基于向量模法的南宁市水环境承载力评价分析

郑毅，蒋进元，杨延梅，何连生

(1.重庆交通大学，重庆 400074；2.中国环境科学研究院，北京 100012)

基于向量模法的南宁市水环境承载力评价分析

郑毅1，蒋进元2，杨延梅1，何连生2

(1.重庆交通大学，重庆 400074；2.中国环境科学研究院，北京 100012)

为深入了解南宁市水环境承载力状况，从广义水环境承载力定义出发，结合研究地区实际情况，构建了五级层次结构的水环境承载力评价指标体系，采用向量模法对南宁市2010—2014年的水环境承载力进行了评价和分析。结果表明，2011南宁年水环境承载力有所下降，而2011—2014年呈小幅上升趋势；万元工业产值COD排放量、万元工业产值NH3-N排放量以及COD排放量对水环境承载力的影响较大，其中COD排放量对水环境承载力的影响效应最大；水资源数量已不是影响南宁市水环境承载力提升的重要因素，应加大污染源治理。

水环境承载力；向量模法；南宁市；评价

随着人口的逐年增多，资源的逐年消耗，环境问题的持续恶化，解决人口—资源—环境这个问题成为当今世界共同关注的一个课题，其中承载力研究已成为探讨国家或区域可持续发展问题的重要组成部分。承载力的概念来源于生态学领域[1]，其原始定义是指各种生物资源能够维持特定生物物种的最大值[2]，而随着各类学科的发展，各种不同内涵的承载力概念和理论也得到了发展和应用，如环境承载力[3-4]、水资源承载力[5]、生态承载力[6]、人口承载力[7]、土地承载力[8]等。由于工业化和城镇化进程的加快，大量废水造成的水体污染问题导致水环境承载力、水体纳污能力、水环境容量等概念也相继被提出，并受到世界各国的普遍重视与应用[9]。我国对水环境承载力的研究始于20世纪90年代[10]，对其定义的论述有狭义和广义之分。狭义的内涵是将水环境承载力等同于“水环境容量”、“水环境纳污能力”或者“水环境容许污染负荷量”等，而广义的内涵更多的是将水环境承载力界定为某一时期、某种环境状态下，某一水域环境对人类社会、经济活动的支持能力[11]。广义的内涵实质上反映了水环境与人类社会、经济活动之间的相互关系——相互影响、互为约束的关系。而如何反映和协调这种关系，确保环境保护与经济社会持续健康发展，是一项重要的课题。因此，进行水环境承载力评价就具有重要的意义。

本文从水环境承载力的广义定义出发，结合南宁市的实际情况，建立水环境承载力评价指标体系，利用向量模法对南宁市的水环境承载力进行评价分析，以期为提升南宁市的水环境承载力提供理论参考。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域概况

南宁市位于广西南部，东经107°45′—108°51′，北纬 22°13′—23°32′，行政辖区土地总面积为22 112 km2，至2015年末，全市户籍人口740.23万人，市区人口290.46万人。研究区域地处亚热带地区，平均海拔76.5 m，气候温和，雨量充沛，年平均气温21.7℃，年平均降雨量1298 mm，河系发达，河流众多，水资源丰富，流域集水面积在200 km2以上的河流有39条，多年平均水资源总量约139.9亿m3。

1.2 研究方法

1.2.1 水环境承载力指标体系构建

水环境承载力评价就是将影响水环境承载力的因子量化，由定性转向定量来描述水环境承载力的状态。因此，评价指标的确定是水环境承载力进行定量评价的基础。方晓波指出水环境承载力与区域自然条件、经济发展模式、水体纳污能力及相应的水资源与水污染防治对策密切相关[9]。Tianxiang Wang等指出水环境承载能力是经济社会可持续发展的重要基础，但也受许多因素，如水资源、水质、经济、人口和环境保护的影响[12]。因此文章结合南宁市社会经济发展规划要求、水资源和环境特征，将水环境承载力涉及的社会经济发展能力、资源支撑能力、水资源及水环境利用效率、水污染控制能力以及陆域生态环境等方面选择12个评价变量，构造了一个具有五级层次结构的指标体系。表1为构建的南宁市水环境承载力指标体系。

1.2.2 向量模法

水环境承载力的评价方法有很多，常用的有向量模法[13-14]、多目标决策分析法[15]、系统动力学方法[16]、模糊物元法[17]、神经网络法[18]等。其中，向量模法作为一种综合指标体系评价方法，由于其数学理论坚实、形式简单直观、运算易行、结果客观合理[19]，可用于横向(不同地区同一时间)和纵向(同一地区不同时间)的水环境承载能力状况综合比较[20]等优点，而得到了广泛应用。因此本研究采用向量法对南宁市水环境承载力进行评价分析。

向量模法假设有m个不同的水平年；或者假设对于同一水平年有m个不同的分区，这两种情况都会有m个水环境承载力评价值，设此m个评价值为Ej(j= 1，2，…，m)，再设每个评价值包括n个具体指标确定的分量，即有：

表1 南宁市水环境承载力指标体系

Ej=(E1j,E2j,…,Enj)

(1)

将指标归一化：

Ej=(E1j,E2j,…,Enj)

(2)

其中，对于正向指标采用线性标准化方法。标准化计算公式为：

(3)

对于负向指标，首先，将原始数据按公式(4)进行一次标准化，再按公式(5)进行二次标准化，从而使负向指标与正向指标的作用效应同向。

(4)

(5)

于是，水环境承载力的值按下式即可计算：

(6)

式中，Wi为水环境承载力的第i个指标的权重。

指标权重Wi采用熵值法进行确定。其优点是能够利用决策举证给出的信息计算权重，而无须引入决策者的主观判断。因此，权重计算结果相对来说更具有客观性，由此水环境承载力的评价结果也就更具有客观性。

2 南宁市水环境综合承载力评价

2.1 数据来源

本文研究数据主要来源于2011—2015年《广西壮族自治区统计年鉴》、2015年《南宁市统计年鉴》，数据统计分析采用了Excel软件。

2.2 评价结果与分析

2.2.1 水环境承载力评价指标值

通过查阅相关资料，收集到了2010—2014年南宁市的相关指标值，见表2。

2.2.2 指标权重的确定

为合理确定指标权重，需要将负指标求倒数后，再根据熵值法计算原则，计算各年份评价指标的权重。指标权重计算结果见表3。

2.2.3 指标归一化

按照向量模法指标归一化计算方法，对研究地区2010—2014年的12个评价指标进行归一化处理，计算结果见表4。

表2 2010—2014年水环境承载力评价指标值

表3 评价指标权重

表4 2010—2014年评价指标归一化值

2.2.4 水环境承载力评价值计算

根据指标权重与归一化的计算结果，按照式(6)计算水环境承载力，结果见表5。

表5 水环境承载力计算结果

从表5看出，2010—2014年，南宁市水环境承载力总体波动不大。相比2010年，2011年水环境承载力有所降低，分析其降低的可能原因：2011年南宁市水污染控制能力降低，废水排放量、COD排放量和NH3-N排放量分别较2010年增加7.7%、0.9%和4.8%，同时城市污水处理率下降幅度较大，由2010年的93.27%降到64.64%。可见，水污染控制能力对水环境承载力影响明显。

2011—2014年，南宁市水环境承载力呈现小幅上升趋势，其评价值由2011年的0.0442提高到2014年的0.0458，分析其提高的可能原因：(1)资源支持能力总体不断提高，尤其2013年水资源总量增加到175.82亿m3，水资源总量的增加不仅提高了区域水资源的供水能力，而且也提高了水体的环境容量；(2)水资源及水环境利用效率不断提高，人均生活用水量、万元GDP用水量、万元工业产值的COD排放量以及万元工业产值的NH3-N排放量均呈下降趋势；(3)水污染控制能力有所提升，其中COD排放量连续4年下降，年均降幅3.6%。废水和NH3-N排放量在2013年虽有所增加，但各自权重仅为0.0008和0.0021，与COD的权重0.8277相比，不足以影响水环境承载力总体呈上升的趋势。此外城市污水处理率总体呈增加趋势，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断加强；(4)森林覆盖率逐年增加，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养能力，改善了区域陆域生态环境。

从表3指标权重看，影响南宁市水环境承载力波动显著的指标有万元工业产值COD排放量、万元工业产值NH3-N排放量和COD排放量。其中COD排放量权重最高，说明COD的排放对水环境承载力的影响很大，从2011年水环境承载力下降原因分析以及2013年废水、NH3-N、COD排放量增减变化分析，也可反映出COD排放量对水环境承载力的影响效应较大。因此，必须加强污染源治理，重点加大南宁市排污高行业污染治理，如造纸和纸制品业，酒、饮料和精制茶制造业，农副食品加工业，化学原料和化学制品制造业，医药制造业等；加强生活源污染治理，提高污水处理厂处理规模和处理能力；加大农业面源污染治理，重点加强畜禽养殖污染治理。万元工业产值COD排放量和万元工业产值NH3-N排放量两个指标权重较大，反映了企业排污与产业结构的不合理。因此应优化产业布局，调整产业结构，限制企业排污，实施排污权交易。其他指标对水环境承载力的影响总体较小，并从中可见水资源已不是影响南宁市水环境承载力提升的重要因素。

3 结论

(1)2011年南宁市水环境承载力出现了下降，而2011年到2014年呈小幅上升趋势，承载力由2011年的0.0442提高到2014年的0.0458。

(2)水环境承载力下降的一个重要原因是2011年南宁市水污染控制能力大幅下降，具体表现为废水排放量、COD排放量和NH3-N排放量出现增加，而城市污水处理率出现降低。

(3)水环境承载力得到提高的原因表现为水资源总量、森林覆盖率增加，人均生活用水量、万元GDP用水量、万元工业产值COD和NH3-N排放量以及污染物排放量降低。

(4)从指标权重看，影响南宁市水环境承载力波动显著的指标有万元工业产值COD排放量、万元工业产值NH3-N排放量和COD排放。其中，COD排放量对水环境承载力的影响效应最大，万元工业产值COD排放量和万元工业产值NH3-N排放量的影响次之。水资源数量已不是南宁市影响水环境承载力提升的重要因素，应进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

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2014ZX07504 003)

郑毅(1990—)，男，硕士研究生，主要研究方向为水质模拟与评价，E-mail：m15823233453@163.com

蒋进元(1974—)，男，研究员，博士，主要研究方向为水污染控制技术，E-mail：jiangjy@craes.org.cn

10.14068/j.ceia.2017.01.016

X143

A

2095-6444(2017)01-0065-04