基于层次分析-模糊综合评价模型的东辽河流域水环境承载力评价

程兵芬，罗先香，王 刚

(1.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266100;2.中国水利水电科学研究院水资源研究所，北京 100038)

人多水少、水资源分布不均、水资源与生产力分布不相匹配是我国的基本国情和基本水情，长期以来形成的水资源过度开发、粗放利用、污染严重、生态恶化的状况未有根本改变，水资源问题仍然是制约可持续发展的主要瓶颈[1]。水环境承载力WECC(water environment carrying capacity)是人们在对社会可持续发展与水环境相互关系有了较深刻认识的基础上被提出来的[2]，指某一地区、某一时期、某个状态下的水环境条件对该地区的经济活动和生活需求的支持能力[3]，它的大小是决定社会经济可持续发展及其规模的一个重要因素。目前对水环境承载力的研究主要集中在国内，国外的专门研究还比较少，尚未形成统一的概念和完善的理论体系，研究方法多样化，但缺乏对水环境承载力动态性的兼顾，需进一步完善[2，4]。东辽河是吉林省主要河流之一，流域内资源型缺水和水质型缺水共存，水资源供需矛盾比较突出。国民经济用水对河道生态用水的过度挤占、严重超采地下水等不合理的开发利用活动造成河流干涸、断流以及生态环境的不断恶化，对流域的可持续发展构成了严重威胁[5]，因此，评价该流域的水环境承载能力对区域水资源的持续利用与实现社会、经济、环境等的协调发展具有重要的现实意义[6]。笔者采用层次分析-模糊综合评价模型对吉林省区域内东辽河河段的水环境承载力进行评价，为东辽河流域的治理及可持续发展提供理论支撑。

1 研究区概况

东辽河流域位于吉林省的西南部，流域面积为1450 km2，地跨辽源市、东辽县、梨树县、双辽市后进入辽宁省境内，在富德店与西辽河汇合，是辽河流域的三级流域。依据地形特点，自东向西将东辽河分为山地、丘陵和平原。东辽河流域处于半湿润中温带大陆性季风气候，四季分明，多年平均气温3.8℃，多年平均降雨量470～700 mm，主要集中在6—8月，降雨量约占年降水量50%以上。东辽河流域是吉林省重要的商品粮基地，现有耕地面积43.48万hm2，其中水田5.70 万 hm2，旱田 37.78 万 hm2(含水浇地3.28万 hm2)，年均供水量中，农业供水量占85.7%。二龙山水库为保证四平市居民生活用水和工业生产用水，不得不减少农业供水规模，已先后停止向3个万亩以上灌区供水，水资源开发量也已超过水资源可利用量的58.3%[5]，水资源供需矛盾严重制约着流域社会经济的可持续发展[5，7]。

2 水环境承载力评价模型

水环境承载力评价的影响因子多、复杂且难以量化，涉及范围广，是一种典型的多指标决策、评价问题。模糊综合评价是一种常用的定性分析与定量分析综合集成的方法，客观、准确的确定各指标的权重是其研究的难点之一[8-9]。层次分析法(AHP)是20世纪70年代中期由美国学者Saaty等[10]创立的一种能用来处理复杂的社会、政治、经济、科学技术等决策问题的新方法，也是一种定量与定性相结合的评价方法，在判断目标结构复杂且缺乏必要数据的情况下，能把其他方法难以量化的评价因素通过两两比较加以量化，把复杂的评价因素构建为层次结构，有效确定多因素指标的相对重要程度，计算权值，确定关键影响因素，比较适合复杂的模糊综合评价系统。

层次分析-模糊综合评价模型是指用层次分析方法确定各个评价指标的权重，然后通过模糊综合评价的方法来评价水环境承载力。具体步骤为:①构建评价指标体系;②运用9级标度准则(表1)比较各个因子的相对重要性构建判断矩阵，计算各因子相对于上层因子的权重并进行一致性检验，若不符合一致性检验就对矩阵进行调整，直到满意为止[8];③逐层推算出各个指标因子对于总目标层的权重向量W;④构建评价集合U及评价等级集合V[9];⑤确定从U到V的模糊关系矩阵R[9];⑥运算得到子目标的综合评价矩阵B=WR，将B归一化后与评价向量V相乘，得到水环境承载力的综合评价指数。

表1 判断矩阵标度准则

3 模型应用

3.1 东辽河流域水环境承载力指标体系

平衡社会环境和水环境承载力之间的相互关系是当今社会经济发展的需要，而指标体系的建立可以量化承载主客体之间相互关系的大小[11]，因此指标的选取需反映出水环境的自然属性以及人类活动的影响，即水环境的功能。近年来，随着社会经济的发展，人类对水资源的需求及影响增加，东辽河流域的水量大幅度减少，加之干旱的影响以及生态环境的恶化，使得东辽河流域水资源的供需矛盾日渐突出。根据指标层筛选的完整性、简明性、层次性、可比性和动态性[12-16]原则确定指标层，建立评价东辽河流域水环境承载力的指标体系(图1)。

图1 水环境承载力评价指标体系

3.2 单一准则下各指标的权重确定

3.2.1 A-Bi层指标权重计算

根据上述方法，对应准则A、B层得判断矩阵如表2所示。

表2 A-Bi的判断矩阵

根据表2计算出判断矩阵的最大特征值λmax=3.0092，特征向量 W=(W1，W2，W3)T=(0.174 4，0.6337，0.191 9)T，其一致性指标0.0046，平均随机一致性指标 RI=0.58，一致性比例 CR=CI/RI=0.0079 ＜0.1。因此，判断矩阵具有满意的一致性，符合要求。

3.2.2 B-C层、C层单排序及一致性检验

采用同样的方法，可得到C层对B层的相对权重，并进行一致性检验(表3)，最后得出各指标的权值。

表3 各要素层对于相应各评价层的特征向量及一致性检验

3.2.3 层次总排序结果

各评价指标的权重及排序见表4。

表4 各评价指标的权重及排序

3.3 模糊综合评价

水环境承载力评价等级分为“差、较差、一般、较好、好”5个级别，对应的评价范围分别为0～0.2、0.2 ～ 0.3、0.3 ～ 0.7、0.7 ～ 0.8、0.8 ～ 1.0。U 为水环境承载力的因素集合，即 U={C1，C2，C3，C4，C5，C6，C7，C8，C9，C10，C11，C12，C13}，依据当前东辽河流域吉林省内的现状，及东辽河水环境承载力评价等级 V={0.1，0.25，0.5，0.75，0.9}，得 U 到 V 模糊判断矩阵模糊综合评判的数学模型为B=WR=(0.257 4，0.3633，0.2643，0.0778，0.0372)，对 B 进行归一化处理得 B'=(0.257 4，0.363 3，0.264 3，0.077 8，0.0372)，将B'与模糊评判向量V相乘得出综合评价结果即G=B'VT=0.3407，根据模糊评价等级，得东辽河的水环境承载力为“一般”。

4 结语

通过层析分析-模糊综合评价模型对东辽河流域的水环境承载力进行了评价，得综合指数为0.3407，承载力为“一般”，且接近较差的评价等级。由表4可见，年均供水量(0.335 4)、水资源开发利用率(0.1699)和水污染指数(0.1045)对东辽河水环境承载力的影响较大。近年来，随着社会经济的发展，人们对水资源的需求不断增加，加之气候变化的影响，使得水量已经大幅度减少的东辽河流域供需矛盾越发突出。为了保证流域社会经济的健康、快速发展，必须提出可持续发展的治理方案，结合本文的研究结果，对东辽河流域的治理提出几点建议。

a.水资源的优化配置。东辽河流域是吉林省重要的商品粮基地，随着城市化的进程，农业用水与城市用水、生活用水的矛盾已日益突出。应采取以下措施:①推广先进的灌水技术，提高灌溉效率，减少农业用水;②推行节水、生态、高效和绿色的农业发展道路;③发挥水价在水资源配置中的作用，提高人们的节水意识，支持东辽河流域水资源的合理开发和高效利用;④优化工农等各行业的用水结构。

b.加强水污染的监测和治理。东辽河水质污染情势严峻，对供水安全已经产生很大的威胁，必须进一步加强对东辽河的监控和治理:①发展绿色农业，控制化肥和农药进入流域的量;②推动污水资源化，降低污染大户污水排放量，加大城市工业生产污水和居民生活废水的处理力度，力争实现达标排放。c.增加外调水源。本着开源节流的原则，在节水的基础上，也要增加开源的渠道。东辽河流域是水资源缺乏的河流，节水和污水回用的能力有限，为满足社会经济发展和人民生活的需求，可以进行区域和水域间的水量调配，促进流域的可持续发展。

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