辽河流域水环境承载力研究评价

葛 秋

（辽宁省河库管理服务中心（辽宁省水文局），辽宁 沈阳 110003）

水环境承载力（Water Environmental Carrying Capacity,WECC）是指一定时期、某种水环境状态下，具体区域范围内水环境对人类社会经济活动支持能力的阈值。它是评价区域可持续发展的重要依据和有效方式，其也可以作为衡量区域社会经济与生态环境协调程度的一种判据。水环境就是水资源系统的整体环境，它是水资源整体现状以及水环境系统中生物所利用到资源的综合环境。评价水环境质量的好坏将直接影响到人类的生产生活与地区可持续发展战略目标。水环境承载力是承载力理论与水环境理论相结合产物。他对于评价流域整体健康程度，对流域的污染治理与可持续发展有着重要的作用[1]。

1 研究区概况

图1 辽河流域位置图

辽河流域（吉林省部分，成为辽河源头区）位于吉林省西南部，流域面积15746 km2，约占全省总土地面积的8%，主要河流有东辽河、西辽河、招苏台河。见图1。该流域地处松辽平原中部，低山、丘陵和平原兼备，位于辽河流域上游，地势由东南向西北缓降。东南部为低山丘陵地带，山高谷宽，山间夹杂小的沟川平地，土质肥沃，山体表层土质较好。中西部为平原区，为起伏的台地和平缓的平原，东辽河、招苏台河穿行其间，沿河两岸地势低平。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源

该文各项评价指标原始数据提取自《辽宁省统计年鉴》（2012 年～2018 年）、《吉林省统计年鉴》（2012 年～2018 年）、《吉林市环境状况公报》（2012 年～2018 年）。

2.2 选取评价指标

本文对水环境承载力的综合影响进行分析，以系统理论为中心思想，综合考虑社会、经济、和水生态对水环境的影响，来构造一个水环境承载力综合评价体系[2]。基于这些方面，根据指标选取原则，共构建9 个指标，见图2。

图2 水环境承载力体系构件图

2.3 指标权重的确定

在水环境承载力评价指标体系中，各变量的权重大小不同，其对最终综合评价结果的影响程度就会不同。本文采用层次分析法（AHP）确定各类规定的因素，指标体系中的权重大小。层次分析法AHP 在1970 年代提出了定量和定性相结合的系统级决策分析方法，它强调了角色的思维来判断决策的过程中，通过某些模型决策思维过程标准化[3]。适合两个定量指标和定性指标，根据从属关系的因素分为上部和下部几个层次的决策问题。具体步骤如下：

（1）构造判断分析矩阵；系统结构模型决定了各个指标上下层之间的从属关系。相同层级之间的元素，以相邻的上一层级元素为准，成对进行比较[4]：

（2）计算判断矩阵的最大特征值与特征向量。层次分析法的一个关键问题是确定判断矩阵的最大特征值和相应的特征向量。本文采用规范列平均法计算[5]：

计算各列的归一化：

向量Wi是所求的特征向量。计算判断矩阵B 的最大特征值：

式中：（BW）i为向量BW 中的第i 个元素。

（3）一致性检查。通过使用和乘积法，获得每一个判断矩阵的最大特征根λmax和其对应的特征向量W，正常化的最大特征根对应的特征向量hmax，每个元素的相对重要性权重下一级相对于以前的水平可以获得相应的元素。然后，根据一致性比率CR，对判断矩阵进行一致性检验。CR 的计算公式如下[6]：

（4）分层排序和一致性检查；相对重要性权重因素在同一水平相对于高层确定标准，所有因素的相对重要性权重在每个水平相对于最高水平可以在此基础上，计算被称为层次结构的权重[7]。

图3 指标权重结果

表1 水环境承载力评价指标核算标准

2.4 水环境承载力评价模型

（1）数据标准化

距离变换法能很好地实现上述数据处理要求；距离变换法是统计数学中的一种方法。标准化后的新数据，每个指标值的最大值为1，最小值为0，其余值在0 和1 之间，从而简化了计算的数据量。

区间变换法对应的效益指标计算公式如下[8]：

其中，x 为指标数据初始值，y 为指标标准化后的值。

（2）评价模型

若以Si表示变量层各变量对水环境承载力支持强度的相对指数，则有[9]：

式中：Sik为水环境承载力的支持强度，Xik为评价标准值，Wij为第i 个指标在j 个变量中的权重。在上述指标层因子评价结果基础上，采用加权求和方法得到表征区域水环境承载力相对大小的综合指数评价模型Sw即：

式中：Sw为水环境承载力综合评价指数，其值越大表示承载力越大。

3 结果分析

3.1 水环境分承载力计算

分别计算社会承载力、生态承载力和经济承载力指标，见图4、表2。

图4 分承载力变化趋势图

表2 辽河流域水环境分承载力计算值

由图4、表2 计算可得，辽河流域2012 年～2018 年生态分承载力、社会分承载力和经济分承载力的增长率分别为172.3.9%、125.6%和342.7%。受到可持续发展战略目标的调控，经济增速加快的同时，经济分承载力也取得了较大的增长率。

3.2 水环境总承载力计算

通过对数据的标准化，根据以上算法，利用水环境承载力计算模型，可以计算出辽河流域2012 年～2018 年水环境承载力变化趋势。见表3、图5。

表3 辽河流域水环境承载力评价值

根据所有指标的范围限制和评价方法本身的计算特性，分别计算最大数据变化的评价范围。水环境承载力值在0～1 之间。当所有指标达到最优标准时，其值越大，其最大值越接近1，否则趋于0 的最小值。根据国家环境保护标准城市评价指标中的指标数据值的分类，结合辽河流域长期建设规划指标数据，收集社会运行相关数据和指标本身的取值范围，并参考其他文献，获得了适用于辽河流域水环境承载力的分类标准，见表4。

表4 承载力与可承载类型对照[9]

图5 水环境承载力变化趋势图

根据表4 中的分类标准，辽河流域水环境承载力总体评价差、极差和一般，2018 年的水环境承载力类型评价为一般，2012 年的水环境承载力评价为“极差”，其余各年均在“差”的指标，反映了辽河流域经济、社会和生态发展仍有许多方面有待加强。但是整体情况正在好转。

图5 显示了水环境承载力模型计算的辽河流域水环境承载力的变化趋势。结果表明，辽河流域水环境承载力总体呈现出增大的趋势，2012 年～2013 年的变化率最高，从0.152 增至0.413，然后出现降低，总体增大0.468。说明整个流域的水环境正在往好的方向过渡。

3.3 水环境承载力空间分布

结合计算出的水环境承载力值，分别计算2018 年辽河流域地区各行政区划的分承载力，利用ARCGIS10.4 软件的差值功能，对辽河流域不同行政区划的水环境承载力进行评价。

图6 各行政区划水环境承载力空间分布

由图6 可以看出，吉林市水环境评价结果为崩溃，四平与兴安盟市评价结果最好。白城市与松原市评价结果为一般，辽源市和长春市评价结果为脆弱。

以上分析结果反映出辽河流域水环境承载力空间格局演化与经济社会发展实力及水资源禀赋密切相关。辽河流域应继续提高地表水整体环境质量，吉林市对于水环境的治理应该加强。提高城市污水处理的效率。同时促进节能减排工作的推进，减少水资源消耗，合理分配地区水资源。使得水环境承载力继续稳步升高，为地区经济与民生发展打下坚实的基础。

4 结论

本文基于层次分析法判断出辽河流域各因子的影响权重，然后利用水环境承载力模型，分别计算出社会承载力、生态承载力、经济承载力和总承载力大小。得出：生态分承载力、社会分承载力和经济分承载力的增长率分别为172.3.9%、125.6%和342.7%。总承载力由崩溃过渡为一般。并对辽河流域各个行政区域的水环境承载力值进行评价。