基于层次分析法的辽河流域水环境承载力评价指标体系研究

朱悦

（ 辽宁省生态环境保护科技中心，辽宁沈阳 110161）

1 引言

水环境承载力作为区域水环境安全的一个基本度量，是服务和助推生态文明建设的重要方面。而科学合理地构建水环境承载力指标体系并确定其权重能够保证区域水环境承载力定量化评价的准确度。因此， 深入开展辽河流域水环境承载力指标体系研究，对科学有效管理辽河流域水环境，改善水环境保护措施， 促进辽宁省经济发展战略实施和产业结构调整具有重要意义。

2 研究背景

承载力， 是衡量人类活动与自然生态环境间相互关系的一个科学概念［1-2］，最早出自生态学［3］。 近年来，众多学者围绕资源、环境、生态等方面，从不同的侧重点出发， 提出各自的承载力概念及其变化趋势［4-9］。“ 十三五”期间，基于生态文明理论的发展，水体的承载能力在水生态承载力和水环境容量的基础上得以扩展和延伸， 基于水资源—水环境—水生态的“ 三水”复合系统研究开始被用于全面综合地评价流域水环境承载力。

当前，辽河流域承载力研究基础相对薄弱，前人多从水资源［10］、水环境［11］、水生态［12］单方面进行探索，缺乏在“ 三水”层面上综合全面评估其水环境承载力。

为全面诊断辽河流域控制单元水环境状况，本研究拟从“ 水环境—水生态—水资源”即“ 三水”内涵出发，构建辽河流域水环境承载力评价指标体系，并运用层次分析法确定其指标权重， 以期为辽河流域水环境承载力科学定量评估提供理论基础与技术支撑。 水环境承载力系统结构见图1。

图1 水环境承载力系统结构

3 水环境承载力评价指标体系

3.1 指标体系构建原则

水环境承载力的评价对象是一个由人类和水环境组成的复杂系统，因此指标体系是由多变量组成的。一般而言，指标体系的建立要遵循以下几个原则［13］。

3.1.1 全面性原则

选取的指标体系应包含水环境承载力的内涵，尽量充分反映水资源、水环境、水生态、经济、社会等方面的状况。只有遵循全面性原则，才能使评价工作更科学、更准确。

3.1.2 科学性原则

在正确的理论指导下， 选取的指标应既能正确表达基本概念，又能保证符合逻辑结构且能严谨、合理地表达评价对象的客观性质。 只有保证指标的科学性， 才能对水环境承载力的客观实际描述得更清楚、简练，更符合实际。

3.1.3 区域性原则

环境承载力在不同空间、 时间上具有较大的差异性，而统一的标准在衡量不同区域环境承载力时，难以充分发挥各地特点。 因此，建立指标体系时，应包含反映区域特色的指标， 即使在相同层次的指标体系中， 环境承载力指标体系也应尽可能反映区域间的差别。

3.1.4 实用性原则

指标选取尽量使用量化指标， 要考虑指标获得的可比性，包括时间上和空间上的可比性。 同时，选择的指标要在一定时期内相对稳定，计算简便，有较强的可操作性和应用性。

3.1.5 动态化原则

水环境承载力是动态发展的变量， 由于影响环境的因素始终随时间及周围条件的变化而随机变化，因此，选取的指标应尽可能体现评价目标的动态性特点。

3.2 评价指标体系构建

根据辽河流域控制单元的水环境特征， 本文基于水环境承载力最新内涵， 采取目标—准则—指标层级关系框架， 兼顾指标科学性、 全面性等选取原则，结合国家“ 三线一单”管控需求以及多领域专家经验判断，构建了辽河流域水环境承载力指标体系。

该指标体系围绕“ 水环境、水生态、水资源承载力”三大准则、“ 水环境纳污、水环境净化、水生生境、水生生物、水资源禀赋、水资源利用”六大目标，最终提出16 个代表性水环境承载力评估指标。指标体系见表1。

表1 辽河流域控制单元水环境承载力评估指标体系

3.2.1 水环境准则层（ B1）

从水环境纳污和水环境净化两方面选取指标，其中：

（ 1）水环境纳污相关指标：包括工业增加值排污强度（ C1）、农业增加值排污强度（ C2）、第三产业增加值排污强度（ C3）、环境容量利用率（ C4）、固定源在线监测达标率（ C5）等5 个指标；

（ 2）水环境净化相关指标：包括断面水质年达标率（ C6）、断面水质在线数据达标率（ C7）等2 个指标。

3.2.2 水生态准则层（ B2）

从水生生境提供、 水生生物栖息两方面选取指标，其中：

（ 1）水生生境提供相关指标：包括生态流量保证率（ D1）、藻类多样性指数（ D2）、河岸带植被覆盖率（ D3）等3 个指标。

（ 2）水生生物栖息相关指标：包括大型底栖动物BI 指数（ D4）1 个指标。

3.2.3 水资源准则层（ B3）

从水资源禀赋和水资源利用两方面选取指标，其中：

（ 1）水资源禀赋相关指标：包括人均水资源量（ E1）、水资源模数（ E2）、水资源开发利用率（ E3）等3个指标。

（ 2）水资源利用相关指标：包括万元GDP 用水量（ E4）、降水变异系数（ E5）等2 个指标。

3.3 评价指标权重确定

层次分析法是美国运筹学家匹茨堡大学教授萨蒂于20 世纪70 年代初提出的一种层次权重决策分析方法。 该方法利用较少的定量信息使决策的思维过程数学化，从而为多目标、多准则或无结构特性的复杂决策问题提供简便的决策方法。 本文利用层次分析法确定水环境承载力评价指标体系中各指标的权重。 采用1～9 标度法对同层次的各元素进行两两比较，确定各个因素相对重要性，构建判断矩阵。 利用matlab 计算判断矩阵的最大特征值， 同时进行判断矩阵的一致性检验。 最终， 通过特征向量确定权重。

3.3.1 判断矩阵的构造

指标层的每个因素对同一准则层的相对重要性是不同的， 准则层的每个因素对总目标的相对重要性也是不同的。因此，同一层次比较任意2 个因素的重要性时，需要对它们的相对重要性做出判断，给予量化，得到相应的判断矩阵。 AHP 法标度见表2。

以水环境承载力为总目标（ A），根据水环境、水生态、水资源三大准则层（ B1，B2，B3）对水环境承载力的相对重要性，构造判断矩阵；同样，根据表2 打分可以得出水环境、水生态、水资源3 个子系统的判断矩阵。本次指标由10 位国家级及省级环境、生态、水利专家分别进行打分。

3.3.2 指标权重计算步骤

由于层次分析法主要依靠专家打分， 构成判断矩阵时会带有主观性，存在一定的误差，因此，必须对矩阵进行相容性和误差分析， 即对判断矩阵的一致性进行检验。

当一致性指标CR＜0.1 时，认为判断矩阵的一致性是可以接受的，权重分配合理；当CR≥0.1 时，说明在比较或者判断的过程中前后元素重要性可能出现了矛盾，需要对判断矩阵进行调整修改。经调整处理后的矩阵再通过上述步骤计算权重， 直至矩阵一致性检验通过，调整工作结束。

现以某专家打分的判断矩阵为例， 说明指标权重计算过程。

（ 1）三大准则层的判断矩阵A-Bi（ i=1，2，3）判断矩阵A-Bi（ 三大准则）见表3。

表3 判断矩阵A-Bi（三大准则）

根据该判断矩阵， 计算得出最大特征值λmax=3.025 1，进 而 计 算 出CI，CR 的 值 分 别 为0.012 6，0.024 1。因为CR＜0.1，矩阵一致性通过。通过矩阵最大特征值对应特征向量归一化， 得到水环境、 水生态、 水资源3 个准则层权重依次为0.659 2，0.184 6和0.156 2。

（ 2）水环境指标的判断矩阵B1-Ci（ i=1，2，…，7）

判断矩阵B1-Ci（ 水环境指标）见表4。

表4 判断矩阵B1-Ci（水环境指标）

根据该判断矩阵， 计算得出最大特征值λmax=7.725 6，进 而 计 算 出CI，CR 的 值 分 别 为0.120 9，0.088 9。因为CR＜0.1，矩阵一致性通过。通过矩阵最大特征值对应特征向量归一化， 得到水环境指标权重（ C1-C7）依次为0.030 5，0.022 0，0.043 4，0.076 3，0.082 8，0.313 2，0.431 7。

（ 3）水生态指标的判断矩阵B2-Di（ i=1，2，…，4）

判断矩阵B2-Di（ 水生态指标）见表5。

表5 判断矩阵B2-Di（水生态指标）

根据该判断矩阵， 计算得出最大特征值λmax=4.287 4，进 而 计 算 出CI，CR 的 值 分 别 为0.095 8，0.107 6。因CR＞0.1，矩阵一致性不通过。通过计算偏离距离，对判断矩阵进行调整修改。调整后的最大特征值λmax=4.194 9， 进而计算出CI，CR 的值分别为0.065 0，0.073 0。此时CR＜0.1，说明调整后的矩阵一致性通过。 通过新矩阵最大特征值对应特征向量归一化，得到水生态指标权重（ D1-D4）依次为0.686 6，0.106 7，0.056 6，0.150 1。

（ 4）水资源指标的判断矩阵B3-Ei（ i=1，2，…，5）

判断矩阵B3-Ei（ 水资源指标）见表6。

表6 判断矩阵B3-Ei（水资源指标）

根据该判断矩阵， 计算得出最大特征值λmax=5.451 1，进 而 计 算 出CI，CR 的 值 分 别 为0.112 8，0.100 7。因CR＞0.1，矩阵一致性不通过。需要通过计算偏离距离，对判断矩阵进行调整修改。调整后的最大特征值λmax=5.232 3，进而计算出CI，CR 的值分别为0.058 1，0.051 9。 此时CR＜0.1，说明调整后的矩阵一致性通过。 通过新矩阵最大特征值对应特征向量归一化，得到水资源指标权重（ E1-E5）依次为0.122 8，0.043 4，0.491 2，0.066 5，0.276 1。

4 结果与分析

本次指标由10 位专家打分。关于群组层次分析法权重计算，分为两大类：一是判断矩阵元素的加权平均法；二是排序向量的加权平均法。从保序性原则出发， 排序向量的加权平均法要比判断矩阵元素的加权平均法为优， 而且判断矩阵元素的加权平均法构造综合判断矩阵在一致性、 互反性上所遇到的问题难以处理。因此，本文采用排序向量的加权平均法计算各指标层综合权重， 即各指标层综合权重由各个专家打分矩阵计算权重后加权平均生成。 指标体系最终权重由准则层权重和指标层综合权重相乘得出。

层次分析法确定的各指标权重值见表7。

表7 辽河流域控制单元水环境承载力指标权重

根据计算结果， 各项指标对水环境承载力响应程度较大的依次为：生态流量保证率＞工业增加值排污强度＞断面水质在线数据达标率＞断面水质达标率＞人均水资源量＞降水变异系数＞水资源开发利用率＞水资源模数＞环境容量利用率， 以上9 个指标累计权重达到0.794 4；从各目标层看，水环境准则层对水环境承载力的作用最为显著， 其次为水资源准则层，而水生态准则层对水环境承载力影响略小。

5 工作展望

5.1 典型优控单元水环境承载力指标权重确定

目前， 层次分析法建立的辽河流域水环境承载力指标体系以专家打分为基础， 打分时不免存在主观因素。因此，在确定控制单元的水环境承载力指标权重时，将根据各控制单元实际情况，采用“ 层次分析法＋熵值法”主客观结合赋权方式，对指标进行权重确定， 将管理决策人员的主观意志与决策问题的客观实际有机结合。

5.2 水环境承载力评估

目前，参考相关学者的研究成果，将水环境承载力承载状态分为“ 不超载、临界超载、超载”3 个级别，对应的评价范围分别是（ 0，0.2），［0.2，0.8］和（ 0.8，1）。 未来将根据流域不同承载状态范围，将水环境承载力综合指数进行细化分类， 运用系统动力学方法评估各控制单元水环境承载状态。

5.3 水环境承载力预警

目前，根据水利、农业、环保、经济等相关部门制定的水资源，水环境，水生态技术导则、规划等相关文件，对水环境承载力评估指标进行分级，即评估指标分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ4 个警级，分别对应无警、轻警、中警和重警4 个警度。 未来将运用模糊数学法对水环境承载力进行预警， 并通过隶属度判定水环境承载力预警级别和警度。

6 结语

立足于辽宁省发展规划与辽河流域水环境管理，扎根于生态文明建设战略决策，辽河流域水环境承载力研究是十分必要的。 应通过科学合理地构建水环境承载力指标体系， 最终搭建完成科学统一的“ 水环境承载力指标体系—量化评估—分级预警”辽河流域优控单元水环境承载力理论体系， 为辽宁地区经济社会与水资源、水生态、水环境的协调发展提供助力。