流域水環境綜合承載力多級多指標可拓評估

何艷虎，潘煒杰，陳淑英，郭紅江，趙敏怡，譚 倩

(1.廣東工業大學環境生態工程研究院，廣東 廣州 510006;2.廣東省流域水環境治理與水生態修復重點實驗室，廣東 廣州 510006;3.海綿城市建設水系統科學湖北省重點實驗室(武漢大學)， 湖北 武漢 430072)

0 引 言

水環境承載力自20世紀90年代中期作為可持續發展研究和水資源安全戰略研究中的基礎課題被提出后，已迅速成為當前水科學研究中的熱點。近年來，雖然我國學者在水環境承載力的理論與實踐方面積極探索并取得了很大進展[1-3]；但目前學術界對水環境承載力(Water environment carrying capacity，WECC)的概念定義說法不一，尚未達成統一認識。一般來講，水環境承載力狹義上定義為某一水域，其水體能夠被繼續使用并保持良好生態系統時，所能夠容納污水及污染物的最大能力；廣義上則定義為某一時期、某種環境狀態下，某一水域環境對人類社會、經濟活動的支持能力[4- 6]。不難發現，其內涵包含能夠承受一定污染物的水環境容量、支撐經濟社會持續發展的水資源供給以及維持良好生態系統的能力等方面。水環境承載力評估是為揭示各影響因素對地區水環境承載力的約束及其動態變化過程，評估人類活動和水生態環境系統之間的耦合狀態，幫助決策者全面客觀認識當前地區水環境承載力的情況和趨勢，從而為水資源管理和規劃決策提供科學參考依據，促進資源環境與社會經濟協調可持續發展?？梢钥闯?，水環境承載力評估涉及自然環境、社會經濟、科技、管理等多個方面，影響因素復雜多變。在這個背景下，水環境承載力評估的方法理論體系仍不是很成熟[7]。目前水環境承載力評估方法主要分為指標體系法[8]、供需平衡法[9]、系統模型法[10-11]以及環境容量法[12-13]四大類。其中，指標評價法通過選取水資源自然系統與人類社會經濟系統相互作用的關鍵指標，構建模擬區域復合系統層次結構的指標體系，并根據指標間的相互關聯和重要程度計算評價指數，以反映區域水環境承載力水平，因其簡便、直觀，可具體賦值，是目前應用最為廣泛的評估方法；但指標體系法也存在指標較多，權重難度大，難以反映非線性過程及要素間相互作用等缺點。

流域水環境、水資源與水生態承載力評估是“以水定城、量水發展”的基礎和前提，而滿足“以水定城、量水發展”則是實現生態文明的重要保障。因此，對流域水資源、水環境與水生態承載力進行科學合理的評估，并根據評估結果制定相應的水污染防治與水生態空間管控措施具有十分重要的意義。另外，當前相關研究主要是集中于水環境、水資源或水生態單方面承載力的評價[14]，缺少三者承載力系統的綜合評價，而流域水環境、水生態、水資源相輔相成，相互制約，密不可分。水環境不是只與水有關的水體，而是一個與水資源、水生生物和污染有關的綜合體[15]，水環境安全是水體保持一定的水資源量、安全的水質條件，以維護其正常的生態功能[16]。

基于此，本文引入可拓決策理論，將水資源、水環境和水生態納入同一個系統進行分析，構建基于多指標多級可拓評價的水環境綜合承載力評估模型，以廣東省東江流域為例，對東江流域各地區的水環境綜合承載力及其空間差異性進行評價分析，進而為流域各分區水資源、水環境與水生態安全的空間差異化管控提供策略與建議。

1 流域水環境綜合承載力多級多指標可拓評價方法

可拓學源于我國學者蔡文于20世紀80年代初創立的一門原創性橫斷學科[17]。該學科旨在利用“變換”的思維模式開拓創新現有的規律與方法，探討拓展事物的可能性，進而解決矛盾問題?；诳赏貨Q策理論建立的可拓綜合評價方法通過建立待評價對象的可拓物元模型，計算各指標與等級之間的關聯度，實現了事物由簡單的定性描述到定量計算的轉變，從而得到較為準確的評價等級。

1.1 建立評價因素的指標體系

從流域水資源、水環境與水生態3個維度出發，考慮數據的可獲得性，建立適用于多級可拓評價的流域水環境綜合承載力評價指標體系(見圖1)。

圖1 指標體系示意

1.2 物元模型

可拓學以物元理論和可拓數學作為其理論框架。其中，物元是可拓學的邏輯細胞。給定事物的名稱P，它關于特征C的量值為V，以有序三元組R={P，C，V}作為描述事物的基本元，簡稱“物元”。經典域為

(1)

式中，Poj為評價對象可靠性等級(j=1，2，…，m);ci為影響評價對象等級Poj的特征(i=1，2， …，n);Voji為評價對象Poj對應于評價指標ci的量值范圍。由集合P(待評價)和它的n個特征ci及其將標準量值范圍加以拓廣的量值范圍Vpi=(api，bpi)組成的物元稱為節域物元。對待評價對象的評價指標取得的具體數值vi構成待評價物元。

1.3 確定指標權重系數

權重系數能量化反映各指標在水環境綜合承載力評估中的相對重要程度。運用可拓學理論對流域水環境綜合承載力進行評價，各指標權重對評價結果也是有很大影響的。常用的指標確定方法有熵權法[18]、層次分析法[19-20]及專家打分法[21]等。

1.4 建立關聯函數，確定待評價對象屬于各等級的關聯度

根據可拓評價方法中關聯函數的定義，確定待評價對象P第i個指標關于可靠性等級j的關聯度

(2)

其中距為

(3)

(4)

計算待評價對象P的關于可靠性等級j的關聯度。即

(5)

式中，wi為待評價第i個指標的權重系數；Kj(vi)為待評價對象P的第i個指標關于可靠性等級j的關聯度。

1.5 評定可靠性等級

若Kjo=maxKj(p)j∈(1，2，…，m)，則確定p屬于狀態Poj。令

(6)

則級別變量特征值

(7)

由式(7)可以看出，在多級多指標可拓評價模型中，某個評價指標的關聯值數值越大，這個指標與所處評價等級的契合程度越高。依據流域各地區水環境綜合承載力相對于各個評價等級的關聯度，最大關聯度對應的等級即為評價對象的最終評價等級。

2 基于可拓評價的廣東省東江流域水環境綜合承載力評估

2.1 廣東省東江流域概況

廣東省東江流域地處珠江三角洲東北端，位于22°38′～25°14′N、113°52′～115°52′E。流域平均氣溫20～22℃，屬亞熱帶季風濕潤氣候區，具有明顯的干濕季節，多年平均降水量為1 795 mm，地勢北高南低(見圖2)。東江是香港以及廣州、深圳、河源、惠州、東莞等地近4 000萬人口的主要水源地[22]。東江流域核心城市也是粵港澳大灣區的重要組成部分，在我國經濟社會發展中具有重要的戰略地位。近年來隨著人口聚集、城鎮化和產業升級加快，流域景觀破碎化趨勢明顯，生物多樣性下降，污染跨界轉移，環境生態壓力顯現[23-24]，尤其是下游城市群面臨著水資源短缺、水環境污染與水生態退化的嚴峻挑戰[25-26]。國際一流灣區的建設目標對流域水資源保障、水環境質量與水生態修復提出了更高要求。

圖2 廣東省東江流域概況示意

研究涉及到的數據主要來源于廣東省東江流域內廣州、深圳、惠州、韶關、河源《統計年鑒》《環境狀況公報》《水資源公報》等資料，整理得到2017年各地區原始指標數據。

2.2 基于可拓評價的廣東省東江流域水環境綜合承載力評估

2.2.1 評價指標分級標準

根據廣東省東江流域水資源開發利用實際情況，制定了各三級評價指標的分級標準(見表1)。

表1 評價指標的分級標準

2.2.2 建立經典域、節域

根據表1所列的水資源、水環境與水生態相關三級評價指標及標準，采用極差正規化方法對評價指標進行無量綱化處理，建立物元模型經典域及其節域。

經典域

節域

2.2.3 確定權重系數

采用熵權法確定評價模型中每一層次的各個指標(即影響因素)權系數，且各權系數之和為1。按照信息論基本原理的解釋，信息是系統有序程度的一個度量，熵是系統無序程度的一個度量。指標的信息熵越小，該指標提供的信息量越大，在綜合評價中所起作用理當越大，權重就應該越高[27-28]。因此，可利用信息熵計算出各個指標的權重(見圖3)，為多級多指標綜合評價提供依據。

圖3 指標權重

2.2.4 廣東省東江流域水環境綜合承載力多級多指標可拓評估

根據上述建立的基于多級多指標可拓評價的流域水環境綜合承載力評估模型，計算得到廣東省東江流域各地區二級評價因素(水資源、水環境與水生態)及水環境綜合承載力可拓評價結果。

一級可拓評價結果為水環境綜合承載力評價指標體系中各三級指標相對于各評價等級的關聯度及其最終評價等級，二級可拓評價結果為二級評價因素相對于各評價等級的關聯度及其最終評價等級。

3 結 果

3.1 一級可拓評價結果

根據式(1)～式(3)可以算出各地區各三級指標關于評價等級j的關聯度kj(vi)，根據式(5)確定評價等級，一級可拓評價結果見圖4。

圖4 一級可拓評價結果

3.2 二級可拓評價結果

對于水資源、水環境與水生態3個二級評價因素，分別由其所屬的三級評價指標權重向量與三級評價指標針對各個等級的關聯度相乘，確定各地區水資源、水環境與水生態針對各個等級的關聯度矩陣及其最終評價等級，如表2、3所示。

表2 水資源、水環境二級可拓評價結果

3.3 水環境綜合承載力可拓評價結果

在二級可拓評價的基礎上，利用式(4)將二級評價因素權重向量與其相對于各評價等級的關聯度相乘，確定流域水環境綜合承載力針對各個等級的關聯度矩陣，得到流域各地區水環境綜合承載力可拓評價結果如表3所示。

表3 水生態二級及水環境綜合承載力可拓評價結果

從表2、3可知，東江流域各地區水環境綜合承載力于4個評價等級的關聯度各不相同，最終評價等級也不盡相同：新豐、深圳、龍門、惠陽水環境綜合承載力評價等級均為Ⅰ級，說明水環境綜合承載力水平最高，這些地區的水資源、水環境與水生態相較于其他地區狀況良好，水資源開發利用整體較為均衡協調，因此綜合評級最高。

博羅、惠州市區、惠東及河源的水環境綜合承載力評價等級均為Ⅱ級，這些地區仍存在較大的水資源開發利用潛力，需要從水資源、水環境與水生態三個方面著手，統籌發展，科學開發，使得水環境綜合承載力獲得更高的評級。雖然上述等地區的評價等級保持在同一等級，但是變量特征值j*并不是一樣的。這說明這幾個地區水環境綜合承載力等級是一樣的，但不同地區水環境綜合承載力具有不同的開發潛力的情況。

例如，博羅、惠州市區、惠東及河源的水環境綜合承載力的最大關聯度maxKi(p)=-0.074、-0.088、0.012及-0.17，但變量特征值j*=1.84、2.80、1.75、1.67，可以得出上述幾個地區的水環境綜合承載力等級均為Ⅱ級偏向于Ⅰ級，偏向程度的大小:惠州市區>博羅>惠東>河源，表明了這4個地區的水環境綜合承載力處于弱壓力狀態下的開發潛力大小。增城水環境綜合承載力評價等級為Ⅲ級，變量特征值j*=2.82，說明此地區的水環境綜合承載力在整個東江流域層面上處于中等水平，總體偏向Ⅱ級評價等級。東莞水環境綜合承載力評價等級為IV級，變量特征值j*=3.04，說明該地區水環境綜合承載力在整個流域層面處于最低評價等級，需要根據水資源稟賦、水環境與水生態現狀，采取較為適宜的水資源開發利用調控措施和策略，提升該地區水環境綜合承載力水平。此外，東江流域在進行產業布局和生態空間劃分時，應考慮流域內各地區水環境綜合承載力水平的空間差異性，以更好地保護水資源、防治水污染以及修復水生態，促進經濟社會可持續發展與資源環境保護的協調融合。

二級可拓評價結果則直觀反映了流域各地區水資源、水環境與水生態的現狀等級，客觀上解釋了上述流域水環境綜合承載力水平的空間差異性。如在水環境綜合承載力評價等級均為Ⅰ級的4個地區，深圳、龍門水資源評價等級均為Ⅰ級，新豐、深圳和惠陽水環境評價等級均為Ⅰ級，新豐、龍門和惠陽水生態評價等級均為Ⅰ級，這使得以上地區水環境綜合承載力水平在整個流域層面最高。二級可拓評價結果也揭示了以上地區水資源、水環境或水生態方面的相對短板所在。如新豐水資源指標的評級為IV級，主要是由于其萬元工業增加值用水量較高，提高用水量效率是其提升水資源指標評級的關鍵所在；深圳水資源、水環境等級均為Ⅰ級，水生態等級為Ⅱ級，仍有提升空間；惠陽和龍門則分別在水資源、水環境評級提升方面有潛力可挖掘。水環境綜合承載力評價等級為Ⅱ級的4個地區中，惠州市區水資源評級為IV級，主要是受到可利用水資源總量小的制約，可通過開源節流，水資源科學調度及提高用水效率等措施，來實現水資源評級的提高；河源水資源總量較大，人口密度小，水資源評級高，但其水環境評級為Ⅲ級，主要是受到城市生活污水處理率、萬元工業增加值廢水排放量的影響。因此，相較于水資源評級，河源在水環境評級提升方面仍有較大空間?；輺|與博羅水生態評級均為Ⅰ級，水資源、水環境評級均為Ⅱ級，水資源、水環境與水生態現狀總體上較為均衡，在保障水資源供給、提升水環境質量方面仍有提升空間。增城與東莞水環境綜合承載力評級分別為Ⅲ級與IV級，是東江流域10個評價單元里面評級位列最后的兩個地區。其中，增城水資源、水生態評價等級均為Ⅲ級，表明其在保障城市水資源有效供給、提升生態環境質量方面具有較大潛力；東莞水資源、水環境評級均為Ⅱ級，而水生態評級為IV級。這主要是受到全市森林覆蓋率較低、生態用水量大且難以保證、水功能區達標率低等影響，使得東莞水環境綜合承載力相對于整個東江流域而言處于較低的評價等級。這也表明，提升水生態空間管控能力、保障城市生態安全是重點。

由上述可知，在廣東省東江流域水環境綜合承載力多級多指標可拓評估中，水環境綜合承載力的3個二級評價因素的二級可拓評價結果反映了流域各地區水資源、水環境與水生態現狀的評級水平，解釋了流域水環境綜合承載力等級的空間差異性及其主要原因；進而為流域各地區水資源、水環境與水生態的差異化管控和精準施策提供了科學依據。

4 結論與討論

(1)基于可拓決策理論，建立流域水環境綜合承載力的多級多指標可拓評價模型。該模型體系中每一級別又分多個評價指標作為評價的出發點，通過對水環境綜合承載力中水資源、水環境與水生態3個二級評價因素進行系統分析，計算其與各狀態等級的關聯度，確定水環境綜合承載力總體評價等級；進而揭示了流域水環境綜合承載力等級的空間差異性及其主要原因，為流域各地區水安全的差異化管控和精準施策提供了基礎。

(2)基于多級多指標可拓評價的廣東省東江流域各地區水環境綜合承載力等級評估表明，新豐、深圳、龍門、惠陽水環境綜合承載力評價等級均為Ⅰ級，博羅、惠州市區、惠東及河源為Ⅱ級，增城為Ⅲ級，東莞為IV級。

(3)在水環境綜合承載力可拓評價過程中，引入了級別變量特征值，充分反映了可靠程度與等級的距離，克服了傳統的跳躍式評級缺點，實現了評級的連續化，使得更精確地采取合理的水環境綜合承載力提升措施成為可能。

在本研究構建的流域水環境綜合承載力的多級多指標可拓評價模型中，評價指標的選定及其權重的確定方法對評價結果影響較大，今后應根據流域水資源開發利用的階段性特點，考慮流域內水資源、水環境與水生態的區域差異性，適當地調整并完善水環境綜合承載力評價指標體系，適宜地確定指標權重，以使得評價結果更加合理和具有時效性。