基于層次分析法的遼河流域水環境承載力評價指標體系研究

朱悅

（ 遼寧省生態環境保護科技中心，遼寧沈陽 110161）

1 引言

水環境承載力作為區域水環境安全的一個基本度量，是服務和助推生態文明建設的重要方面。而科學合理地構建水環境承載力指標體系并確定其權重能夠保證區域水環境承載力定量化評價的準確度。因此， 深入開展遼河流域水環境承載力指標體系研究，對科學有效管理遼河流域水環境，改善水環境保護措施， 促進遼寧省經濟發展戰略實施和產業結構調整具有重要意義。

2 研究背景

承載力， 是衡量人類活動與自然生態環境間相互關系的一個科學概念［1-2］，最早出自生態學［3］。 近年來，眾多學者圍繞資源、環境、生態等方面，從不同的側重點出發， 提出各自的承載力概念及其變化趨勢［4-9］。“ 十三五”期間，基于生態文明理論的發展，水體的承載能力在水生態承載力和水環境容量的基礎上得以擴展和延伸， 基于水資源—水環境—水生態的“ 三水”復合系統研究開始被用于全面綜合地評價流域水環境承載力。

當前，遼河流域承載力研究基礎相對薄弱，前人多從水資源［10］、水環境［11］、水生態［12］單方面進行探索，缺乏在“ 三水”層面上綜合全面評估其水環境承載力。

為全面診斷遼河流域控制單元水環境狀況，本研究擬從“ 水環境—水生態—水資源”即“ 三水”內涵出發，構建遼河流域水環境承載力評價指標體系，并運用層次分析法確定其指標權重， 以期為遼河流域水環境承載力科學定量評估提供理論基礎與技術支撐。 水環境承載力系統結構見圖1。

圖1 水環境承載力系統結構

3 水環境承載力評價指標體系

3.1 指標體系構建原則

水環境承載力的評價對象是一個由人類和水環境組成的復雜系統，因此指標體系是由多變量組成的。一般而言，指標體系的建立要遵循以下幾個原則［13］。

3.1.1 全面性原則

選取的指標體系應包含水環境承載力的內涵，盡量充分反映水資源、水環境、水生態、經濟、社會等方面的狀況。只有遵循全面性原則，才能使評價工作更科學、更準確。

3.1.2 科學性原則

在正確的理論指導下， 選取的指標應既能正確表達基本概念，又能保證符合邏輯結構且能嚴謹、合理地表達評價對象的客觀性質。 只有保證指標的科學性， 才能對水環境承載力的客觀實際描述得更清楚、簡練，更符合實際。

3.1.3 區域性原則

環境承載力在不同空間、 時間上具有較大的差異性，而統一的標準在衡量不同區域環境承載力時，難以充分發揮各地特點。 因此，建立指標體系時，應包含反映區域特色的指標， 即使在相同層次的指標體系中， 環境承載力指標體系也應盡可能反映區域間的差別。

3.1.4 實用性原則

指標選取盡量使用量化指標， 要考慮指標獲得的可比性，包括時間上和空間上的可比性。 同時，選擇的指標要在一定時期內相對穩定，計算簡便，有較強的可操作性和應用性。

3.1.5 動態化原則

水環境承載力是動態發展的變量， 由于影響環境的因素始終隨時間及周圍條件的變化而隨機變化，因此，選取的指標應盡可能體現評價目標的動態性特點。

3.2 評價指標體系構建

根據遼河流域控制單元的水環境特征， 本文基于水環境承載力最新內涵， 采取目標—準則—指標層級關系框架， 兼顧指標科學性、 全面性等選取原則，結合國家“ 三線一單”管控需求以及多領域專家經驗判斷，構建了遼河流域水環境承載力指標體系。

該指標體系圍繞“ 水環境、水生態、水資源承載力”三大準則、“ 水環境納污、水環境凈化、水生生境、水生生物、水資源稟賦、水資源利用”六大目標，最終提出16 個代表性水環境承載力評估指標。指標體系見表1。

表1 遼河流域控制單元水環境承載力評估指標體系

3.2.1 水環境準則層（ B1）

從水環境納污和水環境凈化兩方面選取指標，其中：

（ 1）水環境納污相關指標：包括工業增加值排污強度（ C1）、農業增加值排污強度（ C2）、第三產業增加值排污強度（ C3）、環境容量利用率（ C4）、固定源在線監測達標率（ C5）等5 個指標；

（ 2）水環境凈化相關指標：包括斷面水質年達標率（ C6）、斷面水質在線數據達標率（ C7）等2 個指標。

3.2.2 水生態準則層（ B2）

從水生生境提供、 水生生物棲息兩方面選取指標，其中：

（ 1）水生生境提供相關指標：包括生態流量保證率（ D1）、藻類多樣性指數（ D2）、河岸帶植被覆蓋率（ D3）等3 個指標。

（ 2）水生生物棲息相關指標：包括大型底棲動物BI 指數（ D4）1 個指標。

3.2.3 水資源準則層（ B3）

從水資源稟賦和水資源利用兩方面選取指標，其中：

（ 1）水資源稟賦相關指標：包括人均水資源量（ E1）、水資源模數（ E2）、水資源開發利用率（ E3）等3個指標。

（ 2）水資源利用相關指標：包括萬元GDP 用水量（ E4）、降水變異系數（ E5）等2 個指標。

3.3 評價指標權重確定

層次分析法是美國運籌學家匹茨堡大學教授薩蒂于20 世紀70 年代初提出的一種層次權重決策分析方法。 該方法利用較少的定量信息使決策的思維過程數學化，從而為多目標、多準則或無結構特性的復雜決策問題提供簡便的決策方法。 本文利用層次分析法確定水環境承載力評價指標體系中各指標的權重。 采用1～9 標度法對同層次的各元素進行兩兩比較，確定各個因素相對重要性，構建判斷矩陣。 利用matlab 計算判斷矩陣的最大特征值， 同時進行判斷矩陣的一致性檢驗。 最終， 通過特征向量確定權重。

3.3.1 判斷矩陣的構造

指標層的每個因素對同一準則層的相對重要性是不同的， 準則層的每個因素對總目標的相對重要性也是不同的。因此，同一層次比較任意2 個因素的重要性時，需要對它們的相對重要性做出判斷，給予量化，得到相應的判斷矩陣。 AHP 法標度見表2。

以水環境承載力為總目標（ A），根據水環境、水生態、水資源三大準則層（ B1，B2，B3）對水環境承載力的相對重要性，構造判斷矩陣；同樣，根據表2 打分可以得出水環境、水生態、水資源3 個子系統的判斷矩陣。本次指標由10 位國家級及省級環境、生態、水利專家分別進行打分。

3.3.2 指標權重計算步驟

由于層次分析法主要依靠專家打分， 構成判斷矩陣時會帶有主觀性，存在一定的誤差，因此，必須對矩陣進行相容性和誤差分析， 即對判斷矩陣的一致性進行檢驗。

當一致性指標CR＜0.1 時，認為判斷矩陣的一致性是可以接受的，權重分配合理；當CR≥0.1 時，說明在比較或者判斷的過程中前后元素重要性可能出現了矛盾，需要對判斷矩陣進行調整修改。經調整處理后的矩陣再通過上述步驟計算權重， 直至矩陣一致性檢驗通過，調整工作結束。

現以某專家打分的判斷矩陣為例， 說明指標權重計算過程。

（ 1）三大準則層的判斷矩陣A-Bi（ i=1，2，3）判斷矩陣A-Bi（ 三大準則）見表3。

表3 判斷矩陣A-Bi（三大準則）

根據該判斷矩陣， 計算得出最大特征值λmax=3.025 1，進 而 計 算 出CI，CR 的 值 分 別 為0.012 6，0.024 1。因為CR＜0.1，矩陣一致性通過。通過矩陣最大特征值對應特征向量歸一化， 得到水環境、 水生態、 水資源3 個準則層權重依次為0.659 2，0.184 6和0.156 2。

（ 2）水環境指標的判斷矩陣B1-Ci（ i=1，2，…，7）

判斷矩陣B1-Ci（ 水環境指標）見表4。

表4 判斷矩陣B1-Ci（水環境指標）

根據該判斷矩陣， 計算得出最大特征值λmax=7.725 6，進 而 計 算 出CI，CR 的 值 分 別 為0.120 9，0.088 9。因為CR＜0.1，矩陣一致性通過。通過矩陣最大特征值對應特征向量歸一化， 得到水環境指標權重（ C1-C7）依次為0.030 5，0.022 0，0.043 4，0.076 3，0.082 8，0.313 2，0.431 7。

（ 3）水生態指標的判斷矩陣B2-Di（ i=1，2，…，4）

判斷矩陣B2-Di（ 水生態指標）見表5。

表5 判斷矩陣B2-Di（水生態指標）

根據該判斷矩陣， 計算得出最大特征值λmax=4.287 4，進 而 計 算 出CI，CR 的 值 分 別 為0.095 8，0.107 6。因CR＞0.1，矩陣一致性不通過。通過計算偏離距離，對判斷矩陣進行調整修改。調整后的最大特征值λmax=4.194 9， 進而計算出CI，CR 的值分別為0.065 0，0.073 0。此時CR＜0.1，說明調整后的矩陣一致性通過。 通過新矩陣最大特征值對應特征向量歸一化，得到水生態指標權重（ D1-D4）依次為0.686 6，0.106 7，0.056 6，0.150 1。

（ 4）水資源指標的判斷矩陣B3-Ei（ i=1，2，…，5）

判斷矩陣B3-Ei（ 水資源指標）見表6。

表6 判斷矩陣B3-Ei（水資源指標）

根據該判斷矩陣， 計算得出最大特征值λmax=5.451 1，進 而 計 算 出CI，CR 的 值 分 別 為0.112 8，0.100 7。因CR＞0.1，矩陣一致性不通過。需要通過計算偏離距離，對判斷矩陣進行調整修改。調整后的最大特征值λmax=5.232 3，進而計算出CI，CR 的值分別為0.058 1，0.051 9。 此時CR＜0.1，說明調整后的矩陣一致性通過。 通過新矩陣最大特征值對應特征向量歸一化，得到水資源指標權重（ E1-E5）依次為0.122 8，0.043 4，0.491 2，0.066 5，0.276 1。

4 結果與分析

本次指標由10 位專家打分。關于群組層次分析法權重計算，分為兩大類：一是判斷矩陣元素的加權平均法；二是排序向量的加權平均法。從保序性原則出發， 排序向量的加權平均法要比判斷矩陣元素的加權平均法為優， 而且判斷矩陣元素的加權平均法構造綜合判斷矩陣在一致性、 互反性上所遇到的問題難以處理。因此，本文采用排序向量的加權平均法計算各指標層綜合權重， 即各指標層綜合權重由各個專家打分矩陣計算權重后加權平均生成。 指標體系最終權重由準則層權重和指標層綜合權重相乘得出。

層次分析法確定的各指標權重值見表7。

表7 遼河流域控制單元水環境承載力指標權重

根據計算結果， 各項指標對水環境承載力響應程度較大的依次為：生態流量保證率＞工業增加值排污強度＞斷面水質在線數據達標率＞斷面水質達標率＞人均水資源量＞降水變異系數＞水資源開發利用率＞水資源模數＞環境容量利用率， 以上9 個指標累計權重達到0.794 4；從各目標層看，水環境準則層對水環境承載力的作用最為顯著， 其次為水資源準則層，而水生態準則層對水環境承載力影響略小。

5 工作展望

5.1 典型優控單元水環境承載力指標權重確定

目前， 層次分析法建立的遼河流域水環境承載力指標體系以專家打分為基礎， 打分時不免存在主觀因素。因此，在確定控制單元的水環境承載力指標權重時，將根據各控制單元實際情況，采用“ 層次分析法＋熵值法”主客觀結合賦權方式，對指標進行權重確定， 將管理決策人員的主觀意志與決策問題的客觀實際有機結合。

5.2 水環境承載力評估

目前，參考相關學者的研究成果，將水環境承載力承載狀態分為“ 不超載、臨界超載、超載”3 個級別，對應的評價范圍分別是（ 0，0.2），［0.2，0.8］和（ 0.8，1）。 未來將根據流域不同承載狀態范圍，將水環境承載力綜合指數進行細化分類， 運用系統動力學方法評估各控制單元水環境承載狀態。

5.3 水環境承載力預警

目前，根據水利、農業、環保、經濟等相關部門制定的水資源，水環境，水生態技術導則、規劃等相關文件，對水環境承載力評估指標進行分級，即評估指標分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ4 個警級，分別對應無警、輕警、中警和重警4 個警度。 未來將運用模糊數學法對水環境承載力進行預警， 并通過隸屬度判定水環境承載力預警級別和警度。

6 結語

立足于遼寧省發展規劃與遼河流域水環境管理，扎根于生態文明建設戰略決策，遼河流域水環境承載力研究是十分必要的。 應通過科學合理地構建水環境承載力指標體系， 最終搭建完成科學統一的“ 水環境承載力指標體系—量化評估—分級預警”遼河流域優控單元水環境承載力理論體系， 為遼寧地區經濟社會與水資源、水生態、水環境的協調發展提供助力。