水生態(tài)承載力研究方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算分析

楊彥霞 于新花 楊文慧

（寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

1 引言

近年來，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)加速發(fā)展，對(duì)于工業(yè)用水的需求明顯增加，造成我國(guó)水資源的短缺以及水環(huán)境的污染，給水生態(tài)系統(tǒng)的健康帶來威脅。黨的二十大報(bào)告中提出，要統(tǒng)籌好水資源、水環(huán)境和水生態(tài)治理，加快重要江河湖泊生態(tài)保護(hù)與治理。我國(guó)“十四五”規(guī)劃也明確指出，發(fā)展水環(huán)境應(yīng)更加注重“人水和諧”。水生態(tài)系統(tǒng)的健康受到諸多因素的影響，將水環(huán)境治理與水生態(tài)修復(fù)相結(jié)合可以有效地治理生態(tài)環(huán)境，保護(hù)水資源。

目前，對(duì)于水生態(tài)承載力的研究才剛剛起步，尚未形成完善的理論體系。對(duì)于水環(huán)境承載力的研究，在兼顧水生態(tài)系統(tǒng)承載極限的同時(shí)，還要考慮到這是一個(gè)關(guān)乎人類活動(dòng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水環(huán)境和諧發(fā)展的共同命題［1］。水資源承載力與水環(huán)境承載力分別反映了水量與環(huán)境指標(biāo)，二者理論上目前還無法充分反映現(xiàn)實(shí)的水生態(tài)系統(tǒng)狀況。目前迫切需要一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，能夠把水質(zhì)與水量都考慮其中，且涉及水資源、水環(huán)境、人口、經(jīng)濟(jì)等各項(xiàng)指標(biāo)。在此背景下，研究水生態(tài)承載力研究方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算具有重要意義。

2 水生態(tài)承載力的研究進(jìn)展及含義

2.1 水生態(tài)承載力的研究進(jìn)展

2.1.1 水資源承載力的概念

20 世紀(jì)末，學(xué)者們探討了水資源承載力的概念，認(rèn)為水資源承載能力是處于特定的發(fā)展階段，維持生態(tài)發(fā)展趨于良好狀態(tài)的能力，對(duì)其定義是在經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展水平及未來發(fā)展的技術(shù)水平下，以水資源適當(dāng)開發(fā)和優(yōu)化配置為前提。水資源體系對(duì)區(qū)域人口影響較大，同時(shí)是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平的最大支撐能力［2］。水資源承載能力可以反映水資源和社會(huì)發(fā)展?fàn)顩r的變化趨勢(shì)［3］。水資源承載力是以水為承載體，人口、社會(huì)經(jīng)濟(jì)為被承載體。對(duì)水資源承載力進(jìn)行合理評(píng)價(jià)能夠?yàn)閰^(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)指導(dǎo)［4］。因此，研究水資源承載能力可以為社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等的發(fā)展提供支撐。

2.1.2 水環(huán)境承載力的概念

由于對(duì)水環(huán)境承載力研究的主要關(guān)注點(diǎn)不同，學(xué)者們從狹義和廣義2 個(gè)角度對(duì)其進(jìn)行概念分析。從狹義的角度來說，水環(huán)境承載力是指在所規(guī)定的指標(biāo)范圍之內(nèi)，水體所能接受的最大的污染物排放總量［5］，排入水體的污染物作為其攜帶對(duì)象［6］；從廣義的角度來說，水環(huán)境承載力是指在具有特定功能的區(qū)域水體不受自身生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境質(zhì)量威脅的情況下，一定時(shí)期內(nèi)能夠支撐人口和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的最大尺度［7］。其以水量和水質(zhì)作為承載主體，客體則是外部經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)。從污染物的角度來看，指的是水體最大能接受的污染物排放的范圍。水環(huán)境容量、水體的納污能力是水環(huán)境承載力的關(guān)鍵因素［8-11］。

2.1.3 水生態(tài)承載力的概念

在水生態(tài)承載力的研究中，水資源、水環(huán)境承載力是兩個(gè)重要內(nèi)容。水生態(tài)承載力的研究，除了要兼顧水資源數(shù)量上的需求外，還應(yīng)該兼顧水環(huán)境的質(zhì)量，并且對(duì)水環(huán)境的良性發(fā)展給予更多的重視，它是以水資源承載力、水環(huán)境承載力為依據(jù)而產(chǎn)生的一種流域綜合管理理念［12］。水資源是水生態(tài)系統(tǒng)的基本要素，而水環(huán)境既是其限制要素，又是其支撐要素［13］。水生態(tài)承載力是水資源、水環(huán)境和生態(tài)承載力的結(jié)合，全面反映了人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)的承載能力與生態(tài)系統(tǒng)密切相關(guān)［14］。

在分析了早期學(xué)者對(duì)于水生態(tài)承載力概念存有的問題之后，結(jié)合水生態(tài)系統(tǒng)特征以及水生態(tài)系統(tǒng)與承載人類社會(huì)活動(dòng)的關(guān)系，學(xué)者們對(duì)水生態(tài)承載力的概念及其相關(guān)特征進(jìn)行定義，指出其主要特征是具備為人類社會(huì)活動(dòng)提供生態(tài)服務(wù)產(chǎn)品的能力［1］。

2.2 水生態(tài)承載力含義的理解

根據(jù)前面學(xué)者們對(duì)水生態(tài)承載力含義的描述，結(jié)合目前關(guān)于水生態(tài)系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，本文認(rèn)為，水生態(tài)承載力是在特定時(shí)間段、特定流域內(nèi)，在水生態(tài)系統(tǒng)維持自身健康穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，根據(jù)某一特定時(shí)間段的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)資源分配，水生態(tài)系統(tǒng)可以承載最多的人口和最大的經(jīng)濟(jì)總量。總而言之，水生態(tài)承載力的本質(zhì)是承載經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的能力并促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，其研究的落腳點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)發(fā)展總量和人口規(guī)模，其研究的前提是水生態(tài)系統(tǒng)必須滿足其自身良好發(fā)展。

3 水生態(tài)承載力方法研究

3.1 研究方法比較分析

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，水生態(tài)承載力研究方法不斷發(fā)展進(jìn)步，除了在水生態(tài)科學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用外，在水文學(xué)、生態(tài)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、管理學(xué)及地理學(xué)等其他學(xué)科研究的交叉前沿領(lǐng)域也有所涉及。水生態(tài)承載力的研究方法由定性研究逐漸轉(zhuǎn)向?yàn)槎垦芯浚壳暗难芯繉?duì)象更加關(guān)注水生態(tài)與人類社會(huì)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系，結(jié)合區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人類活動(dòng)等因素研究水生態(tài)承載力的作用機(jī)制。本文主要通過對(duì)表征水生態(tài)承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)、更為精準(zhǔn)地計(jì)算水生態(tài)承載力的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重及水生態(tài)承載力體系模型的建立等方法進(jìn)行比較分析，各種研究方法的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 水生態(tài)承載力的研究方法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

3.2 部分研究方法介紹

3.2.1 指標(biāo)體系法

當(dāng)前關(guān)于水生態(tài)承載力各個(gè)相關(guān)指標(biāo)的研究很少，指標(biāo)評(píng)價(jià)體系也不夠完善，主要在水資源和水環(huán)境方面進(jìn)行研究。研究者將評(píng)價(jià)指標(biāo)體系作為水生態(tài)承載力研究的重要依據(jù)［15］。在構(gòu)建水生態(tài)承載力概念模型時(shí)，要將社會(huì)經(jīng)濟(jì)、旅游活動(dòng)和水質(zhì)等納入指標(biāo)體系中［16］。

在構(gòu)建指標(biāo)體系的過程中，研究者很少會(huì)考慮各個(gè)因素之間的相互作用關(guān)系，如水資源、水環(huán)境及人類活動(dòng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的影響及水生態(tài)系統(tǒng)對(duì)它們的作用。研究者在選取評(píng)價(jià)指標(biāo)體系時(shí)，要注重將社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與水生態(tài)承載力系統(tǒng)的良好狀況相結(jié)合來反映水生態(tài)系統(tǒng)承載能力的大小，同時(shí)，通過選取表征人類活動(dòng)與水生態(tài)系統(tǒng)之間相互影響、相互作用的指標(biāo)，來反映水生態(tài)系統(tǒng)本身存在的問題及所面臨的難點(diǎn)。

3.2.2 熵權(quán)法

熵權(quán)法（Entropy Weight Method，EWM）是一種反映各指標(biāo)間差異程度的客觀賦權(quán)法。根據(jù)指標(biāo)的真實(shí)數(shù)據(jù)，客觀地計(jì)算權(quán)重，其結(jié)果的可信度很高并具有較強(qiáng)的科學(xué)性，計(jì)算熵值越小，則所得熵權(quán)越大，表明該指標(biāo)在評(píng)價(jià)中越重要。

3.2.3 層次分析法

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是一種進(jìn)行指標(biāo)間對(duì)比其相對(duì)重要程度的主觀賦權(quán)法［17］。層次分析法是結(jié)合定性分析和定量計(jì)算的多目標(biāo)、多準(zhǔn)則、多指標(biāo)的一種決策方法［18］，水生態(tài)承載力層次分析法結(jié)構(gòu)如圖1 所示。層次分析法在計(jì)算指標(biāo)權(quán)重中屬于較為多用的研究方法，雖然其在承載能力評(píng)價(jià)中考慮了層次性，但本質(zhì)上受定性判斷的主觀性和隨機(jī)性的影響［19］。

圖1 水生態(tài)承載力層次分析法結(jié)構(gòu)

3.2.4 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法

水生態(tài)承載力系統(tǒng)是一個(gè)包括社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、人口、水資源和水環(huán)境等多因子的復(fù)雜系統(tǒng)。其影響因素眾多，研究?jī)?nèi)容復(fù)雜，各影響因素之間相互影響、相互作用［20］。而系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法（System Dynamics）可應(yīng)用于不同情景的承載力研究中，該方法能夠動(dòng)態(tài)模擬復(fù)雜系統(tǒng)下所有鏈接的行為和響應(yīng)，適用于較為復(fù)雜的水生態(tài)系統(tǒng)研究。但是，模型受建模者主觀影響較大，可能導(dǎo)致論斷不合理［21］。水生態(tài)承載力研究中的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)結(jié)合了社會(huì)、金融、人口、水資源、水環(huán)境等之間的關(guān)系，且該方法運(yùn)用較為廣泛，可以根據(jù)水生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)際情況建立水生態(tài)承載力模型，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建立的模型能夠處理時(shí)變、非線性、多重反饋等問題。

4 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

本文假設(shè)在水生態(tài)承載力評(píng)價(jià)與計(jì)算中有m個(gè)評(píng)估指標(biāo)（評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)）、n 個(gè)樣本（評(píng)價(jià)年份數(shù)）。

4.1 基于熵權(quán)法的指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

（1）在計(jì)算指標(biāo)熵值之前，采用極差變化法［22］（min－max）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，計(jì)算公式如下：

正向型指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化：

逆向型指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化：

式中，a 為標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值；Xij為第i 年第j 個(gè)指標(biāo)的原始值，i＝1，2，…，m，j＝1，2，…，n；max（Xij），min（Xij）分別為樣本序列中最大值和最小值。

（2）采用熵權(quán)法進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重的確定，具體計(jì)算步驟如下：

指標(biāo)熵值的計(jì)算公式：

式中，Ei為第i 個(gè)指標(biāo)的熵值；Pij為每個(gè)指標(biāo)占總指標(biāo)的比例；K 為標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)。

評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算公式為：

式中，ω1i為熵權(quán)法計(jì)算的第i 個(gè)指標(biāo)的權(quán)重；n 為評(píng)價(jià)年份數(shù)；m 為評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)；Ei為第i 個(gè)指標(biāo)的熵值。

4.2 基于層次分析法的指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

（1）構(gòu)建判斷矩陣。在層次分析法中確定指標(biāo)權(quán)重?cái)?shù)值，需要決策者在對(duì)同一層級(jí)中的指標(biāo)因素兩兩進(jìn)行比較，得到評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重的大小，即反映指標(biāo)間重要性大小的判斷矩陣（見表2），表明指標(biāo)間相對(duì)重要程度的大小。

表2 指標(biāo)間相對(duì)重要程度的大小

（2）計(jì)算特征值和特征向量。構(gòu)建判斷矩陣后，計(jì)算矩陣的最大特征根和特征向量，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重（W）。

（3）一致性檢驗(yàn)公式為：

式中，CI 為判斷矩陣的一致性指標(biāo)；λmax為判斷矩陣的最大特征值；n 為指標(biāo)的個(gè)數(shù)；RI 為判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)；CR 為一致性比例。RI 的取值參考表3。

表3 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)參考取值

4.3 熵權(quán)法—層次分析法［18］組合權(quán)重計(jì)算方法

在水生態(tài)承載力指標(biāo)權(quán)重計(jì)算中，高偉等［23］為規(guī)避主觀因素的影響，采用熵權(quán)法確定所研究相關(guān)指標(biāo)的權(quán)重；丁小平［24］采用層次分析法，將復(fù)雜的多因素問題分成不同的層級(jí)并評(píng)估計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。然而，熵權(quán)法和層次分析法都有自身的不足，二者分別為客觀賦權(quán)法和主觀賦權(quán)法，熵權(quán)法主要反映指標(biāo)之間的差異程度，但并未反映指標(biāo)的重要程度，而層次分析法受人為因素影響較大，因此可以采用熵權(quán)法—層次分析法組合權(quán)重計(jì)算方法，將主客觀方法相結(jié)合，來計(jì)算水生態(tài)承載力指標(biāo)權(quán)重的大小，既能反映研究者對(duì)指標(biāo)重要程度的判斷，也可以客觀反映數(shù)據(jù)的變動(dòng)差異。

由熵權(quán)法和層次分析法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重分別為ω1i，ω2i，各評(píng)價(jià)指標(biāo)得到的綜合權(quán)重為ωi。采用最小二乘法的優(yōu)化方法計(jì)算權(quán)重值ωi，計(jì)算公式如下：

式中，Xij為第i 年第j 個(gè)指標(biāo)的原始值。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

由于水生態(tài)承載力概念尚未統(tǒng)一，而且水生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，水生態(tài)承載力的研究方法目前也尚未統(tǒng)一，使得關(guān)于水生態(tài)承載力的研究應(yīng)用中存在很多問題。本文在總結(jié)關(guān)于水生態(tài)承載力先前學(xué)者研究的基礎(chǔ)之上，通過分析大量文獻(xiàn)，總結(jié)其研究進(jìn)程，總結(jié)分析了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的幾種研究方法，對(duì)研究方法及其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較分析，并對(duì)水生態(tài)承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算進(jìn)行分析。提出通過將熵權(quán)法與層次分析法相結(jié)合來計(jì)算水生態(tài)承載力指標(biāo)權(quán)重的大小，既能反映研究者對(duì)指標(biāo)重要程度的判斷，也能客觀反映數(shù)據(jù)的變動(dòng)差異，使得研究結(jié)果更加科學(xué)和更準(zhǔn)確，有利于對(duì)水生態(tài)承載力的模型進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，以得到較好的發(fā)展方案。

5.2 展望

當(dāng)前水生態(tài)承載力的研究方法有很多，但其都存在不足之處。水生態(tài)承載力權(quán)重計(jì)算方法中，大多數(shù)研究者僅限于一種權(quán)重計(jì)算法，很少涉及將客觀與主觀相結(jié)合計(jì)算權(quán)重的研究，本文只對(duì)權(quán)重計(jì)算的組合方法進(jìn)行了分析，還需進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用并驗(yàn)證。

在水生態(tài)承載力理論探究及其方法研究中還需要對(duì)以下問題深入探索：

（1）水生態(tài)承載力的含義及方法理論體系；

（2）水生態(tài)承載力的影響因素以及提高水生態(tài)系統(tǒng)的承載最大經(jīng)濟(jì)總量和人口數(shù)量的有效途徑；

（3）水生態(tài)承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的選取、指標(biāo)權(quán)重計(jì)算方法的優(yōu)化以及建立水生態(tài)承載力的系統(tǒng)模型和定量化研究。