王志蕓

(云南省環(huán)境科學研究院,云南昆明 650034)

瀘沽湖流域水環(huán)境承載力研究

王志蕓

(云南省環(huán)境科學研究院,云南昆明 650034)

以湖泊流域水質(zhì)、水資源量、入湖污染負荷環(huán)境承壓度、湖泊生態(tài)等 4個主要功能過程,兼顧考慮社會經(jīng)濟對水環(huán)境的影響,設(shè)計并構(gòu)建了湖泊分層分級水環(huán)境承載力評價模型研究與應(yīng)用體系,采用系統(tǒng)分析的方法對湖泊現(xiàn)狀水環(huán)境承載力和彈性環(huán)境承載力進行了定量化的研究。

水環(huán)境;承載力;層次分析;瀘沽湖

環(huán)境承載力是社會、經(jīng)濟發(fā)展,人類生活水平提高,科學技術(shù)進步條件下對環(huán)境價值的一種認識,其大小是決定社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展速度和規(guī)模的一個重要因素。

瀘沽湖是位于我國西南邊陲的一顆璀璨明珠,是云南九大高原湖泊中水質(zhì)最好的湖泊,加之當?shù)鬲毺氐牡赜蚓坝^和人類母系氏族最后領(lǐng)地的人文風情,使其成為了高品質(zhì)的旅游資源,吸引了大量的國內(nèi)外游客。隨著旅游業(yè)的興起,當?shù)剡^去那種自給自足,缺乏商品經(jīng)濟意識的狀況被打破,封閉式的生產(chǎn)生活方式隨之發(fā)生改變。目前瀘沽湖所面臨的不僅是旅游經(jīng)濟發(fā)展速度和規(guī)模對湖泊水質(zhì)造成壓力凸顯的問題,還有人類活動無序無度所造成的傳統(tǒng)自然生態(tài)環(huán)境問題。

1 環(huán)境承載力研究的條件

湖泊環(huán)境承載力[1]概念可以界定為:在一定生活水平和環(huán)境質(zhì)量要求下,湖泊環(huán)境系統(tǒng)功能可持續(xù)正常發(fā)揮前提下,接納污染物的能力 (正常納污能力)和承受對其生態(tài)系統(tǒng)基本要素改變后接納污染物的能力 (彈性納污力),以及可支撐的經(jīng)濟規(guī)模和相應(yīng)人口數(shù)量。水環(huán)境研究的條件 -環(huán)境 -目標體系為:

條件:一定生活水平,代表流域社會經(jīng)濟發(fā)展水平和特征;一定環(huán)境質(zhì)量要求,代表環(huán)境約束條件;湖泊環(huán)境系統(tǒng)功能可持續(xù)正常發(fā)揮,代表湖泊生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和協(xié)調(diào)程度。

環(huán)境:以環(huán)境為載體,區(qū)別于單純的資源承載力。

目標:為湖泊流域現(xiàn)狀環(huán)境承載力和在生態(tài)系統(tǒng)彈性變動下的彈性環(huán)境承載力。生態(tài)系統(tǒng)的彈性變動與環(huán)境的關(guān)聯(lián)性主要體現(xiàn)在:陸域自然生態(tài)系統(tǒng)條件變動的環(huán)境影響,社會經(jīng)濟系統(tǒng)不同發(fā)展階段不同經(jīng)濟規(guī)模的環(huán)境壓力,湖泊水體系統(tǒng)水環(huán)境容量變動,以及不同程度污染治理水平對環(huán)境的影響等方面。彈性環(huán)境承載力評價是以現(xiàn)狀環(huán)境承載力為基礎(chǔ),通過對影響環(huán)境承載力主要因素的合理預(yù)測,進行極限值分析和情景化模擬。

2 環(huán)境承載力研究的概念模型

水環(huán)境承載力主要包含水資源量承載力和水質(zhì)承載力兩方面內(nèi)容,水資源量承載力主要取決于可利用的水資源數(shù)量,水質(zhì)承載力主要取決于湖泊水環(huán)境容量的利用率。水環(huán)境承載力不是一成不變的,圍繞水質(zhì)和水資源兩個核心內(nèi)容,體現(xiàn)出陸域自然生態(tài)系統(tǒng)、社會經(jīng)濟系統(tǒng)和湖泊水體系統(tǒng)相互聯(lián)系和制約的錯綜復雜的關(guān)系。水環(huán)境承載力最終支持層是社會活動強度和經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模。水環(huán)境承載力評價概念模型見圖 2[2]。

3 環(huán)境承載力評價方法和程序

瀘沽湖流域水環(huán)境承載力評價體系由湖泊水體水質(zhì)承載力一級評價;湖泊流域水資源量承載力二級評價;入湖污染負荷表達的環(huán)境承壓度三級評價;耦合社會 -經(jīng)濟 -環(huán)境要素的綜合水環(huán)境承載力四級評價構(gòu)成,本文重點從綜合評價的層面闡述評價方法和程序,見圖 3。

4 評價方法

4.1 層次評價模型構(gòu)建

層次分析法 (Analytic Hierachy Process)是由美國運籌學家薩蒂 (Saaty,A.L)提出的一種著名決策方法。在湖泊生態(tài)系統(tǒng)中,受社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模與水平、資源條件、環(huán)境質(zhì)量、污染防治水平等的影響,形成了錯綜復雜的環(huán)境污染結(jié)構(gòu)。各個系統(tǒng)和層次間不是孤立存在的,相互作用和影響,對其進行全面的生態(tài)評價很難作到。本研究采用層次分析法,將復雜的多指標問題從高層到低層逐步分解,運用層次結(jié)構(gòu)模型建立評價指標體系框架,按照屬性不同,由上到下分成目標層、準則層、指標層,指標層還可根據(jù)需要分成指標層 1、指標層2,……。瀘沽湖流域指標層次結(jié)構(gòu)模型詳見圖 4。

4.2 層次評價方法

通常情況下,湖泊流域綜合環(huán)境承載力取決于多方面的因素,假設(shè)有x1、x2…..xn等n個因子,則環(huán)境承載指數(shù)CSC[1]可用數(shù)學式表達為:

CSC=f(x1,x2,x3,……xn)

若x1,x2,x3,……xn分別對應(yīng)的分量值為S1,S2,S3,……Sn,每個因子所占權(quán)重為W i,則定義:

從環(huán)境承載指數(shù)的定義中可知,承載指數(shù)確定的關(guān)鍵是承載分量和權(quán)重的確定。CSC越大,表示對系統(tǒng)的承載能力越大。根據(jù)指標層次結(jié)構(gòu)模型,分別以 SI代表支撐指數(shù)、PI代表壓力指數(shù)、L I代表約束指數(shù)。

(1)指標標準化

由于具體指標各具內(nèi)涵,取值范圍也各不相同,要把其納入統(tǒng)一的評價體系,應(yīng)進行標準化處理。從指標的特性看,可將指標分為兩類:正向指標,這類指標越高,分目標層的水平就越高;反向指標,這類指標越高,分目標層的水平就越低。對于兩類不同性質(zhì)的指標,分別采用不同的隸屬函數(shù)將其標準化。

正向指標

式中:X i為第xi指標的標準值;ai、bi分別為各指標的上限和下限。

(2)指標權(quán)重確定

構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣:

首先假使對承載指數(shù)影響的因子共有n個,構(gòu)成集合pi={x1,x2,x3,…xn},然后根據(jù)建立的層次結(jié)構(gòu)模型,分別構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣。

矩陣模式如下:

該矩陣應(yīng)滿足條件:

aij的大小根據(jù)Saaty提出的以 1～9及其倒數(shù)作為衡量尺度的標度方法給出。

表 1 指標標度對照表

層次單排序:

將判斷矩陣標準化:

將標準化后的矩陣按行相加:

對W標準化:

則W=(W1,W2,…,Wn)T為所求特征向量。

當一致性指標CI≤0.1,一致性比率CR≤0.1,判別矩陣的一致性得以滿足,否則要對判別矩陣進行重新調(diào)整。當判別矩陣具有滿意的一致性,其特征向量W即為同一層次中相應(yīng)元素對于上一層次某個元素相對重要性權(quán)值。矩陣一致性判別方法:

計算最大特征值λmax:

其它矩陣采用類似方法得到同一層次的權(quán)重結(jié)果,利用同一層次中所有層次單排序的結(jié)果,計算針對上一層次而言本層次所有元素的重要性權(quán)值,此即為層次總排序,計算需從上到下逐層順序進行,對于最高層下面的第二層,其層次單排序即為總排序。

假設(shè)上一層次中所有元素A1,A2,…Am的總排序已完成,得到的權(quán)值分別為a1,a2,…am,與ai對應(yīng)的本層次元素B1,B2,…Bn,單排序的結(jié)果為b1,b2,…bnj,此時層次總排序權(quán)值由表 2給出。顯然,即層次總排序仍然是標準化向量?？倢哟我恢滦詸z驗同單層次。

表 2 層次總排序示意結(jié)果

5 評價過程及結(jié)果分析

5.1 評價指標篩選和標準化

瀘沽湖流域水環(huán)境承載力評價指標體系見表3。指標極性是相對于評價目標層而言,假設(shè)對目標層具有積極貢獻作用的稱為正指標,具有消極反作用的稱為負指標,正極性指標值越大,對環(huán)境承載力的支撐也越大,負極性指標則反之。

指標評價參數(shù)選取是否合理,直接關(guān)系到評價的客觀性和可比性,本研究根據(jù)國際公認的一些指標值,和我國發(fā)布的《全國人民生活小康水平的基本標準》、《全國生態(tài)城市建設(shè)標準》,參考近年來云南省湖泊流域社會經(jīng)濟發(fā)展狀況,征求相關(guān)專家意見,確定核算標準。標準化指標最高分值為 1分,最低理論分值為 0分,0～1間每個指標分為最差值、及格值和最優(yōu)值,最優(yōu)值可以認為是湖泊生態(tài)系統(tǒng)保持良好生態(tài)彈性的最佳值,及格值可以認為是某項指標在國際或國內(nèi)公認的不發(fā)生危機的安全值,最差值認為是不能保持生態(tài)彈性的臨界值。這樣便于分析流域環(huán)境動態(tài)變化特征,也有廣泛的適用性,最大程度滿足湖泊比較研究的需要。下面為考慮每項指標極性的評定等級劃分標準和選定依據(jù)詳述:

表 3 瀘沽湖流域水環(huán)境承載力評價指標體系

(1)水資源總量:根據(jù)“國際人口行動”人口和環(huán)境計劃中規(guī)定,人均水資源總量小于1700m3將發(fā)生用水緊張,少于 1000m3將發(fā)生嚴重缺水,少于 500m3將發(fā)生極度缺水,而人均水資源量為 2000m3,開發(fā)利用程度為 15%的地區(qū)就是豐水區(qū)。因此,取 2000m3為最優(yōu)值,1700m3為及格值,500m3為最差值。

(2)水資源利用率:人均水資源量為 2000m3,開發(fā)利用程度為 15%的地區(qū)就是豐水區(qū),國際公認的水資源利用率不能超過 40%,因此,取 15%為最優(yōu)值,40%為及格值,65%為最差值。

(3)森林覆蓋率:結(jié)合《全國人民生活小康水平的基本標準》和國家生態(tài)城市建設(shè)標準,以山區(qū)生態(tài)城市建設(shè)標準的低限值 70%作為最優(yōu)值,以達到小康生活水平的 15%為最差值,48%為及格值。

(4)環(huán)保投入占地方生產(chǎn)總值的比例:最差值為沒有任何投入 0,最優(yōu)值參照生態(tài)城市建設(shè)標準的低限值 3.5%,及格值為 2.1%。

(5)農(nóng)村人口規(guī)模 (負指標):最優(yōu)值為2004年可查到的流域完整人口數(shù) 13457人,最差值為 2020年的預(yù)測值 16801人,及格值為15463人。

(6)旅游經(jīng)濟收入/GDP(負指標):參照全國生態(tài)城市第三產(chǎn)業(yè)占 GDP比例的低限值 40%為最優(yōu)值,當?shù)芈糜谓?jīng)濟呈現(xiàn)發(fā)展上升的趨勢,以現(xiàn)狀的 15.3%為最差值,及格值為 30%。

(7)農(nóng)民人均純收入 (負指標):結(jié)合《全國人民生活小康水平的基本標準》和國家生態(tài)市建設(shè)標準,西部地區(qū)以 6000元生態(tài)城市建設(shè)標準的低限值為及格值,以 1200元農(nóng)民人均純收入的小康值為最小值,最優(yōu)值為 10000元。

(8)水土流失率 (負指標):根據(jù)寧蒗縣水務(wù)局數(shù)據(jù),以瀘沽湖流域云南部分未治理前的水土流失率 30.9%為最差值,預(yù)期可降低至 7.8%為最優(yōu)值,及格值為 21.7%。

(9)湖泊水質(zhì)承載力 (負指標):采用湖泊水質(zhì)承載力評價標準,0.3M為最優(yōu)值,0.9M為最差值,0.6M為及格值。

(10)污水截污率:以 100%為最優(yōu)值,0為最差值,60%為及格值。

(11)TN入湖負荷環(huán)境承壓度 (負指標):與湖泊水質(zhì)承載力對應(yīng),最差值為 1,0為最優(yōu)值,0.6為及格值。

(12)TP入湖負荷環(huán)境承壓度 (負指標):與湖泊水質(zhì)承載力對應(yīng),最差值為 1,0為最優(yōu)值,0.6為及格值。

5.2 準則層和指標層權(quán)重確定

5.2.1 構(gòu)造準則層對目標層的判別矩陣

湖泊環(huán)境質(zhì)量約束與社會經(jīng)濟壓力和資源支撐狀態(tài)是對立統(tǒng)一的關(guān)系,共同維系著湖泊流域水環(huán)境承載力狀態(tài),對于瀘沽湖而言,穩(wěn)定保持Ⅰ類水是一項硬指標,因此,根據(jù)瀘沽湖流域生態(tài)系統(tǒng)彈性變化的環(huán)境影響分析結(jié)論,準則層重要性關(guān)系判別為:社會經(jīng)濟壓力 ＞ (稍重要于)環(huán)境質(zhì)量約束 ＞ (明顯重要于)資源支撐水平,構(gòu)造準則層對目標層的判別矩陣,見表 4,對判別矩陣進行標準化處理求解特征向量,判別矩陣的一致性,從而確定各準則層的權(quán)重值。

表 4 準則層對目標層的判別矩陣

特征向量W=(0.11,0.63,0.26),通過判別矩陣一致性檢驗,λmax為 1.83,CI為 -0.59＜0.1,CR為 -0.96＜0.1,矩陣具有一致性,0.11、0.63、0.26即為準則層資源支撐狀態(tài)、社會經(jīng)濟壓力、環(huán)境質(zhì)量約束相對于目標層環(huán)境承載力的重要性權(quán)值。

5.2.2構(gòu)造指標層對準則層的判別矩陣

用同樣的方法可以構(gòu)造指標層對準則層的判別矩陣 ,見表 5、6、7。

表 5 指標層對資源支撐狀態(tài)準則層的判別矩陣

特征向量W=(0.47,0.08,0.17,0.28),通過判別矩陣一致性檢驗,λmax為 3.65,CI為 -0.12＜0.1,CR為 -0.13＜0.1,矩陣具有一致性,即 0.47、0.08、0.17、0.28為指標層人均水資源量、水資源利用率、森林覆蓋率、環(huán)保投入占地方生產(chǎn)總值的比例對于準則層資源支撐狀態(tài)的重要性權(quán)值。

表 6 指標層對社會經(jīng)濟壓力準則層的判別矩陣

特征向量W=(0.13,0.23,0.53,0.11),通過判別矩陣一致性檢驗,λmax為 3.47,CI為 -0.18＜0.1,CR為 -0.21＜0.1,矩陣具有一致性,即 0.13、0.23、0.53、0.11為指標層農(nóng)村人口規(guī)模、旅游經(jīng)濟收入/GDP、農(nóng)民人均純收入、水土流失對于準則層社會經(jīng)濟壓力的重要性權(quán)值。

表 7 指標層對環(huán)境質(zhì)量約束準則層的判別矩陣

特征向量W=(0.48,0.12,0.2,0.2),通過判別矩陣一致性檢驗,λmax為 3.65,CI為 -0.24＜0.1,CR為 -0.29＜0.1,矩陣具有一致性,即0.48、0.12、0.2、0.2為指標層水質(zhì)承載力、污水截污率、TN水環(huán)境容量利用率、TP水環(huán)境容量利用率對于準則層環(huán)境質(zhì)量約束的重要性權(quán)值。

通過指標的總排序得出瀘沽湖農(nóng)民人均純收入、旅游經(jīng)濟收入/GDP、湖泊水質(zhì)承載力、農(nóng)村人口規(guī)模是影響瀘沽湖流域環(huán)境承載力的主要因素,水土流失率、人均水資源總量、水環(huán)境容量的利用率、環(huán)保投入率、污水截污率是影響瀘沽湖流域環(huán)境承載力的重要因素,森林覆蓋率、水資源利用率為次要因素。

指標重要性排序見圖 5。

5.3 瀘沽湖現(xiàn)狀水環(huán)境承載力綜合評價結(jié)果

瀘沽湖流域現(xiàn)狀綜合水環(huán)境承載指數(shù)為0.7881:

綜合承載指數(shù)理論最大值為 1,數(shù)值越大表示湖泊流域的水環(huán)境承載力越大。

5.4 彈性水環(huán)境綜合承載力模擬分析結(jié)果

根據(jù)指標數(shù)值的彈性變動分析,得出不同情況下的環(huán)境承載力值,詳見圖 6。

通過指標標準化值和權(quán)重值的乘積加和,水環(huán)境綜合承載力滿分為 1分。通過情景模擬分析,瀘沽湖流域水環(huán)境綜合承載力的及格指數(shù) 0.5571,是國際或國內(nèi)公認的不發(fā)生危機的安全值,水環(huán)境承載力指數(shù)越接近 1,承載能力越大;瀘沽湖流域承載力指數(shù)最好值為 0.8750,表示湖泊生態(tài)系統(tǒng)保持良好生態(tài)彈性的最佳值,承載能力最強;瀘沽湖流域承載力指數(shù)最差值為 0.1601,表示湖泊生態(tài)系統(tǒng)特定時期的穩(wěn)定狀態(tài)即將面臨崩潰的邊緣,承載能力最差。瀘沽湖流域現(xiàn)狀水環(huán)境綜合承載力指數(shù)為 0.7881,遠大于及格指數(shù),僅次于最優(yōu)值,承載力處于較強的水平。水環(huán)境綜合承載力最好指數(shù)和最差指數(shù)均是承載力變動特征的參考,不作為實際應(yīng)用參照,從保護湖泊水質(zhì)的角度,建議以不低于及格值的水環(huán)境承載力指數(shù)作為生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)和經(jīng)濟發(fā)展控制的參照。

[1]高喜吉.可持續(xù)發(fā)展理論探索 [M].北京:環(huán)境科學出版社,2001.

[2]王燕楓,錢春龍.城市生態(tài)系統(tǒng)承載機制初步研究 [J].環(huán)境科學與技術(shù),2008,31(3).

[3]余紅,安玉昆.濟南小清河水環(huán)境承載力研究 [J].水資源保護,2008,24(2).

Research on Water Environmental Load Capacity of Luguhu Lake Basin

WANG Zhi-yun
(Yunnan Institute of Environmental Science,Kunming Yunnan 650034 China)

The assessment model and applying system of layered and stepped water environmental load capacity of Luguhu lake basin are designed and built up based on four functional process of water quality and water resources and pollution load entering into the lake and lake ecology combining with impacts from society and economy.The analytic hierarchy process is used to study water environmental load capacity and elastic environmental load capacity quantificationally.

water environment;environmental load capacity;analytic hierarchy process;Luguhu lake

X52

A

1673-9655(2010)02-0039-06

2009-12-18

王志蕓 (1973-),女,云南昆明人,主要從事水環(huán)境保護研究。