基于層次分析-模糊綜合評價模型的東遼河流域水環境承載力評價

程兵芬，羅先香，王 剛

(1.中國海洋大學環境科學與工程學院，山東 青島 266100;2.中國水利水電科學研究院水資源研究所，北京 100038)

人多水少、水資源分布不均、水資源與生產力分布不相匹配是我國的基本國情和基本水情，長期以來形成的水資源過度開發、粗放利用、污染嚴重、生態惡化的狀況未有根本改變，水資源問題仍然是制約可持續發展的主要瓶頸[1]。水環境承載力WECC(water environment carrying capacity)是人們在對社會可持續發展與水環境相互關系有了較深刻認識的基礎上被提出來的[2]，指某一地區、某一時期、某個狀態下的水環境條件對該地區的經濟活動和生活需求的支持能力[3]，它的大小是決定社會經濟可持續發展及其規模的一個重要因素。目前對水環境承載力的研究主要集中在國內，國外的專門研究還比較少，尚未形成統一的概念和完善的理論體系，研究方法多樣化，但缺乏對水環境承載力動態性的兼顧，需進一步完善[2，4]。東遼河是吉林省主要河流之一，流域內資源型缺水和水質型缺水共存，水資源供需矛盾比較突出。國民經濟用水對河道生態用水的過度擠占、嚴重超采地下水等不合理的開發利用活動造成河流干涸、斷流以及生態環境的不斷惡化，對流域的可持續發展構成了嚴重威脅[5]，因此，評價該流域的水環境承載能力對區域水資源的持續利用與實現社會、經濟、環境等的協調發展具有重要的現實意義[6]。筆者采用層次分析-模糊綜合評價模型對吉林省區域內東遼河河段的水環境承載力進行評價，為東遼河流域的治理及可持續發展提供理論支撐。

1 研究區概況

東遼河流域位于吉林省的西南部，流域面積為1450 km2，地跨遼源市、東遼縣、梨樹縣、雙遼市后進入遼寧省境內，在富德店與西遼河匯合，是遼河流域的三級流域。依據地形特點，自東向西將東遼河分為山地、丘陵和平原。東遼河流域處于半濕潤中溫帶大陸性季風氣候，四季分明，多年平均氣溫3.8℃，多年平均降雨量470～700 mm，主要集中在6—8月，降雨量約占年降水量50%以上。東遼河流域是吉林省重要的商品糧基地，現有耕地面積43.48萬hm2，其中水田5.70 萬 hm2，旱田 37.78 萬 hm2(含水澆地3.28萬 hm2)，年均供水量中，農業供水量占85.7%。二龍山水庫為保證四平市居民生活用水和工業生產用水，不得不減少農業供水規模，已先后停止向3個萬畝以上灌區供水，水資源開發量也已超過水資源可利用量的58.3%[5]，水資源供需矛盾嚴重制約著流域社會經濟的可持續發展[5，7]。

2 水環境承載力評價模型

水環境承載力評價的影響因子多、復雜且難以量化，涉及范圍廣，是一種典型的多指標決策、評價問題。模糊綜合評價是一種常用的定性分析與定量分析綜合集成的方法，客觀、準確的確定各指標的權重是其研究的難點之一[8-9]。層次分析法(AHP)是20世紀70年代中期由美國學者Saaty等[10]創立的一種能用來處理復雜的社會、政治、經濟、科學技術等決策問題的新方法，也是一種定量與定性相結合的評價方法，在判斷目標結構復雜且缺乏必要數據的情況下，能把其他方法難以量化的評價因素通過兩兩比較加以量化，把復雜的評價因素構建為層次結構，有效確定多因素指標的相對重要程度，計算權值，確定關鍵影響因素，比較適合復雜的模糊綜合評價系統。

層次分析-模糊綜合評價模型是指用層次分析方法確定各個評價指標的權重，然后通過模糊綜合評價的方法來評價水環境承載力。具體步驟為:①構建評價指標體系;②運用9級標度準則(表1)比較各個因子的相對重要性構建判斷矩陣，計算各因子相對于上層因子的權重并進行一致性檢驗，若不符合一致性檢驗就對矩陣進行調整，直到滿意為止[8];③逐層推算出各個指標因子對于總目標層的權重向量W;④構建評價集合U及評價等級集合V[9];⑤確定從U到V的模糊關系矩陣R[9];⑥運算得到子目標的綜合評價矩陣B=WR，將B歸一化后與評價向量V相乘，得到水環境承載力的綜合評價指數。

表1 判斷矩陣標度準則

3 模型應用

3.1 東遼河流域水環境承載力指標體系

平衡社會環境和水環境承載力之間的相互關系是當今社會經濟發展的需要，而指標體系的建立可以量化承載主客體之間相互關系的大小[11]，因此指標的選取需反映出水環境的自然屬性以及人類活動的影響，即水環境的功能。近年來，隨著社會經濟的發展，人類對水資源的需求及影響增加，東遼河流域的水量大幅度減少，加之干旱的影響以及生態環境的惡化，使得東遼河流域水資源的供需矛盾日漸突出。根據指標層篩選的完整性、簡明性、層次性、可比性和動態性[12-16]原則確定指標層，建立評價東遼河流域水環境承載力的指標體系(圖1)。

圖1 水環境承載力評價指標體系

3.2 單一準則下各指標的權重確定

3.2.1 A-Bi層指標權重計算

根據上述方法，對應準則A、B層得判斷矩陣如表2所示。

表2 A-Bi的判斷矩陣

根據表2計算出判斷矩陣的最大特征值λmax=3.0092，特征向量 W=(W1，W2，W3)T=(0.174 4，0.6337，0.191 9)T，其一致性指標0.0046，平均隨機一致性指標 RI=0.58，一致性比例 CR=CI/RI=0.0079 ＜0.1。因此，判斷矩陣具有滿意的一致性，符合要求。

3.2.2 B-C層、C層單排序及一致性檢驗

采用同樣的方法，可得到C層對B層的相對權重，并進行一致性檢驗(表3)，最后得出各指標的權值。

表3 各要素層對于相應各評價層的特征向量及一致性檢驗

3.2.3 層次總排序結果

各評價指標的權重及排序見表4。

表4 各評價指標的權重及排序

3.3 模糊綜合評價

水環境承載力評價等級分為“差、較差、一般、較好、好”5個級別，對應的評價范圍分別為0～0.2、0.2 ～ 0.3、0.3 ～ 0.7、0.7 ～ 0.8、0.8 ～ 1.0。U 為水環境承載力的因素集合，即 U={C1，C2，C3，C4，C5，C6，C7，C8，C9，C10，C11，C12，C13}，依據當前東遼河流域吉林省內的現狀，及東遼河水環境承載力評價等級 V={0.1，0.25，0.5，0.75，0.9}，得 U 到 V 模糊判斷矩陣模糊綜合評判的數學模型為B=WR=(0.257 4，0.3633，0.2643，0.0778，0.0372)，對 B 進行歸一化處理得 B'=(0.257 4，0.363 3，0.264 3，0.077 8，0.0372)，將B'與模糊評判向量V相乘得出綜合評價結果即G=B'VT=0.3407，根據模糊評價等級，得東遼河的水環境承載力為“一般”。

4 結語

通過層析分析-模糊綜合評價模型對東遼河流域的水環境承載力進行了評價，得綜合指數為0.3407，承載力為“一般”，且接近較差的評價等級。由表4可見，年均供水量(0.335 4)、水資源開發利用率(0.1699)和水污染指數(0.1045)對東遼河水環境承載力的影響較大。近年來，隨著社會經濟的發展，人們對水資源的需求不斷增加，加之氣候變化的影響，使得水量已經大幅度減少的東遼河流域供需矛盾越發突出。為了保證流域社會經濟的健康、快速發展，必須提出可持續發展的治理方案，結合本文的研究結果，對東遼河流域的治理提出幾點建議。

a.水資源的優化配置。東遼河流域是吉林省重要的商品糧基地，隨著城市化的進程，農業用水與城市用水、生活用水的矛盾已日益突出。應采取以下措施:①推廣先進的灌水技術，提高灌溉效率，減少農業用水;②推行節水、生態、高效和綠色的農業發展道路;③發揮水價在水資源配置中的作用，提高人們的節水意識，支持東遼河流域水資源的合理開發和高效利用;④優化工農等各行業的用水結構。

b.加強水污染的監測和治理。東遼河水質污染情勢嚴峻，對供水安全已經產生很大的威脅，必須進一步加強對東遼河的監控和治理:①發展綠色農業，控制化肥和農藥進入流域的量;②推動污水資源化，降低污染大戶污水排放量，加大城市工業生產污水和居民生活廢水的處理力度，力爭實現達標排放。c.增加外調水源。本著開源節流的原則，在節水的基礎上，也要增加開源的渠道。東遼河流域是水資源缺乏的河流，節水和污水回用的能力有限，為滿足社會經濟發展和人民生活的需求，可以進行區域和水域間的水量調配，促進流域的可持續發展。

[1]陳雷.落強責任 強化措施 強力做好水庫安全度汛工作:在全國水庫安全度汛視頻會議上的講話[J].中國防汛抗旱，2010(3):5-7.

[2]李川.水環境承載力量化方法的研究進展[J].環境科學與管理，2008，33(8):66-69.

[3]張文國，楊志峰.基于指標體系的地下水環境承載力評價[J].環境科學學報，2002，22(4):541-544.

[4]趙衛，劉景雙，孔凡娥.水環境承載力研究評述[J].水土保持研究，2007，14(1):47-50.

[5]尹華，董晨陽，劉適博，等.東遼河流域吉林省境內水環境污染現狀及防治措施研究[J].長春理工大學學報:自然科學版，2010，33(3):111-114.

[6]何俊仕，劉洋，韓宇舟，等.遼河流域水資源承載能力評價研究[J].中國環境科學，2008，28(4):24-27.

[7]夏本臣，劉艷，孫爽，等.東遼河流域農業產業結構優化及對策[J].東北水利水電，2009，27(11):3-5.

[8]李靖，周孝德，吳文娟.層次分析法在水環境承載力評價中的應用[J].水利科技與經濟，2008，14(11):866-869.

[9]金菊良，魏鳴，丁晶.基于改進層次分析法的模糊綜合評價模型[J].水利學報，2004(3):65-70.

[10]SAATY T L，BENNETT J P.A theory of analytical hierarchies applied to political candidacy[J].Behavioral Science，1977(22):237-245.

[11]彭靜，李翀，廖文根，等.水環境可持續承載評價方法及實證研究[J].中國人口資源與環境，2006，16(4):55-59.

[12]李如忠.基于指標體系的區域水環境動態承載力評價研究[J].中國農村水利水電，2006(9):42-46.

[13]蔣曉輝，黃強，惠泱河，等.陜西關中地區水環境承載力研究[J].環境科學學報，2001，21(3):312-317.

[14]劉啟民，張晨嵐，林錦美，等.廈門城市水環境承載力綜合指標體系評價[J].華僑大學學報:自然科學版，2008，29(1):94-96.

[15]趙衛，劉景雙，蘇偉，等.遼寧省遼河流域水環境承載力的多目標規劃研究[J].中國環境科學，2008，28(1):73-77.

[16]房睿，謝海燕，王純利.瑪納斯河流域水環境承載力評價指標體系研究[J].水利科技與經濟，2010，16(8):841-844.