流域水环境综合承载力多级多指标可拓评估

何艳虎，潘炜杰，陈淑英，郭红江，赵敏怡，谭 倩

(1.广东工业大学环境生态工程研究院，广东 广州 510006;2.广东省流域水环境治理与水生态修复重点实验室，广东 广州 510006;3.海绵城市建设水系统科学湖北省重点实验室(武汉大学)， 湖北 武汉 430072)

0 引 言

水环境承载力自20世纪90年代中期作为可持续发展研究和水资源安全战略研究中的基础课题被提出后，已迅速成为当前水科学研究中的热点。近年来，虽然我国学者在水环境承载力的理论与实践方面积极探索并取得了很大进展[1-3]；但目前学术界对水环境承载力(Water environment carrying capacity，WECC)的概念定义说法不一，尚未达成统一认识。一般来讲，水环境承载力狭义上定义为某一水域，其水体能够被继续使用并保持良好生态系统时，所能够容纳污水及污染物的最大能力；广义上则定义为某一时期、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[4- 6]。不难发现，其内涵包含能够承受一定污染物的水环境容量、支撑经济社会持续发展的水资源供给以及维持良好生态系统的能力等方面。水环境承载力评估是为揭示各影响因素对地区水环境承载力的约束及其动态变化过程，评估人类活动和水生态环境系统之间的耦合状态，帮助决策者全面客观认识当前地区水环境承载力的情况和趋势，从而为水资源管理和规划决策提供科学参考依据，促进资源环境与社会经济协调可持续发展。可以看出，水环境承载力评估涉及自然环境、社会经济、科技、管理等多个方面，影响因素复杂多变。在这个背景下，水环境承载力评估的方法理论体系仍不是很成熟[7]。目前水环境承载力评估方法主要分为指标体系法[8]、供需平衡法[9]、系统模型法[10-11]以及环境容量法[12-13]四大类。其中，指标评价法通过选取水资源自然系统与人类社会经济系统相互作用的关键指标，构建模拟区域复合系统层次结构的指标体系，并根据指标间的相互关联和重要程度计算评价指数，以反映区域水环境承载力水平，因其简便、直观，可具体赋值，是目前应用最为广泛的评估方法；但指标体系法也存在指标较多，权重难度大，难以反映非线性过程及要素间相互作用等缺点。

流域水环境、水资源与水生态承载力评估是“以水定城、量水发展”的基础和前提，而满足“以水定城、量水发展”则是实现生态文明的重要保障。因此，对流域水资源、水环境与水生态承载力进行科学合理的评估，并根据评估结果制定相应的水污染防治与水生态空间管控措施具有十分重要的意义。另外，当前相关研究主要是集中于水环境、水资源或水生态单方面承载力的评价[14]，缺少三者承载力系统的综合评价，而流域水环境、水生态、水资源相辅相成，相互制约，密不可分。水环境不是只与水有关的水体，而是一个与水资源、水生生物和污染有关的综合体[15]，水环境安全是水体保持一定的水资源量、安全的水质条件，以维护其正常的生态功能[16]。

基于此，本文引入可拓决策理论，将水资源、水环境和水生态纳入同一个系统进行分析，构建基于多指标多级可拓评价的水环境综合承载力评估模型，以广东省东江流域为例，对东江流域各地区的水环境综合承载力及其空间差异性进行评价分析，进而为流域各分区水资源、水环境与水生态安全的空间差异化管控提供策略与建议。

1 流域水环境综合承载力多级多指标可拓评价方法

可拓学源于我国学者蔡文于20世纪80年代初创立的一门原创性横断学科[17]。该学科旨在利用“变换”的思维模式开拓创新现有的规律与方法，探讨拓展事物的可能性，进而解决矛盾问题。基于可拓决策理论建立的可拓综合评价方法通过建立待评价对象的可拓物元模型，计算各指标与等级之间的关联度，实现了事物由简单的定性描述到定量计算的转变，从而得到较为准确的评价等级。

1.1 建立评价因素的指标体系

从流域水资源、水环境与水生态3个维度出发，考虑数据的可获得性，建立适用于多级可拓评价的流域水环境综合承载力评价指标体系(见图1)。

图1 指标体系示意

1.2 物元模型

可拓学以物元理论和可拓数学作为其理论框架。其中，物元是可拓学的逻辑细胞。给定事物的名称P，它关于特征C的量值为V，以有序三元组R={P，C，V}作为描述事物的基本元，简称“物元”。经典域为

(1)

式中，Poj为评价对象可靠性等级(j=1，2，…，m);ci为影响评价对象等级Poj的特征(i=1，2， …，n);Voji为评价对象Poj对应于评价指标ci的量值范围。由集合P(待评价)和它的n个特征ci及其将标准量值范围加以拓广的量值范围Vpi=(api，bpi)组成的物元称为节域物元。对待评价对象的评价指标取得的具体数值vi构成待评价物元。

1.3 确定指标权重系数

权重系数能量化反映各指标在水环境综合承载力评估中的相对重要程度。运用可拓学理论对流域水环境综合承载力进行评价，各指标权重对评价结果也是有很大影响的。常用的指标确定方法有熵权法[18]、层次分析法[19-20]及专家打分法[21]等。

1.4 建立关联函数，确定待评价对象属于各等级的关联度

根据可拓评价方法中关联函数的定义，确定待评价对象P第i个指标关于可靠性等级j的关联度

(2)

其中距为

(3)

(4)

计算待评价对象P的关于可靠性等级j的关联度。即

(5)

式中，wi为待评价第i个指标的权重系数；Kj(vi)为待评价对象P的第i个指标关于可靠性等级j的关联度。

1.5 评定可靠性等级

若Kjo=maxKj(p)j∈(1，2，…，m)，则确定p属于状态Poj。令

(6)

则级别变量特征值

(7)

由式(7)可以看出，在多级多指标可拓评价模型中，某个评价指标的关联值数值越大，这个指标与所处评价等级的契合程度越高。依据流域各地区水环境综合承载力相对于各个评价等级的关联度，最大关联度对应的等级即为评价对象的最终评价等级。

2 基于可拓评价的广东省东江流域水环境综合承载力评估

2.1 广东省东江流域概况

广东省东江流域地处珠江三角洲东北端，位于22°38′～25°14′N、113°52′～115°52′E。流域平均气温20～22℃，属亚热带季风湿润气候区，具有明显的干湿季节，多年平均降水量为1 795 mm，地势北高南低(见图2)。东江是香港以及广州、深圳、河源、惠州、东莞等地近4 000万人口的主要水源地[22]。东江流域核心城市也是粤港澳大湾区的重要组成部分，在我国经济社会发展中具有重要的战略地位。近年来随着人口聚集、城镇化和产业升级加快，流域景观破碎化趋势明显，生物多样性下降，污染跨界转移，环境生态压力显现[23-24]，尤其是下游城市群面临着水资源短缺、水环境污染与水生态退化的严峻挑战[25-26]。国际一流湾区的建设目标对流域水资源保障、水环境质量与水生态修复提出了更高要求。

图2 广东省东江流域概况示意

研究涉及到的数据主要来源于广东省东江流域内广州、深圳、惠州、韶关、河源《统计年鉴》《环境状况公报》《水资源公报》等资料，整理得到2017年各地区原始指标数据。

2.2 基于可拓评价的广东省东江流域水环境综合承载力评估

2.2.1 评价指标分级标准

根据广东省东江流域水资源开发利用实际情况，制定了各三级评价指标的分级标准(见表1)。

表1 评价指标的分级标准

2.2.2 建立经典域、节域

根据表1所列的水资源、水环境与水生态相关三级评价指标及标准，采用极差正规化方法对评价指标进行无量纲化处理，建立物元模型经典域及其节域。

经典域

节域

2.2.3 确定权重系数

采用熵权法确定评价模型中每一层次的各个指标(即影响因素)权系数，且各权系数之和为1。按照信息论基本原理的解释，信息是系统有序程度的一个度量，熵是系统无序程度的一个度量。指标的信息熵越小，该指标提供的信息量越大，在综合评价中所起作用理当越大，权重就应该越高[27-28]。因此，可利用信息熵计算出各个指标的权重(见图3)，为多级多指标综合评价提供依据。

图3 指标权重

2.2.4 广东省东江流域水环境综合承载力多级多指标可拓评估

根据上述建立的基于多级多指标可拓评价的流域水环境综合承载力评估模型，计算得到广东省东江流域各地区二级评价因素(水资源、水环境与水生态)及水环境综合承载力可拓评价结果。

一级可拓评价结果为水环境综合承载力评价指标体系中各三级指标相对于各评价等级的关联度及其最终评价等级，二级可拓评价结果为二级评价因素相对于各评价等级的关联度及其最终评价等级。

3 结 果

3.1 一级可拓评价结果

根据式(1)～式(3)可以算出各地区各三级指标关于评价等级j的关联度kj(vi)，根据式(5)确定评价等级，一级可拓评价结果见图4。

图4 一级可拓评价结果

3.2 二级可拓评价结果

对于水资源、水环境与水生态3个二级评价因素，分别由其所属的三级评价指标权重向量与三级评价指标针对各个等级的关联度相乘，确定各地区水资源、水环境与水生态针对各个等级的关联度矩阵及其最终评价等级，如表2、3所示。

表2 水资源、水环境二级可拓评价结果

3.3 水环境综合承载力可拓评价结果

在二级可拓评价的基础上，利用式(4)将二级评价因素权重向量与其相对于各评价等级的关联度相乘，确定流域水环境综合承载力针对各个等级的关联度矩阵，得到流域各地区水环境综合承载力可拓评价结果如表3所示。

表3 水生态二级及水环境综合承载力可拓评价结果

从表2、3可知，东江流域各地区水环境综合承载力于4个评价等级的关联度各不相同，最终评价等级也不尽相同：新丰、深圳、龙门、惠阳水环境综合承载力评价等级均为Ⅰ级，说明水环境综合承载力水平最高，这些地区的水资源、水环境与水生态相较于其他地区状况良好，水资源开发利用整体较为均衡协调，因此综合评级最高。

博罗、惠州市区、惠东及河源的水环境综合承载力评价等级均为Ⅱ级，这些地区仍存在较大的水资源开发利用潜力，需要从水资源、水环境与水生态三个方面着手，统筹发展，科学开发，使得水环境综合承载力获得更高的评级。虽然上述等地区的评价等级保持在同一等级，但是变量特征值j*并不是一样的。这说明这几个地区水环境综合承载力等级是一样的，但不同地区水环境综合承载力具有不同的开发潜力的情况。

例如，博罗、惠州市区、惠东及河源的水环境综合承载力的最大关联度maxKi(p)=-0.074、-0.088、0.012及-0.17，但变量特征值j*=1.84、2.80、1.75、1.67，可以得出上述几个地区的水环境综合承载力等级均为Ⅱ级偏向于Ⅰ级，偏向程度的大小:惠州市区>博罗>惠东>河源，表明了这4个地区的水环境综合承载力处于弱压力状态下的开发潜力大小。增城水环境综合承载力评价等级为Ⅲ级，变量特征值j*=2.82，说明此地区的水环境综合承载力在整个东江流域层面上处于中等水平，总体偏向Ⅱ级评价等级。东莞水环境综合承载力评价等级为IV级，变量特征值j*=3.04，说明该地区水环境综合承载力在整个流域层面处于最低评价等级，需要根据水资源禀赋、水环境与水生态现状，采取较为适宜的水资源开发利用调控措施和策略，提升该地区水环境综合承载力水平。此外，东江流域在进行产业布局和生态空间划分时，应考虑流域内各地区水环境综合承载力水平的空间差异性，以更好地保护水资源、防治水污染以及修复水生态，促进经济社会可持续发展与资源环境保护的协调融合。

二级可拓评价结果则直观反映了流域各地区水资源、水环境与水生态的现状等级，客观上解释了上述流域水环境综合承载力水平的空间差异性。如在水环境综合承载力评价等级均为Ⅰ级的4个地区，深圳、龙门水资源评价等级均为Ⅰ级，新丰、深圳和惠阳水环境评价等级均为Ⅰ级，新丰、龙门和惠阳水生态评价等级均为Ⅰ级，这使得以上地区水环境综合承载力水平在整个流域层面最高。二级可拓评价结果也揭示了以上地区水资源、水环境或水生态方面的相对短板所在。如新丰水资源指标的评级为IV级，主要是由于其万元工业增加值用水量较高，提高用水量效率是其提升水资源指标评级的关键所在；深圳水资源、水环境等级均为Ⅰ级，水生态等级为Ⅱ级，仍有提升空间；惠阳和龙门则分别在水资源、水环境评级提升方面有潜力可挖掘。水环境综合承载力评价等级为Ⅱ级的4个地区中，惠州市区水资源评级为IV级，主要是受到可利用水资源总量小的制约，可通过开源节流，水资源科学调度及提高用水效率等措施，来实现水资源评级的提高；河源水资源总量较大，人口密度小，水资源评级高，但其水环境评级为Ⅲ级，主要是受到城市生活污水处理率、万元工业增加值废水排放量的影响。因此，相较于水资源评级，河源在水环境评级提升方面仍有较大空间。惠东与博罗水生态评级均为Ⅰ级，水资源、水环境评级均为Ⅱ级，水资源、水环境与水生态现状总体上较为均衡，在保障水资源供给、提升水环境质量方面仍有提升空间。增城与东莞水环境综合承载力评级分别为Ⅲ级与IV级，是东江流域10个评价单元里面评级位列最后的两个地区。其中，增城水资源、水生态评价等级均为Ⅲ级，表明其在保障城市水资源有效供给、提升生态环境质量方面具有较大潜力；东莞水资源、水环境评级均为Ⅱ级，而水生态评级为IV级。这主要是受到全市森林覆盖率较低、生态用水量大且难以保证、水功能区达标率低等影响，使得东莞水环境综合承载力相对于整个东江流域而言处于较低的评价等级。这也表明，提升水生态空间管控能力、保障城市生态安全是重点。

由上述可知，在广东省东江流域水环境综合承载力多级多指标可拓评估中，水环境综合承载力的3个二级评价因素的二级可拓评价结果反映了流域各地区水资源、水环境与水生态现状的评级水平，解释了流域水环境综合承载力等级的空间差异性及其主要原因；进而为流域各地区水资源、水环境与水生态的差异化管控和精准施策提供了科学依据。

4 结论与讨论

(1)基于可拓决策理论，建立流域水环境综合承载力的多级多指标可拓评价模型。该模型体系中每一级别又分多个评价指标作为评价的出发点，通过对水环境综合承载力中水资源、水环境与水生态3个二级评价因素进行系统分析，计算其与各状态等级的关联度，确定水环境综合承载力总体评价等级；进而揭示了流域水环境综合承载力等级的空间差异性及其主要原因，为流域各地区水安全的差异化管控和精准施策提供了基础。

(2)基于多级多指标可拓评价的广东省东江流域各地区水环境综合承载力等级评估表明，新丰、深圳、龙门、惠阳水环境综合承载力评价等级均为Ⅰ级，博罗、惠州市区、惠东及河源为Ⅱ级，增城为Ⅲ级，东莞为IV级。

(3)在水环境综合承载力可拓评价过程中，引入了级别变量特征值，充分反映了可靠程度与等级的距离，克服了传统的跳跃式评级缺点，实现了评级的连续化，使得更精确地采取合理的水环境综合承载力提升措施成为可能。

在本研究构建的流域水环境综合承载力的多级多指标可拓评价模型中，评价指标的选定及其权重的确定方法对评价结果影响较大，今后应根据流域水资源开发利用的阶段性特点，考虑流域内水资源、水环境与水生态的区域差异性，适当地调整并完善水环境综合承载力评价指标体系，适宜地确定指标权重，以使得评价结果更加合理和具有时效性。