水生态承载力研究方法及评价指标权重计算分析

杨彦霞 于新花 杨文慧

（宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021）

1 引言

近年来，我国社会经济加速发展，对于工业用水的需求明显增加，造成我国水资源的短缺以及水环境的污染，给水生态系统的健康带来威胁。党的二十大报告中提出，要统筹好水资源、水环境和水生态治理，加快重要江河湖泊生态保护与治理。我国“十四五”规划也明确指出，发展水环境应更加注重“人水和谐”。水生态系统的健康受到诸多因素的影响，将水环境治理与水生态修复相结合可以有效地治理生态环境，保护水资源。

目前，对于水生态承载力的研究才刚刚起步，尚未形成完善的理论体系。对于水环境承载力的研究，在兼顾水生态系统承载极限的同时，还要考虑到这是一个关乎人类活动、社会经济发展和水环境和谐发展的共同命题［1］。水资源承载力与水环境承载力分别反映了水量与环境指标，二者理论上目前还无法充分反映现实的水生态系统状况。目前迫切需要一个评价指标体系，能够把水质与水量都考虑其中，且涉及水资源、水环境、人口、经济等各项指标。在此背景下，研究水生态承载力研究方法及评价指标权重计算具有重要意义。

2 水生态承载力的研究进展及含义

2.1 水生态承载力的研究进展

2.1.1 水资源承载力的概念

20 世纪末，学者们探讨了水资源承载力的概念，认为水资源承载能力是处于特定的发展阶段，维持生态发展趋于良好状态的能力，对其定义是在经济、社会发展水平及未来发展的技术水平下，以水资源适当开发和优化配置为前提。水资源体系对区域人口影响较大，同时是经济社会发展水平的最大支撑能力［2］。水资源承载能力可以反映水资源和社会发展状况的变化趋势［3］。水资源承载力是以水为承载体，人口、社会经济为被承载体。对水资源承载力进行合理评价能够为区域可持续发展提供科学指导［4］。因此，研究水资源承载能力可以为社会、经济、生态等的发展提供支撑。

2.1.2 水环境承载力的概念

由于对水环境承载力研究的主要关注点不同，学者们从狭义和广义2 个角度对其进行概念分析。从狭义的角度来说，水环境承载力是指在所规定的指标范围之内，水体所能接受的最大的污染物排放总量［5］，排入水体的污染物作为其携带对象［6］；从广义的角度来说，水环境承载力是指在具有特定功能的区域水体不受自身生态系统和环境质量威胁的情况下，一定时期内能够支撑人口和经济社会发展的最大尺度［7］。其以水量和水质作为承载主体，客体则是外部经济社会系统。从污染物的角度来看，指的是水体最大能接受的污染物排放的范围。水环境容量、水体的纳污能力是水环境承载力的关键因素［8-11］。

2.1.3 水生态承载力的概念

在水生态承载力的研究中，水资源、水环境承载力是两个重要内容。水生态承载力的研究，除了要兼顾水资源数量上的需求外，还应该兼顾水环境的质量，并且对水环境的良性发展给予更多的重视，它是以水资源承载力、水环境承载力为依据而产生的一种流域综合管理理念［12］。水资源是水生态系统的基本要素，而水环境既是其限制要素，又是其支撑要素［13］。水生态承载力是水资源、水环境和生态承载力的结合，全面反映了人类经济社会的承载能力与生态系统密切相关［14］。

在分析了早期学者对于水生态承载力概念存有的问题之后，结合水生态系统特征以及水生态系统与承载人类社会活动的关系，学者们对水生态承载力的概念及其相关特征进行定义，指出其主要特征是具备为人类社会活动提供生态服务产品的能力［1］。

2.2 水生态承载力含义的理解

根据前面学者们对水生态承载力含义的描述，结合目前关于水生态系统的理论基础，本文认为，水生态承载力是在特定时间段、特定流域内，在水生态系统维持自身健康稳定的基础上，根据某一特定时间段的经济效益和社会资源分配，水生态系统可以承载最多的人口和最大的经济总量。总而言之，水生态承载力的本质是承载经济社会发展的能力并促进区域可持续发展，其研究的落脚点是经济发展总量和人口规模，其研究的前提是水生态系统必须满足其自身良好发展。

3 水生态承载力方法研究

3.1 研究方法比较分析

随着社会经济、科学技术的发展，水生态承载力研究方法不断发展进步，除了在水生态科学实践中的应用外，在水文学、生态学、经济学、管理学及地理学等其他学科研究的交叉前沿领域也有所涉及。水生态承载力的研究方法由定性研究逐渐转向为定量研究，而目前的研究对象更加关注水生态与人类社会及经济发展的关系，结合区域经济发展、人类活动等因素研究水生态承载力的作用机制。本文主要通过对表征水生态承载力评价指标、更为精准地计算水生态承载力的评价指标权重及水生态承载力体系模型的建立等方法进行比较分析，各种研究方法的优缺点见表1。

表1 水生态承载力的研究方法优缺点对比

3.2 部分研究方法介绍

3.2.1 指标体系法

当前关于水生态承载力各个相关指标的研究很少，指标评价体系也不够完善，主要在水资源和水环境方面进行研究。研究者将评价指标体系作为水生态承载力研究的重要依据［15］。在构建水生态承载力概念模型时，要将社会经济、旅游活动和水质等纳入指标体系中［16］。

在构建指标体系的过程中，研究者很少会考虑各个因素之间的相互作用关系，如水资源、水环境及人类活动和经济发展对水生态系统的影响及水生态系统对它们的作用。研究者在选取评价指标体系时，要注重将社会经济系统与水生态承载力系统的良好状况相结合来反映水生态系统承载能力的大小，同时，通过选取表征人类活动与水生态系统之间相互影响、相互作用的指标，来反映水生态系统本身存在的问题及所面临的难点。

3.2.2 熵权法

熵权法（Entropy Weight Method，EWM）是一种反映各指标间差异程度的客观赋权法。根据指标的真实数据，客观地计算权重，其结果的可信度很高并具有较强的科学性，计算熵值越小，则所得熵权越大，表明该指标在评价中越重要。

3.2.3 层次分析法

层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是一种进行指标间对比其相对重要程度的主观赋权法［17］。层次分析法是结合定性分析和定量计算的多目标、多准则、多指标的一种决策方法［18］，水生态承载力层次分析法结构如图1 所示。层次分析法在计算指标权重中属于较为多用的研究方法，虽然其在承载能力评价中考虑了层次性，但本质上受定性判断的主观性和随机性的影响［19］。

图1 水生态承载力层次分析法结构

3.2.4 系统动力学法

水生态承载力系统是一个包括社会、经济、人口、水资源和水环境等多因子的复杂系统。其影响因素众多，研究内容复杂，各影响因素之间相互影响、相互作用［20］。而系统动力学法（System Dynamics）可应用于不同情景的承载力研究中，该方法能够动态模拟复杂系统下所有链接的行为和响应，适用于较为复杂的水生态系统研究。但是，模型受建模者主观影响较大，可能导致论断不合理［21］。水生态承载力研究中的系统动力学结合了社会、金融、人口、水资源、水环境等之间的关系，且该方法运用较为广泛，可以根据水生态系统的实际情况建立水生态承载力模型，系统动力学建立的模型能够处理时变、非线性、多重反馈等问题。

4 评价指标权重计算

本文假设在水生态承载力评价与计算中有m个评估指标（评价指标数）、n 个样本（评价年份数）。

4.1 基于熵权法的指标权重计算

（1）在计算指标熵值之前，采用极差变化法［22］（min－max）对数据进行标准化处理，计算公式如下：

正向型指标标准化：

逆向型指标标准化：

式中，a 为标准化后的指标值；Xij为第i 年第j 个指标的原始值，i＝1，2，…，m，j＝1，2，…，n；max（Xij），min（Xij）分别为样本序列中最大值和最小值。

（2）采用熵权法进行指标权重的确定，具体计算步骤如下：

指标熵值的计算公式：

式中，Ei为第i 个指标的熵值；Pij为每个指标占总指标的比例；K 为标准化系数。

评价指标权重的计算公式为：

式中，ω1i为熵权法计算的第i 个指标的权重；n 为评价年份数；m 为评价指标数；Ei为第i 个指标的熵值。

4.2 基于层次分析法的指标权重计算

（1）构建判断矩阵。在层次分析法中确定指标权重数值，需要决策者在对同一层级中的指标因素两两进行比较，得到评价指标的权重的大小，即反映指标间重要性大小的判断矩阵（见表2），表明指标间相对重要程度的大小。

表2 指标间相对重要程度的大小

（2）计算特征值和特征向量。构建判断矩阵后，计算矩阵的最大特征根和特征向量，确定评价指标权重（W）。

（3）一致性检验公式为：

式中，CI 为判断矩阵的一致性指标；λmax为判断矩阵的最大特征值；n 为指标的个数；RI 为判断矩阵的平均随机一致性指标；CR 为一致性比例。RI 的取值参考表3。

表3 平均随机一致性指标参考取值

4.3 熵权法—层次分析法［18］组合权重计算方法

在水生态承载力指标权重计算中，高伟等［23］为规避主观因素的影响，采用熵权法确定所研究相关指标的权重；丁小平［24］采用层次分析法，将复杂的多因素问题分成不同的层级并评估计算各评价指标的权重。然而，熵权法和层次分析法都有自身的不足，二者分别为客观赋权法和主观赋权法，熵权法主要反映指标之间的差异程度，但并未反映指标的重要程度，而层次分析法受人为因素影响较大，因此可以采用熵权法—层次分析法组合权重计算方法，将主客观方法相结合，来计算水生态承载力指标权重的大小，既能反映研究者对指标重要程度的判断，也可以客观反映数据的变动差异。

由熵权法和层次分析法计算各指标权重分别为ω1i，ω2i，各评价指标得到的综合权重为ωi。采用最小二乘法的优化方法计算权重值ωi，计算公式如下：

式中，Xij为第i 年第j 个指标的原始值。

5 结论与展望

5.1 结论

由于水生态承载力概念尚未统一，而且水生态系统是一个复杂系统，水生态承载力的研究方法目前也尚未统一，使得关于水生态承载力的研究应用中存在很多问题。本文在总结关于水生态承载力先前学者研究的基础之上，通过分析大量文献，总结其研究进程，总结分析了当前国内外应用较为广泛的几种研究方法，对研究方法及其优缺点进行了比较分析，并对水生态承载力评价指标权重计算进行分析。提出通过将熵权法与层次分析法相结合来计算水生态承载力指标权重的大小，既能反映研究者对指标重要程度的判断，也能客观反映数据的变动差异，使得研究结果更加科学和更准确，有利于对水生态承载力的模型进行分析预测，以得到较好的发展方案。

5.2 展望

当前水生态承载力的研究方法有很多，但其都存在不足之处。水生态承载力权重计算方法中，大多数研究者仅限于一种权重计算法，很少涉及将客观与主观相结合计算权重的研究，本文只对权重计算的组合方法进行了分析，还需进一步进行实际应用并验证。

在水生态承载力理论探究及其方法研究中还需要对以下问题深入探索：

（1）水生态承载力的含义及方法理论体系；

（2）水生态承载力的影响因素以及提高水生态系统的承载最大经济总量和人口数量的有效途径；

（3）水生态承载力评价指标体系的选取、指标权重计算方法的优化以及建立水生态承载力的系统模型和定量化研究。