吳穎超， 王 震， 曹 磊， 王新軍，2， 趙言文

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)研究院， 江蘇 南京 210095； 2.常州工學(xué)院 藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院， 江蘇 常州 213002)

基于突變級(jí)數(shù)法的徐州市近10年水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)

吳穎超1， 王 震1， 曹 磊1， 王新軍1，2， 趙言文1

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)研究院， 江蘇 南京 210095； 2.常州工學(xué)院 藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院， 江蘇 常州 213002)

摘要：[目的] 研究徐州市近10 a水環(huán)境承載力狀況，為完善區(qū)域水環(huán)境承載力研究體系提供理論支撐。[方法] 從水資源承載力和水污染承載力兩方面選取指標(biāo)，采用改進(jìn)熵值法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行重要性排序，建立基于突變級(jí)數(shù)法的區(qū)域水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)模型。[結(jié)果] (1) 研究區(qū)各目標(biāo)年水資源承載力水平總體偏低，年際波動(dòng)較大，其中2002，2006和2010年處于等級(jí)Ⅰ水平，即弱承載狀態(tài)； (2) 水污染承載力整體呈上升趨勢(shì)，從2005年開(kāi)始達(dá)到并保持在等級(jí)Ⅲ水平； (3) 徐州市水環(huán)境承載力僅2005和2009年達(dá)到等級(jí)Ⅲ水平，為中承載狀態(tài)，其余年份均在等級(jí)Ⅲ水平以下。[結(jié)論] 徐州市近10 a水環(huán)境承載力狀況從2003年開(kāi)始有所改善，但依然普遍較差。水資源承載力因其具有人為不可控的自然屬性，成為影響徐州市水環(huán)境承載力的限制因素。

關(guān)鍵詞：水環(huán)境承載力； 突變級(jí)數(shù)法； 徐州市

水環(huán)境是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要的約束因子，隨著人口增長(zhǎng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源短缺和水質(zhì)量惡化已經(jīng)成為全球性的嚴(yán)峻問(wèn)題，對(duì)水環(huán)境的研究已成為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的迫切需求。環(huán)境承載力是可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)涵之一，也是考核可持續(xù)發(fā)展的重要指標(biāo)。水環(huán)境承載力(WECC)將承載力概念與水環(huán)境領(lǐng)域自然結(jié)合，研究水環(huán)境承載力水平，對(duì)保障區(qū)域水環(huán)境與人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前應(yīng)用于水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)的方法主要有指標(biāo)評(píng)價(jià)法[1-3]、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法[4]、承載力分析法[5]等，但這些研究基本都處于探索階段，學(xué)術(shù)界尚未形成公認(rèn)的水環(huán)境承載力量化方法。突變級(jí)數(shù)法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到許多領(lǐng)域，而用于區(qū)域水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)研究還很少見(jiàn)?；诖?，本研究以突變理論為基礎(chǔ)，通過(guò)多目標(biāo)分解建立突變級(jí)數(shù)模型，對(duì)徐州市2001—2011年的水環(huán)境承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，揭示區(qū)域水環(huán)境承載力的現(xiàn)狀及變化趨勢(shì)。并提供新的研究實(shí)例，完善區(qū)域水環(huán)境承載力研究體系。

1研究區(qū)概況

徐州市屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，具有長(zhǎng)江流域與黃河流域過(guò)渡性氣候特征，四季分明，光照充足，雨量適中，雨熱同期。地表水多年平均可利用量為2.030×109m3，地下水為2.025×109m3，扣除重復(fù)量后，多年平均水資源總量約為3.563×109m3(不包括上游來(lái)水與抽引江水)；而過(guò)境水資源量多年平均為7.300×109m3。徐州市多年平均人均擁有水資源量約424 m3，低于江蘇省平均470 m3/人的水平，僅為全國(guó)2 190 m3/人的17.8%。一般干旱年份全市缺水約5.700×108m3，特殊干旱年份缺水近1.200×109m3，為全國(guó)40個(gè)嚴(yán)重缺水地區(qū)之一[6]，水資源短缺已成為制約城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要因素。

由于地理位置及豐厚的自然資源稟賦，徐州市是全國(guó)重要的基礎(chǔ)能源和原材料基地，自建國(guó)后國(guó)家就在該市布點(diǎn)建設(shè)煤炭、化工、建材、冶金、電力工業(yè)。幾十年來(lái)，徐州市為江蘇省乃至全國(guó)的發(fā)展做出了歷史性重大貢獻(xiàn)，付出了生產(chǎn)高投入、資源高消耗、環(huán)境高污染的沉重代價(jià)，導(dǎo)致一個(gè)時(shí)期內(nèi)煤區(qū)連片塌陷、城市灰黑臟亂、產(chǎn)業(yè)低端粗放、居住環(huán)境惡劣。而近期，徐州市工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，不僅導(dǎo)致了工農(nóng)業(yè)廢水和生活污水排放量逐年增加從而給水環(huán)境帶來(lái)了更大的壓力，同時(shí)也對(duì)水環(huán)境提出了更高的要求。正確評(píng)價(jià)水環(huán)境承載力是優(yōu)化配置，合理開(kāi)發(fā)，有效保護(hù)水資源的科學(xué)基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)徐州市區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的前提。

2研究方法

2.1　突變級(jí)數(shù)法基本思想及優(yōu)勢(shì)

突變級(jí)數(shù)法是一種由突變理論(catastrophe theory)為基礎(chǔ)，用突變數(shù)學(xué)模型進(jìn)行多目標(biāo)(準(zhǔn)則或要求)評(píng)價(jià)決策的管理技術(shù)。它以勢(shì)函數(shù)為研究對(duì)象，通過(guò)狀態(tài)變量X={x1，x2，…，xm}和外部控制參量G=f(A，X)來(lái)反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化情況。在各種可能變化的外部控制參量和內(nèi)部行為變量的集合條件下，構(gòu)造狀態(tài)空間和控制空間。通過(guò)聯(lián)立求解G’(x)和G’’(x)，得到狀態(tài)變量在控制空間的軌跡——分叉集。處于分叉集中的控制變量值會(huì)使勢(shì)函數(shù)發(fā)生突變，即從一種質(zhì)態(tài)跳躍到另一種質(zhì)態(tài)[7]。當(dāng)狀態(tài)變量為1時(shí)，多目標(biāo)決策所涉及的初等突變模型主要有4種(表1)。

表1　幾種主要的突變模型相關(guān)公式

注：a，b，c，d為外部控制參量；Xa，Xb，Xc，Xd為各控制參量相應(yīng)的突變級(jí)數(shù)值。

突變級(jí)數(shù)法的比較優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面： (1) 演變機(jī)理中突變特性的反映。區(qū)域水環(huán)境承載力狀態(tài)演變過(guò)程具有突變特性，并不是連續(xù)、漸變、平滑的。因此，這就要求評(píng)價(jià)區(qū)域水環(huán)境承載力的數(shù)學(xué)模型能夠體現(xiàn)這種非連續(xù)、階躍式的數(shù)理特征[8]。突變理論就是這樣一門(mén)以突變?yōu)檠芯繉?duì)象的數(shù)學(xué)理論，也是目前唯一的一門(mén)研究系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)由漸變引起突變的系統(tǒng)理論。基于突變理論構(gòu)造的突變級(jí)數(shù)法，反映了傳統(tǒng)方法所忽略的水環(huán)境承載力演變過(guò)程的突變特性，更為客觀、準(zhǔn)確地揭示了水環(huán)境承載力的演變規(guī)律和變化驅(qū)動(dòng)力機(jī)制。 (2) 較高的客觀性。突變級(jí)數(shù)法引用相對(duì)隸屬度的概念，避免了主觀判斷承載力標(biāo)準(zhǔn)的不確定對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果客觀性的影響。同時(shí)無(wú)需對(duì)指標(biāo)賦值權(quán)重值，只需要按照指標(biāo)內(nèi)在邏輯關(guān)系對(duì)其重要性進(jìn)行排序，很大程度上減少了人為賦權(quán)的主觀性。

2.2　評(píng)價(jià)步驟

利用突變級(jí)數(shù)法進(jìn)行水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)時(shí)，主要操作步驟為[9-11]：

(1) 構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，即按系統(tǒng)的內(nèi)在作用機(jī)理，將系統(tǒng)分解為由若干評(píng)價(jià)指標(biāo)組成的多層子系統(tǒng)，并將每一層次中的各個(gè)指標(biāo)按相對(duì)重要性進(jìn)行排序，即重要指標(biāo)排在前、次要指標(biāo)排在后，建立遞級(jí)突變模型。

(2) 根據(jù)已有研究基礎(chǔ)及研究區(qū)域特點(diǎn)，制定合適的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)指標(biāo)層原始數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)格化處理，即采用隸屬度法將各指標(biāo)原始數(shù)值轉(zhuǎn)換為[0，1]之間的無(wú)量綱數(shù)值。

(3) 利用突變系統(tǒng)的歸一化公式和突變級(jí)數(shù)值取均值的“互補(bǔ)”、“大中取小”的“非互補(bǔ)”、“過(guò)閾互補(bǔ)”準(zhǔn)則進(jìn)行綜合量化遞歸運(yùn)算，求取目標(biāo)層的綜合評(píng)價(jià)值，即相對(duì)隸屬度。

(4) 將各評(píng)價(jià)對(duì)象的綜合評(píng)價(jià)值與等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)綜合評(píng)價(jià)值進(jìn)行比較，判定評(píng)價(jià)對(duì)象隸屬的評(píng)價(jià)等級(jí)。

3徐州市突變級(jí)數(shù)法水環(huán)境承載力分析

3.1　指標(biāo)選取及遞級(jí)突變模型建立

至今，學(xué)術(shù)界尚未形成統(tǒng)一的水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，以下2個(gè)方面可以作為選擇指標(biāo)的參考依據(jù)： (1) 相關(guān)研究文獻(xiàn)中的指標(biāo)體系。相關(guān)文獻(xiàn)中的指標(biāo)體系是學(xué)者們經(jīng)過(guò)大量研究提出來(lái)的。通過(guò)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，可以得到目前相關(guān)研究關(guān)注的主要指標(biāo)。借鑒這些指標(biāo)可提高指標(biāo)體系的科學(xué)性。 (2) 國(guó)家頒布的指標(biāo)體系。國(guó)家頒布相關(guān)指標(biāo)體系包括生態(tài)縣、生態(tài)市、生態(tài)省建設(shè)指標(biāo)，節(jié)水型城市考核標(biāo)準(zhǔn)等，主要應(yīng)用于城市和區(qū)域考核評(píng)比，在實(shí)踐中被大量使用并檢驗(yàn)。參考這些指標(biāo)有助于提高指標(biāo)體系的政策相關(guān)性。

水環(huán)境作為生態(tài)環(huán)境的組成部分，具有環(huán)境屬性；同時(shí)，其水體屬于資源范疇，具有資源屬性，因此，根據(jù)水環(huán)境承載力的概念[12]及以上兩點(diǎn)指標(biāo)選取依據(jù)，結(jié)合資料數(shù)據(jù)的連續(xù)性和可獲取性，從水資源承載力和水污染承載能力兩方面選取指標(biāo)，構(gòu)建徐州市水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。具體指標(biāo)詳見(jiàn)表2。

表2　水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

注：+，-分別表示越大越優(yōu)，越小越優(yōu)。

為克服各指標(biāo)排序的主觀性，使評(píng)價(jià)結(jié)果更符合實(shí)際，采用改進(jìn)熵值法[13]確定各層次指標(biāo)重要性排序(表2)。據(jù)此，提出的徐州市水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)逐級(jí)集成的突變模型如圖1所示。

圖1　水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)的遞級(jí)突變模型

3.2　數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

數(shù)據(jù)主要來(lái)源于2001—2011年的《徐州統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》《江蘇省水資源公報(bào)》《江蘇統(tǒng)計(jì)年鑒》等，部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)源于相關(guān)部門(mén)年報(bào)。各目標(biāo)年指標(biāo)原始值詳見(jiàn)表3。

原始數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)采用隸屬度的概念進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使其轉(zhuǎn)化為[0，1]，計(jì)算公式為：

越大越優(yōu)型指標(biāo)：

(x-xmin)/(xmax-xmin)(xmin

越小越優(yōu)型指標(biāo)：

(xmax-x)/(xmax-xmin)(xmin

3.3　評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的制定

由于突變級(jí)數(shù)法歸一化公式的特點(diǎn)，計(jì)算得到的評(píng)價(jià)值一般均偏高，且指數(shù)間差距很小，從而無(wú)法按照常規(guī)根據(jù)評(píng)價(jià)值對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象“優(yōu)”、“劣”情況進(jìn)行直觀判定。因此制定出合適的突變級(jí)數(shù)法的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，是使突變級(jí)數(shù)法更具實(shí)用價(jià)值的關(guān)鍵，也是目前使用突變級(jí)數(shù)的難點(diǎn)[14]。為解決該問(wèn)題，參考已有研究成果、考核標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合徐州市實(shí)際，制定出徐州市水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表4)。通過(guò)各突變系統(tǒng)的歸一公式逐級(jí)向上計(jì)算，得到突變級(jí)數(shù)法在絕對(duì)意義下的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值(表5)。

表3　徐州市水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)2001-2011年原始數(shù)據(jù)

表4　水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3.4　綜合目標(biāo)評(píng)價(jià)值

同樣按突變理論多準(zhǔn)則評(píng)價(jià)方法，采用各突變系統(tǒng)的歸一公式逐步向上綜合計(jì)算，得到徐州市2001—2011年水環(huán)境承載力綜合目標(biāo)評(píng)價(jià)值(表6)。

3.5　結(jié)果分析

比較各目標(biāo)年的綜合目標(biāo)評(píng)價(jià)值與等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值，可以得到各目標(biāo)年的水環(huán)境承載力等級(jí)(圖2)。由圖2可以看出，水資源承載力方面，各目標(biāo)年承載力水平總體偏低，年際波動(dòng)較大，其中2002，2006和2010年處于等級(jí)Ⅰ水平，即弱承載狀態(tài)。一方面雖然生產(chǎn)節(jié)水、廢水重復(fù)再生利用等環(huán)節(jié)的技術(shù)水平、實(shí)施力度逐年有所提高，但尚不足，依然需要突破更多的技術(shù)革新，提高水資源利用率。另一方面豐水年和枯水年地表水資源量差距懸殊，2003年最高為7.634×109m3，2002年最低為1.74×109m3；人均水資源量嚴(yán)重偏低，根據(jù)“國(guó)際人口行動(dòng)”人口和環(huán)境計(jì)劃中規(guī)定，人均水資源量少于1 700 m3將發(fā)生用水緊張，少于1 000 m3將發(fā)生嚴(yán)重缺水，少于500 m3將發(fā)生極度缺水，即使是最高年份2003年的840 m3/人也處于嚴(yán)重缺水狀態(tài)。徐州市水資源自然稟賦的不可調(diào)控性更加要求從節(jié)流方面加強(qiáng)管理力度。

表5　水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表6　徐州市2001-2011年水環(huán)境承載力綜合目標(biāo)評(píng)價(jià)值

水污染承載力方面，10 a來(lái)整體狀態(tài)呈上升趨勢(shì)，并從2005年開(kāi)始達(dá)到并保持在等級(jí)Ⅲ水平。徐州市從1999年開(kāi)始創(chuàng)建國(guó)家環(huán)境保護(hù)模范城市，2006年全面通過(guò)國(guó)家考核驗(yàn)收。走過(guò)了五年打基礎(chǔ)、三年攻堅(jiān)戰(zhàn)、兩年大提升的奮斗歷程，徐州市水污染治理、水環(huán)境整治工作也取得了一定成效。另外，2009年以后水污染承載力開(kāi)始趨于穩(wěn)定狀態(tài)，徐州市在后續(xù)的工作中需要在減排治污的力度增加一個(gè)量級(jí)，增加資金支持、完善基礎(chǔ)設(shè)備、提高技術(shù)水平，爭(zhēng)取在水污染承載力水平上有所突破。

2001—2011年期間，徐州市水環(huán)境承載力僅2005和2009年達(dá)到等級(jí)Ⅲ水平，為中承載狀態(tài)，其余幾年均在等級(jí)Ⅲ水平以下?？傮w來(lái)看，徐州市近10 a水環(huán)境承載力狀況從2003年開(kāi)始有所改善，但依然普遍較差。在今后的城市化進(jìn)程中要更加注重和加強(qiáng)水環(huán)境的保護(hù)。水環(huán)境承載力偏低主要受水資源和水污染兩方面制約，但就徐州市而言，在水污染治理得到社會(huì)和政府部門(mén)的充分關(guān)注的情況下，水資源“量”的問(wèn)題已經(jīng)成了影響水環(huán)境承載力主要突出因素，也必將影響到今后的發(fā)展。從圖2中反映的水環(huán)境承載力的年際變化趨勢(shì)與水資源承載力的具有很高同步性正說(shuō)明了這一問(wèn)題。

圖2　徐州市近10 a水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)結(jié)果

4結(jié) 論

(1) 近10 a徐州市水環(huán)境承載力除2005和2009年達(dá)到等級(jí)Ⅲ水平外，其余幾年均在等級(jí)Ⅲ水平以下，從2003年開(kāi)始水環(huán)境承載力有所改善，但依然普遍較差。

(2) 徐州市水污染承載力整體上呈上升趨勢(shì)并逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，在后續(xù)工作中相關(guān)職能部門(mén)仍需加大減排治污力度，爭(zhēng)取在水污染承載力水平上有所突破。

(3) 徐州市水資源承載力的年際變化趨勢(shì)與水環(huán)境承載力的具有很高的同步性，水資源問(wèn)題因其具有人為不可控的自然屬性，在今后的發(fā)展中必然成為影響徐州市水環(huán)境承載力的主要突出因素。應(yīng)進(jìn)一步強(qiáng)化水資源合理利用，如提高再生水利用水平、倡導(dǎo)節(jié)水技術(shù)和產(chǎn)品的應(yīng)用等，同時(shí)提高對(duì)過(guò)境水資源的深入開(kāi)發(fā)利用率，合理開(kāi)發(fā)利用并保護(hù)地下水資源。

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Evaluation on Water Environment Carrying Capacity of Xuzhou City in Recent 10 Years Based on Catastrophe Progression Method

WU Yingchao1, WANG Zhen1, CAO Lei1, WANG Xinjun1,2, ZHAO Yanwen1

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing,Jiangsu210095,China; 2.CollegeofArtandDesign,ChangzhouInstituteofTechnology,Changzhou,Jiangsu213002,China)

Abstract：[Objective] This paper aimed at studying the water environment carrying capacity of Xuzhou City in recent ten years, in order to provide theoretical supports for improving the research systerm of regional water environment carrying capacity. [Methods] The index system was established from two aspects: water resources carrying capacity and water pollution bearing capacity. And the improved entropy method was used to reorder the indices. Then, the model of regional water environment carrying capacity based on the catastrophe progression method was built and applied to the evaluation. [Results] (1) The water resource carrying capacity was overall low in each year, and had large inter-yearly variation. Especially in the years of 2002, 2006 and 2010, the water resource carrying capacity was at level Ⅰ; (2) On the whole, the water pollution bearing capacity had climbed and had a sign of getting steady; (3) The water environment carrying capacity of Xuzhou City were at level Ⅲ only in 2005 and 2009, while the other years were below level Ⅲ. [Conclusion] Although the water environmental carrying capacity of Xuzhou City had shown some improvement since 2003, it was relatively poor. Due to the uncontrollable natural attributes, the water resources carrying capacity is the main factors that would limit the water environment carrying capacity of Xuzhou City.

Keywords:water environment carrying capacity; catastrophe progression method; Xuzhou City

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1000-288X(2015)02-0231-05

中圖分類(lèi)號(hào)：X143

通信作者：趙言文(1965—),男(漢族),江蘇省徐州市人,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事水土保持、環(huán)境生態(tài)學(xué)、環(huán)境影響評(píng)價(jià)研究。E-mail:ywzhao@njau.edu.cn。

收稿日期：2014-03-20修回日期：2014-04-04
資助項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“農(nóng)村發(fā)展中生態(tài)環(huán)境管理研究”(70833001)
第一作者：吳穎超(1987—),女(漢族),浙江省寧波市人,碩士研究生,研究方向?yàn)樗帘３帧h(huán)境規(guī)劃與評(píng)價(jià)。E-mail:waiting_2022@163.com。