基于突變級數法的徐州市近10年水環境承載力評價

吳穎超， 王 震， 曹 磊， 王新軍，2， 趙言文

(1.南京農業大學 資源與環境科學研究院， 江蘇 南京 210095； 2.常州工學院 藝術與設計學院， 江蘇 常州 213002)

基于突變級數法的徐州市近10年水環境承載力評價

吳穎超1， 王 震1， 曹 磊1， 王新軍1，2， 趙言文1

(1.南京農業大學 資源與環境科學研究院， 江蘇 南京 210095； 2.常州工學院 藝術與設計學院， 江蘇 常州 213002)

摘要：[目的] 研究徐州市近10 a水環境承載力狀況，為完善區域水環境承載力研究體系提供理論支撐。[方法] 從水資源承載力和水污染承載力兩方面選取指標，采用改進熵值法對指標進行重要性排序，建立基于突變級數法的區域水環境承載力評價模型。[結果] (1) 研究區各目標年水資源承載力水平總體偏低，年際波動較大，其中2002，2006和2010年處于等級Ⅰ水平，即弱承載狀態； (2) 水污染承載力整體呈上升趨勢，從2005年開始達到并保持在等級Ⅲ水平； (3) 徐州市水環境承載力僅2005和2009年達到等級Ⅲ水平，為中承載狀態，其余年份均在等級Ⅲ水平以下。[結論] 徐州市近10 a水環境承載力狀況從2003年開始有所改善，但依然普遍較差。水資源承載力因其具有人為不可控的自然屬性，成為影響徐州市水環境承載力的限制因素。

關鍵詞：水環境承載力； 突變級數法； 徐州市

水環境是社會經濟發展至關重要的約束因子，隨著人口增長和社會經濟的發展，水資源短缺和水質量惡化已經成為全球性的嚴峻問題，對水環境的研究已成為區域可持續發展的迫切需求。環境承載力是可持續發展的內涵之一，也是考核可持續發展的重要指標。水環境承載力(WECC)將承載力概念與水環境領域自然結合，研究水環境承載力水平，對保障區域水環境與人類社會經濟的協調可持續發展具有重要的現實意義。目前應用于水環境承載力評價的方法主要有指標評價法[1-3]、系統動力學方法[4]、承載力分析法[5]等，但這些研究基本都處于探索階段，學術界尚未形成公認的水環境承載力量化方法。突變級數法已經被廣泛應用到許多領域，而用于區域水環境承載力評價研究還很少見。基于此，本研究以突變理論為基礎，通過多目標分解建立突變級數模型，對徐州市2001—2011年的水環境承載力進行評價分析，揭示區域水環境承載力的現狀及變化趨勢。并提供新的研究實例，完善區域水環境承載力研究體系。

1研究區概況

徐州市屬暖溫帶半濕潤季風氣候，具有長江流域與黃河流域過渡性氣候特征，四季分明，光照充足，雨量適中，雨熱同期。地表水多年平均可利用量為2.030×109m3，地下水為2.025×109m3，扣除重復量后，多年平均水資源總量約為3.563×109m3(不包括上游來水與抽引江水)；而過境水資源量多年平均為7.300×109m3。徐州市多年平均人均擁有水資源量約424 m3，低于江蘇省平均470 m3/人的水平，僅為全國2 190 m3/人的17.8%。一般干旱年份全市缺水約5.700×108m3，特殊干旱年份缺水近1.200×109m3，為全國40個嚴重缺水地區之一[6]，水資源短缺已成為制約城市經濟社會發展的重要因素。

由于地理位置及豐厚的自然資源稟賦，徐州市是全國重要的基礎能源和原材料基地，自建國后國家就在該市布點建設煤炭、化工、建材、冶金、電力工業。幾十年來，徐州市為江蘇省乃至全國的發展做出了歷史性重大貢獻，付出了生產高投入、資源高消耗、環境高污染的沉重代價，導致一個時期內煤區連片塌陷、城市灰黑臟亂、產業低端粗放、居住環境惡劣。而近期，徐州市工農業生產發展和城市化進程的加快，不僅導致了工農業廢水和生活污水排放量逐年增加從而給水環境帶來了更大的壓力，同時也對水環境提出了更高的要求。正確評價水環境承載力是優化配置，合理開發，有效保護水資源的科學基礎，是實現徐州市區域可持續發展的前提。

2研究方法

2.1　突變級數法基本思想及優勢

突變級數法是一種由突變理論(catastrophe theory)為基礎，用突變數學模型進行多目標(準則或要求)評價決策的管理技術。它以勢函數為研究對象，通過狀態變量X={x1，x2，…，xm}和外部控制參量G=f(A，X)來反映系統的動態變化情況。在各種可能變化的外部控制參量和內部行為變量的集合條件下，構造狀態空間和控制空間。通過聯立求解G’(x)和G’’(x)，得到狀態變量在控制空間的軌跡——分叉集。處于分叉集中的控制變量值會使勢函數發生突變，即從一種質態跳躍到另一種質態[7]。當狀態變量為1時，多目標決策所涉及的初等突變模型主要有4種(表1)。

表1　幾種主要的突變模型相關公式

注：a，b，c，d為外部控制參量；Xa，Xb，Xc，Xd為各控制參量相應的突變級數值。

突變級數法的比較優勢主要體現在兩個方面： (1) 演變機理中突變特性的反映。區域水環境承載力狀態演變過程具有突變特性，并不是連續、漸變、平滑的。因此，這就要求評價區域水環境承載力的數學模型能夠體現這種非連續、階躍式的數理特征[8]。突變理論就是這樣一門以突變為研究對象的數學理論，也是目前唯一的一門研究系統運動由漸變引起突變的系統理論?；谕蛔兝碚摌嬙斓耐蛔兗墧捣ǎ从沉藗鹘y方法所忽略的水環境承載力演變過程的突變特性，更為客觀、準確地揭示了水環境承載力的演變規律和變化驅動力機制。 (2) 較高的客觀性。突變級數法引用相對隸屬度的概念，避免了主觀判斷承載力標準的不確定對評價結果客觀性的影響。同時無需對指標賦值權重值，只需要按照指標內在邏輯關系對其重要性進行排序，很大程度上減少了人為賦權的主觀性。

2.2　評價步驟

利用突變級數法進行水環境承載力評價時，主要操作步驟為[9-11]：

(1) 構建評價指標體系，即按系統的內在作用機理，將系統分解為由若干評價指標組成的多層子系統，并將每一層次中的各個指標按相對重要性進行排序，即重要指標排在前、次要指標排在后，建立遞級突變模型。

(2) 根據已有研究基礎及研究區域特點，制定合適的等級標準。對指標層原始數據進行規格化處理，即采用隸屬度法將各指標原始數值轉換為[0，1]之間的無量綱數值。

(3) 利用突變系統的歸一化公式和突變級數值取均值的“互補”、“大中取小”的“非互補”、“過閾互補”準則進行綜合量化遞歸運算，求取目標層的綜合評價值，即相對隸屬度。

(4) 將各評價對象的綜合評價值與等級標準綜合評價值進行比較，判定評價對象隸屬的評價等級。

3徐州市突變級數法水環境承載力分析

3.1　指標選取及遞級突變模型建立

至今，學術界尚未形成統一的水環境承載力評價指標體系，以下2個方面可以作為選擇指標的參考依據： (1) 相關研究文獻中的指標體系。相關文獻中的指標體系是學者們經過大量研究提出來的。通過文獻統計，可以得到目前相關研究關注的主要指標。借鑒這些指標可提高指標體系的科學性。 (2) 國家頒布的指標體系。國家頒布相關指標體系包括生態縣、生態市、生態省建設指標，節水型城市考核標準等，主要應用于城市和區域考核評比，在實踐中被大量使用并檢驗。參考這些指標有助于提高指標體系的政策相關性。

水環境作為生態環境的組成部分，具有環境屬性；同時，其水體屬于資源范疇，具有資源屬性，因此，根據水環境承載力的概念[12]及以上兩點指標選取依據，結合資料數據的連續性和可獲取性，從水資源承載力和水污染承載能力兩方面選取指標，構建徐州市水環境承載力評價指標體系。具體指標詳見表2。

表2　水環境承載力評價指標體系

注：+，-分別表示越大越優，越小越優。

為克服各指標排序的主觀性，使評價結果更符合實際，采用改進熵值法[13]確定各層次指標重要性排序(表2)。據此，提出的徐州市水環境承載力評價指標逐級集成的突變模型如圖1所示。

圖1　水環境承載力評價的遞級突變模型

3.2　數據來源及預處理

數據主要來源于2001—2011年的《徐州統計年鑒》《中國城市建設統計年鑒》《江蘇省水資源公報》《江蘇統計年鑒》等，部分數據來源于相關部門年報。各目標年指標原始值詳見表3。

原始數據預處理時采用隸屬度的概念進行標準化處理，使其轉化為[0，1]，計算公式為：

越大越優型指標：

(x-xmin)/(xmax-xmin)(xmin

越小越優型指標：

(xmax-x)/(xmax-xmin)(xmin

3.3　評價標準的制定

由于突變級數法歸一化公式的特點，計算得到的評價值一般均偏高，且指數間差距很小，從而無法按照常規根據評價值對評價對象“優”、“劣”情況進行直觀判定。因此制定出合適的突變級數法的等級標準，是使突變級數法更具實用價值的關鍵，也是目前使用突變級數的難點[14]。為解決該問題，參考已有研究成果、考核標準并結合徐州市實際，制定出徐州市水環境承載力評價指標分級標準(表4)。通過各突變系統的歸一公式逐級向上計算，得到突變級數法在絕對意義下的等級標準值(表5)。

表3　徐州市水環境承載力評價指標2001-2011年原始數據

表4　水環境承載力評價指標分級標準

3.4　綜合目標評價值

同樣按突變理論多準則評價方法，采用各突變系統的歸一公式逐步向上綜合計算，得到徐州市2001—2011年水環境承載力綜合目標評價值(表6)。

3.5　結果分析

比較各目標年的綜合目標評價值與等級標準值，可以得到各目標年的水環境承載力等級(圖2)。由圖2可以看出，水資源承載力方面，各目標年承載力水平總體偏低，年際波動較大，其中2002，2006和2010年處于等級Ⅰ水平，即弱承載狀態。一方面雖然生產節水、廢水重復再生利用等環節的技術水平、實施力度逐年有所提高，但尚不足，依然需要突破更多的技術革新，提高水資源利用率。另一方面豐水年和枯水年地表水資源量差距懸殊，2003年最高為7.634×109m3，2002年最低為1.74×109m3；人均水資源量嚴重偏低，根據“國際人口行動”人口和環境計劃中規定，人均水資源量少于1 700 m3將發生用水緊張，少于1 000 m3將發生嚴重缺水，少于500 m3將發生極度缺水，即使是最高年份2003年的840 m3/人也處于嚴重缺水狀態。徐州市水資源自然稟賦的不可調控性更加要求從節流方面加強管理力度。

表5　水環境承載力評價等級標準

表6　徐州市2001-2011年水環境承載力綜合目標評價值

水污染承載力方面，10 a來整體狀態呈上升趨勢，并從2005年開始達到并保持在等級Ⅲ水平。徐州市從1999年開始創建國家環境保護模范城市，2006年全面通過國家考核驗收。走過了五年打基礎、三年攻堅戰、兩年大提升的奮斗歷程，徐州市水污染治理、水環境整治工作也取得了一定成效。另外，2009年以后水污染承載力開始趨于穩定狀態，徐州市在后續的工作中需要在減排治污的力度增加一個量級，增加資金支持、完善基礎設備、提高技術水平，爭取在水污染承載力水平上有所突破。

2001—2011年期間，徐州市水環境承載力僅2005和2009年達到等級Ⅲ水平，為中承載狀態，其余幾年均在等級Ⅲ水平以下。總體來看，徐州市近10 a水環境承載力狀況從2003年開始有所改善，但依然普遍較差。在今后的城市化進程中要更加注重和加強水環境的保護。水環境承載力偏低主要受水資源和水污染兩方面制約，但就徐州市而言，在水污染治理得到社會和政府部門的充分關注的情況下，水資源“量”的問題已經成了影響水環境承載力主要突出因素，也必將影響到今后的發展。從圖2中反映的水環境承載力的年際變化趨勢與水資源承載力的具有很高同步性正說明了這一問題。

圖2　徐州市近10 a水環境承載力評價結果

4結 論

(1) 近10 a徐州市水環境承載力除2005和2009年達到等級Ⅲ水平外，其余幾年均在等級Ⅲ水平以下，從2003年開始水環境承載力有所改善，但依然普遍較差。

(2) 徐州市水污染承載力整體上呈上升趨勢并逐漸趨于穩定狀態，在后續工作中相關職能部門仍需加大減排治污力度，爭取在水污染承載力水平上有所突破。

(3) 徐州市水資源承載力的年際變化趨勢與水環境承載力的具有很高的同步性，水資源問題因其具有人為不可控的自然屬性，在今后的發展中必然成為影響徐州市水環境承載力的主要突出因素。應進一步強化水資源合理利用，如提高再生水利用水平、倡導節水技術和產品的應用等，同時提高對過境水資源的深入開發利用率，合理開發利用并保護地下水資源。

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Evaluation on Water Environment Carrying Capacity of Xuzhou City in Recent 10 Years Based on Catastrophe Progression Method

WU Yingchao1, WANG Zhen1, CAO Lei1, WANG Xinjun1,2, ZHAO Yanwen1

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing,Jiangsu210095,China; 2.CollegeofArtandDesign,ChangzhouInstituteofTechnology,Changzhou,Jiangsu213002,China)

Abstract：[Objective] This paper aimed at studying the water environment carrying capacity of Xuzhou City in recent ten years, in order to provide theoretical supports for improving the research systerm of regional water environment carrying capacity. [Methods] The index system was established from two aspects: water resources carrying capacity and water pollution bearing capacity. And the improved entropy method was used to reorder the indices. Then, the model of regional water environment carrying capacity based on the catastrophe progression method was built and applied to the evaluation. [Results] (1) The water resource carrying capacity was overall low in each year, and had large inter-yearly variation. Especially in the years of 2002, 2006 and 2010, the water resource carrying capacity was at level Ⅰ; (2) On the whole, the water pollution bearing capacity had climbed and had a sign of getting steady; (3) The water environment carrying capacity of Xuzhou City were at level Ⅲ only in 2005 and 2009, while the other years were below level Ⅲ. [Conclusion] Although the water environmental carrying capacity of Xuzhou City had shown some improvement since 2003, it was relatively poor. Due to the uncontrollable natural attributes, the water resources carrying capacity is the main factors that would limit the water environment carrying capacity of Xuzhou City.

Keywords:water environment carrying capacity; catastrophe progression method; Xuzhou City

文獻標識碼：B

文章編號：1000-288X(2015)02-0231-05

中圖分類號：X143

通信作者：趙言文(1965—),男(漢族),江蘇省徐州市人,教授,博士生導師,主要從事水土保持、環境生態學、環境影響評價研究。E-mail:ywzhao@njau.edu.cn。

收稿日期：2014-03-20修回日期：2014-04-04
資助項目：國家自然科學基金重點項目“農村發展中生態環境管理研究”(70833001)
第一作者：吳穎超(1987—),女(漢族),浙江省寧波市人,碩士研究生,研究方向為水土保持、環境規劃與評價。E-mail:waiting_2022@163.com。