基于系統(tǒng)論思想的山西省資源環(huán)境承載力綜合評價研究

摘要：基于系統(tǒng)論思想構建山西省資源環(huán)境承載力評價指標體系，采用熵值法與特爾菲法相結合的方法確定評價權重，運用GIS技術實現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)的融合。通過評價得到山西省中部、南部地區(qū)資源環(huán)境承載力處于低水平的結論。山西煤焦電冶等高能耗高污染行業(yè)的發(fā)展使資源消耗強度大，對山西省的資源環(huán)境系統(tǒng)造成了很大的影響，致使區(qū)域資源環(huán)境超出其承載力的閾值，建議以資源環(huán)境承載力為基礎進行區(qū)域功能規(guī)劃，增強研究區(qū)域可持續(xù)發(fā)展能力。

關鍵詞：系統(tǒng)論；資源；環(huán)境承載力；評價；山西省

中圖分類號：X32 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）15-3537-07

我國目前處于城鎮(zhèn)化、工業(yè)化快速發(fā)展的階段，很多地區(qū)（如山西省）將不可再生資源的勘探開發(fā)作為資源型的支柱產業(yè)，隨著持續(xù)多年的開采、人口持續(xù)增長和經濟社會的快速發(fā)展，不可再生資源逐漸枯竭、區(qū)域資源短缺日趨演化為不可忽視的問題[1]。資源衰退、環(huán)境惡化的演化態(tài)勢必然會影響區(qū)域經濟的快速發(fā)展，成為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展與和諧社會構建的巨大阻礙[2]。山西省作為典型的資源型地區(qū)之一，長期以來以礦產資源的開發(fā)利用為主要產業(yè)，期間人為的資源開發(fā)活動對區(qū)域環(huán)境也造成了較大的影響。資源短缺與環(huán)境問題已成為限制該地區(qū)社會經濟可持續(xù)發(fā)展的阻礙，研究該區(qū)域的資源環(huán)境承載力對于促進當?shù)厣鐣洕行颉⒊掷m(xù)地發(fā)展具有重要的指導意義。

系統(tǒng)論思想是在20世紀30年代由美籍奧地利人、理論生物學家貝塔朗菲（Bertalanffy L. Von.）提出的，其核心思想是系統(tǒng)的整體性觀念。系統(tǒng)論的基本方法是以研究對象為系統(tǒng)，分析其功能和結構，探索要素、系統(tǒng)和環(huán)境之間的聯(lián)系及其變動規(guī)律，以系統(tǒng)視角看問題，系統(tǒng)具有普遍存在性[3]。本研究是在系統(tǒng)分析山西省資源環(huán)境特點和現(xiàn)狀的基礎上，建立研究區(qū)域資源環(huán)境承載力綜合評價指標體系，對區(qū)域進行資源環(huán)境承載力綜合評價。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

山西省的地理坐標為北緯34°34′-40°43′，東經110°14′-114°33′。南北長約550 km，東西寬約290 km，總面積15.63萬km2。轄11個地級市、85個縣、11個縣級市。

1.1.1 資源現(xiàn)狀 山西省以其豐富的煤炭資源和鋁土礦等礦產資源、全國最大的焦炭生產基地和重要的電力生產供應基地在全國工業(yè)的總體布局中占有重要的地位。山西省支柱產業(yè)——特別是煤炭、焦炭、電力、冶金、化工、建材等高耗能、高污染行業(yè)過度依賴能源資源消耗，造成了嚴重的水資源短缺、環(huán)境污染和生態(tài)惡化，導致山西經濟社會發(fā)展遭遇能源資源困境和環(huán)境承載力的約束。目前山西煤炭產量、焦炭產量、外輸電量、鎂合金產量、不銹鋼產量等眾多居全國第一的產業(yè)規(guī)模優(yōu)勢遭遇到越來越大的資源發(fā)展困境。

1.1.2 環(huán)境現(xiàn)狀 山西煤炭工業(yè)對環(huán)境造成的災害是多方面的，以水資源破壞、土地塌陷、煤矸石堆積最為嚴重。不同的開采模式對生態(tài)環(huán)境造成的影響是不同的，傳統(tǒng)采煤模式主要有井工開采和露天開采兩種[4]。井工開采對土地資源的破壞以地表塌陷和矸石山壓占為主，對水資源的破壞主要是改變地下煤系含水層及其上部含水層中地下水原有的循環(huán)運移條件，引起地下水位下降，從而產生一系列水環(huán)境生態(tài)問題；露天開采對土地資源的損害以直接挖損和外排土場壓占為主，主要是水資源破壞淺層水系，形成凹坑，在地質構造地表、地下水的作用下還容易誘發(fā)塌陷、滑坡和水土流失等地質災害。

1.2 數(shù)據(jù)來源

文中涉及的數(shù)據(jù)來源于2010年《中國國土資源統(tǒng)計年鑒》、2010年《中國縣（市）社會經濟統(tǒng)計年鑒》、《山西省礦產資源總體規(guī)劃》（2008-2015年）、《全國主體功能區(qū)規(guī)劃》（2010-2020）、《全國礦山地質環(huán)境保護與治理規(guī)劃》、《2009年山西省環(huán)境質量公報》及其他相關權威數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)涵蓋礦產資源、水資源、土地資源、地質環(huán)境、水環(huán)境、大氣環(huán)境、生態(tài)環(huán)境等各方面。

1.3 指標體系構建

資源環(huán)境就是一個復雜的、受多種因素影響的系統(tǒng)，系統(tǒng)內部各子系統(tǒng)或各要素之間相互作用。資源環(huán)境承載力系統(tǒng)內部主要涉及資源要素和環(huán)境要素，由于系統(tǒng)之間要素作用的相互傳遞，單要素對資源環(huán)境綜合承載力有著直接影響[5]。同時由于單要素對資源環(huán)境承載力的作用大小不同，作用方向也不同，因此從某種意義上講，由于單要素對資源環(huán)境承載力的影響作用之間的彼此中和反而會削弱要素對資源環(huán)境綜合承載力的客觀性和準確性，有必要逐個對單要素進行具體分析[6]。

從系統(tǒng)論思想出發(fā)，根據(jù)評價系統(tǒng)所包含的要素建立區(qū)域資源環(huán)境承載力評價指標體系，并對每個子系統(tǒng)進行指標的選擇。在綜合分析資源環(huán)境承載力與社會經濟可持續(xù)發(fā)展的關系以及區(qū)域資源環(huán)境承載力的主要影響因素的基礎上，以資源環(huán)境承載力理論為依托，遵循科學客觀、全面簡潔、動態(tài)實用、定量和定性相結合、綜合性及典型性等原則，遴選綜合評價指標因子[7]。

各影響因子對區(qū)域的資源環(huán)境承載力均產生不同程度的影響。為了確保指標選取的科學性和合理性，采用線性回歸方法，以最小二乘法對指標間進行多重共線性分析。同時考慮被選指標數(shù)據(jù)的可獲得性，經過初步篩選，最終確定12個指標（表1）。

1）礦產資源保障程度。礦產資源保障程度=區(qū)域某礦種查明資源儲量/全省該礦種查明資源總儲量。該指標反映了該區(qū)某種礦產資源在全省的重要程度和對區(qū)域經濟發(fā)展的保障程度，與資源環(huán)境系統(tǒng)呈正相關關系。此處取各礦種礦產資源保障度的最大值為區(qū)域的總體保障度。

2）礦產資源儲量潛在價值。礦產資源儲量潛在價值=主要礦種的儲量×礦產品價格。該指標反映了國土資源的經濟可采儲量（或其生產能力）對經濟社會發(fā)展的支持能力，與資源環(huán)境系統(tǒng)呈正相關關系。

3）人均水資源量。人均水資源量=水資源總量/行政區(qū)總人口。該指標反映了該區(qū)域人均水資源量的保障程度，與資源環(huán)境系統(tǒng)呈正相關關系。

4）水資源開發(fā)利用率。水資源開發(fā)利用率=用水量/水資源總量。該指標反映了區(qū)域水資源開發(fā)利用的程度，與資源環(huán)境系統(tǒng)呈正相關關系。

5）人均糧食產量。人均糧食產量=糧食總產量/行政區(qū)總人口。該指標通過建立人與耕地之間的關系，間接反映了耕地生產能力所能承載的人口總數(shù)，與資源環(huán)境系統(tǒng)呈正相關關系。

6）人均可利用土地面積。人均可利用土地面積=（適宜建設用地面積-已有建設用地面積-基本農田保護區(qū)面積）/常住人口。該指標綜合考慮區(qū)域的地質、地形、地貌、水域以及各類保護區(qū)的空間分布及土地利用分布現(xiàn)狀等多種因素，反映了區(qū)域建設用地承載能力，與資源環(huán)境系統(tǒng)呈正相關關系。

7）礦山開發(fā)環(huán)境影響程度。礦山開發(fā)環(huán)境影響程度=MAX f（S1，S2，…，Sn）t·R，其中S1，S2，…，Sn代表活動構造不穩(wěn)定性、地質災害危險性等影響承載力的因子指數(shù)；t為時間因子；R為區(qū)域范圍。礦山開發(fā)環(huán)境影響程度依據(jù)地質災害危險性、地質地貌景觀影響破壞程度、危害對象的重要性、損失大小與治理難易等因素進行分級，與資源環(huán)境系統(tǒng)呈負相關關系。

8）水環(huán)境承載力指數(shù)。水環(huán)境承載力指數(shù)=（水環(huán)境容量-水系污染物排放總規(guī)模）/水環(huán)境容量。該指標是反映水環(huán)境質量水平的重要依據(jù)，與資源環(huán)境系統(tǒng)呈正相關關系。

9）空氣質量達標率。空氣質量達標率=區(qū)域城市空氣質量Ⅱ級以上天數(shù)/365。該指標可體現(xiàn)我國城市化發(fā)展集中區(qū)對主要空氣污染物承受的底限和規(guī)模控制水平，與資源環(huán)境系統(tǒng)呈正相關關系。

10）二氧化硫排放量。二氧化硫排放量=區(qū)域污染性氣體二氧化硫的排放量。該指標反映了區(qū)域污染物的排放程度，從側面反映著區(qū)域大氣環(huán)境的良好程度，與資源環(huán)境系統(tǒng)呈負相關關系。

11）生態(tài)脆弱性。生態(tài)脆弱性=MAX{[土壤侵蝕脆弱性]，[石漠化脆弱性]，[其他生態(tài)系統(tǒng)脆弱性]}。其中土壤侵蝕脆弱性主要是指水力侵蝕，風力侵蝕可包含在沙漠化脆弱性之中。生態(tài)環(huán)境承載力可以通過生態(tài)脆弱性來反映，與資源環(huán)境系統(tǒng)呈負相關關系。

12）生態(tài)重要性。生態(tài)重要性=MAX{[森林生態(tài)重要性]，[生物多樣性保護重要性]，[湖泊濕地生態(tài)重要性]，[其他生態(tài)系統(tǒng)重要性]}。生態(tài)重要性與資源環(huán)境系統(tǒng)呈正相關關系，與生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合表征全省各區(qū)域生態(tài)環(huán)境承載力。即生態(tài)功能越重要、生態(tài)環(huán)境越脆弱的地區(qū)，生態(tài)環(huán)境承載力越低，對于資源開發(fā)的限制程度越高。

1.4 資源環(huán)境承載力評價方法

1.4.1 熵值法 熵是衡量不確定性的一個統(tǒng)計載體。信息量與熵成反比，信息量越大熵就越小，反之熵越大。據(jù)此可以判斷某個指標的離散程度，離散程度越大則該指標對綜合評價的影響越大[8]。方法如下。

1）假設全省的縣級行政單位數(shù)為n，評價指標數(shù)為m，則xij（i=1，2…，n；j=1，2，…，m）為第i個縣的第j個指標的數(shù)值。

2）對指標進行標準化處理。此處選用極差標準化方法，公式為：

x′ij=■

（1）

則x′ij（i=1，2…，n；j=1，2，…，m）為第i個縣的第j個指標的數(shù)值。為方便起見，仍記數(shù)據(jù)x′ij=xij。

3）計算第j項指標下第i個縣占該指標的比重：

pij=■，（i=1，2…，n；j=1，2，…，m） （2）

4）計算第j項指標的熵值：

ej=-k■pijln（pij），其中，k>0，k=1/ln（n），ej≥0

（3）

5）計算第j項指標的差異系數(shù)。指標值的差異越大，對方案評價的影響就越大，熵值就越小，差異系數(shù)計算如下：

gj=■，式中Ee=■ej，0≤gi≤1，■gi=1（4）

6）權重確定：

Wj=■（1≤j≤m） （5）

1.4.2 特爾菲法 邀請20位相關研究領域的教授和博士，對每個評價指標對上一級指標的作用大小進行打分，經過反復幾輪征詢意見，最終確定各評價指標的權重。計算公式如下：

Wi=■■Eij（6）

式中：Wi為第i項指數(shù)、分指數(shù)、分指數(shù)指標權重；Eij為專家j對于第i個目標、子目標或指標的打分；n為專家總數(shù)。

1.4.3 綜合確定權重 客觀方法（熵值法）計算出的權重未考慮到研究區(qū)域當?shù)氐膶嶋H情況，不能準確地識別各因素對區(qū)域資源環(huán)境承載力的影響程度高低；主觀方法（特爾菲法）計算出的權重雖較為符合研究區(qū)域的實際情況，但未免過于主觀，若能結合客觀事實綜合評定區(qū)域資源環(huán)境承載力則最佳。因此，采用兩者相結合的方法來確定綜合評價權重，取客觀權重值40%、主觀權重值60%的比重計算綜合權重。公式如下：

Wj=（Wj1×40%+Wj2×60%） （j=1，2，...，m） （7）

其中Wj1為熵值法確定的權重，Wj2為特爾菲法確定的權重，Wj即為綜合權重。

1.5 評價模型的確定

評價思路為：①以縣級行政區(qū)為評價單元；②測算單指標數(shù)值，進行數(shù)據(jù)無量綱化，根據(jù)評價權重及評價模型計算評價分值，根據(jù)確定單指標等級劃分標準，將單指標評價分值分為若干等級，分別代表高、較高、一般、較低、低等級別；③運用GIS技術將測算結果錄入到全省縣級行政區(qū)劃圖斑層屬性表中，實現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)的融合，并生成單指標評價等級圖。

采用加權平均法，根據(jù)各指標的權重值和標準化后的指標值，加權求和得到資源環(huán)境承載力評價單元總分值。評價過程如下。

假設在評價中選取m個因素，每個因素包括n個因子，則綜合評價單元內某個因素的分值等于j個因子分值的加權和。計算公式如下：

Pi=■FjWj （8）

式中，Pi為因素i的分值，F(xiàn)j為該因素中j因子的分值，Wj為j因子的權重值。

設P為資源環(huán)境承載力評價單元總分值，Wi為i因素權重值，則該單元總分值為：

P=■PiWi（9）

將Pi代入，得：

P=■■FjWjWi（10）

對單指標評價分值進行分級時，采用快速聚類法進行分級。數(shù)據(jù)首先被初始分類，接下來經過逐步調整得到最終的分類。快速聚類分析以距離為樣本間親疏程度的標志，實質是K-Means聚類。根據(jù)快速聚類分析結果，以縣級為評價單元，對全省進行等級劃分，得到各種類型評價等級分布圖，并將相關數(shù)據(jù)導入MAPGIS圖斑屬性結構中生成評價等級分布圖。

2 結果與分析

2.1 權重的確定

結合客觀方法（熵值法）和主觀方法（特爾菲法），計算出的綜合評價權重如表2所示。資源承載力的綜合權重為0.64，其中礦產資源保障程度和人均水資源量權重最高，均為0.18；人均可利用土地面積權重最低，為0.04。環(huán)境承載力的綜合權重為0.36，其中礦山開發(fā)環(huán)境影響程度權重最高，為0.12；二氧化硫排放量和生態(tài)脆弱性權重最低，均為0.03。

2.2 單指標評價

2.2.1 礦產資源承載力 全省礦產資源承載力較低的地區(qū)多于較高的地區(qū)（圖1）。大同市北部、忻州市西部、晉中市西部、長治市北部、臨汾市西部等地區(qū)的礦產資源保障度較低，其礦產資源需求不能被保障的趨勢愈來愈明顯。

2.2.2 水資源承載力 全省的水資源承載力普遍較低且分布不均，這與山西省水資源的特征也有很大關系（圖2）。山西省是全國水資源匱乏的地區(qū)之一，其降水量和河川徑流量在年內分配不均勻且年際變化大，豐枯變化懸殊，常出現(xiàn)連年干旱和連年豐水情況。加之全省工礦業(yè)對水資源的破壞和污染，加劇了山西省水資源承載力低的狀態(tài)。

2.2.3 土地資源承載力 全省土地資源承載力級別分布不均，市區(qū)的土地資源承載力普遍相對較低（圖3）。土地資源承載力較低的地區(qū)應著重發(fā)揮其土地資源效益，努力提高區(qū)域土地資源承載力水平。

2.2.4 地質環(huán)境承載力 全省地質環(huán)境承載力高的地區(qū)多于承載力低的地區(qū)（圖4）。后者集中分布在西部、中部、東部和南部少數(shù)地區(qū)，大多是因采礦導致的地質環(huán)境破壞。只有制定嚴格的礦山環(huán)境保護和恢復治理制度才能夠提高全省的地質環(huán)境承載力。

2.2.5 水環(huán)境承載力 全省的水環(huán)境承載力普遍較高，水環(huán)境承載力低的地區(qū)集中分布在市區(qū)中心如大同市、太原市、運城市區(qū)（圖5）。這些地區(qū)的工業(yè)廢水和生活污水排放量相對較多，因而對水環(huán)境造成的污染程度自然也較大。要提高這些地區(qū)的水環(huán)境承載力必須嚴格控制工業(yè)廢水和生活污水的排放。

2.2.6 大氣環(huán)境承載力 全省大氣環(huán)境承載力低水平區(qū)主要分布在太原市、大同市、朔州市、晉城市、陽泉市、臨汾市等地區(qū)（圖6）。主要因為這些地區(qū)的礦業(yè)污染性氣體排放及煤矸石自燃排放有害氣體及煙塵污染空氣，造成其空氣質量低下。必須對工礦企業(yè)的污染物排放量實施更加嚴格和規(guī)范的監(jiān)管以提高全省的大氣環(huán)境承載力水平。

2.2.7 生態(tài)環(huán)境承載力 山西省生態(tài)環(huán)境承載力高的地區(qū)多于承載力低的地區(qū)（圖7）。大同市、朔州市、忻州市等地區(qū)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)較為脆弱，對煤炭開采產生的生態(tài)破壞等的消納能力有限，表明這些地區(qū)人類消耗對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的影響遠超出其生態(tài)環(huán)境承載力的閾值。要提高區(qū)域的生態(tài)環(huán)境承載力，應避免因人類活動給生態(tài)系統(tǒng)造成的功能損耗。

2.3 綜合評價

2.3.1 資源承載力 全省資源承載力較低的地區(qū)略多且分布集中，朔州市北部、呂梁市東部、晉城市西部和運城市明顯呈現(xiàn)出較低的資源承載力狀態(tài)；西北部、東南部資源承載力相對較高（圖8）。結合單指標評價的結果來看，山西省資源承載力與水資源和礦產資源的關系密切相關，受水資源的限制作用尤為明顯。同時，對于以礦業(yè)為主導產業(yè)的山西省而言，其礦產資源對社會經濟的發(fā)展貢獻很大，因而資源承載力也在很大程度上受礦產資源承載力的影響。

2.3.2 環(huán)境承載力 全省環(huán)境承載力低的地區(qū)幾乎都分布在各大城市市區(qū)及其周邊（圖9）。山西省支柱產業(yè)礦業(yè)的開發(fā)對當?shù)氐牡刭|環(huán)境、水環(huán)境、大氣環(huán)境和生態(tài)環(huán)境都造成了不同程度的影響，因而總體環(huán)境承載力水平的體現(xiàn)是由以上各種影響共同造成的。大部分市區(qū)的環(huán)境承載力較低，可見這與人群密度和人類干預環(huán)境系統(tǒng)的活動強度有很大的關系。

2.3.3 資源環(huán)境承載力 忻州市、陽泉市、晉中市、長治市、臨汾市等中部、南部地區(qū)資源環(huán)境承載力處于低水平（圖10）。因這些地區(qū)的高能耗高污染行業(yè)規(guī)模和強度相對其他地區(qū)大得多，可見全省資源環(huán)境承載力水平與山西煤焦電冶等高能耗高污染行業(yè)的發(fā)展存在很大關系。從資源方面講，承載力低的地區(qū)高能耗高污染行業(yè)的發(fā)展使資源消耗強度大，礦產資源、水資源和土地資源承載力下降，有不同程度的超載；從環(huán)境方面講，造成了地質環(huán)境、水環(huán)境、大氣環(huán)境和生態(tài)環(huán)境承載力弱化，加重了環(huán)境系統(tǒng)紊亂、失衡的狀態(tài)。這些方面的累加對山西省的資源環(huán)境系統(tǒng)造成了很大的影響，致使諸多區(qū)域資源環(huán)境超出其承載力的閾值。

3 結論與討論

首先，山西省多數(shù)水資源已充分開發(fā)利用，再開發(fā)潛力極小。建設新的大型冶金企業(yè)必須首先考慮當?shù)氐墓┧芰Γ绕涫窃谔袇^(qū)、大同市區(qū)、運城市區(qū)、陽泉市區(qū)、長治市區(qū)等供水能力嚴重不足的地區(qū)，不宜再布局大型冶金項目。對于已布局的工業(yè)項目要通過產業(yè)結構調整和工業(yè)內部調整，降低水資源消耗量，緩解采補失衡程度。水環(huán)境承載力低的地區(qū)、河流源頭地區(qū)以及城市取水地區(qū)應禁止布局大型耗水工業(yè)項目和高污染項目，各大城市和工業(yè)區(qū)在確保地下水位基本穩(wěn)定的前提下布局工業(yè)項目。

其次，對于環(huán)境承載力較低的運城市、臨汾市等地區(qū)，對現(xiàn)有工業(yè)加強環(huán)境治理的同時，不能再布局新的大型重化工業(yè)項目，長治市、忻州市等地區(qū)要實現(xiàn)新建重化工業(yè)項目不增加污染指數(shù)，其他地區(qū)新布局重化工業(yè)項目的水資源消耗和污染排放必須在與現(xiàn)有工業(yè)等量置換的范圍內。

再次，全省各級自然保護區(qū)、林區(qū)和重點旅游區(qū)，已遭受嚴重破壞的生態(tài)恢復區(qū)，流經城市河流的上游區(qū)域，溶巖大泉附近區(qū)域以及大型水庫附近區(qū)域都應劃為限制重化工業(yè)發(fā)展及嚴格限制工業(yè)“三廢”排放的區(qū)域。

最后，對于緊缺的優(yōu)質礦產資源也應進行保護性開采，劃定限采區(qū)和限采礦種。鋼鐵工業(yè)除大型現(xiàn)代化項目以外，不再上新項目。對于不合理、不經濟的冶金工業(yè)布局特別是上游工業(yè)布局應及時取締，以免造成對礦產資源的惡性爭奪和破壞。

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