孟繁宇，樊慶鋅，李 穎

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱150090)

水環(huán)境承載力( Water Environmental Carrying Capacity，簡(jiǎn)稱WECC) 是承載力概念與水環(huán)境領(lǐng)域的自然結(jié)合，它表明水體對(duì)特定區(qū)域內(nèi)的人口和社會(huì)發(fā)展具有支撐能力［1］。定量考慮水環(huán)境承載能力是全面評(píng)價(jià)城市水環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)［2］。

由于水環(huán)境承載力系統(tǒng)的復(fù)雜性，目前對(duì)其評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建的方法尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，研究者一般通過(guò)分析所研究區(qū)域的特點(diǎn)，基于數(shù)據(jù)資料的可獲得性原則，采用專家打分法構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。雖然這種方法可操作性強(qiáng)，但是容易引入較多的主觀因素［3］。為了有效避免指標(biāo)選取過(guò)程中的主觀性和不一致性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究和嘗試［4～5］。其中，根據(jù)水環(huán)境承載力系統(tǒng)中各影響因素間的高度非線性關(guān)系，利用灰色關(guān)聯(lián)理論［6］對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析和篩選，進(jìn)而確定指標(biāo)權(quán)重的方法得到了普遍的認(rèn)可。該方法具有計(jì)算方便，快捷的優(yōu)點(diǎn)，并且有效克服了指標(biāo)篩選和權(quán)重確定過(guò)程中的主觀因素，可以較好地體現(xiàn)各指標(biāo)之間的區(qū)分度。

哈爾濱市作為黑龍江省政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，人均占有水資源量?jī)H為世界水平的1/8、全國(guó)水平的1/2，存在著嚴(yán)重的水資源利用率低、供需矛盾突出、水環(huán)境污染嚴(yán)重等問(wèn)題［7］，制約了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高。因此，研究哈爾濱市水環(huán)境承載力對(duì)探索科學(xué)開(kāi)發(fā)利用和保護(hù)水資源的途徑，促進(jìn)哈爾濱市經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本文根據(jù)哈爾濱市水環(huán)境現(xiàn)狀，采用灰色關(guān)聯(lián)法建立相對(duì)客觀的水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并利用向量模法對(duì)哈爾濱市水環(huán)境承載力進(jìn)行了評(píng)價(jià)與分析。

1 水環(huán)境承載力研究的方法

1.1 灰色關(guān)聯(lián)度模型

灰色關(guān)聯(lián)分析法是針對(duì)缺乏物理原型或物理原型不明晰的灰色系統(tǒng)，將這種灰色關(guān)系進(jìn)行序列化、模型化而建立的一種分析方法，它通過(guò)比較系統(tǒng)各因素統(tǒng)計(jì)數(shù)列的幾何關(guān)系來(lái)確定系統(tǒng)中多因素間的關(guān)聯(lián)程度［8］，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)賦權(quán)。

根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)分析法構(gòu)建水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的過(guò)程如下:

收集并分析原始數(shù)據(jù)，建立系統(tǒng)的灰色關(guān)聯(lián)集合; 設(shè)X= {x0，x1，…，xm} 為因子集，其中，x0為參照序列，xi為比較序列，x0( k) 與xi( k) 分別為x0與xi在第k個(gè)點(diǎn)的數(shù)值。對(duì)各數(shù)據(jù)序列進(jìn)行無(wú)量綱初始化處理:

式中: ρ 為分辨系數(shù)，取值范圍為0 ＜ρ ＜1，通常取0.5。關(guān)聯(lián)度計(jì)算公式為:

對(duì)計(jì)算得到的各因素關(guān)聯(lián)度進(jìn)行歸一化，求出各因素在評(píng)估系統(tǒng)中所占的權(quán)重。計(jì)算公式為:

1.2 向量模法計(jì)算水環(huán)境承載力

設(shè)水環(huán)境承載力動(dòng)態(tài)研究時(shí)間為m年，那么對(duì)應(yīng)有m個(gè)水環(huán)境承載力指數(shù)。令m個(gè)水環(huán)境承載力為Bj( j = 1，2，…，m) ，同時(shí)每個(gè)水環(huán)境承載力又由n個(gè)具體評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)表達(dá)，即

由于水環(huán)境承載力各評(píng)價(jià)指標(biāo)的量綱不同，應(yīng)首先對(duì)其進(jìn)行歸一化處理，即:

水環(huán)境承載能力指數(shù)的向量模模型為:

式中: Wij為第j個(gè)水環(huán)境承載力中第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

2 哈爾濱市水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建與分析

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

城市水環(huán)境承載力系統(tǒng)極為復(fù)雜，影響因素繁多。本文通過(guò)全面分析水資源與水環(huán)境系統(tǒng)的特點(diǎn)，參照相關(guān)研究［9］所建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，選擇以下16個(gè)影響因素作為哈爾濱市水環(huán)境承載能力綜合評(píng)價(jià)的待選指標(biāo)。具體指標(biāo)見(jiàn)圖1 所示。

圖1 哈爾濱市水環(huán)境承載力待選指標(biāo)體系

通過(guò)查閱哈爾濱市統(tǒng)計(jì)年鑒、環(huán)境質(zhì)量公報(bào)等相關(guān)資料，收集全部待選指標(biāo)在2003—2006年的原始數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。

對(duì)16個(gè)待選指標(biāo)進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的初始化處理后，由于水資源開(kāi)發(fā)利用率是影響水資源水環(huán)境的關(guān)鍵因素，故將其初始化后的數(shù)列C0＇作為參照數(shù)列，根據(jù)公式(2) ～(5) 得到比較數(shù)列對(duì)參照數(shù)列的關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度，結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 待選指標(biāo)原始數(shù)據(jù)

表2 待選指標(biāo)與參考指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)及關(guān)聯(lián)度

對(duì)表2 中各指標(biāo)關(guān)聯(lián)度排序結(jié)果為: γ03＞γ08＞γ02＞γ07＞γ015＞γ05＞γ011＞γ010，這8個(gè)指標(biāo)與水資源開(kāi)發(fā)利用率得關(guān)聯(lián)度最高，可選入哈爾濱市水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。此外，由于工業(yè)廢水是城市水環(huán)境的主要污染源，是影響水環(huán)境承載力的關(guān)鍵因素，但單位廢水排放量工業(yè)產(chǎn)值與參照指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度卻相對(duì)較小，因此本文進(jìn)一步分析了相關(guān)研究成果，并咨詢有關(guān)專家意見(jiàn)，最終也將其入選評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。從而構(gòu)建了包含10個(gè)指標(biāo)的哈爾濱市水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

本文對(duì)篩選出的10個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)采用灰色關(guān)聯(lián)法［10］確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。首先，構(gòu)建10個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)數(shù)列:{ 水資源開(kāi)發(fā)利用率，工業(yè)用水重復(fù)利用率，城市化水平，人均工業(yè)產(chǎn)值，農(nóng)田灌溉面積，單位水資源灌溉面積，單位廢水排放量工業(yè)產(chǎn)值，人均污水排放量倒數(shù)，人均需水量倒數(shù)，供水量}。

其次，將每個(gè)指標(biāo)分別作為參照指標(biāo)，按公式(4) 計(jì)算比較指標(biāo)對(duì)于每個(gè)參照指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)度，得到一個(gè)關(guān)于評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)矩陣R。求出關(guān)聯(lián)矩陣R 中各行平均值再進(jìn)行歸一化處理，最終得到各指標(biāo)權(quán)重見(jiàn)表3。

2.3 哈爾濱市水環(huán)境承載力分析

將篩選出的評(píng)價(jià)指標(biāo)及其權(quán)重代入向量模法計(jì)算公式，得到哈爾濱市2003—2006年的水環(huán)境承載力指數(shù)，見(jiàn)表4。

表3 哈爾濱市水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

表4 哈爾濱市水環(huán)境承載力指數(shù)

由表4 可見(jiàn)，近幾年哈爾濱市水環(huán)境承載力指數(shù)逐步上升，4 a間提高了近13.5%。分析評(píng)價(jià)指標(biāo)原始值可以看出，除人均污水排放量倒數(shù)、人均需水量倒數(shù)等個(gè)別指標(biāo)外，其他指標(biāo)基本上呈逐年增加的趨勢(shì)，這是導(dǎo)致哈爾濱市水環(huán)境承載力上升的直接原因。從哈爾濱市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平來(lái)看，由于積極推動(dòng)產(chǎn)業(yè)體制改革，嚴(yán)格貫徹振興東北老工業(yè)基地等經(jīng)濟(jì)政策，導(dǎo)致哈爾濱市工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，全市國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值逐年增加，人民生活質(zhì)量不斷提高，使得指標(biāo)x3，x4，x5，x9，均有一定增幅。另一方面，由于哈爾濱市加大水利投資力度，開(kāi)發(fā)建設(shè)了磨盤(pán)山水庫(kù)作為城市供水第二水源，同時(shí)采用多種節(jié)水措施提高工業(yè)用水重復(fù)利用率和有效農(nóng)灌系數(shù)，因此指標(biāo)x1，x2，x6，x10，亦有所增加。在污水治理方面，工業(yè)廢水排放量得到了有效控制，指標(biāo)x7，在2006年有顯著提高;然而人均污水排放量卻未能表現(xiàn)出同樣樂(lè)觀的發(fā)展趨勢(shì)，這說(shuō)明在日常生活中，節(jié)水宣傳力度仍然不夠，污水治理措施和懲戒機(jī)制還存在不到位的地方。盡管上述各指標(biāo)值差異很大，但是哈爾濱市水環(huán)境承載力整體上升的變化趨勢(shì)，反映了該市水資源和水環(huán)境系統(tǒng)對(duì)城市發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的支撐能力在不斷提高。

3 結(jié) 論

灰色關(guān)聯(lián)理論應(yīng)用于水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建，能夠較為客觀地反映城市水環(huán)境承載力的影響因素，較好地解決了傳統(tǒng)方法建立指標(biāo)體系存在主觀性的問(wèn)題。在指標(biāo)體系確立的基礎(chǔ)上，利用向量模法計(jì)算水環(huán)境承載力指數(shù)，結(jié)果表明:近4 a來(lái)哈爾濱市水環(huán)境承載力呈逐年上升趨勢(shì)，但是這種提升的空間究竟有多少，這種支撐能力是否以犧牲生態(tài)環(huán)境用水為代價(jià)等問(wèn)題仍需做進(jìn)一步研究。

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