynamics in analyzing the carrying capacity of water resources in Yiwu City，China［J］. Mathematics and Computers in Simulation，2008(79) :269－278.

［2］ZHANG Xuehua，ZHANG Hongwei，Chen Bo. Water resources planning based on complex system dynamics: A case study of Tianjin city Communications in Nonlinear［J］. Science and Numerical Simulation，2008(13) :2328－2336.

［3］Rijsberman M. A. ，van de Ven F. H. M.. Different approaches to assessment of design and management of sustainable urban water systems［J］. Environmental Impact Assessment Review，2000( 20) : 333－345.

［4］Jay Walmsley. Indicators of sustainable development for catchment management in South A frica Review of indicatorsfrom around the world［J］. Water SA，2001，27(4) :539－550

［5］Tony Prato* . Fuzzy adaptive management of social and ecological carrying capacities for protected areas［J］. Environmental Management，2009(90) :2551－2557.

［6］肖滿意，董翊立. 山西省水資源承載能力評估［J］. 山西水利科技，1998(4) :5－11.

［7］張鐵軍，陳宏峰，赫曉彥. 哈爾濱市水資源開發利用現狀調查與對策［J］. 水利科技與經濟，2004，10(4) : 222.

［8］Zhang Mingdi.The grey analysis of air quality in Shengzhen City［J］.The Journal of Grey System，1995(7):97－101.

［9］麻榮永，鄭二偉，王魁，等 基于主成分分析法的廣西水資源可持續利用綜合評價［J］. 廣西大學學報: 自然科學版，2008，33( 1) :16－19.

［10］游桂芝，鮑大忠. 灰色關聯度法在地質災害危險性評價指標篩選及指標權重確定中的應用［J］. 貴州工業大學學報:自然科學版，2008，37(6) :4－8.