胡秋玲

(河北省衡水市子牙河河務(wù)管理處，河北衡水053000)

水環(huán)境承載能力及其測(cè)算研究

胡秋玲

(河北省衡水市子牙河河務(wù)管理處，河北衡水053000)

文章從水資源承載能力的現(xiàn)狀、概念和內(nèi)涵出發(fā)，介紹了3種常用的水環(huán)境承載能力測(cè)算方法，即數(shù)學(xué)模型法、綜合指標(biāo)體系評(píng)價(jià)方法和水環(huán)境承載力多目標(biāo)模型分析方法。同時(shí)簡(jiǎn)要分析了3種測(cè)算方法的原理和優(yōu)缺點(diǎn)，以期引起相關(guān)部門重視以水體始終保持良好生態(tài)系統(tǒng)為目標(biāo)，加強(qiáng)生態(tài)需水量研究，在對(duì)現(xiàn)有測(cè)算模型進(jìn)行融合貫通的基礎(chǔ)上，建立能夠綜合反映水環(huán)境承載能力的通用評(píng)價(jià)模型。

水環(huán)境;水資源;水質(zhì)量;承載能力;測(cè)算研究

0 前言

水環(huán)境承載力是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人類生活水平提高及科技進(jìn)步情況下，人們對(duì)水環(huán)境價(jià)值的一種綜合性認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)。

水環(huán)境承載能力的大小直接決定了經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的潛力與規(guī)模，所以為了保護(hù)水環(huán)境，必須將人類對(duì)水資源和水環(huán)境的各種開發(fā)行為限制在其承載能力范圍內(nèi)［1］。

自20世紀(jì)90年代學(xué)術(shù)界提出水資源承載能力與水資源安全戰(zhàn)略研究的基礎(chǔ)課題后，這一問(wèn)題便迅速成為當(dāng)前水科學(xué)研究中的重點(diǎn)和焦點(diǎn)問(wèn)題。目前對(duì)水環(huán)境承載能力的研究國(guó)內(nèi)外尚無(wú)統(tǒng)一和成熟的做法，國(guó)外大量的研究中是將其納入可持續(xù)發(fā)展的范疇加以研究，而國(guó)內(nèi)研究也只是停留在水環(huán)境承載力的概念和內(nèi)涵層面。

1 水環(huán)境承載能力的概念與內(nèi)涵

水環(huán)境承載能力(WECC)是指水環(huán)境系統(tǒng)功能可持續(xù)正常發(fā)揮的前提下，接納污染物的能力和承受對(duì)其基本要素改變的能力，即水環(huán)境承載力包括納污能力和緩沖彈性力兩個(gè)基本方面，并且以水環(huán)境系統(tǒng)功能的可持續(xù)正常發(fā)揮為前提［2］。

基于上述概念，可以概括出水環(huán)境承載能力的內(nèi)涵:

1)這里所研究的承載力應(yīng)該是人類在達(dá)到一定生活水平的基礎(chǔ)上所要求的承載力，也就是人們對(duì)較高環(huán)境質(zhì)量的要求。

2)水體的納污能力反應(yīng)的是水體與環(huán)境對(duì)污染物的容量和負(fù)荷量，水環(huán)境的緩沖彈性力則是從力學(xué)角度提出的一個(gè)概念，也就是水環(huán)境的一種自我調(diào)節(jié)能力。

從本質(zhì)上看，水環(huán)境承載能力反映了人類活動(dòng)必須遵循的客觀規(guī)律，同時(shí)也反映了隨著生活水平和生活質(zhì)量的不斷提高，人們對(duì)環(huán)境質(zhì)量所提出的新的要求:

1)水環(huán)境承載能力具有客觀固定性的特征，一定區(qū)域內(nèi)的水環(huán)境承載能力是一定的，也就是說(shuō)一定水體在一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件下，其承載能力有一個(gè)承載極限［3］。

2)水資源承載能力具有相對(duì)極限性和動(dòng)態(tài)調(diào)整性，承載極限只在特定歷史發(fā)展階段水環(huán)境所能承受的最大承載上限，隨著歷史條件的演變，最大指標(biāo)是不斷發(fā)展變化的，不同的歷史階段有不同的承載能力。

2 水環(huán)境承載能力測(cè)算研究

2.1 水環(huán)境承載能力數(shù)學(xué)模型

首先建立水資源承載力、水質(zhì)量承載力及水環(huán)境承載力數(shù)學(xué)模型。

水資源承載力模型為:

水質(zhì)量承載力模型為:

水環(huán)境承載力模型為:

式中:CSi為第i個(gè)指標(biāo)的承載度，i為人口、灌溉面積、GDP、化學(xué)需氧量、總氮、總磷等指標(biāo);CCi為第i個(gè)指標(biāo)的壓力系數(shù)，通常為實(shí)際監(jiān)測(cè)值;CCmax，i第i個(gè)指標(biāo)的承載指數(shù)或標(biāo)準(zhǔn)限值;CCPL為水資源子系統(tǒng)承載力，WL為其權(quán)重;CCPZ為水質(zhì)量子系統(tǒng)承載力，Wz為其權(quán)重;CCP為水環(huán)境承載力。

根據(jù)AHP標(biāo)度表的數(shù)據(jù)可以進(jìn)一步求得各個(gè)子系統(tǒng)的判斷矩陣，運(yùn)用歸一化方法，可以通過(guò)計(jì)算求得各個(gè)判斷矩陣的特征向量矩陣，最后求出指標(biāo)體系中各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

利用一致性檢驗(yàn)的公式及測(cè)算原理可以求得各個(gè)矩陣的CR值:CR(A)=0.0000＜0.1，CR(B1)=0.0220＜0.1，CR(B2)=0.0019＜0.1。所以判斷矩陣A，B1，B2的一致性可以接受，也就是說(shuō)權(quán)重的分配是合理的。詳見表1～3。

表1 水環(huán)境承載能力判斷矩陣

表2 水資源承載能力判斷矩陣

表3 水質(zhì)量承載能力判斷矩陣

2.2 綜合指標(biāo)體系評(píng)價(jià)方法

常用的綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)方法主要有向量模法和模糊綜合評(píng)價(jià)方法兩種。

向量模法的基本做法如下:先將水環(huán)境承載力看作是一個(gè)由n個(gè)向量指標(biāo)構(gòu)成的總向量，同時(shí)有m個(gè)區(qū)域，對(duì)應(yīng)著m中水環(huán)境承載力，利用數(shù)學(xué)分析工具，對(duì)m個(gè)水環(huán)境承載力的n個(gè)指標(biāo)進(jìn)行歸一分析，從而求得相應(yīng)區(qū)域的水環(huán)境承載總能力。

模糊綜合評(píng)價(jià)法是通過(guò)數(shù)學(xué)模型對(duì)水環(huán)境承載能力進(jìn)行模糊綜合分析，基本模型為2個(gè)有限論域:

式中:U為綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的集合;V為評(píng)語(yǔ)集合。

模糊綜合評(píng)價(jià)公式為:

式中:A為模糊權(quán)向量，為各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)重要程度，或稱模糊權(quán)數(shù);B為V上的模糊子集，為評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)特定評(píng)語(yǔ)的總隸屬程度;R為un對(duì)V的隸屬度。

實(shí)質(zhì)上，這種方法是將水環(huán)境承載能力看做一個(gè)由n個(gè)指標(biāo)構(gòu)成的向量，有m個(gè)方案發(fā)展?fàn)顟B(tài)，通過(guò)對(duì)m個(gè)發(fā)展方案的n個(gè)指標(biāo)進(jìn)行歸一化分析，進(jìn)而用歸一化后的向量模作為評(píng)價(jià)水環(huán)境承載能力的依據(jù)。

這種方法綜合考慮了各種因素對(duì)水環(huán)境承載力的綜合影響，但是這種方法過(guò)度依賴數(shù)學(xué)工具，而且在對(duì)隸屬度向量B的元素取大或取小的過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致大量有用的數(shù)據(jù)遺失，因?yàn)槟：C合評(píng)價(jià)方法的實(shí)質(zhì)是對(duì)主觀產(chǎn)生的離散過(guò)程進(jìn)行分析和處理，這種方法本身存在缺陷，即采用剔小取大的原理，必然會(huì)導(dǎo)致大量數(shù)據(jù)的丟失，評(píng)價(jià)因素越多遺失的信息也就越多，得出錯(cuò)誤評(píng)價(jià)結(jié)論的可能性也就越大。

2.3 水環(huán)境承載力多目標(biāo)模型分析法

水環(huán)境承載力是一個(gè)綜合性的概念，由水資源承載能力(WRCC)和水質(zhì)量承載能力(WQCC)構(gòu)成，可以根據(jù)水環(huán)境承載能力的概念和內(nèi)涵鋼構(gòu)件多目標(biāo)模型，如圖1所示。

整個(gè)系統(tǒng)包括3個(gè)層次:

1)目標(biāo)層中包括水環(huán)境承載力一個(gè)元素。

2)領(lǐng)域?qū)影?個(gè)要素。

3)指標(biāo)層包括6個(gè)指標(biāo)。

這種方法是一種較為直觀和形象的分析方法，將影響主因素——水環(huán)境承載力分解成兩個(gè)子因素，通過(guò)對(duì)比分析影響各個(gè)子因素的指標(biāo)，綜合考慮主因素的情況。

該方法是一種典型的定性分析方法，具有簡(jiǎn)便易行、操作性強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)軟件不是很發(fā)達(dá)的情況下，完全可以測(cè)算水環(huán)境承載能力。但是其定量分析能力較差，不能準(zhǔn)確測(cè)算出各個(gè)影響因素對(duì)主因素的影響程度。

圖1 水環(huán)境承載力多目標(biāo)模型

在實(shí)際測(cè)量和測(cè)算過(guò)程中，可以采用歸一化方法，大致測(cè)算出各個(gè)指標(biāo)影響水環(huán)境承載力的權(quán)重系數(shù)見表4，以此為基礎(chǔ)加以進(jìn)一步判斷。

表4 水環(huán)境承載力各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)

3 結(jié)論

水環(huán)境承載能力作為一個(gè)綜合性指標(biāo)，受到諸多因素的綜合影響，尤其受到人口學(xué)、社會(huì)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、環(huán)境力學(xué)等眾多學(xué)科的交叉影響，甚至有些影響因素及其之間的影響關(guān)系是至今為止尚未發(fā)現(xiàn)和探索到的。

這些方面都決定了其為一門邊緣學(xué)科的性質(zhì)，因而難以對(duì)區(qū)域水環(huán)境承載狀況及其可持續(xù)發(fā)展方式作出科學(xué)合理的預(yù)測(cè)和測(cè)算，致使目前對(duì)水環(huán)境和水資源的開發(fā)利用及保護(hù)由于缺乏充分的技術(shù)職稱而具有很大的盲目性和隨意性。

所以，今天對(duì)水環(huán)境承載能力進(jìn)行積極探索和研究就顯得尤為重要和難能可貴。目前，需要把政策重點(diǎn)放在以下方面:

1)不斷完善和充實(shí)水環(huán)境承載能力研究的基礎(chǔ)理論。

2)在此基礎(chǔ)上建立能夠充分體現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展理念的合理科學(xué)的承載能力綜合評(píng)價(jià)體系，以“水體繼續(xù)保持良好生態(tài)系統(tǒng)”為目標(biāo)，加強(qiáng)生態(tài)需水量研究。

3)在對(duì)現(xiàn)有測(cè)算模型進(jìn)行融會(huì)貫通的基礎(chǔ)上，建立能夠綜合反映水環(huán)境承載能力的通用評(píng)價(jià)模型。

［1］李川.水環(huán)境承載力量化方法的研究進(jìn)展［J］.環(huán)境科學(xué)與管理，2008，33(08):66-69.

［2］石建屏，李新.滇池流域水環(huán)境承載力及其動(dòng)態(tài)變化特征研究［J］. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32(07):1777-1784.

［3］賀瑞敏，孫建云，陸桂華.水環(huán)境承載能力及評(píng)價(jià)方法研究［J］.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，28(06):217-220.

Study on Water Environment Carrying Capacity and Calculation

HU Qiu-ling
(Hebei Province Hengshui City Ziyahe River Affair Management Office，Hengshui 053000，China)

From the water resources carrying capacity situation，concept and connotation，three calculation methods for water environment carrying capacity is introduced，namely mathematical model，comprehensive index system evaluation and analytical method of multi-objective model of water environment carrying capacity，etc.At the same time，a brief analysis of the principle of three kinds of calculation methods and the advantages and disadvantages is conducted in order to draw attention to the relevant departments for always maintaining good water ecological system as the goal，strengthening the study on ecological water requirement，establishing the common model of water environment carrying capacity based on existing calculation models.

water environment;water resources;water quality;bearing capacity;calculation research

X26

A

1007-7596(2014)07-0012-03

2013-09-16

胡秋玲(1984-)，女，北京人，助理工程師。