珠三角地区水环境承载力综合评价模型研究

刘东君　李力

（哈尔滨工业大学深圳研究生院　广东深圳518055）

珠三角地区水环境承载力综合评价模型研究

刘东君李力

（哈尔滨工业大学深圳研究生院广东深圳518055）

针对珠三角地区水环境承载力问题进行研究，从区域水环境承载力所涉及的水资源系统、供水用水系统、水环境污染系统、社会和经济系统、各产业用水指标等多个领域中选取多个指标，构建区域水环境承载力的评价指标体系，利用基于粗糙集理论的属性约简法对指标进行约简，得到较为精简的指标体系；利用Topsis评价法对区域水环境承载力进行了评价，分析了珠三角地区八个城市的水环境承载力，为区域水环境的管理和水污染的控制提供理论基础。

水环境承载力 综合评价 属性约简法 Topsis评价法

0　引言

当今社会人口膨胀、资源短缺、生态危机等全球性问题日益突出，环境污染问题不断加剧，人口、资源与环境之间的矛盾变得越来越尖锐。水环境承载能力研究就是从人口、资源、环境和发展之间的关系着手，从本质上分析环境与人类活动之间的辩证关系，建立环境与社会、经济之间联系的纽带，为可持续发展提供科学依据。因此研究区域水环境承载能力，进而促进区域社会经济与环境的协调发展，对维系良好的生态环境、构建社会主义和谐社会具有十分重要的意义。调研了城市水环境承载力相关的影响因素，并建立了相应的指标体系；运用模糊物元法对指标数据进行模糊化，再利用属性约简法对多指标进行约简，得到精简的指标体系，减少了评价工作的工作量。运用Topsis评价法对城市水环境承载力进行了评价。

1　评价模型相关理论

1.1属性约简法

设某知识系统为 S=（U，C，V，f），其中 U=｛x1，x2，…，xm｝表示一个非空对象集，也称为论域；C =｛s1，s2，…，sn｝表示一个非空属性集；V=∪Vs，它表示属性 si的值域；f：U×C→Vs是一个信息函数，∀（x，s）∈U×C，f（x，s）∈Vs。本文进行以下定义：

定义1：对于一个非空集合 B⊆C，s是B中的元素，我们定义该集合在集合 U上不可分辨关系为：

IB=｛（x，y）∈U×U∶f（x，s）=f（y，s）｝（1）

定义2：设集合X是U中的一非空有限子集，对于等价关系 B∈ind（S），则 X对集合B下近似和B上近似分别为：

定义3：设A，D⊆C是C的两个属性子集，对于元素 x∈U/D，本文定义是 posA（D）=xeU∪/DA—（X）是U/D对于A的正域。

基于上述定义，分析各指标重要程度，并由此进行属性约简。对于某指标 sj，它的重要程度可通过下述方法来确定。从属性集合 C中去掉sj，然后考察S的分类能力的变化，根据由此带来的影响来衡量该属性的重要程度。同理，从属性集合C中依次去掉每个指标，然后考察在不包含该指标时，S的分类情况受到的影响。如果去掉一个属性指标以后，S的相应的分类状况有较大变化，那么说明这个指标的重要性较强；反之，则说明该指标的重要性弱。这样指标 sj的重要程度定义为：

式中，sj∈R，R∈A，|・|表示集合中元素个数。

显然 sig（sj）越大，则说明该指标的重要程度也越大。如果 sj的重要程度sig（sj）是0，则说明该指标可从属性集中约简出去。这样，可将原属性指标集进行约简，去掉那些相对不重要的指标 ，保留那些足够反映属性指标体系信息的、更为精简的指标，从而使整个评价工作的工作量降低。

1.2Topsis评价方法

Topsis评价方法，其全称是逼近于理想解的方法（Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution）。在系统工程领域中，Topsis评价方法是对于有限方案多指标决策问题的重要方法之一。其建模思想如下：定义了在决策问题中的“正理想方案”与“负理想方案”，在可行的方案中寻找一个方案，使其到正理想方案的距离最近，且与负理想方案之间的距离最远。

对一个有限方案多指标决策问题，设其正理想方案和负理想方案分别是 Z+和 Z-。考察各个可行方案与正理想方案与负理想方案之间的距离，一般可采用欧氏距离，则从任一可行方案 Zi到Z+的距离是：

到Z-之间的距离是：

最后根据相对贴近度来确定和比较各可行方案相对的水平，从而得出合理的评价结果。Topsis评价法的接近度定义为：

显然有0≤Ti≤1。对于理想方案，则 Ti=1；对于负理想方案，则 Ti=0。可行方案 Zi离正理想方案越近，则Ti越靠近1；可行解 Zi离负理想方案越近，则 Ti越靠近0。根据各个 Ti的大小，对可行解进行排序，从而得出合理的评价结果。

2　基于属性约简的评价指标体系

2.1评价指标体系

区域水环境承载力问题涉及到水环境、社会、经济和资源等多个领域，是一个多指标综合评价问题。评价指标的选取遵循科学、明确、客观和可操作性强等原则，根据其他研究成果与珠三角地区的实际情况，区域水环境承载力所涉及的水资源、供水用水、水环境污染、社会和经济、以及各产业用水指标等多个领域中选取多个指标，构建了区域水环境承载力综合评价指标体系。各指标数据如下表1所示，数据来源于2013年《广东省水资源公报》。

表1　水环境承载力指标体系

2.2数据模糊量化与离散化

指标的属性约简需要离散的数值，因此将数据离散化，其过程如下。

（1）鉴于不同的评价指标的量纲不同，需要先对各个指标数据进行归一化 ，消除量纲的影响。

（2）将水环境承载力指标强弱进行模糊化 ，将其能力分为三级，即评价空间为：ED=｛优、良、差｝，量化标准如表2所示。

表2　水环境承载力量化标准

（3）将各指标的等级值作为离散值，运用模糊物元法计算各指标的隶属度，根据隶属度最大原则来确定各个指标的离散值，其结果如表3所示。

表3　各城市指标的离散值

2.3评价指标约简

利用基于粗糙集理论的属性约简法对指标体系进行约简 ，削减评价系统的工作量。对于每一个系统的指标分别进行约简。

对于供水用水量系统的指标，由表中的数据，基于粗糙集理论进行属性约简 ，约简过程如下：

（1）确定条件属性集和论域，条件属性集为 C=｛s1，s2，s3，s4，s5｝，论域为 U=｛C1，C2，C3，C4，C5，C6，C7，C8｝。

（2）分析 U关于各属性集合的划分：

（3）考察指标的正域：

（4）计算指标的属性重要性：

sig（s2）=0，sig（s3）=0，sig（s4）=0.25，sig（s5）=0.75。

由上述计算可知，指标 s1、s2和 s3的属性重要性是0。根据属性约简法，可以将这3个指标从原指标体系当中约去，并由剩下的指标 s4、s5建立新的指标体系。

同理，水资源系统指标中的“降水量”、“水资源总量”和社会经济系统人均水资源量指标中的“人均水资源量”也被约简掉了。剩下的指标包括：产水模数、耗水量、耗水率、火（核）电直流冷却水排放量、入河废污水量、人均GDP、人均综合用水量、万元GDP用水量、万元工业增加值用水量、农田灌溉亩均用水量、城镇生活用水量，这些指标构成新的指标体系。

指标数量由原来的17个减为11个，原始数据量变少 ，评价工作的工作量相应减少。当评价系统指标较多时，评价工作的工作量会很大，指标的属性约简往往是必需的。过多的属性指标带有的信息有时会带有一定的相关性，用这些数据进行综合评价会使研究的复杂性和数据操作工作量增大，其评价结果也不一定理想。因此在综合评价工作中，利用属性约简法对属性指标进行约简具有重要的意义。

3　评价结果与分析

运用Topsis评价法对城市水环境承载力进行评价，评价结果如下表4所示。

表4　Topsis 评价法结果

由表4可知，在8个城市中，深圳市、珠海市和东莞市水环境承载力相对较强。珠海市气候舒适度、自然环境质量和绿化水平等都十分高 ，在广东省环境保护总体满意度评价中珠海市是最高的。东莞市的非金属矿物业、纺织业等产业的环境投资额均高于广东省的平均水平，东莞市在“中国绿色城镇化指标”排名中取得第12位的成绩；而深圳市则排在全国第三 ，东莞市和深圳市在环境污染防治上投入较大，并获得了很好的效果。

在表4中，惠州市、广州市和江门市的水环境承载力最弱。在广东省环保厅公布的“2013年广东省重点污染源环境保护信用评价”结果中，惠州市和江门市的上榜污染企业最多。惠州市的淡水河污染比较严重，水体很多断面污染严重，主要污染物以氨氮和总磷为主，也表现出比较明显的有机型污染特征。近些年随着现代工业的发展和城市化进程的加快，广州市和惠州市的城市用水量也不断加大，水体污染日益严重，污染承载能力也较弱。

4　结语

利用系统建模与仿真的方法对珠三角地区城市水环境承载力进行了综合评价。基于区域水环境承载力问题涉及到的水环境、社会、经济和资源等多个领域，构建了广义水环境承载力综合评价的指标体系。运用基于粗糙集理论的属性约简法对指标体系进行了约简，得到了精简的指标体系。利用Topsis评价法对珠三角地区八个城市水环境承载力进行了全面地评价，结果表明，深圳市和东莞市水环境承载力相对较强，江门市和惠州市水环境承载力相对较弱。

Evaluation Modelon Water Environment Carrying Capacity for Pearl River Delta Region

LIU Dongjun LI Li
（Shenzhen Graduate School，Harbin Institute of Technology Shenzhen，Guangdong 518055）

The water environment carrying capacity of Pearl River delta region is analyzed.Some indexes are selected from many fields，such as the water resources system，water supply system，water environmentsystem，social and economic system and water indexes of industrial consumption.The attribute reduction method based on rough set theory is used to reduce the indexes，and the reduced index system is obtained.The regionalwater environmental carrying capacity is evaluated by the Topsis evaluation method and water environment carrying capacity of eight cities in the Pearl River delta region is analyzed.This study can provide theoretical basis for the managementof regionalwater environmentand water pollution control.

water environment carrying capacity comprehensive evaluation attribute reduction method Topsis evalua tion method

刘东君 ，男 ，博士后，主要研究领域为系统仿真建模，环境评价与仿真。

（2015-09-15）