基于向量模法的南寧市水環境承載力評價分析

鄭毅，蔣進元，楊延梅，何連生

(1.重慶交通大學，重慶 400074；2.中國環境科學研究院，北京 100012)

基于向量模法的南寧市水環境承載力評價分析

鄭毅1，蔣進元2，楊延梅1，何連生2

(1.重慶交通大學，重慶 400074；2.中國環境科學研究院，北京 100012)

為深入了解南寧市水環境承載力狀況，從廣義水環境承載力定義出發，結合研究地區實際情況，構建了五級層次結構的水環境承載力評價指標體系，采用向量模法對南寧市2010—2014年的水環境承載力進行了評價和分析。結果表明，2011南寧年水環境承載力有所下降，而2011—2014年呈小幅上升趨勢；萬元工業產值COD排放量、萬元工業產值NH3-N排放量以及COD排放量對水環境承載力的影響較大，其中COD排放量對水環境承載力的影響效應最大；水資源數量已不是影響南寧市水環境承載力提升的重要因素，應加大污染源治理。

水環境承載力；向量模法；南寧市；評價

隨著人口的逐年增多，資源的逐年消耗，環境問題的持續惡化，解決人口—資源—環境這個問題成為當今世界共同關注的一個課題，其中承載力研究已成為探討國家或區域可持續發展問題的重要組成部分。承載力的概念來源于生態學領域[1]，其原始定義是指各種生物資源能夠維持特定生物物種的最大值[2]，而隨著各類學科的發展，各種不同內涵的承載力概念和理論也得到了發展和應用，如環境承載力[3-4]、水資源承載力[5]、生態承載力[6]、人口承載力[7]、土地承載力[8]等。由于工業化和城鎮化進程的加快，大量廢水造成的水體污染問題導致水環境承載力、水體納污能力、水環境容量等概念也相繼被提出，并受到世界各國的普遍重視與應用[9]。我國對水環境承載力的研究始于20世紀90年代[10]，對其定義的論述有狹義和廣義之分。狹義的內涵是將水環境承載力等同于“水環境容量”、“水環境納污能力”或者“水環境容許污染負荷量”等，而廣義的內涵更多的是將水環境承載力界定為某一時期、某種環境狀態下，某一水域環境對人類社會、經濟活動的支持能力[11]。廣義的內涵實質上反映了水環境與人類社會、經濟活動之間的相互關系——相互影響、互為約束的關系。而如何反映和協調這種關系，確保環境保護與經濟社會持續健康發展，是一項重要的課題。因此，進行水環境承載力評價就具有重要的意義。

本文從水環境承載力的廣義定義出發，結合南寧市的實際情況，建立水環境承載力評價指標體系，利用向量模法對南寧市的水環境承載力進行評價分析，以期為提升南寧市的水環境承載力提供理論參考。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區域概況

南寧市位于廣西南部，東經107°45′—108°51′，北緯 22°13′—23°32′，行政轄區土地總面積為22 112 km2，至2015年末，全市戶籍人口740.23萬人，市區人口290.46萬人。研究區域地處亞熱帶地區，平均海拔76.5 m，氣候溫和，雨量充沛，年平均氣溫21.7℃，年平均降雨量1298 mm，河系發達，河流眾多，水資源豐富，流域集水面積在200 km2以上的河流有39條，多年平均水資源總量約139.9億m3。

1.2 研究方法

1.2.1 水環境承載力指標體系構建

水環境承載力評價就是將影響水環境承載力的因子量化，由定性轉向定量來描述水環境承載力的狀態。因此，評價指標的確定是水環境承載力進行定量評價的基礎。方曉波指出水環境承載力與區域自然條件、經濟發展模式、水體納污能力及相應的水資源與水污染防治對策密切相關[9]。Tianxiang Wang等指出水環境承載能力是經濟社會可持續發展的重要基礎，但也受許多因素，如水資源、水質、經濟、人口和環境保護的影響[12]。因此文章結合南寧市社會經濟發展規劃要求、水資源和環境特征，將水環境承載力涉及的社會經濟發展能力、資源支撐能力、水資源及水環境利用效率、水污染控制能力以及陸域生態環境等方面選擇12個評價變量，構造了一個具有五級層次結構的指標體系。表1為構建的南寧市水環境承載力指標體系。

1.2.2 向量模法

水環境承載力的評價方法有很多，常用的有向量模法[13-14]、多目標決策分析法[15]、系統動力學方法[16]、模糊物元法[17]、神經網絡法[18]等。其中，向量模法作為一種綜合指標體系評價方法，由于其數學理論堅實、形式簡單直觀、運算易行、結果客觀合理[19]，可用于橫向(不同地區同一時間)和縱向(同一地區不同時間)的水環境承載能力狀況綜合比較[20]等優點，而得到了廣泛應用。因此本研究采用向量法對南寧市水環境承載力進行評價分析。

向量模法假設有m個不同的水平年；或者假設對于同一水平年有m個不同的分區，這兩種情況都會有m個水環境承載力評價值，設此m個評價值為Ej(j= 1，2，…，m)，再設每個評價值包括n個具體指標確定的分量，即有：

表1 南寧市水環境承載力指標體系

Ej=(E1j,E2j,…,Enj)

(1)

將指標歸一化：

Ej=(E1j,E2j,…,Enj)

(2)

其中，對于正向指標采用線性標準化方法。標準化計算公式為：

(3)

對于負向指標，首先，將原始數據按公式(4)進行一次標準化，再按公式(5)進行二次標準化，從而使負向指標與正向指標的作用效應同向。

(4)

(5)

于是，水環境承載力的值按下式即可計算：

(6)

式中，Wi為水環境承載力的第i個指標的權重。

指標權重Wi采用熵值法進行確定。其優點是能夠利用決策舉證給出的信息計算權重，而無須引入決策者的主觀判斷。因此，權重計算結果相對來說更具有客觀性，由此水環境承載力的評價結果也就更具有客觀性。

2 南寧市水環境綜合承載力評價

2.1 數據來源

本文研究數據主要來源于2011—2015年《廣西壯族自治區統計年鑒》、2015年《南寧市統計年鑒》，數據統計分析采用了Excel軟件。

2.2 評價結果與分析

2.2.1 水環境承載力評價指標值

通過查閱相關資料，收集到了2010—2014年南寧市的相關指標值，見表2。

2.2.2 指標權重的確定

為合理確定指標權重，需要將負指標求倒數后，再根據熵值法計算原則，計算各年份評價指標的權重。指標權重計算結果見表3。

2.2.3 指標歸一化

按照向量模法指標歸一化計算方法，對研究地區2010—2014年的12個評價指標進行歸一化處理，計算結果見表4。

表2 2010—2014年水環境承載力評價指標值

表3 評價指標權重

表4 2010—2014年評價指標歸一化值

2.2.4 水環境承載力評價值計算

根據指標權重與歸一化的計算結果，按照式(6)計算水環境承載力，結果見表5。

表5 水環境承載力計算結果

從表5看出，2010—2014年，南寧市水環境承載力總體波動不大。相比2010年，2011年水環境承載力有所降低，分析其降低的可能原因：2011年南寧市水污染控制能力降低，廢水排放量、COD排放量和NH3-N排放量分別較2010年增加7.7%、0.9%和4.8%，同時城市污水處理率下降幅度較大，由2010年的93.27%降到64.64%。可見，水污染控制能力對水環境承載力影響明顯。

2011—2014年，南寧市水環境承載力呈現小幅上升趨勢，其評價值由2011年的0.0442提高到2014年的0.0458，分析其提高的可能原因：(1)資源支持能力總體不斷提高，尤其2013年水資源總量增加到175.82億m3，水資源總量的增加不僅提高了區域水資源的供水能力，而且也提高了水體的環境容量；(2)水資源及水環境利用效率不斷提高，人均生活用水量、萬元GDP用水量、萬元工業產值的COD排放量以及萬元工業產值的NH3-N排放量均呈下降趨勢；(3)水污染控制能力有所提升，其中COD排放量連續4年下降，年均降幅3.6%。廢水和NH3-N排放量在2013年雖有所增加，但各自權重僅為0.0008和0.0021，與COD的權重0.8277相比，不足以影響水環境承載力總體呈上升的趨勢。此外城市污水處理率總體呈增加趨勢，由2011年的64.64%提高到2014年的87.10%，城市污水治理能力得到不斷加強；(4)森林覆蓋率逐年增加，由2011年的46.01%增加到2014年的47.50%，提高了水土保持和水源涵養能力，改善了區域陸域生態環境。

從表3指標權重看，影響南寧市水環境承載力波動顯著的指標有萬元工業產值COD排放量、萬元工業產值NH3-N排放量和COD排放量。其中COD排放量權重最高，說明COD的排放對水環境承載力的影響很大，從2011年水環境承載力下降原因分析以及2013年廢水、NH3-N、COD排放量增減變化分析，也可反映出COD排放量對水環境承載力的影響效應較大。因此，必須加強污染源治理，重點加大南寧市排污高行業污染治理，如造紙和紙制品業，酒、飲料和精制茶制造業，農副食品加工業，化學原料和化學制品制造業，醫藥制造業等；加強生活源污染治理，提高污水處理廠處理規模和處理能力；加大農業面源污染治理，重點加強畜禽養殖污染治理。萬元工業產值COD排放量和萬元工業產值NH3-N排放量兩個指標權重較大，反映了企業排污與產業結構的不合理。因此應優化產業布局，調整產業結構，限制企業排污，實施排污權交易。其他指標對水環境承載力的影響總體較小，并從中可見水資源已不是影響南寧市水環境承載力提升的重要因素。

3 結論

(1)2011年南寧市水環境承載力出現了下降，而2011年到2014年呈小幅上升趨勢，承載力由2011年的0.0442提高到2014年的0.0458。

(2)水環境承載力下降的一個重要原因是2011年南寧市水污染控制能力大幅下降，具體表現為廢水排放量、COD排放量和NH3-N排放量出現增加，而城市污水處理率出現降低。

(3)水環境承載力得到提高的原因表現為水資源總量、森林覆蓋率增加，人均生活用水量、萬元GDP用水量、萬元工業產值COD和NH3-N排放量以及污染物排放量降低。

(4)從指標權重看，影響南寧市水環境承載力波動顯著的指標有萬元工業產值COD排放量、萬元工業產值NH3-N排放量和COD排放。其中，COD排放量對水環境承載力的影響效應最大，萬元工業產值COD排放量和萬元工業產值NH3-N排放量的影響次之。水資源數量已不是南寧市影響水環境承載力提升的重要因素，應進一步提升污染源治理能力。

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Assessment and Analysis on Water Environment Carrying Capacity Based on Vector Norm Method in Nanning

ZHENG Yi1，JIANG Jin-yuan2，YANG Yan-mei1，HE Lian-sheng2

(1.Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China; 2.Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China)

In order to deeply understand the water environment carrying capacity in Nanning, this paper started with the definition of extended water environment carrying capacity, combined with the actual status of Nanning, and then constructed a five-level evaluation indicator system for water environment carrying capacity. The vector norm method was used to evaluate and analyze the water environment carrying capacity in the study area from 2010 to 2014. The results showed that the water environment carrying capacity declined in 2011, and had a slight upward trend from 2011 to 2014. COD emission per 10 000 yuan of output industrial value,NH3-N emission per 10 000 yuan of output industrial value and COD emission had greater impacts on the water environment carrying capacity, in which the greatest influence factor was COD emission. Water resource was no longer an important factor for enhancing water environment carrying capacity in Nanning, and the ability of pollution source control should be strengthened.

water environment carrying capacity; vector norm method; Nanning; assessment

2016-12-19

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2014ZX07504 003)

鄭毅(1990—)，男，碩士研究生，主要研究方向為水質模擬與評價，E-mail：m15823233453@163.com

蔣進元(1974—)，男，研究員，博士，主要研究方向為水污染控制技術，E-mail：jiangjy@craes.org.cn

10.14068/j.ceia.2017.01.016

X143

A

2095-6444(2017)01-0065-04