劉東君　李力

（哈爾濱工業(yè)大學深圳研究生院　廣東深圳518055）

珠三角地區(qū)水環(huán)境承載力綜合評價模型研究

劉東君李力

（哈爾濱工業(yè)大學深圳研究生院廣東深圳518055）

針對珠三角地區(qū)水環(huán)境承載力問題進行研究，從區(qū)域水環(huán)境承載力所涉及的水資源系統(tǒng)、供水用水系統(tǒng)、水環(huán)境污染系統(tǒng)、社會和經(jīng)濟系統(tǒng)、各產(chǎn)業(yè)用水指標等多個領(lǐng)域中選取多個指標，構(gòu)建區(qū)域水環(huán)境承載力的評價指標體系，利用基于粗糙集理論的屬性約簡法對指標進行約簡，得到較為精簡的指標體系；利用Topsis評價法對區(qū)域水環(huán)境承載力進行了評價，分析了珠三角地區(qū)八個城市的水環(huán)境承載力，為區(qū)域水環(huán)境的管理和水污染的控制提供理論基礎(chǔ)。

水環(huán)境承載力 綜合評價 屬性約簡法 Topsis評價法

0　引言

當今社會人口膨脹、資源短缺、生態(tài)危機等全球性問題日益突出，環(huán)境污染問題不斷加劇，人口、資源與環(huán)境之間的矛盾變得越來越尖銳。水環(huán)境承載能力研究就是從人口、資源、環(huán)境和發(fā)展之間的關(guān)系著手，從本質(zhì)上分析環(huán)境與人類活動之間的辯證關(guān)系，建立環(huán)境與社會、經(jīng)濟之間聯(lián)系的紐帶，為可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。因此研究區(qū)域水環(huán)境承載能力，進而促進區(qū)域社會經(jīng)濟與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，對維系良好的生態(tài)環(huán)境、構(gòu)建社會主義和諧社會具有十分重要的意義。調(diào)研了城市水環(huán)境承載力相關(guān)的影響因素，并建立了相應(yīng)的指標體系；運用模糊物元法對指標數(shù)據(jù)進行模糊化，再利用屬性約簡法對多指標進行約簡，得到精簡的指標體系，減少了評價工作的工作量。運用Topsis評價法對城市水環(huán)境承載力進行了評價。

1　評價模型相關(guān)理論

1.1屬性約簡法

設(shè)某知識系統(tǒng)為 S=（U，C，V，f），其中 U=｛x1，x2，…，xm｝表示一個非空對象集，也稱為論域；C =｛s1，s2，…，sn｝表示一個非空屬性集；V=∪Vs，它表示屬性 si的值域；f：U×C→Vs是一個信息函數(shù)，?（x，s）∈U×C，f（x，s）∈Vs。本文進行以下定義：

定義1：對于一個非空集合 B?C，s是B中的元素，我們定義該集合在集合 U上不可分辨關(guān)系為：

IB=｛（x，y）∈U×U∶f（x，s）=f（y，s）｝（1）

定義2：設(shè)集合X是U中的一非空有限子集，對于等價關(guān)系 B∈ind（S），則 X對集合B下近似和B上近似分別為：

定義3：設(shè)A，D?C是C的兩個屬性子集，對于元素 x∈U/D，本文定義是 posA（D）=xeU∪/DA—（X）是U/D對于A的正域。

基于上述定義，分析各指標重要程度，并由此進行屬性約簡。對于某指標 sj，它的重要程度可通過下述方法來確定。從屬性集合 C中去掉sj，然后考察S的分類能力的變化，根據(jù)由此帶來的影響來衡量該屬性的重要程度。同理，從屬性集合C中依次去掉每個指標，然后考察在不包含該指標時，S的分類情況受到的影響。如果去掉一個屬性指標以后，S的相應(yīng)的分類狀況有較大變化，那么說明這個指標的重要性較強；反之，則說明該指標的重要性弱。這樣指標 sj的重要程度定義為：

式中，sj∈R，R∈A，|?|表示集合中元素個數(shù)。

顯然 sig（sj）越大，則說明該指標的重要程度也越大。如果 sj的重要程度sig（sj）是0，則說明該指標可從屬性集中約簡出去。這樣，可將原屬性指標集進行約簡，去掉那些相對不重要的指標 ，保留那些足夠反映屬性指標體系信息的、更為精簡的指標，從而使整個評價工作的工作量降低。

1.2Topsis評價方法

Topsis評價方法，其全稱是逼近于理想解的方法（Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution）。在系統(tǒng)工程領(lǐng)域中，Topsis評價方法是對于有限方案多指標決策問題的重要方法之一。其建模思想如下：定義了在決策問題中的“正理想方案”與“負理想方案”，在可行的方案中尋找一個方案，使其到正理想方案的距離最近，且與負理想方案之間的距離最遠。

對一個有限方案多指標決策問題，設(shè)其正理想方案和負理想方案分別是 Z+和 Z-?？疾旄鱾€可行方案與正理想方案與負理想方案之間的距離，一般可采用歐氏距離，則從任一可行方案 Zi到Z+的距離是：

到Z-之間的距離是：

最后根據(jù)相對貼近度來確定和比較各可行方案相對的水平，從而得出合理的評價結(jié)果。Topsis評價法的接近度定義為：

顯然有0≤Ti≤1。對于理想方案，則 Ti=1；對于負理想方案，則 Ti=0?？尚蟹桨?Zi離正理想方案越近，則Ti越靠近1；可行解 Zi離負理想方案越近，則 Ti越靠近0。根據(jù)各個 Ti的大小，對可行解進行排序，從而得出合理的評價結(jié)果。

2　基于屬性約簡的評價指標體系

2.1評價指標體系

區(qū)域水環(huán)境承載力問題涉及到水環(huán)境、社會、經(jīng)濟和資源等多個領(lǐng)域，是一個多指標綜合評價問題。評價指標的選取遵循科學、明確、客觀和可操作性強等原則，根據(jù)其他研究成果與珠三角地區(qū)的實際情況，區(qū)域水環(huán)境承載力所涉及的水資源、供水用水、水環(huán)境污染、社會和經(jīng)濟、以及各產(chǎn)業(yè)用水指標等多個領(lǐng)域中選取多個指標，構(gòu)建了區(qū)域水環(huán)境承載力綜合評價指標體系。各指標數(shù)據(jù)如下表1所示，數(shù)據(jù)來源于2013年《廣東省水資源公報》。

表1　水環(huán)境承載力指標體系

2.2數(shù)據(jù)模糊量化與離散化

指標的屬性約簡需要離散的數(shù)值，因此將數(shù)據(jù)離散化，其過程如下。

（1）鑒于不同的評價指標的量綱不同，需要先對各個指標數(shù)據(jù)進行歸一化 ，消除量綱的影響。

（2）將水環(huán)境承載力指標強弱進行模糊化 ，將其能力分為三級，即評價空間為：ED=｛優(yōu)、良、差｝，量化標準如表2所示。

表2　水環(huán)境承載力量化標準

（3）將各指標的等級值作為離散值，運用模糊物元法計算各指標的隸屬度，根據(jù)隸屬度最大原則來確定各個指標的離散值，其結(jié)果如表3所示。

表3　各城市指標的離散值

2.3評價指標約簡

利用基于粗糙集理論的屬性約簡法對指標體系進行約簡 ，削減評價系統(tǒng)的工作量。對于每一個系統(tǒng)的指標分別進行約簡。

對于供水用水量系統(tǒng)的指標，由表中的數(shù)據(jù)，基于粗糙集理論進行屬性約簡 ，約簡過程如下：

（1）確定條件屬性集和論域，條件屬性集為 C=｛s1，s2，s3，s4，s5｝，論域為 U=｛C1，C2，C3，C4，C5，C6，C7，C8｝。

（2）分析 U關(guān)于各屬性集合的劃分：

（3）考察指標的正域：

（4）計算指標的屬性重要性：

sig（s2）=0，sig（s3）=0，sig（s4）=0.25，sig（s5）=0.75。

由上述計算可知，指標 s1、s2和 s3的屬性重要性是0。根據(jù)屬性約簡法，可以將這3個指標從原指標體系當中約去，并由剩下的指標 s4、s5建立新的指標體系。

同理，水資源系統(tǒng)指標中的“降水量”、“水資源總量”和社會經(jīng)濟系統(tǒng)人均水資源量指標中的“人均水資源量”也被約簡掉了。剩下的指標包括：產(chǎn)水模數(shù)、耗水量、耗水率、火（核）電直流冷卻水排放量、入河廢污水量、人均GDP、人均綜合用水量、萬元GDP用水量、萬元工業(yè)增加值用水量、農(nóng)田灌溉畝均用水量、城鎮(zhèn)生活用水量，這些指標構(gòu)成新的指標體系。

指標數(shù)量由原來的17個減為11個，原始數(shù)據(jù)量變少 ，評價工作的工作量相應(yīng)減少。當評價系統(tǒng)指標較多時，評價工作的工作量會很大，指標的屬性約簡往往是必需的。過多的屬性指標帶有的信息有時會帶有一定的相關(guān)性，用這些數(shù)據(jù)進行綜合評價會使研究的復(fù)雜性和數(shù)據(jù)操作工作量增大，其評價結(jié)果也不一定理想。因此在綜合評價工作中，利用屬性約簡法對屬性指標進行約簡具有重要的意義。

3　評價結(jié)果與分析

運用Topsis評價法對城市水環(huán)境承載力進行評價，評價結(jié)果如下表4所示。

表4　Topsis 評價法結(jié)果

由表4可知，在8個城市中，深圳市、珠海市和東莞市水環(huán)境承載力相對較強。珠海市氣候舒適度、自然環(huán)境質(zhì)量和綠化水平等都十分高 ，在廣東省環(huán)境保護總體滿意度評價中珠海市是最高的。東莞市的非金屬礦物業(yè)、紡織業(yè)等產(chǎn)業(yè)的環(huán)境投資額均高于廣東省的平均水平，東莞市在“中國綠色城鎮(zhèn)化指標”排名中取得第12位的成績；而深圳市則排在全國第三 ，東莞市和深圳市在環(huán)境污染防治上投入較大，并獲得了很好的效果。

在表4中，惠州市、廣州市和江門市的水環(huán)境承載力最弱。在廣東省環(huán)保廳公布的“2013年廣東省重點污染源環(huán)境保護信用評價”結(jié)果中，惠州市和江門市的上榜污染企業(yè)最多?；葜菔械牡游廴颈容^嚴重，水體很多斷面污染嚴重，主要污染物以氨氮和總磷為主，也表現(xiàn)出比較明顯的有機型污染特征。近些年隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和城市化進程的加快，廣州市和惠州市的城市用水量也不斷加大，水體污染日益嚴重，污染承載能力也較弱。

4　結(jié)語

利用系統(tǒng)建模與仿真的方法對珠三角地區(qū)城市水環(huán)境承載力進行了綜合評價。基于區(qū)域水環(huán)境承載力問題涉及到的水環(huán)境、社會、經(jīng)濟和資源等多個領(lǐng)域，構(gòu)建了廣義水環(huán)境承載力綜合評價的指標體系。運用基于粗糙集理論的屬性約簡法對指標體系進行了約簡，得到了精簡的指標體系。利用Topsis評價法對珠三角地區(qū)八個城市水環(huán)境承載力進行了全面地評價，結(jié)果表明，深圳市和東莞市水環(huán)境承載力相對較強，江門市和惠州市水環(huán)境承載力相對較弱。

Evaluation Modelon Water Environment Carrying Capacity for Pearl River Delta Region

LIU Dongjun LI Li
（Shenzhen Graduate School，Harbin Institute of Technology Shenzhen，Guangdong 518055）

The water environment carrying capacity of Pearl River delta region is analyzed.Some indexes are selected from many fields，such as the water resources system，water supply system，water environmentsystem，social and economic system and water indexes of industrial consumption.The attribute reduction method based on rough set theory is used to reduce the indexes，and the reduced index system is obtained.The regionalwater environmental carrying capacity is evaluated by the Topsis evaluation method and water environment carrying capacity of eight cities in the Pearl River delta region is analyzed.This study can provide theoretical basis for the managementof regionalwater environmentand water pollution control.

water environment carrying capacity comprehensive evaluation attribute reduction method Topsis evalua tion method

劉東君 ，男 ，博士后，主要研究領(lǐng)域為系統(tǒng)仿真建模，環(huán)境評價與仿真。

（2015-09-15）