基于改進集對分析模型的四川省水環境承載力評價

程揚 姚建

摘要：為優化集對分析方法的應用，針對傳統層次分析法與熵值法等常規賦權方法的不足，進行了賦權方法的整合及改進，構建了基于改進組合賦權的區域水環境承載力集對分析模型，并將其應用于四川省水環境承載力研究。結果表明：四川省2016年水環境承載力狀況呈“臨界承載”，自貢、瀘州、德陽、內江、南充五市的水環境承載力狀況表現為“弱承載”或“較弱承載”，在所有評價市（州）中表現最差;從區域角度來看，川南地區水環境承載力表現最差，成都平原次之，攀西地區和川東北地區相對較好。

關 鍵 詞：

區域水環境承載力; 組合賦權; 集對聯系數; 四川省

中圖法分類號： X821

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.005

區域水環境承載力狀況是衡量區域可持續發展能力的重要標尺[1]，量化和評價區域水環境承載力可以為科學制定水資源合理利用和水環境保護管理政策提供科學依據[2]。因此水環境承載力的定量研究一直是研究熱點，并已取得較大進展。汪彥博等[3]建立了石家莊市水環境承載力系統動力學模型，比較了在不同發展方案下水環境承載力狀況，并提出了最優發展方案。趙衛等[4]建立了水環境承載力多目標規劃模型，以情景分析研究了用水結構和排污結構對水環境承載力的影響并探尋優化途徑。張彥等[5]利用遺傳算法將傳統BP-NN模型進行優化后得到GA-NN模型并對水環境承載力進行評價，進一步完善了人工神經網絡在水環境承載力領域的研究。柏義生等[6]以模糊綜合評價方法建立了信陽市水環境承載力綜合評價體系并開展研究。目前，將集對分析方法應用于水環境承載力中的研究成果較少，劉曉峰等[7]將集對分析應用于石羊河流域水環境承載力評價，定量評價了流域水環境承載力水平，并對未來發展趨勢做出了預測。賀瑞敏[8]利用基于改進熵值法賦權的集對分析評價模型對廣東省水環境承載力進行評價，以主要敏感指標分析的角度提出了提升廣東省水環境承載能力的措施。

由于水環境承載力分級界限存在一定的模糊不確定性，很少有方法考慮到界限模糊性進而影響了評價結果，即使考慮模糊不確定性，其評價指標也僅采用傳統的層次分析-熵值組合的主客觀賦權方法，未考慮系統受極端指標影響的情況，造成評價結果有失準確性。集對分析方法在水環境承載力領域的相關研究也只是簡單的理論應用而無更多的深入探討。因此，本文以集對分析為理論基礎開展區域水環境承載力評價，同時改進評價指標組合賦權方法，提高了指標本地化處理后評價結果的可靠性，對于準確了解區域水環境承載力狀況、針對性協調區域水環境保護管理具有重要的理論價值和實踐意義。

1 研究方法

集對分析理論因其能較好地處理確定不確定性系統問題[9-11]，符合評價指標在評價標準邊界上存在一定的模糊不確定性的特點，對于區域水環境承載力評價有較好的適用性。為克服已有研究中僅以層次分析法和熵權法進行組合賦權而存在的僅考慮數據本身分布特點的缺陷，本文在集對五元聯系數綜合評價方法中，在原有傳統賦權[12]的基礎上，新增污染貢獻率賦權法達到以特定參考標準來衡量指標優劣的目的，并以改進組合賦權的集對分析模型開展區域水環境承載力評價。

1.1 區域水環境承載力集對分析模型構建

1.3 評價指標體系及指標分級標準

根據層次分析的原理，應用壓力-狀態-響應（PSR）模型構建區域水環境承載力研究指標體系[22-25]，包括目標層、準側層、指標層。準則層分為水環境壓力系統、水環境狀態系統、水環境響應系統。評價指標體系見表2。

本研究確定分級標準的依據為：① 有國家標準或地方標準的，以此為基礎，對相關數值進行本地化修正;② 在參考文獻分析的基礎上對數值進行本地化修正;③ 既無相關標準也無相關參考文獻的，咨詢專家意見得出分級值。分級標準見表2。

2 實例應用

2.1 區域概況

四川省位于中國大陸西南腹地。2012年，全省水系中，省控監測斷面達標率71.2%，達到或優于Ⅲ類水質斷面占比71.9%;2016年，全省國、省控斷面中，達到或優于Ⅲ類水質斷面占比63.2%，全省人均水資源從3 581 m3下降到2 833 m3。四川省水環境問題面臨日益嚴峻的挑戰，水環境承載力也將成為影響地區社會經濟發展的決定因素之一。

2.2 數據來源

應用1.1節模型對四川省2016年水環境承載力進行評價分析，鑒于數據的可獲得性，暫不對阿壩藏族羌族自治州和甘孜藏族自治州進行評價。

本次研究所涉及的數據均來源于《四川統計年鑒》（2013～2017年）、四川省國民經濟和社會發展統計公報（2012～2016年）、四川省水資源公報（2012～2016年）、四川省環境狀況公報（2012～2016年）、相關市（州）統計年鑒（2013～2017年）以及國民經濟和社會發展統計公報（2012～2016年）、水資源公報、環境質量公報、環境統計公報。

2.3 評價結果和空間分布

2.3.1 改進權重分析

根據改進賦權方法，計算出兩種賦權方法下權重值，見表3。

分析表3中權重值，由于2016年各個評價市（州）的“萬元GDP用水量x12”“萬元工業增加值用水量x13”“萬元工業增加值廢水排放量x16”“第三產業占GDP比例x25” “城鎮污水處理率x31”“森林覆蓋率x23”指標均沒有出現劣于參考標準的情況，因此本文賦權方法在傳統主客觀賦權方法的基礎上對該類指標權重進行了較大程度削弱，以突出其他劣勢指標。同理，“人均日生活用水量x14”“耕地實際灌溉畝均用水量x15”“水資源開發利用率x17”“城鎮化率x24”在實際情況中均出現超過50%的市（州）劣于參考標準的情況，因此本文賦權方法在傳統主客觀賦權的基礎上對該類指標權重進行了加強。本文改進組合賦權方法考慮指標相對于參考標準的偏離度，強化或削弱了極端指標對于系統的影響，使得指標權重更加符合實際情況。

2.3.2 四川省水環境承載力狀況

應用改進組合賦權集對分析模型，分別從目標層、準則層、指標層對四川省2016年水環境承載力情況進行分析，結果見圖 1～2。

從圖1可知，2016年四川省水環境承載力狀況表現為“臨界承載”，在準則層方面，響應子系統表現為“較弱承載”，壓力和狀態子系統均為“臨界承載”，響應子系統表現較差。從圖2可知，在指標層方面，“人均日生活用水量x14”“萬元工業增加值廢水排放量x16”“產水模數x21”“城鎮化率x24”“生態環境用水比例x33”“主要江河湖庫Ⅲ類及以上水質斷面占比x34”表現為“較弱承載”或“弱承載”，是系統中表現較差的指標。

2.3.3 空間分布狀況

應用改進組合賦權集對分析模型對2016年四川省除阿壩藏族羌族自治州、甘孜藏族自治州外的19個市（州）開展水環境承載力狀況分析。為更好地展示各區域水環境承載力空間差異，采用ArcGIS10.2對各市（州）承載力狀況進行空間差異可視化表征，見圖3。

由圖3可知，自貢、瀘州、德陽、內江、南充五市的水環境承載力狀況表現為較弱承載或弱承載，水環境承載力整體情況處于較低水平。從區域角度分析，其中川南地區水環境承載力表現最差，成都平原地區次之，攀西地區和川東北地區相對較好。

2.3.4 模型驗證

為進一步驗證本文賦權方法的可靠性，將傳統的層次分析-熵值組合賦權方法[12]與本文賦權方法下的權重值分別代入模型，求得2012～2016年四川省水環境承載力等級值變化情況，見圖4。

由圖4分析可知，在傳統賦權方法下，從2012～2016年，四川省水環境承載力狀況等級值呈較大起伏波動，承載力狀況在較弱承載與臨界承載間反復變化。在本文賦權方法下，四川省水環境承載力狀況等級值在波動中平穩下降，即水環境承載力狀況從“較弱承載”優化為“臨界承載”，本文改進賦權方法因考慮到系統中極端表現指標的影響，使得評價結果更加穩定也符合實際情況。

綜合以上分析，改進賦權方法下的權重值可以更好地體現四川省水環境承載力的實際狀況，該方法也進一步體現了水環境承載力系統變化的隨機不確定性。

3 結 論

（1） 改進的組合賦權新增污染貢獻率法強化了評價指標的本地化處理，提高了評價結果的準確性，也凸顯了區域水環境系統的隨機性、模糊不確定性，使得區域水環境承載力評價結果更加符合實際情況。

（2） 2016年四川省水環境承載力狀況表現為臨界承載，其中響應子系統“人均日生活用水量x14”“萬元工業增加值廢水排放量x16”“產水模數x21”“城鎮化率x24”“生態環境用水比例x33”“主要江河湖庫Ⅲ類及以上水質斷面占比x34”為表現較差的因素。

（3） 采用GIS可視化空間差異分析得知，自貢、瀘州、德陽、內江、南充五市的水環境承載力狀況表現較差。從區域角度分析，川南地區水環境承載力表現最差，成都平原地區次之，攀西地區和川東北地區相對較好。

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（編輯：劉 媛）