水生態(tài)承載力研究方法及評價指標權(quán)重計算分析

楊彥霞 于新花 楊文慧

（寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

1 引言

近年來，我國社會經(jīng)濟加速發(fā)展，對于工業(yè)用水的需求明顯增加，造成我國水資源的短缺以及水環(huán)境的污染，給水生態(tài)系統(tǒng)的健康帶來威脅。黨的二十大報告中提出，要統(tǒng)籌好水資源、水環(huán)境和水生態(tài)治理，加快重要江河湖泊生態(tài)保護與治理。我國“十四五”規(guī)劃也明確指出，發(fā)展水環(huán)境應(yīng)更加注重“人水和諧”。水生態(tài)系統(tǒng)的健康受到諸多因素的影響，將水環(huán)境治理與水生態(tài)修復(fù)相結(jié)合可以有效地治理生態(tài)環(huán)境，保護水資源。

目前，對于水生態(tài)承載力的研究才剛剛起步，尚未形成完善的理論體系。對于水環(huán)境承載力的研究，在兼顧水生態(tài)系統(tǒng)承載極限的同時，還要考慮到這是一個關(guān)乎人類活動、社會經(jīng)濟發(fā)展和水環(huán)境和諧發(fā)展的共同命題［1］。水資源承載力與水環(huán)境承載力分別反映了水量與環(huán)境指標，二者理論上目前還無法充分反映現(xiàn)實的水生態(tài)系統(tǒng)狀況。目前迫切需要一個評價指標體系，能夠把水質(zhì)與水量都考慮其中，且涉及水資源、水環(huán)境、人口、經(jīng)濟等各項指標。在此背景下，研究水生態(tài)承載力研究方法及評價指標權(quán)重計算具有重要意義。

2 水生態(tài)承載力的研究進展及含義

2.1 水生態(tài)承載力的研究進展

2.1.1 水資源承載力的概念

20 世紀末，學(xué)者們探討了水資源承載力的概念，認為水資源承載能力是處于特定的發(fā)展階段，維持生態(tài)發(fā)展趨于良好狀態(tài)的能力，對其定義是在經(jīng)濟、社會發(fā)展水平及未來發(fā)展的技術(shù)水平下，以水資源適當開發(fā)和優(yōu)化配置為前提。水資源體系對區(qū)域人口影響較大，同時是經(jīng)濟社會發(fā)展水平的最大支撐能力［2］。水資源承載能力可以反映水資源和社會發(fā)展狀況的變化趨勢［3］。水資源承載力是以水為承載體，人口、社會經(jīng)濟為被承載體。對水資源承載力進行合理評價能夠為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)指導(dǎo)［4］。因此，研究水資源承載能力可以為社會、經(jīng)濟、生態(tài)等的發(fā)展提供支撐。

2.1.2 水環(huán)境承載力的概念

由于對水環(huán)境承載力研究的主要關(guān)注點不同，學(xué)者們從狹義和廣義2 個角度對其進行概念分析。從狹義的角度來說，水環(huán)境承載力是指在所規(guī)定的指標范圍之內(nèi)，水體所能接受的最大的污染物排放總量［5］，排入水體的污染物作為其攜帶對象［6］；從廣義的角度來說，水環(huán)境承載力是指在具有特定功能的區(qū)域水體不受自身生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境質(zhì)量威脅的情況下，一定時期內(nèi)能夠支撐人口和經(jīng)濟社會發(fā)展的最大尺度［7］。其以水量和水質(zhì)作為承載主體，客體則是外部經(jīng)濟社會系統(tǒng)。從污染物的角度來看，指的是水體最大能接受的污染物排放的范圍。水環(huán)境容量、水體的納污能力是水環(huán)境承載力的關(guān)鍵因素［8-11］。

2.1.3 水生態(tài)承載力的概念

在水生態(tài)承載力的研究中，水資源、水環(huán)境承載力是兩個重要內(nèi)容。水生態(tài)承載力的研究，除了要兼顧水資源數(shù)量上的需求外，還應(yīng)該兼顧水環(huán)境的質(zhì)量，并且對水環(huán)境的良性發(fā)展給予更多的重視，它是以水資源承載力、水環(huán)境承載力為依據(jù)而產(chǎn)生的一種流域綜合管理理念［12］。水資源是水生態(tài)系統(tǒng)的基本要素，而水環(huán)境既是其限制要素，又是其支撐要素［13］。水生態(tài)承載力是水資源、水環(huán)境和生態(tài)承載力的結(jié)合，全面反映了人類經(jīng)濟社會的承載能力與生態(tài)系統(tǒng)密切相關(guān)［14］。

在分析了早期學(xué)者對于水生態(tài)承載力概念存有的問題之后，結(jié)合水生態(tài)系統(tǒng)特征以及水生態(tài)系統(tǒng)與承載人類社會活動的關(guān)系，學(xué)者們對水生態(tài)承載力的概念及其相關(guān)特征進行定義，指出其主要特征是具備為人類社會活動提供生態(tài)服務(wù)產(chǎn)品的能力［1］。

2.2 水生態(tài)承載力含義的理解

根據(jù)前面學(xué)者們對水生態(tài)承載力含義的描述，結(jié)合目前關(guān)于水生態(tài)系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，本文認為，水生態(tài)承載力是在特定時間段、特定流域內(nèi)，在水生態(tài)系統(tǒng)維持自身健康穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，根據(jù)某一特定時間段的經(jīng)濟效益和社會資源分配，水生態(tài)系統(tǒng)可以承載最多的人口和最大的經(jīng)濟總量。總而言之，水生態(tài)承載力的本質(zhì)是承載經(jīng)濟社會發(fā)展的能力并促進區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，其研究的落腳點是經(jīng)濟發(fā)展總量和人口規(guī)模，其研究的前提是水生態(tài)系統(tǒng)必須滿足其自身良好發(fā)展。

3 水生態(tài)承載力方法研究

3.1 研究方法比較分析

隨著社會經(jīng)濟、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，水生態(tài)承載力研究方法不斷發(fā)展進步，除了在水生態(tài)科學(xué)實踐中的應(yīng)用外，在水文學(xué)、生態(tài)學(xué)、經(jīng)濟學(xué)、管理學(xué)及地理學(xué)等其他學(xué)科研究的交叉前沿領(lǐng)域也有所涉及。水生態(tài)承載力的研究方法由定性研究逐漸轉(zhuǎn)向為定量研究，而目前的研究對象更加關(guān)注水生態(tài)與人類社會及經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)系，結(jié)合區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展、人類活動等因素研究水生態(tài)承載力的作用機制。本文主要通過對表征水生態(tài)承載力評價指標、更為精準地計算水生態(tài)承載力的評價指標權(quán)重及水生態(tài)承載力體系模型的建立等方法進行比較分析，各種研究方法的優(yōu)缺點見表1。

表1 水生態(tài)承載力的研究方法優(yōu)缺點對比

3.2 部分研究方法介紹

3.2.1 指標體系法

當前關(guān)于水生態(tài)承載力各個相關(guān)指標的研究很少，指標評價體系也不夠完善，主要在水資源和水環(huán)境方面進行研究。研究者將評價指標體系作為水生態(tài)承載力研究的重要依據(jù)［15］。在構(gòu)建水生態(tài)承載力概念模型時，要將社會經(jīng)濟、旅游活動和水質(zhì)等納入指標體系中［16］。

在構(gòu)建指標體系的過程中，研究者很少會考慮各個因素之間的相互作用關(guān)系，如水資源、水環(huán)境及人類活動和經(jīng)濟發(fā)展對水生態(tài)系統(tǒng)的影響及水生態(tài)系統(tǒng)對它們的作用。研究者在選取評價指標體系時，要注重將社會經(jīng)濟系統(tǒng)與水生態(tài)承載力系統(tǒng)的良好狀況相結(jié)合來反映水生態(tài)系統(tǒng)承載能力的大小，同時，通過選取表征人類活動與水生態(tài)系統(tǒng)之間相互影響、相互作用的指標，來反映水生態(tài)系統(tǒng)本身存在的問題及所面臨的難點。

3.2.2 熵權(quán)法

熵權(quán)法（Entropy Weight Method，EWM）是一種反映各指標間差異程度的客觀賦權(quán)法。根據(jù)指標的真實數(shù)據(jù)，客觀地計算權(quán)重，其結(jié)果的可信度很高并具有較強的科學(xué)性，計算熵值越小，則所得熵權(quán)越大，表明該指標在評價中越重要。

3.2.3 層次分析法

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是一種進行指標間對比其相對重要程度的主觀賦權(quán)法［17］。層次分析法是結(jié)合定性分析和定量計算的多目標、多準則、多指標的一種決策方法［18］，水生態(tài)承載力層次分析法結(jié)構(gòu)如圖1 所示。層次分析法在計算指標權(quán)重中屬于較為多用的研究方法，雖然其在承載能力評價中考慮了層次性，但本質(zhì)上受定性判斷的主觀性和隨機性的影響［19］。

圖1 水生態(tài)承載力層次分析法結(jié)構(gòu)

3.2.4 系統(tǒng)動力學(xué)法

水生態(tài)承載力系統(tǒng)是一個包括社會、經(jīng)濟、人口、水資源和水環(huán)境等多因子的復(fù)雜系統(tǒng)。其影響因素眾多，研究內(nèi)容復(fù)雜，各影響因素之間相互影響、相互作用［20］。而系統(tǒng)動力學(xué)法（System Dynamics）可應(yīng)用于不同情景的承載力研究中，該方法能夠動態(tài)模擬復(fù)雜系統(tǒng)下所有鏈接的行為和響應(yīng)，適用于較為復(fù)雜的水生態(tài)系統(tǒng)研究。但是，模型受建模者主觀影響較大，可能導(dǎo)致論斷不合理［21］。水生態(tài)承載力研究中的系統(tǒng)動力學(xué)結(jié)合了社會、金融、人口、水資源、水環(huán)境等之間的關(guān)系，且該方法運用較為廣泛，可以根據(jù)水生態(tài)系統(tǒng)的實際情況建立水生態(tài)承載力模型，系統(tǒng)動力學(xué)建立的模型能夠處理時變、非線性、多重反饋等問題。

4 評價指標權(quán)重計算

本文假設(shè)在水生態(tài)承載力評價與計算中有m個評估指標（評價指標數(shù)）、n 個樣本（評價年份數(shù)）。

4.1 基于熵權(quán)法的指標權(quán)重計算

（1）在計算指標熵值之前，采用極差變化法［22］（min－max）對數(shù)據(jù)進行標準化處理，計算公式如下：

正向型指標標準化：

逆向型指標標準化：

式中，a 為標準化后的指標值；Xij為第i 年第j 個指標的原始值，i＝1，2，…，m，j＝1，2，…，n；max（Xij），min（Xij）分別為樣本序列中最大值和最小值。

（2）采用熵權(quán)法進行指標權(quán)重的確定，具體計算步驟如下：

指標熵值的計算公式：

式中，Ei為第i 個指標的熵值；Pij為每個指標占總指標的比例；K 為標準化系數(shù)。

評價指標權(quán)重的計算公式為：

式中，ω1i為熵權(quán)法計算的第i 個指標的權(quán)重；n 為評價年份數(shù)；m 為評價指標數(shù)；Ei為第i 個指標的熵值。

4.2 基于層次分析法的指標權(quán)重計算

（1）構(gòu)建判斷矩陣。在層次分析法中確定指標權(quán)重數(shù)值，需要決策者在對同一層級中的指標因素兩兩進行比較，得到評價指標的權(quán)重的大小，即反映指標間重要性大小的判斷矩陣（見表2），表明指標間相對重要程度的大小。

表2 指標間相對重要程度的大小

（2）計算特征值和特征向量。構(gòu)建判斷矩陣后，計算矩陣的最大特征根和特征向量，確定評價指標權(quán)重（W）。

（3）一致性檢驗公式為：

式中，CI 為判斷矩陣的一致性指標；λmax為判斷矩陣的最大特征值；n 為指標的個數(shù)；RI 為判斷矩陣的平均隨機一致性指標；CR 為一致性比例。RI 的取值參考表3。

表3 平均隨機一致性指標參考取值

4.3 熵權(quán)法—層次分析法［18］組合權(quán)重計算方法

在水生態(tài)承載力指標權(quán)重計算中，高偉等［23］為規(guī)避主觀因素的影響，采用熵權(quán)法確定所研究相關(guān)指標的權(quán)重；丁小平［24］采用層次分析法，將復(fù)雜的多因素問題分成不同的層級并評估計算各評價指標的權(quán)重。然而，熵權(quán)法和層次分析法都有自身的不足，二者分別為客觀賦權(quán)法和主觀賦權(quán)法，熵權(quán)法主要反映指標之間的差異程度，但并未反映指標的重要程度，而層次分析法受人為因素影響較大，因此可以采用熵權(quán)法—層次分析法組合權(quán)重計算方法，將主客觀方法相結(jié)合，來計算水生態(tài)承載力指標權(quán)重的大小，既能反映研究者對指標重要程度的判斷，也可以客觀反映數(shù)據(jù)的變動差異。

由熵權(quán)法和層次分析法計算各指標權(quán)重分別為ω1i，ω2i，各評價指標得到的綜合權(quán)重為ωi。采用最小二乘法的優(yōu)化方法計算權(quán)重值ωi，計算公式如下：

式中，Xij為第i 年第j 個指標的原始值。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

由于水生態(tài)承載力概念尚未統(tǒng)一，而且水生態(tài)系統(tǒng)是一個復(fù)雜系統(tǒng)，水生態(tài)承載力的研究方法目前也尚未統(tǒng)一，使得關(guān)于水生態(tài)承載力的研究應(yīng)用中存在很多問題。本文在總結(jié)關(guān)于水生態(tài)承載力先前學(xué)者研究的基礎(chǔ)之上，通過分析大量文獻，總結(jié)其研究進程，總結(jié)分析了當前國內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的幾種研究方法，對研究方法及其優(yōu)缺點進行了比較分析，并對水生態(tài)承載力評價指標權(quán)重計算進行分析。提出通過將熵權(quán)法與層次分析法相結(jié)合來計算水生態(tài)承載力指標權(quán)重的大小，既能反映研究者對指標重要程度的判斷，也能客觀反映數(shù)據(jù)的變動差異，使得研究結(jié)果更加科學(xué)和更準確，有利于對水生態(tài)承載力的模型進行分析預(yù)測，以得到較好的發(fā)展方案。

5.2 展望

當前水生態(tài)承載力的研究方法有很多，但其都存在不足之處。水生態(tài)承載力權(quán)重計算方法中，大多數(shù)研究者僅限于一種權(quán)重計算法，很少涉及將客觀與主觀相結(jié)合計算權(quán)重的研究，本文只對權(quán)重計算的組合方法進行了分析，還需進一步進行實際應(yīng)用并驗證。

在水生態(tài)承載力理論探究及其方法研究中還需要對以下問題深入探索：

（1）水生態(tài)承載力的含義及方法理論體系；

（2）水生態(tài)承載力的影響因素以及提高水生態(tài)系統(tǒng)的承載最大經(jīng)濟總量和人口數(shù)量的有效途徑；

（3）水生態(tài)承載力評價指標體系的選取、指標權(quán)重計算方法的優(yōu)化以及建立水生態(tài)承載力的系統(tǒng)模型和定量化研究。