基于改进集对分析模型的四川省水环境承载力评价

程扬 姚建

摘要：为优化集对分析方法的应用，针对传统层次分析法与熵值法等常规赋权方法的不足，进行了赋权方法的整合及改进，构建了基于改进组合赋权的区域水环境承载力集对分析模型，并将其应用于四川省水环境承载力研究。结果表明：四川省2016年水环境承载力状况呈“临界承载”，自贡、泸州、德阳、内江、南充五市的水环境承载力状况表现为“弱承载”或“较弱承载”，在所有评价市（州）中表现最差;从区域角度来看，川南地区水环境承载力表现最差，成都平原次之，攀西地区和川东北地区相对较好。

关 键 词：

区域水环境承载力; 组合赋权; 集对联系数; 四川省

中图法分类号： X821

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.005

区域水环境承载力状况是衡量区域可持续发展能力的重要标尺[1]，量化和评价区域水环境承载力可以为科学制定水资源合理利用和水环境保护管理政策提供科学依据[2]。因此水环境承载力的定量研究一直是研究热点，并已取得较大进展。汪彦博等[3]建立了石家庄市水环境承载力系统动力学模型，比较了在不同发展方案下水环境承载力状况，并提出了最优发展方案。赵卫等[4]建立了水环境承载力多目标规划模型，以情景分析研究了用水结构和排污结构对水环境承载力的影响并探寻优化途径。张彦等[5]利用遗传算法将传统BP-NN模型进行优化后得到GA-NN模型并对水环境承载力进行评价，进一步完善了人工神经网络在水环境承载力领域的研究。柏义生等[6]以模糊综合评价方法建立了信阳市水环境承载力综合评价体系并开展研究。目前，将集对分析方法应用于水环境承载力中的研究成果较少，刘晓峰等[7]将集对分析应用于石羊河流域水环境承载力评价，定量评价了流域水环境承载力水平，并对未来发展趋势做出了预测。贺瑞敏[8]利用基于改进熵值法赋权的集对分析评价模型对广东省水环境承载力进行评价，以主要敏感指标分析的角度提出了提升广东省水环境承载能力的措施。

由于水环境承载力分级界限存在一定的模糊不确定性，很少有方法考虑到界限模糊性进而影响了评价结果，即使考虑模糊不确定性，其评价指标也仅采用传统的层次分析-熵值组合的主客观赋权方法，未考虑系统受极端指标影响的情况，造成评价结果有失准确性。集对分析方法在水环境承载力领域的相关研究也只是简单的理论应用而无更多的深入探讨。因此，本文以集对分析为理论基础开展区域水环境承载力评价，同时改进评价指标组合赋权方法，提高了指标本地化处理后评价结果的可靠性，对于准确了解区域水环境承载力状况、针对性协调区域水环境保护管理具有重要的理论价值和实践意义。

1 研究方法

集对分析理论因其能较好地处理确定不确定性系统问题[9-11]，符合评价指标在评价标准边界上存在一定的模糊不确定性的特点，对于区域水环境承载力评价有较好的适用性。为克服已有研究中仅以层次分析法和熵权法进行组合赋权而存在的仅考虑数据本身分布特点的缺陷，本文在集对五元联系数综合评价方法中，在原有传统赋权[12]的基础上，新增污染贡献率赋权法达到以特定参考标准来衡量指标优劣的目的，并以改进组合赋权的集对分析模型开展区域水环境承载力评价。

1.1 区域水环境承载力集对分析模型构建

1.3 评价指标体系及指标分级标准

根据层次分析的原理，应用压力-状态-响应（PSR）模型构建区域水环境承载力研究指标体系[22-25]，包括目标层、准侧层、指标层。准则层分为水环境压力系统、水环境状态系统、水环境响应系统。评价指标体系见表2。

本研究确定分级标准的依据为：① 有国家标准或地方标准的，以此为基础，对相关数值进行本地化修正;② 在参考文献分析的基础上对数值进行本地化修正;③ 既无相关标准也无相关参考文献的，咨询专家意见得出分级值。分级标准见表2。

2 实例应用

2.1 区域概况

四川省位于中国大陆西南腹地。2012年，全省水系中，省控监测断面达标率71.2%，达到或优于Ⅲ类水质断面占比71.9%;2016年，全省国、省控断面中，达到或优于Ⅲ类水质断面占比63.2%，全省人均水资源从3 581 m3下降到2 833 m3。四川省水环境问题面临日益严峻的挑战，水环境承载力也将成为影响地区社会经济发展的决定因素之一。

2.2 数据来源

应用1.1节模型对四川省2016年水环境承载力进行评价分析，鉴于数据的可获得性，暂不对阿坝藏族羌族自治州和甘孜藏族自治州进行评价。

本次研究所涉及的数据均来源于《四川统計年鉴》（2013～2017年）、四川省国民经济和社会发展统计公报（2012～2016年）、四川省水资源公报（2012～2016年）、四川省环境状况公报（2012～2016年）、相关市（州）统计年鉴（2013～2017年）以及国民经济和社会发展统计公报（2012～2016年）、水资源公报、环境质量公报、环境统计公报。

2.3 评价结果和空间分布

2.3.1 改进权重分析

根据改进赋权方法，计算出两种赋权方法下权重值，见表3。

分析表3中权重值，由于2016年各个评价市（州）的“万元GDP用水量x12”“万元工业增加值用水量x13”“万元工业增加值废水排放量x16”“第三产业占GDP比例x25” “城镇污水处理率x31”“森林覆盖率x23”指标均没有出现劣于参考标准的情况，因此本文赋权方法在传统主客观赋权方法的基础上对该类指标权重进行了较大程度削弱，以突出其他劣势指标。同理，“人均日生活用水量x14”“耕地实际灌溉亩均用水量x15”“水资源开发利用率x17”“城镇化率x24”在实际情况中均出现超过50%的市（州）劣于参考标准的情况，因此本文赋权方法在传统主客观赋权的基础上对该类指标权重进行了加强。本文改进组合赋权方法考虑指标相对于参考标准的偏离度，强化或削弱了极端指标对于系统的影响，使得指标权重更加符合实际情况。

2.3.2 四川省水环境承载力状况

应用改进组合赋权集对分析模型，分别从目标层、准则层、指标层对四川省2016年水环境承载力情况进行分析，结果见图 1～2。

从图1可知，2016年四川省水环境承载力状况表现为“临界承载”，在准则层方面，响应子系统表现为“较弱承载”，压力和状态子系统均为“临界承载”，响应子系统表现较差。从图2可知，在指标层方面，“人均日生活用水量x14”“万元工业增加值废水排放量x16”“产水模数x21”“城镇化率x24”“生态环境用水比例x33”“主要江河湖库Ⅲ类及以上水质断面占比x34”表现为“较弱承载”或“弱承载”，是系统中表现较差的指标。

2.3.3 空间分布状况

应用改进组合赋权集对分析模型对2016年四川省除阿坝藏族羌族自治州、甘孜藏族自治州外的19个市（州）开展水环境承载力状况分析。为更好地展示各区域水环境承载力空间差异，采用ArcGIS10.2對各市（州）承载力状况进行空间差异可视化表征，见图3。

由图3可知，自贡、泸州、德阳、内江、南充五市的水环境承载力状况表现为较弱承载或弱承载，水环境承载力整体情况处于较低水平。从区域角度分析，其中川南地区水环境承载力表现最差，成都平原地区次之，攀西地区和川东北地区相对较好。

2.3.4 模型验证

为进一步验证本文赋权方法的可靠性，将传统的层次分析-熵值组合赋权方法[12]与本文赋权方法下的权重值分别代入模型，求得2012～2016年四川省水环境承载力等级值变化情况，见图4。

由图4分析可知，在传统赋权方法下，从2012～2016年，四川省水环境承载力状况等级值呈较大起伏波动，承载力状况在较弱承载与临界承载间反复变化。在本文赋权方法下，四川省水环境承载力状况等级值在波动中平稳下降，即水环境承载力状况从“较弱承载”优化为“临界承载”，本文改进赋权方法因考虑到系统中极端表现指标的影响，使得评价结果更加稳定也符合实际情况。

综合以上分析，改进赋权方法下的权重值可以更好地体现四川省水环境承载力的实际状况，该方法也进一步体现了水环境承载力系统变化的随机不确定性。

3 结 论

（1） 改进的组合赋权新增污染贡献率法强化了评价指标的本地化处理，提高了评价结果的准确性，也凸显了区域水环境系统的随机性、模糊不确定性，使得区域水环境承载力评价结果更加符合实际情况。

（2） 2016年四川省水环境承载力状况表现为临界承载，其中响应子系统“人均日生活用水量x14”“万元工业增加值废水排放量x16”“产水模数x21”“城镇化率x24”“生态环境用水比例x33”“主要江河湖库Ⅲ类及以上水质断面占比x34”为表现较差的因素。

（3） 采用GIS可视化空间差异分析得知，自贡、泸州、德阳、内江、南充五市的水环境承载力状况表现较差。从区域角度分析，川南地区水环境承载力表现最差，成都平原地区次之，攀西地区和川东北地区相对较好。

参考文献：

[1] LIU H J，WANG D S，YUAN B L.Sustainable water environment and water use：A perspective on water resource utilization[J].Journal of Environmental Sciences，2016，50（12）：1-2.

[2] 汪嘉杨，翟庆伟，郭倩，等.太湖流域水环境承载力评价研究[J].中国环境科学，2017，37（5）：1979-1987.

[3] 汪彦博，王嵩峰，周培疆.石家庄市水环境承载力的系统动力学研究[J].环境科学与技术，2006（3）：26-27，116.

[4] 赵卫，刘景双，苏伟，等.辽宁省辽河流域水环境承载力的多目标规划研究[J].中国环境科学，2008（1）：73-77.

[5] 张彦，李明然，李新德.GA-NN模型在保定市水环境承载力评价中的应用[J].南水北调与水利科技，2019，17（5）：131-138.

[6] 柏义生，陈涛，梁静，等.信阳市水环境承载力评价及优化对策建议[J].环境工程，2019，37（10）：78-82.

[7] 刘晓峰，许静.石羊河流域水环境承载力分析研究[J].水利规划与设计，2011（3）：17-21.

[8] 贺瑞敏.区域水环境承载能力理论及评价方法研究[D].南京：河海大学，2007.

[9] 赵克勤.联系数学的基本原理与应用[J].安阳工学院学报，2009（2）：107-110.

[10] 赵克勤，宣爱理.集对论：一种新的不确定性理论方法与应用[J].系统工程，1996（1）：18-23，72.

[11] 赵克勤.集对分析及其初步应用[M].杭州：浙江科学技术出版社，2000.

[12] 徐志青，刘雪瑜，袁鹏，等.南京市水环境承载力动态变化研究[J].环境科学研究，2019，32（4）：557-564.

[13] 邱林，冯晓波，冯丽云，等.集对分析法在湖泊水质富营养化评价中的应用[J].人民长江，2008，39（5）：52-54.

[14] 王文圣，李跃清，金菊良，等.水文水资源集对分析[M].北京：科学出版社，2010.

[15] 潘争伟，吴开亚，金菊良，等.湖泊水质富营养化评价的集对分析与三角模糊数耦合模型[M].北京：知识产权出版社，2010.

[16] 潘争伟，金菊良，吴开亚，等.巢湖流域水安全评价的集对分析模型[J].水资源保护，2012，28（3）：9-15.

[17] 冯志彬.基于集对分析的在建工程火灾风险评价研究[D].西安：西安建筑科技大学，2015.

[18] 朱艳，季桂林.浅谈统计中算术平均数与几何平均数的正确应用[J].济南职业学院学报，2012（6）：54-55.

[19] 孟宪萌，胡和平.基于熵权的集对分析模型在水质综合评价中的应用[J].水利学报，2009，40（3）：257-262.

[20] 李磊，贾磊，赵晓雪，等.层次分析—熵值定权法在城市水环境承载力评价中的应用[J].长江流域资源与环境，2014，23（4）：456-460.

[21] 姜文超.城镇地区水资源（极限）承载力及其量化方法与应用研究[D].重庆：重庆大学，2004.

[22] RAINERW A L Z.Development of environmental indicator systems：experiences from Germany[J].Environmental Managemen，2000，25（6）：613-623.

[23] 吴书光，张红凤.基于PSR模型的土地可持续利用指标体系构建与实证研究：以山东省为例 [J].经济与管理评论，2013，29（6）：66-70，97.

[24] 杨予静，李昌晓，丽娜·热玛赞.基于PSR框架模型的三峡库区忠县汝溪河流域生态系统健康评价[J].长江流域资源与环境，2013，22（增1）：66-74.

[25] 叶正伟，孙艳丽.基于PSR模型的江苏沿海大开发地区水环境安全评价：以盐城市为例[J].水土保持研究，2013，20（6）：197-202.

（编辑：刘 媛）