哈爾濱水環(huán)境承載力評價指標體系的構(gòu)建

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，它表明水體對特定區(qū)域內(nèi)的人口和社會發(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價城市水環(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，目前對其評價指標體系構(gòu)建的方法尚未形成統(tǒng)一認識，研究者一般通過分析所研究區(qū)域的特點，基于數(shù)據(jù)資料的可獲得性原則，采用專家打分法構(gòu)建評價指標體系。雖然這種方法可操作性強，但是容易引入較多的主觀因素［3］。為了有效避免指標選取過程中的主觀性和不一致性，國內(nèi)外學(xué)者進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］對評價指標進行分析和篩選，進而確定指標權(quán)重的方法得到了普遍的認可。該方法具有計算方便，快捷的優(yōu)點，并且有效克服了指標篩選和權(quán)重確定過程中的主觀因素，可以較好地體現(xiàn)各指標之間的區(qū)分度。

哈爾濱市作為黑龍江省政治、經(jīng)濟、文化中心，人均占有水資源量僅為世界水平的1/8、全國水平的1/2，存在著嚴重的水資源利用率低、供需矛盾突出、水環(huán)境污染嚴重等問題［7］，制約了經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高。因此，研究哈爾濱市水環(huán)境承載力對探索科學(xué)開發(fā)利用和保護水資源的途徑，促進哈爾濱市經(jīng)濟社會持續(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)法建立相對客觀的水環(huán)境承載力評價指標體系，并利用向量模法對哈爾濱市水環(huán)境承載力進行了評價與分析。

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)系進行序列化、模型化而建立的一種分析方法，它通過比較系統(tǒng)各因素統(tǒng)計數(shù)列的幾何關(guān)系來確定系統(tǒng)中多因素間的關(guān)聯(lián)程度［8］，并同時實現(xiàn)自動賦權(quán)。

根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)分析法構(gòu)建水環(huán)境承載力評價指標體系的過程如下:

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個點的數(shù)值。對各數(shù)據(jù)序列進行無量綱初始化處理:

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)度計算公式為:

對計算得到的各因素關(guān)聯(lián)度進行歸一化，求出各因素在評估系統(tǒng)中所占的權(quán)重。計算公式為:

1.2 向量模法計算水環(huán)境承載力

設(shè)水環(huán)境承載力動態(tài)研究時間為m年，那么對應(yīng)有m個水環(huán)境承載力指數(shù)。令m個水環(huán)境承載力為Bj( j = 1，2，…，m) ，同時每個水環(huán)境承載力又由n個具體評價指標來表達，即

由于水環(huán)境承載力各評價指標的量綱不同，應(yīng)首先對其進行歸一化處理，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個水環(huán)境承載力中第i個指標的權(quán)重。

2 哈爾濱市水環(huán)境承載力評價指標體系的構(gòu)建與分析

2.1 評價指標體系的構(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。本文通過全面分析水資源與水環(huán)境系統(tǒng)的特點，參照相關(guān)研究［9］所建立的評價指標體系，選擇以下16個影響因素作為哈爾濱市水環(huán)境承載能力綜合評價的待選指標。具體指標見圖1 所示。

圖1 哈爾濱市水環(huán)境承載力待選指標體系

通過查閱哈爾濱市統(tǒng)計年鑒、環(huán)境質(zhì)量公報等相關(guān)資料，收集全部待選指標在2003—2006年的原始數(shù)據(jù)，見表1。

對16個待選指標進行原始數(shù)據(jù)的初始化處理后，由于水資源開發(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)列對參照數(shù)列的關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度，結(jié)果見表2。

表1 待選指標原始數(shù)據(jù)

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

對表2 中各指標關(guān)聯(lián)度排序結(jié)果為: γ03＞γ08＞γ02＞γ07＞γ015＞γ05＞γ011＞γ010，這8個指標與水資源開發(fā)利用率得關(guān)聯(lián)度最高，可選入哈爾濱市水環(huán)境承載力評價指標體系。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)值與參照指標的關(guān)聯(lián)度卻相對較小，因此本文進一步分析了相關(guān)研究成果，并咨詢有關(guān)專家意見，最終也將其入選評價指標體系。從而構(gòu)建了包含10個指標的哈爾濱市水環(huán)境承載力評價指標體系。

2.2 評價指標權(quán)重的確定

本文對篩選出的10個評價指標采用灰色關(guān)聯(lián)法［10］確定評價指標的權(quán)重。首先，構(gòu)建10個評價指標的關(guān)聯(lián)數(shù)列:{ 水資源開發(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，將每個指標分別作為參照指標，按公式(4) 計算比較指標對于每個參照指標的灰色關(guān)聯(lián)度，得到一個關(guān)于評價指標的關(guān)聯(lián)矩陣R。求出關(guān)聯(lián)矩陣R 中各行平均值再進行歸一化處理，最終得到各指標權(quán)重見表3。

2.3 哈爾濱市水環(huán)境承載力分析

將篩選出的評價指標及其權(quán)重代入向量模法計算公式，得到哈爾濱市2003—2006年的水環(huán)境承載力指數(shù)，見表4。

表3 哈爾濱市水環(huán)境承載力評價指標權(quán)重

表4 哈爾濱市水環(huán)境承載力指數(shù)

由表4 可見，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%。分析評價指標原始值可以看出，除人均污水排放量倒數(shù)、人均需水量倒數(shù)等個別指標外，其他指標基本上呈逐年增加的趨勢，這是導(dǎo)致哈爾濱市水環(huán)境承載力上升的直接原因。從哈爾濱市社會經(jīng)濟發(fā)展水平來看，由于積極推動產(chǎn)業(yè)體制改革，嚴格貫徹振興東北老工業(yè)基地等經(jīng)濟政策，導(dǎo)致哈爾濱市工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，全市國內(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，開發(fā)建設(shè)了磨盤山水庫作為城市供水第二水源，同時采用多種節(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)出同樣樂觀的發(fā)展趨勢，這說明在日常生活中，節(jié)水宣傳力度仍然不夠，污水治理措施和懲戒機制還存在不到位的地方。盡管上述各指標值差異很大，但是哈爾濱市水環(huán)境承載力整體上升的變化趨勢，反映了該市水資源和水環(huán)境系統(tǒng)對城市發(fā)展和社會進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)境承載力評價指標體系的構(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)方法建立指標體系存在主觀性的問題。在指標體系確立的基礎(chǔ)上，利用向量模法計算水環(huán)境承載力指數(shù)，結(jié)果表明:近4 a來哈爾濱市水環(huán)境承載力呈逐年上升趨勢，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)境用水為代價等問題仍需做進一步研究。

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