基于系統論思想的山西省資源環境承載力綜合評價研究

摘要：基于系統論思想構建山西省資源環境承載力評價指標體系，采用熵值法與特爾菲法相結合的方法確定評價權重，運用GIS技術實現屬性數據與空間數據的融合。通過評價得到山西省中部、南部地區資源環境承載力處于低水平的結論。山西煤焦電冶等高能耗高污染行業的發展使資源消耗強度大，對山西省的資源環境系統造成了很大的影響，致使區域資源環境超出其承載力的閾值，建議以資源環境承載力為基礎進行區域功能規劃，增強研究區域可持續發展能力。

關鍵詞：系統論；資源；環境承載力；評價；山西省

中圖分類號：X32 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）15-3537-07

我國目前處于城鎮化、工業化快速發展的階段，很多地區（如山西?。⒉豢稍偕Y源的勘探開發作為資源型的支柱產業，隨著持續多年的開采、人口持續增長和經濟社會的快速發展，不可再生資源逐漸枯竭、區域資源短缺日趨演化為不可忽視的問題[1]。資源衰退、環境惡化的演化態勢必然會影響區域經濟的快速發展，成為區域可持續發展與和諧社會構建的巨大阻礙[2]。山西省作為典型的資源型地區之一，長期以來以礦產資源的開發利用為主要產業，期間人為的資源開發活動對區域環境也造成了較大的影響。資源短缺與環境問題已成為限制該地區社會經濟可持續發展的阻礙，研究該區域的資源環境承載力對于促進當地社會經濟有序、持續地發展具有重要的指導意義。

系統論思想是在20世紀30年代由美籍奧地利人、理論生物學家貝塔朗菲（Bertalanffy L. Von.）提出的，其核心思想是系統的整體性觀念。系統論的基本方法是以研究對象為系統，分析其功能和結構，探索要素、系統和環境之間的聯系及其變動規律，以系統視角看問題，系統具有普遍存在性[3]。本研究是在系統分析山西省資源環境特點和現狀的基礎上，建立研究區域資源環境承載力綜合評價指標體系，對區域進行資源環境承載力綜合評價。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

山西省的地理坐標為北緯34°34′-40°43′，東經110°14′-114°33′。南北長約550 km，東西寬約290 km，總面積15.63萬km2。轄11個地級市、85個縣、11個縣級市。

1.1.1 資源現狀 山西省以其豐富的煤炭資源和鋁土礦等礦產資源、全國最大的焦炭生產基地和重要的電力生產供應基地在全國工業的總體布局中占有重要的地位。山西省支柱產業——特別是煤炭、焦炭、電力、冶金、化工、建材等高耗能、高污染行業過度依賴能源資源消耗，造成了嚴重的水資源短缺、環境污染和生態惡化，導致山西經濟社會發展遭遇能源資源困境和環境承載力的約束。目前山西煤炭產量、焦炭產量、外輸電量、鎂合金產量、不銹鋼產量等眾多居全國第一的產業規模優勢遭遇到越來越大的資源發展困境。

1.1.2 環境現狀 山西煤炭工業對環境造成的災害是多方面的，以水資源破壞、土地塌陷、煤矸石堆積最為嚴重。不同的開采模式對生態環境造成的影響是不同的，傳統采煤模式主要有井工開采和露天開采兩種[4]。井工開采對土地資源的破壞以地表塌陷和矸石山壓占為主，對水資源的破壞主要是改變地下煤系含水層及其上部含水層中地下水原有的循環運移條件，引起地下水位下降，從而產生一系列水環境生態問題；露天開采對土地資源的損害以直接挖損和外排土場壓占為主，主要是水資源破壞淺層水系，形成凹坑，在地質構造地表、地下水的作用下還容易誘發塌陷、滑坡和水土流失等地質災害。

1.2 數據來源

文中涉及的數據來源于2010年《中國國土資源統計年鑒》、2010年《中國縣（市）社會經濟統計年鑒》、《山西省礦產資源總體規劃》（2008-2015年）、《全國主體功能區規劃》（2010-2020）、《全國礦山地質環境保護與治理規劃》、《2009年山西省環境質量公報》及其他相關權威數據。數據涵蓋礦產資源、水資源、土地資源、地質環境、水環境、大氣環境、生態環境等各方面。

1.3 指標體系構建

資源環境就是一個復雜的、受多種因素影響的系統，系統內部各子系統或各要素之間相互作用。資源環境承載力系統內部主要涉及資源要素和環境要素，由于系統之間要素作用的相互傳遞，單要素對資源環境綜合承載力有著直接影響[5]。同時由于單要素對資源環境承載力的作用大小不同，作用方向也不同，因此從某種意義上講，由于單要素對資源環境承載力的影響作用之間的彼此中和反而會削弱要素對資源環境綜合承載力的客觀性和準確性，有必要逐個對單要素進行具體分析[6]。

從系統論思想出發，根據評價系統所包含的要素建立區域資源環境承載力評價指標體系，并對每個子系統進行指標的選擇。在綜合分析資源環境承載力與社會經濟可持續發展的關系以及區域資源環境承載力的主要影響因素的基礎上，以資源環境承載力理論為依托，遵循科學客觀、全面簡潔、動態實用、定量和定性相結合、綜合性及典型性等原則，遴選綜合評價指標因子[7]。

各影響因子對區域的資源環境承載力均產生不同程度的影響。為了確保指標選取的科學性和合理性，采用線性回歸方法，以最小二乘法對指標間進行多重共線性分析。同時考慮被選指標數據的可獲得性，經過初步篩選，最終確定12個指標（表1）。

1）礦產資源保障程度。礦產資源保障程度=區域某礦種查明資源儲量/全省該礦種查明資源總儲量。該指標反映了該區某種礦產資源在全省的重要程度和對區域經濟發展的保障程度，與資源環境系統呈正相關關系。此處取各礦種礦產資源保障度的最大值為區域的總體保障度。

2）礦產資源儲量潛在價值。礦產資源儲量潛在價值=主要礦種的儲量×礦產品價格。該指標反映了國土資源的經濟可采儲量（或其生產能力）對經濟社會發展的支持能力，與資源環境系統呈正相關關系。

3）人均水資源量。人均水資源量=水資源總量/行政區總人口。該指標反映了該區域人均水資源量的保障程度，與資源環境系統呈正相關關系。

4）水資源開發利用率。水資源開發利用率=用水量/水資源總量。該指標反映了區域水資源開發利用的程度，與資源環境系統呈正相關關系。

5）人均糧食產量。人均糧食產量=糧食總產量/行政區總人口。該指標通過建立人與耕地之間的關系，間接反映了耕地生產能力所能承載的人口總數，與資源環境系統呈正相關關系。

6）人均可利用土地面積。人均可利用土地面積=（適宜建設用地面積-已有建設用地面積-基本農田保護區面積）/常住人口。該指標綜合考慮區域的地質、地形、地貌、水域以及各類保護區的空間分布及土地利用分布現狀等多種因素，反映了區域建設用地承載能力，與資源環境系統呈正相關關系。

7）礦山開發環境影響程度。礦山開發環境影響程度=MAX f（S1，S2，…，Sn）t·R，其中S1，S2，…，Sn代表活動構造不穩定性、地質災害危險性等影響承載力的因子指數；t為時間因子；R為區域范圍。礦山開發環境影響程度依據地質災害危險性、地質地貌景觀影響破壞程度、危害對象的重要性、損失大小與治理難易等因素進行分級，與資源環境系統呈負相關關系。

8）水環境承載力指數。水環境承載力指數=（水環境容量-水系污染物排放總規模）/水環境容量。該指標是反映水環境質量水平的重要依據，與資源環境系統呈正相關關系。

9）空氣質量達標率。空氣質量達標率=區域城市空氣質量Ⅱ級以上天數/365。該指標可體現我國城市化發展集中區對主要空氣污染物承受的底限和規?？刂扑?，與資源環境系統呈正相關關系。

10）二氧化硫排放量。二氧化硫排放量=區域污染性氣體二氧化硫的排放量。該指標反映了區域污染物的排放程度，從側面反映著區域大氣環境的良好程度，與資源環境系統呈負相關關系。

11）生態脆弱性。生態脆弱性=MAX{[土壤侵蝕脆弱性]，[石漠化脆弱性]，[其他生態系統脆弱性]}。其中土壤侵蝕脆弱性主要是指水力侵蝕，風力侵蝕可包含在沙漠化脆弱性之中。生態環境承載力可以通過生態脆弱性來反映，與資源環境系統呈負相關關系。

12）生態重要性。生態重要性=MAX{[森林生態重要性]，[生物多樣性保護重要性]，[湖泊濕地生態重要性]，[其他生態系統重要性]}。生態重要性與資源環境系統呈正相關關系，與生態環境脆弱性綜合表征全省各區域生態環境承載力。即生態功能越重要、生態環境越脆弱的地區，生態環境承載力越低，對于資源開發的限制程度越高。

1.4 資源環境承載力評價方法

1.4.1 熵值法 熵是衡量不確定性的一個統計載體。信息量與熵成反比，信息量越大熵就越小，反之熵越大。據此可以判斷某個指標的離散程度，離散程度越大則該指標對綜合評價的影響越大[8]。方法如下。

1）假設全省的縣級行政單位數為n，評價指標數為m，則xij（i=1，2…，n；j=1，2，…，m）為第i個縣的第j個指標的數值。

2）對指標進行標準化處理。此處選用極差標準化方法，公式為：

x′ij=■

（1）

則x′ij（i=1，2…，n；j=1，2，…，m）為第i個縣的第j個指標的數值。為方便起見，仍記數據x′ij=xij。

3）計算第j項指標下第i個縣占該指標的比重：

pij=■，（i=1，2…，n；j=1，2，…，m） （2）

4）計算第j項指標的熵值：

ej=-k■pijln（pij），其中，k>0，k=1/ln（n），ej≥0

（3）

5）計算第j項指標的差異系數。指標值的差異越大，對方案評價的影響就越大，熵值就越小，差異系數計算如下：

gj=■，式中Ee=■ej，0≤gi≤1，■gi=1（4）

6）權重確定：

Wj=■（1≤j≤m） （5）

1.4.2 特爾菲法 邀請20位相關研究領域的教授和博士，對每個評價指標對上一級指標的作用大小進行打分，經過反復幾輪征詢意見，最終確定各評價指標的權重。計算公式如下：

Wi=■■Eij（6）

式中：Wi為第i項指數、分指數、分指數指標權重；Eij為專家j對于第i個目標、子目標或指標的打分；n為專家總數。

1.4.3 綜合確定權重 客觀方法（熵值法）計算出的權重未考慮到研究區域當地的實際情況，不能準確地識別各因素對區域資源環境承載力的影響程度高低；主觀方法（特爾菲法）計算出的權重雖較為符合研究區域的實際情況，但未免過于主觀，若能結合客觀事實綜合評定區域資源環境承載力則最佳。因此，采用兩者相結合的方法來確定綜合評價權重，取客觀權重值40%、主觀權重值60%的比重計算綜合權重。公式如下：

Wj=（Wj1×40%+Wj2×60%） （j=1，2，...，m） （7）

其中Wj1為熵值法確定的權重，Wj2為特爾菲法確定的權重，Wj即為綜合權重。

1.5 評價模型的確定

評價思路為：①以縣級行政區為評價單元；②測算單指標數值，進行數據無量綱化，根據評價權重及評價模型計算評價分值，根據確定單指標等級劃分標準，將單指標評價分值分為若干等級，分別代表高、較高、一般、較低、低等級別；③運用GIS技術將測算結果錄入到全省縣級行政區劃圖斑層屬性表中，實現屬性數據與空間數據的融合，并生成單指標評價等級圖。

采用加權平均法，根據各指標的權重值和標準化后的指標值，加權求和得到資源環境承載力評價單元總分值。評價過程如下。

假設在評價中選取m個因素，每個因素包括n個因子，則綜合評價單元內某個因素的分值等于j個因子分值的加權和。計算公式如下：

Pi=■FjWj （8）

式中，Pi為因素i的分值，Fj為該因素中j因子的分值，Wj為j因子的權重值。

設P為資源環境承載力評價單元總分值，Wi為i因素權重值，則該單元總分值為：

P=■PiWi（9）

將Pi代入，得：

P=■■FjWjWi（10）

對單指標評價分值進行分級時，采用快速聚類法進行分級。數據首先被初始分類，接下來經過逐步調整得到最終的分類?？焖倬垲惙治鲆跃嚯x為樣本間親疏程度的標志，實質是K-Means聚類。根據快速聚類分析結果，以縣級為評價單元，對全省進行等級劃分，得到各種類型評價等級分布圖，并將相關數據導入MAPGIS圖斑屬性結構中生成評價等級分布圖。

2 結果與分析

2.1 權重的確定

結合客觀方法（熵值法）和主觀方法（特爾菲法），計算出的綜合評價權重如表2所示。資源承載力的綜合權重為0.64，其中礦產資源保障程度和人均水資源量權重最高，均為0.18；人均可利用土地面積權重最低，為0.04。環境承載力的綜合權重為0.36，其中礦山開發環境影響程度權重最高，為0.12；二氧化硫排放量和生態脆弱性權重最低，均為0.03。

2.2 單指標評價

2.2.1 礦產資源承載力 全省礦產資源承載力較低的地區多于較高的地區（圖1）。大同市北部、忻州市西部、晉中市西部、長治市北部、臨汾市西部等地區的礦產資源保障度較低，其礦產資源需求不能被保障的趨勢愈來愈明顯。

2.2.2 水資源承載力 全省的水資源承載力普遍較低且分布不均，這與山西省水資源的特征也有很大關系（圖2）。山西省是全國水資源匱乏的地區之一，其降水量和河川徑流量在年內分配不均勻且年際變化大，豐枯變化懸殊，常出現連年干旱和連年豐水情況。加之全省工礦業對水資源的破壞和污染，加劇了山西省水資源承載力低的狀態。

2.2.3 土地資源承載力 全省土地資源承載力級別分布不均，市區的土地資源承載力普遍相對較低（圖3）。土地資源承載力較低的地區應著重發揮其土地資源效益，努力提高區域土地資源承載力水平。

2.2.4 地質環境承載力 全省地質環境承載力高的地區多于承載力低的地區（圖4）。后者集中分布在西部、中部、東部和南部少數地區，大多是因采礦導致的地質環境破壞。只有制定嚴格的礦山環境保護和恢復治理制度才能夠提高全省的地質環境承載力。

2.2.5 水環境承載力 全省的水環境承載力普遍較高，水環境承載力低的地區集中分布在市區中心如大同市、太原市、運城市區（圖5）。這些地區的工業廢水和生活污水排放量相對較多，因而對水環境造成的污染程度自然也較大。要提高這些地區的水環境承載力必須嚴格控制工業廢水和生活污水的排放。

2.2.6 大氣環境承載力 全省大氣環境承載力低水平區主要分布在太原市、大同市、朔州市、晉城市、陽泉市、臨汾市等地區（圖6）。主要因為這些地區的礦業污染性氣體排放及煤矸石自燃排放有害氣體及煙塵污染空氣，造成其空氣質量低下。必須對工礦企業的污染物排放量實施更加嚴格和規范的監管以提高全省的大氣環境承載力水平。

2.2.7 生態環境承載力 山西省生態環境承載力高的地區多于承載力低的地區（圖7）。大同市、朔州市、忻州市等地區生態環境系統較為脆弱，對煤炭開采產生的生態破壞等的消納能力有限，表明這些地區人類消耗對區域生態系統的影響遠超出其生態環境承載力的閾值。要提高區域的生態環境承載力，應避免因人類活動給生態系統造成的功能損耗。

2.3 綜合評價

2.3.1 資源承載力 全省資源承載力較低的地區略多且分布集中，朔州市北部、呂梁市東部、晉城市西部和運城市明顯呈現出較低的資源承載力狀態；西北部、東南部資源承載力相對較高（圖8）。結合單指標評價的結果來看，山西省資源承載力與水資源和礦產資源的關系密切相關，受水資源的限制作用尤為明顯。同時，對于以礦業為主導產業的山西省而言，其礦產資源對社會經濟的發展貢獻很大，因而資源承載力也在很大程度上受礦產資源承載力的影響。

2.3.2 環境承載力 全省環境承載力低的地區幾乎都分布在各大城市市區及其周邊（圖9）。山西省支柱產業礦業的開發對當地的地質環境、水環境、大氣環境和生態環境都造成了不同程度的影響，因而總體環境承載力水平的體現是由以上各種影響共同造成的。大部分市區的環境承載力較低，可見這與人群密度和人類干預環境系統的活動強度有很大的關系。

2.3.3 資源環境承載力 忻州市、陽泉市、晉中市、長治市、臨汾市等中部、南部地區資源環境承載力處于低水平（圖10）。因這些地區的高能耗高污染行業規模和強度相對其他地區大得多，可見全省資源環境承載力水平與山西煤焦電冶等高能耗高污染行業的發展存在很大關系。從資源方面講，承載力低的地區高能耗高污染行業的發展使資源消耗強度大，礦產資源、水資源和土地資源承載力下降，有不同程度的超載；從環境方面講，造成了地質環境、水環境、大氣環境和生態環境承載力弱化，加重了環境系統紊亂、失衡的狀態。這些方面的累加對山西省的資源環境系統造成了很大的影響，致使諸多區域資源環境超出其承載力的閾值。

3 結論與討論

首先，山西省多數水資源已充分開發利用，再開發潛力極小。建設新的大型冶金企業必須首先考慮當地的供水能力，尤其是在太原市區、大同市區、運城市區、陽泉市區、長治市區等供水能力嚴重不足的地區，不宜再布局大型冶金項目。對于已布局的工業項目要通過產業結構調整和工業內部調整，降低水資源消耗量，緩解采補失衡程度。水環境承載力低的地區、河流源頭地區以及城市取水地區應禁止布局大型耗水工業項目和高污染項目，各大城市和工業區在確保地下水位基本穩定的前提下布局工業項目。

其次，對于環境承載力較低的運城市、臨汾市等地區，對現有工業加強環境治理的同時，不能再布局新的大型重化工業項目，長治市、忻州市等地區要實現新建重化工業項目不增加污染指數，其他地區新布局重化工業項目的水資源消耗和污染排放必須在與現有工業等量置換的范圍內。

再次，全省各級自然保護區、林區和重點旅游區，已遭受嚴重破壞的生態恢復區，流經城市河流的上游區域，溶巖大泉附近區域以及大型水庫附近區域都應劃為限制重化工業發展及嚴格限制工業“三廢”排放的區域。

最后，對于緊缺的優質礦產資源也應進行保護性開采，劃定限采區和限采礦種。鋼鐵工業除大型現代化項目以外，不再上新項目。對于不合理、不經濟的冶金工業布局特別是上游工業布局應及時取締，以免造成對礦產資源的惡性爭奪和破壞。

參考文獻：

[1] 蔣 輝，羅國云.資源環境承載力研究的緣起與發展[J]. 資源開發與市場，2011（5）：453-456.

[2] FANG Z Q， WANG Z J. Measuring coordination of economy-society and resource-environment based on major function oriented zoning： A case study of Pearl River Delta[J]. Ecological Economy，2010，6（3）：264-271.

[3] 吳良興.大型煤礦礦區的資源環境承載力研究[D].西安：西北大學，2009.

[4] CABRERO J M， HEIDUSCHKE A， HALLER P. Analytical assessment of the load-carrying capacity of axially loaded wooden reinforced tubes[J]. Composite Structures，2010，92（12）：2955-2965.

[5] PULLMAN M， RODGERS S. Capacity management for hospitality and tourism： A review of current approaches[J]. International Journal of Hospitality Management，2010，29（1）：177-187.

[6] 魏文俠，程言君，王 潔，等.造紙工業資源環境承載力評價指標體系探析[J].中國人口·資源與環境，2010，20（3）：338-340.

[7] 劉玉娟，劉邵權，劉斌濤，等.汶川地震重災區雅安市資源環境承載力[J].長江流域資源與環境，2010，19（5）：554-559.

[8] 趙鑫霈.長三角城市群核心區域資源環境承載力研究[D].北京：中國地質大學（北京），2011.