泸沽湖流域水环境承载力研究

王志芸

(云南省环境科学研究院,云南昆明 650034)

泸沽湖流域水环境承载力研究

王志芸

(云南省环境科学研究院,云南昆明 650034)

以湖泊流域水质、水资源量、入湖污染负荷环境承压度、湖泊生态等 4个主要功能过程,兼顾考虑社会经济对水环境的影响,设计并构建了湖泊分层分级水环境承载力评价模型研究与应用体系,采用系统分析的方法对湖泊现状水环境承载力和弹性环境承载力进行了定量化的研究。

水环境;承载力;层次分析;泸沽湖

环境承载力是社会、经济发展,人类生活水平提高,科学技术进步条件下对环境价值的一种认识,其大小是决定社会经济可持续发展速度和规模的一个重要因素。

泸沽湖是位于我国西南边陲的一颗璀璨明珠,是云南九大高原湖泊中水质最好的湖泊,加之当地独特的地域景观和人类母系氏族最后领地的人文风情,使其成为了高品质的旅游资源,吸引了大量的国内外游客。随着旅游业的兴起,当地过去那种自给自足,缺乏商品经济意识的状况被打破,封闭式的生产生活方式随之发生改变。目前泸沽湖所面临的不仅是旅游经济发展速度和规模对湖泊水质造成压力凸显的问题,还有人类活动无序无度所造成的传统自然生态环境问题。

1 环境承载力研究的条件

湖泊环境承载力[1]概念可以界定为:在一定生活水平和环境质量要求下,湖泊环境系统功能可持续正常发挥前提下,接纳污染物的能力 (正常纳污能力)和承受对其生态系统基本要素改变后接纳污染物的能力 (弹性纳污力),以及可支撑的经济规模和相应人口数量。水环境研究的条件 -环境 -目标体系为:

条件:一定生活水平,代表流域社会经济发展水平和特征;一定环境质量要求,代表环境约束条件;湖泊环境系统功能可持续正常发挥,代表湖泊生态系统的稳定和协调程度。

环境:以环境为载体,区别于单纯的资源承载力。

目标:为湖泊流域现状环境承载力和在生态系统弹性变动下的弹性环境承载力。生态系统的弹性变动与环境的关联性主要体现在:陆域自然生态系统条件变动的环境影响,社会经济系统不同发展阶段不同经济规模的环境压力,湖泊水体系统水环境容量变动,以及不同程度污染治理水平对环境的影响等方面。弹性环境承载力评价是以现状环境承载力为基础,通过对影响环境承载力主要因素的合理预测,进行极限值分析和情景化模拟。

2 环境承载力研究的概念模型

水环境承载力主要包含水资源量承载力和水质承载力两方面内容,水资源量承载力主要取决于可利用的水资源数量,水质承载力主要取决于湖泊水环境容量的利用率。水环境承载力不是一成不变的,围绕水质和水资源两个核心内容,体现出陆域自然生态系统、社会经济系统和湖泊水体系统相互联系和制约的错综复杂的关系。水环境承载力最终支持层是社会活动强度和经济发展规模。水环境承载力评价概念模型见图 2[2]。

3 环境承载力评价方法和程序

泸沽湖流域水环境承载力评价体系由湖泊水体水质承载力一级评价;湖泊流域水资源量承载力二级评价;入湖污染负荷表达的环境承压度三级评价;耦合社会 -经济 -环境要素的综合水环境承载力四级评价构成,本文重点从综合评价的层面阐述评价方法和程序,见图 3。

4 评价方法

4.1 层次评价模型构建

层次分析法 (Analytic Hierachy Process)是由美国运筹学家萨蒂 (Saaty,A.L)提出的一种著名决策方法。在湖泊生态系统中,受社会经济发展规模与水平、资源条件、环境质量、污染防治水平等的影响,形成了错综复杂的环境污染结构。各个系统和层次间不是孤立存在的,相互作用和影响,对其进行全面的生态评价很难作到。本研究采用层次分析法,将复杂的多指标问题从高层到低层逐步分解,运用层次结构模型建立评价指标体系框架,按照属性不同,由上到下分成目标层、准则层、指标层,指标层还可根据需要分成指标层 1、指标层2,……。泸沽湖流域指标层次结构模型详见图 4。

4.2 层次评价方法

通常情况下,湖泊流域综合环境承载力取决于多方面的因素,假设有x1、x2…..xn等n个因子,则环境承载指数CSC[1]可用数学式表达为:

CSC=f(x1,x2,x3,……xn)

若x1,x2,x3,……xn分别对应的分量值为S1,S2,S3,……Sn,每个因子所占权重为W i,则定义:

从环境承载指数的定义中可知,承载指数确定的关键是承载分量和权重的确定。CSC越大,表示对系统的承载能力越大。根据指标层次结构模型,分别以 SI代表支撑指数、PI代表压力指数、L I代表约束指数。

(1)指标标准化

由于具体指标各具内涵,取值范围也各不相同,要把其纳入统一的评价体系,应进行标准化处理。从指标的特性看,可将指标分为两类:正向指标,这类指标越高,分目标层的水平就越高;反向指标,这类指标越高,分目标层的水平就越低。对于两类不同性质的指标,分别采用不同的隶属函数将其标准化。

正向指标

式中:X i为第xi指标的标准值;ai、bi分别为各指标的上限和下限。

(2)指标权重确定

构造两两比较判断矩阵:

首先假使对承载指数影响的因子共有n个,构成集合pi={x1,x2,x3,…xn},然后根据建立的层次结构模型,分别构造两两比较判断矩阵。

矩阵模式如下:

该矩阵应满足条件:

aij的大小根据Saaty提出的以 1～9及其倒数作为衡量尺度的标度方法给出。

表 1 指标标度对照表

层次单排序:

将判断矩阵标准化:

将标准化后的矩阵按行相加:

对W标准化:

则W=(W1,W2,…,Wn)T为所求特征向量。

当一致性指标CI≤0.1,一致性比率CR≤0.1,判别矩阵的一致性得以满足,否则要对判别矩阵进行重新调整。当判别矩阵具有满意的一致性,其特征向量W即为同一层次中相应元素对于上一层次某个元素相对重要性权值。矩阵一致性判别方法:

计算最大特征值λmax:

其它矩阵采用类似方法得到同一层次的权重结果,利用同一层次中所有层次单排序的结果,计算针对上一层次而言本层次所有元素的重要性权值,此即为层次总排序,计算需从上到下逐层顺序进行,对于最高层下面的第二层,其层次单排序即为总排序。

假设上一层次中所有元素A1,A2,…Am的总排序已完成,得到的权值分别为a1,a2,…am,与ai对应的本层次元素B1,B2,…Bn,单排序的结果为b1,b2,…bnj,此时层次总排序权值由表 2给出。显然,即层次总排序仍然是标准化向量。总层次一致性检验同单层次。

表 2 层次总排序示意结果

5 评价过程及结果分析

5.1 评价指标筛选和标准化

泸沽湖流域水环境承载力评价指标体系见表3。指标极性是相对于评价目标层而言,假设对目标层具有积极贡献作用的称为正指标,具有消极反作用的称为负指标,正极性指标值越大,对环境承载力的支撑也越大,负极性指标则反之。

指标评价参数选取是否合理,直接关系到评价的客观性和可比性,本研究根据国际公认的一些指标值,和我国发布的《全国人民生活小康水平的基本标准》、《全国生态城市建设标准》,参考近年来云南省湖泊流域社会经济发展状况,征求相关专家意见,确定核算标准。标准化指标最高分值为 1分,最低理论分值为 0分,0～1间每个指标分为最差值、及格值和最优值,最优值可以认为是湖泊生态系统保持良好生态弹性的最佳值,及格值可以认为是某项指标在国际或国内公认的不发生危机的安全值,最差值认为是不能保持生态弹性的临界值。这样便于分析流域环境动态变化特征,也有广泛的适用性,最大程度满足湖泊比较研究的需要。下面为考虑每项指标极性的评定等级划分标准和选定依据详述:

表 3 泸沽湖流域水环境承载力评价指标体系

(1)水资源总量:根据“国际人口行动”人口和环境计划中规定,人均水资源总量小于1700m3将发生用水紧张,少于 1000m3将发生严重缺水,少于 500m3将发生极度缺水,而人均水资源量为 2000m3,开发利用程度为 15%的地区就是丰水区。因此,取 2000m3为最优值,1700m3为及格值,500m3为最差值。

(2)水资源利用率:人均水资源量为 2000m3,开发利用程度为 15%的地区就是丰水区,国际公认的水资源利用率不能超过 40%,因此,取 15%为最优值,40%为及格值,65%为最差值。

(3)森林覆盖率:结合《全国人民生活小康水平的基本标准》和国家生态城市建设标准,以山区生态城市建设标准的低限值 70%作为最优值,以达到小康生活水平的 15%为最差值,48%为及格值。

(4)环保投入占地方生产总值的比例:最差值为没有任何投入 0,最优值参照生态城市建设标准的低限值 3.5%,及格值为 2.1%。

(5)农村人口规模 (负指标):最优值为2004年可查到的流域完整人口数 13457人,最差值为 2020年的预测值 16801人,及格值为15463人。

(6)旅游经济收入/GDP(负指标):参照全国生态城市第三产业占 GDP比例的低限值 40%为最优值,当地旅游经济呈现发展上升的趋势,以现状的 15.3%为最差值,及格值为 30%。

(7)农民人均纯收入 (负指标):结合《全国人民生活小康水平的基本标准》和国家生态市建设标准,西部地区以 6000元生态城市建设标准的低限值为及格值,以 1200元农民人均纯收入的小康值为最小值,最优值为 10000元。

(8)水土流失率 (负指标):根据宁蒗县水务局数据,以泸沽湖流域云南部分未治理前的水土流失率 30.9%为最差值,预期可降低至 7.8%为最优值,及格值为 21.7%。

(9)湖泊水质承载力 (负指标):采用湖泊水质承载力评价标准,0.3M为最优值,0.9M为最差值,0.6M为及格值。

(10)污水截污率:以 100%为最优值,0为最差值,60%为及格值。

(11)TN入湖负荷环境承压度 (负指标):与湖泊水质承载力对应,最差值为 1,0为最优值,0.6为及格值。

(12)TP入湖负荷环境承压度 (负指标):与湖泊水质承载力对应,最差值为 1,0为最优值,0.6为及格值。

5.2 准则层和指标层权重确定

5.2.1 构造准则层对目标层的判别矩阵

湖泊环境质量约束与社会经济压力和资源支撑状态是对立统一的关系,共同维系着湖泊流域水环境承载力状态,对于泸沽湖而言,稳定保持Ⅰ类水是一项硬指标,因此,根据泸沽湖流域生态系统弹性变化的环境影响分析结论,准则层重要性关系判别为:社会经济压力 ＞ (稍重要于)环境质量约束 ＞ (明显重要于)资源支撑水平,构造准则层对目标层的判别矩阵,见表 4,对判别矩阵进行标准化处理求解特征向量,判别矩阵的一致性,从而确定各准则层的权重值。

表 4 准则层对目标层的判别矩阵

特征向量W=(0.11,0.63,0.26),通过判别矩阵一致性检验,λmax为 1.83,CI为 -0.59＜0.1,CR为 -0.96＜0.1,矩阵具有一致性,0.11、0.63、0.26即为准则层资源支撑状态、社会经济压力、环境质量约束相对于目标层环境承载力的重要性权值。

5.2.2构造指标层对准则层的判别矩阵

用同样的方法可以构造指标层对准则层的判别矩阵 ,见表 5、6、7。

表 5 指标层对资源支撑状态准则层的判别矩阵

特征向量W=(0.47,0.08,0.17,0.28),通过判别矩阵一致性检验,λmax为 3.65,CI为 -0.12＜0.1,CR为 -0.13＜0.1,矩阵具有一致性,即 0.47、0.08、0.17、0.28为指标层人均水资源量、水资源利用率、森林覆盖率、环保投入占地方生产总值的比例对于准则层资源支撑状态的重要性权值。

表 6 指标层对社会经济压力准则层的判别矩阵

特征向量W=(0.13,0.23,0.53,0.11),通过判别矩阵一致性检验,λmax为 3.47,CI为 -0.18＜0.1,CR为 -0.21＜0.1,矩阵具有一致性,即 0.13、0.23、0.53、0.11为指标层农村人口规模、旅游经济收入/GDP、农民人均纯收入、水土流失对于准则层社会经济压力的重要性权值。

表 7 指标层对环境质量约束准则层的判别矩阵

特征向量W=(0.48,0.12,0.2,0.2),通过判别矩阵一致性检验,λmax为 3.65,CI为 -0.24＜0.1,CR为 -0.29＜0.1,矩阵具有一致性,即0.48、0.12、0.2、0.2为指标层水质承载力、污水截污率、TN水环境容量利用率、TP水环境容量利用率对于准则层环境质量约束的重要性权值。

通过指标的总排序得出泸沽湖农民人均纯收入、旅游经济收入/GDP、湖泊水质承载力、农村人口规模是影响泸沽湖流域环境承载力的主要因素,水土流失率、人均水资源总量、水环境容量的利用率、环保投入率、污水截污率是影响泸沽湖流域环境承载力的重要因素,森林覆盖率、水资源利用率为次要因素。

指标重要性排序见图 5。

5.3 泸沽湖现状水环境承载力综合评价结果

泸沽湖流域现状综合水环境承载指数为0.7881:

综合承载指数理论最大值为 1,数值越大表示湖泊流域的水环境承载力越大。

5.4 弹性水环境综合承载力模拟分析结果

根据指标数值的弹性变动分析,得出不同情况下的环境承载力值,详见图 6。

通过指标标准化值和权重值的乘积加和,水环境综合承载力满分为 1分。通过情景模拟分析,泸沽湖流域水环境综合承载力的及格指数 0.5571,是国际或国内公认的不发生危机的安全值,水环境承载力指数越接近 1,承载能力越大;泸沽湖流域承载力指数最好值为 0.8750,表示湖泊生态系统保持良好生态弹性的最佳值,承载能力最强;泸沽湖流域承载力指数最差值为 0.1601,表示湖泊生态系统特定时期的稳定状态即将面临崩溃的边缘,承载能力最差。泸沽湖流域现状水环境综合承载力指数为 0.7881,远大于及格指数,仅次于最优值,承载力处于较强的水平。水环境综合承载力最好指数和最差指数均是承载力变动特征的参考,不作为实际应用参照,从保护湖泊水质的角度,建议以不低于及格值的水环境承载力指数作为生态系统协调和经济发展控制的参照。

[1]高喜吉.可持续发展理论探索 [M].北京:环境科学出版社,2001.

[2]王燕枫,钱春龙.城市生态系统承载机制初步研究 [J].环境科学与技术,2008,31(3).

[3]余红,安玉昆.济南小清河水环境承载力研究 [J].水资源保护,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

王志芸 (1973-),女,云南昆明人,主要从事水环境保护研究。