承德市水環境承載力研究

段志新

（承德水文水資源勘測局，河北 承德 067000）

0 引言

承載力指的是系統中研究對象在承受最大極限載荷時不會產生任何損失[1]。生態承載力是指，在特定的自然環境中，生物與植物能承受生活空間、營養物質、陽光等生存必須的生態因子的最低限度。后來，它被應用各個自然科學研究領域，產生各個學科交叉的承載力概念。水環境就是水資源系統的整體環境，它是水資源整體現狀以及水環境系統中生物所利用到資源的綜合環境。評價水環境質量的好壞將直接影響到人類的生產生活與地區可持續發展戰略目標。水環境承載力是承載力理論與水環境理論的結合產物，是評價流域整體健康程度的重要指標，對流域的污染治理與可持續發展有著重要的作用[2]。

1 研究區概況

圖1 承德市水系流域分布圖

承德市是河北省地級市。流域有灤河、潮白池運河、遼河、灤河流域占總面積72.5%，面積28000 km2[3]。潮白池流域面積約6700 km2，占全市總面積的17%。遼河總面積為4100 km2，將承德市分為南北兩部分。受地形因素影響，降水和年平均徑流深度分布不均，由北向南、由上游向下游逐漸增大。年降水量以6 月～9 月為中心，占80%以上。這種比率在強降雨期間達到90%以上[4]。承德市污染物排放量遠遠大于河流生態污染，水污染嚴重，制約著當地人民生活和經濟發展。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源

本文各項評價指標原始數據提取自《河北省統計年鑒》（2012 年～2018 年）、《承德市統計年鑒》（2012 年～2018 年），污徑比數據來自《承德市環境狀況公報》（2012 年～2018 年）。

2.2 選取評價指標

本文對水環境承載力的綜合影響進行分析，以系統理論為中心思想，綜合考慮社會、經濟、和水生態對水環境的影響，來構造一個水環境承載力綜合評價體系[5]。基于這些方面，根據指標選取原則，共構建9 個指標，見圖2。

圖2 水環境承載力體系構件圖

2.3 指標權重的確定

在水環境承載力評價指標體系中，各變量的權重大小不同，其對最終綜合評價結果的影響程度就會不同。本文采用層次分析法（AHP）確定各類規定的因素，在指標體系中的權重大小。層次分析法（AHP）是1970 年代提出的定量和定性相結合的系統級決策分析方法，它強調了角色的思維來判斷決策的過程中，通過某些模型決策思維過程標準化[6]。適合兩個定量指標和定性指標，根據從屬關系的因素分為上部和下部幾個層次的決策問題。具體步驟如下:

（1）構造判斷分析矩陣；系統結構模型決定了各個指標上下層之間的從屬關系。相同層級之間的元素，以相鄰的上一層級元素為準，成對進行比較[7]。

（2）計算判斷矩陣的最大特征值與特征向量。層次分析法的一個關鍵問題是確定判斷矩陣的最大特征值和相應的特征向量。本文采用規范列平均法計算[8]:

計算各列的歸一化：

求規范列的平均：

向量Wi是所求的特征向量。計算判斷矩陣B 的最大特征值：

2.4 水環境承載力評價模型

（1）數據標準化

距離變換法能很好地實現上述數據處理要求；距離變換法是統計數學中的一種方法。標準化后的新數據，每個指標值的最大值為1，最小值為0，其余值在0 和1 之間，從而簡化了計算的數據量。

區間變換法對應的效益指標計算公式如下[10]：

式中:x 為指標數據初始值；y 為指標標準化后的值。

（2）評價模型

若以Si表示變量層各變量對水環境承載力支持強度的相對指數，則有[11]：

式中：（BW）i為向量BW 中的第i 個元素。

（3）一致性檢查。通過使用和乘積法，獲得每一個判斷矩陣的最大特征根λmax和其對應的特征向量W，正常化的最大特征根對應的特征向量hmax, 每個元素的相對重要性權重下一級相對于以前的水平可以獲得相應的元素。然后，根據一致性比率CR，對判斷矩陣進行一致性檢驗。CR 的計算公式如下[9]:

（4）分層排序和一致性檢查；相對重要性權重因素在同一水平相對于高層確定標準，所有因素的相對重要性權重在每個水平相對于最高水平可以在此基礎上，計算被稱為層次結構的權重。

表1 指標選擇及其權重結果

表2 水環境承載力評價指標核算標準

式中：Sik為水環境承載力的支持強度；Xik為評價標準值；Wij為第i 個指標在j 個變量中的權重。

在上述指標層因子評價結果基礎上,采用加權求和方法得到表征區域水環境承載力相對大小的綜合指數評價模型Sw：

式中：Sw為水環境承載力綜合評價指數，其值越大表示承載力越大。

3 結果分析

基于表1、表2，通過對各項原始數據標準化進行標準化計算，利用水環境承載力計算模型，可以計算出承德市2012 年～2018 年水環境承載力變化趨勢。見表3、圖3。

表3 承德市水環境承載力評價值

根據所有指標的范圍限制和評價方法本身的計算特性，分別計算最大數據變化范圍內的評價范圍[12]。水環境承載力值在0～1 之間。當所有指標達到最優標準時，其值越大，其最大值越接近1，否則趨于0 的最小值。根據國家環境保護標準城市評價指標中的指標數據值的分類，結合承德市長期建設規劃指標數據，收集社會運行相關數據和指標本身的取值范圍，并參考其他文獻，獲得了適用于承德市水環境承載力的分類標準，見表4。

表4 承載力與可承載類型對照

根據表4 中的分類標準，承德市水環境承載力總體評價差、極差和一般，2018 年的水環境承載力類型評價為一般，2012 年的水環境承載力評價為“極差”，其余各年均在“差”的指標，反映了承德市經濟、社會和生態發展仍有許多方面有待加強。但是整體情況正在好轉。

圖3 水環境承載力變化趨勢圖

圖3顯示了水環境承載力模型計算的承德市水環境承載力的水平趨勢。結果表明，線性回歸趨勢線斜率大于0，表明水環境承載力總體上呈現出逐年升高的趨勢，在2015 年出現少量回落，2016 年～2017 年的增長率最高，總體增長率為217.6%。承德市2013 年～2017 年間的水環境承載力在0.2～0.5 之間，2012 年的水環境承載力小于0.2，2018 的水環境承載力大于0.5。最大波動幅度在2016 年～2017 年之間。

表5 承德市水環境分承載力計算值

圖4 分承載力變化圖

由圖4、表5 計算可得，承德市2012 年～2018 年生態分承載力、社會分承載力和經濟分承載力的增長率分別為189.9%、114.4%和338.8%。受到可持續發展戰略目標的調控，經濟增速加快的同時，經濟分承載力也取得了較大的增長率。由于人均GDP 增速加快，承德市城市化進程加快，城市空間擴大，遷入人口增加，而人均水資源配套體系卻并未完善，人均水資源量減少，導致社會承載力從2013 年～2015 年出現了陡降的現象。其余指標均表現為逐年升高的趨勢。

承德市應繼續提高地表水整體環境質量，提高城市污水處理的效率。同時促進節能減排工作的推進，減少水資源消耗，合理分配地區水資源。使得水環境承載力繼續穩步升高，為地區經濟與民生發展夯實基礎。

4 結論

本文在分析承德市水資源現狀和水環境現狀的基礎上，利用水環境承載力模型，構建了由九個指標構成的水環境承載力評價體系來評價承德市水環境承載力。

（1）總體增長率為217.6%。承德市2013 年～2017 年間的水環境承載力在0.2～0.5 之間，2012 年的水環境承載力小于0.2，2018 的水環境承載力大于0.5。

（2）根據承載力評價類型，承德市2012 年的水環境承載力評價為“極差”；2013 年～2017 年水環境承載力評價為“差”，2018 年時，水環境承載力評價為“一般”，有了明顯的改善趨勢。

（3）對分承載力的計算中表明，經濟承載力增長189.9%，社會承載力增長114.4%，經濟承載力增長338.8%。

水環境承載力評價是從系統角度分析的過程，在評價時，應構建出所有能對水環境產生影響的指標。本文由于資料有限，僅選取出了對水環境承載力影響最重要的9 個指標進行分析。在今后的研究應該盡量客觀、全面的展開。