基于层次分析和地理信息系统的水环境容量动态分配

雷宏军，姜丽光，魏义长

(华北水利水电学院，河南 郑州 450011)

基于层次分析和地理信息系统的水环境容量动态分配

雷宏军，姜丽光，魏义长

(华北水利水电学院，河南 郑州 450011)

以广西壮族自治区为例，运用层次分析法，建立了系统的社会、经济、资源、环境指标体系;在不同发展阶段，通过动态改变指标权重，使分配结果更为公平合理;运用地理信息系统技术，将分配结果生成等级图，结合各污染源的空间特征分析，实现了评价结果空间格局的动态显示，从而为环境管理提供决策支持.

地理信息系统;层次分析法;水环境容量;动态分配

水环境容量分配的核心是保证分配的公平性和水质可达性.由于经济条件和社会发展需求所限，公平和水质达标往往存在着矛盾，因此在选择方法时，需要均衡考虑这两方面的需求.但区域内水污染物排放总量分配涉及到各污染源的排污、纳污、技术和经济等多种因素，在每种因素中又包含了若干种定性和定量因子［1］.崔振平［2］运用基尼系数方法，建立了水污染物排放总量的区域分配模型;吕俊［3］构建了杭州市水环境容量计算模型，计算出杭州市行政区域及流域水系的水环境容量，并提供各种空间数据和属性数据的存储管理、可视化显示等，在此基础上得到杭州市水环境总量分配方案;王涛［4］采用盲数理论模型测算了水环境容量，采用不确定性层次分析法制定了污染物总量控制分配方案，这两种方法均以不确定性理论为基础，制定了排污总量的分配方案和削减标准.目前对水环境总量的控制多是单一的定性和定量分配，或简单地对水环境容量分配结果进行空间分布格局的展示，没有真正地把二者有机结合起来.

笔者以广西壮族自治区为例，采用层次分析法进行区域污染源的总量分配，从区域内各地市的耕地、容量利用率、现状污染负荷、GDP、人口、水资源总量等因素着手，建立了污染源总量分配模型;运用地理信息系统(Geographic Information System，GIS)组件技术(ArcGIS Engine，AE)［5］实现分配结果的空间格局展示、区域污染源分级渲染及动态分析.

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

1∶25万广西行政区划图来源于广西壮族自治区测绘地理信息局，《广西统计年鉴》(2001—2008年)来源于广西壮族自治区统计局.

1.2 数据处理平台与研究方法

研究工作平台为 ArcGIS 9.3，ArcEngine 9.3 和VS 2008［5］.水环境容量多要素综合评价采用层次分析法.运用VS 2008编程和ArcEngine 9.3地理信息二次开发平台来实现.属性数据的标准化等处理由程序自动完成，主要对空间数据进行处理.

1.3 研究工作流程

在调查研究的基础上，构建区域排污分配指标体系框架;通过专家咨询构建判断矩阵;确定各项评价指标权重;依据各污染源现状，确定排污总量分配方案.借助GIS技术，将广西壮族自治区各地市作为一系列独立的评价单元，对不同的评价单元运用层次分析法进行评价分配并建立结果属性数据库，运用GIS技术动态地加入空间图形数据库;利用分配结果字段对各市进行分级渲染，生成分配结果专题图，从而揭示各区域容量分配的空间格局，结合发展情况、容量利用、污染情况等，使管理者能够从不同程度(深度和广度)对区域进行容量控制与分配.

2 结果与分析

2.1 水环境容量多要素综合评价指标的确定

由于各市的排污量、经济发展情况不同，人口、耕地面积等都不同，为了考虑更多因素，使污染物削减量与排放量更加公平合理，将排污削减量由区级分配到市级时采用层次分析法.以自治区水污染物削减为目标，以耕地、人口、GDP、水资源总量、容量利用率、现状污染负荷为准则，14个城市为决策层构建指标体系.指标体系及数据见表1.

表1 指标体系及数据

2.2 水环境容量多要素综合评价指标权重的确定

采用9标度法以问卷调查的方式向10个专家调查，由专家对各分项指标两两之间相对重要程度评分，运用几何平均值法对调查结果进行统计.根据统计结果构造判断矩阵，编制程序计算判断矩阵最大特征值λmax=6.05，其对应的特征向量归一化后即为各个分项指标对总量分配影响重要性的权重向量:W=(0.17，0.08，0.14，0.17，0.16，0.28)T，对上述判断矩阵进行一致性检验:CI=(λmax－n)/(n－1)=0.010 4，CR=CI/RI=0.008 5 ＜0.10.

2.3 总量分配

以决策层相对总目标的组合权重代表各区域应分摊的排污削减份额比重，按此比例进行排污量削减分摊.将表1中各地市指标在全区中的比例与各指标的权重相乘即可得各地市削减量占全区削减量的比例.基于2007年的全区污染物入河量，按照一定的削减比例(这里可动态设置)得出目标年(2015年)的削减量，结果如图1所示.在此基础上，按照各区域组合权重进行分配.

图1 分配结果

2.4 空间格局展示

用属性数据与空间数据中的公共字段“城市名称”，通过IFeatureCursor接口遍历各要素，与属性数据进行匹配，将分配结果(存储在内存中)动态写入

图2 2015年各地市COD削减空间格局(单位:t)

2.5 污染物削减结果

由于削减量是基于2007年全区的入河量按一定削减比例分配到各市的，分配结果与各市2007年排放量基本一致，分配结果比较理想.由空间分布格局可知，南宁市污染物排放量最大，削减量也最大，河池市排污量最小，削减分配量也较少.

3 结语

将层次分析法与GIS相结合是进行水环境容量动态分配行之有效的方法之一.层次分析法在多要素综合评价方面具有独特的优势，但不能反映评价结果的空间分布格局，不能对其空间格局进行深入分析，而GIS技术强大的空间分析能力正好弥补了层次分析的不足.运用GIS技术，将分配结果生成等级图，结合各污染源的空间特征进行分析，为后续管理工作提供决策支持，实现了评价结果空间格局的动态显示，使管理者能够从不同程度对区域进行容空间数据的“分配”字段，然后通过IClassBreaksRenderer接口，利用该字段进行分级渲染.这里主要利用AE+C#完成该功能.2015年COD、氨氮削减量分配空间格局如图2和图3所示.量控制与分配.在不同发展阶段，通过动态改变指标权重使分配结果更为公平合理.

图3 2015年各地市氨氮削减空间格局(单位:t)

水环境容量动态分配需要充分发挥政府在环境治理工作中的宏观调控能力，建立有效的监督检查机制，依据现有的法律法规依法治污.

［1］彭文启，张祥伟.现代水环境质量评价理论与方法［M］.北京:化学工业出版社，2005.

［2］崔振平.天津滨海新区水环境容量计算及总量分配方法研究［D］.天津:天津大学，2008.

［3］吕俊.基于GIS的杭州市水环境容量计算及总量分配系统研制［D］.南京:河海大学，2007.

［4］王涛.区域水环境容量测算方法及总量控制研究［D］.北京:北京交通大学，2009.

［5］陈正江，汤国安，任晓东.地理信息系统设计与开发［M］.北京:科学出版社，2005.

Dynamic Allocation of Water Environmental Capacity Based on Analytic Hierarchy Process and Geographical Information System

LEI Hong-jun，JIANG Li-guang，WEI Yi-chang
(North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China)

Combined with quantitative and qualitative analysis，a systematic index system composing of social，economic，resource and environmental indexes was established，and the analytic hierarchy process method was used in the case of Guangxi Zhuang Autonomous Region.According to the dynamical adjustment of the index weight，the total amount control of pollutants could be allocated fairly in different development stages of Guangxi Zhuang Autonomous Region.By coupling Geographical Information System(GIS)technique，the spatial characteristics of water environment capacity were generated，thus providing dynamic support for the decision maker.Therefore，the combination of analytic hierarchy process and GIS technique is a well-proven approach for dynamic allocation of water environmental capacity.

Geographical Information System;analytic hierarchy process;water environmental capacity;dynamic allocation

1002－5634(2012)03－0001－03

2012－03－11

环保公益性行业科研专项项目(201109010－04);河南省科技攻关计划项目(102102110047).

雷宏军(1975—)，男，湖北大冶人，副教授，博士，主要从事水土资源高效利用方面的研究.

(责任编辑:乔翠平)