湖南省及洞庭湖区重点城市水环境承载力研究

第33卷第10期经济地理Vol.33，No.10

湖南省及洞庭湖区重点城市水环境承载力研究

2

李姣1，，严定容2

（１．湖南师范大学商学院，中国湖南长沙４１００８１；２．湖南师范大学数学与计算机学院，中国湖南长沙４１００８１）

摘要：从资源、环境、经济和社会四个方面构建了水环境承载力评价指标体系，采用层次分析法和熵值法进行主客

观联合赋权；在此基础之上，利用灰色物元分析法分别对2003—2010年湖南省整体和洞庭湖区8个重点城市的水环境承载力进行了综合评价。研究结果表明：近10年来湖南省水环境承载力总体未得到有效改善；研究区域中除益阳外，其他城市的水环境承载力水平普遍较低。依据研究结论提出了相应的政策建议。关键词：水环境承载力；层次分析法；熵值法；灰色物元分析；湖南省；洞庭湖区中图分类号：TV213.4文献标识码：A文章编号：1000-8462（2013）10-0157-06

WaterEnvironmentalCarryingCapacityofHunanProvinceand

theKeyCitiesintheDongtingLakeArea

LIJiao，YANDing-rong

（1.CollegeofCommerce,HunanNormalUniversity，Changsha410081,Hunan,China;

2.CollegeofMathematicsandComputerScience,HunanNormalUniversity，Changsha410081,Hunan,China）Abstract:PuttingforwardaWECC(WaterEnvironmentalCarryingCapacity)evaluationindexsystemincludingfour

elements,thatis,resources,environment,economyandsociety,andusingtheAHPandentropymethodforjointempowermentaswellasexploitingGraymatterelementanalysis,thepaperrespectivelyinvestigatestheWECCofHunanProvinceaswellasof8keycitiesintheDongtingLakeAreaduring2003-2010.TheresultsrevealthattheoveralllevelofWECCinHunanProvincehasnotbeenefficientlyimprovedinthepastfewyears;moreover,exceptforYiyang,theWECCof7keycitiesintheDongtingLakeAreaisnotasgoodasexpected.Somecorrespondingpolicyrecommendationsarepresentedaccordingtotheresults.

Keywords:waterenvironmentalcarryingcapacity；AHP；entropymethod；Graymatterelementanalysis；HunanProvince；theDongtingLakeArea

水不仅是宝贵的自然资源，也是重要的环境因素。随着人口增长和社会经济的发展，水资源短缺和水环境恶化已成为全球性的严峻问题。在我国，因社会经济规模过大、生产布局不合理和环境保护措施不得力等引起的水环境问题日益突出，成为区域可持续发展的制约因素。

本文在水环境承载力（WaterEnvironmentalCarryingCapacity，WECC）定义的基础之上，建立区域水环境承载力评价指标体系，确定该区域水环境承载力水平，提出改善该区域水环境承载能力的建议，以促进水环境与社会经济的协调发展。水环境承载力是协调区域经济、社会、环境复合生态系统可持续发展的重要依据，具有重要的理论研究意义与实践价值。

水环境承载力是承载力概念与水环境领域的自然结合。广义水环境承力，是指在某一时期、某种状态下，某区域水环境对人类活动的支持能力；狭义水环境承载力是指一定水域内的水体能够被继续使用、且仍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[1]。美国的URS公司对佛罗里达Keys流域的承载能力进行了研究，内容包括承载力的概念、研究方法和模型量化手段等方面[2]。

我国水环境承载力的研究始于1990年代，代表性成果主要包括：贾振邦等提出水环境承载力体现的是水环境与人类社会经济活动之间的关系，并运用指标体系评价法，借助归一化后的向量模对本

收稿时间：2013-05-29；修回时间：2013-07-28

基金项目：国家国际科技合作专项项目（2012DFB30030）；湖南省研究生科研创新基金项目（CX2012B214）作者简介：李姣（1974—），女，湖南长沙人，讲师。主要研究方向为资源与环境经济学。E-mail：[email protected]。

158经济地理第33卷

溪市水环境承载力进行评价[3]。郭怀成等提出了城市水环境与可持续发展的研究方法，并以山东省临淄市为例，建立了水环境系统动态预测模型[4]。崔凤军针对城市具体的“社会—经济—环境”系统特征，采用系统研究方法分析了城市水环境承载力的概念、实质、功能及定量表达方法[5]。蒋晓辉等从水环境、人口、经济发展之间的关系入手，采用大系统分解法—协调的思路，将整个系统按照其功能分解为若干子系统来进行研究[6]。李如忠等以水环境承载力概念的模糊性和评价指标的多样性特点为基础，建立了基于欧氏贴近度的区域水环境承载力评价模糊物元分析模型[7]。王俭等在分析水环境承载力概念及人工神经网络技术基础之上，从阈值角度出发，建立了基于人工神经网络的区域水环境承载力评价模型[8]。赵卫等为估算辽宁省辽河流域的水环境承载力，建立了水环境承载力多目标规划模型[9]。

化后第j个事物第i项评价参数相应的关联系数ξij的灰数白化值，可用下式计算：

(ξ)=，⊕i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n（1）ij

ijmax

'-⊕'，'为无量纲化后第i式中：Δ=⊕其中⊕

ij

个指标的最大值；Δmin与Δmax分别表示前式中绝对差值Δij的最大值和最小值；ρ为分辨系数，通常取ρ=0.5。

|

i0ij

|

i0

②计算关联度

r为第j个评价对象相对于最优评式中：关联度⊕j

r=w⊕⊕j∑i(ξij)

mi=1

（2）

价标准的加权灰元关联系数；wi为每个评价指标相应的权重，由下面的层次分析法与熵值法联合确

定。关联度越高，说明承载力水平就越高。1.2.3层次分析法

层次分析法是通过构建一个层次结构模型，把决策的思维过程数学化，从而为求解多目标的复杂决策问题提供一种简便的决策方法[11]。用层次分析法确定权数的步骤为：两两比较，构建判断矩阵A；计算判断矩阵A的最大特征值λmax和最大特征值对应的特征向量，并将特征向量归一化；对判断矩阵A进行一致性检验。1.2.4熵值法

在信息论中，熵值反映了信息无序化程度，其值越小，系统无序度越小，故使用熵值法能尽量消除各指标权重计算的人为干扰，使评价结果更符合实际[12]。其计算步骤如下：

①根据熵的定义，对于n个评价事物m个评价指标，可确定评价指标的熵为

'

ænöijHi=-fijlnfij÷其中fij=n（3）ç∑èj=1'ø

1＋⊕ij

j=1

1本文的模型和方法

1.1基于灰色物元分析的综合评价方法

由于水环境评价系统的复杂性，为了对水环境承载力进行准确评价，在灰色物元分析的基础上，本文综合了熵值法和层次分析法，对水环境承载力进行综合评价。灰色物元分析是在灰色系统理论的基础上，结合物元分析概念提出的一种新方法[10]。该方法既考虑了参数本身的灰色性，又考虑了参数之间的不相容性，能够更好地满足对水环境承载力精确评价的要求。由于每个指标对水环境承载力的影响程度是有差异的，即指标间的重要程度是不同的，而灰色物元分析一般采用等权平均，所以本文对灰色物元分析中的赋权加以改进，将层次分析法和熵值法集成入灰色物元分析，进行主客观联合赋权，使分析结果更加客观科学。1.2综合评价方法的主要内容

1.2.1无量纲化处理。若水环境承载力评价样本n有m项评价指标，则第j个样本第i项评价指标所对

（i＝1，应的灰数白化值可表示为⊕2，…，m；j＝1，

ij

()

②计算评价指标的熵权W

W=(ωi)1×m

m-Hi

mi=1

（4）

2，…，n），从而构成一个复合灰色物元。但为消除各评价指标的量纲和统一各评价指标的变化范围，在建模前对评价指标进行无量纲化处理。无量纲化处理后的指标值都落在［0，1］区间内，且经无量纲化处理后的指标值越大，承载力水平就越高。1.2.2关联分析

(ξ)表示无量纲①构造关联系数灰元。若以⊕

ij

ωi=式中：

i

，且满足∑ωi=1。

mi=1

2湖南省及洞庭湖区重点城市水环境承载

力的综合评价

2.1水环境承载力指标体系的构建

科学合理的水环境承载力指标体系，是对水资

第10期李姣，严定容：湖南省及洞庭湖区重点城市水环境承载力研究159

源进行合理开发与管理的关键，关系到湖南省构建

“资源节约型、环境友好型”社会的成败。本文遵循综合性、层次性、协调性及可操作性的原则，建立水环境承载力指标体系，以反映“资源—环境—经济—社会”的发展规模与质量。由于影响区域水环境承载能力的因素很多，综合评判指标体系要求能从不同角度、不同层面客观反映区域水环境承载能力。借鉴以往研究成果[13-19]，本文以水环境承载力为目标，从资源、环境、社会、经济四个准则层面来构建水资源承载力评价指标体系（表1）。2.2湖南省水环境承载力的综合评价

2.2.1数据来源和无量纲化处理。本文整理了2004—2011年《湖南省统计年鉴》、《中国统计年鉴》、《中国环境统计年鉴》和2003—2010年《湖南省水资源公报》，得到2003—2010年湖南省水环境承载力指标体系中除“高新技术产业占工业总产值

的比重”的15个指标的值，并利用以2003年为100

的CPI对人均GDP、万元工业增加值用水量和万元GDP用水量进行了消除价格影响的处理。根据公式对数据进行无量纲化处理，处理后的数据见表2。2.2.2主客观联合赋权。单一的赋权方法要么过于主观，易受评价者个人偏好的影响；要么过于客观，与一般认识相左。因此，本文采用主客观联合赋权法，即先利用层次分析法对水环境承载力各评价子系统赋权，确定各子系统的相对重要程度，再利用熵值法分别计算每个子系统内各指标的权重。

首先，本文将资源、环境、经济和社会子系统对水环境承载力的重要程度进行两两比较，认为资源与环境比经济和社会子系统稍微重要，故采用常用的1—9标度方法建立如下判断矩阵，得到各子系统权重（表3）。

其中λmax=4，则CI＝0，由于RI＝0.90，得CR＝

表1水环境承载力指标体系

Tab.1TheindexsystemoftheWECC

目标准则指标指标计算方法指标选取意义承载力的

关系

人均水资源量x1水资源总量/总人口反映区域水资源丰、缺情况和发展潜力水资源开发利用率x2/%用水量/水资源可利用量反映水资源开发利用水平－

32

资源B1单位面积平均降水量x3/万m/km年平均降水量/区域面积反映水资源量的多少+

3

水田实灌亩均用水量x4/m/亩水田实灌用水量/水田面积反映农业灌溉发展水平－地下水开采率x5/%地下水开采量/地下水资源量反映地下水的开采程度－水

生态环境用水率x6/%生态环境用水量/总用水量反映生态环境对水资源的需求+

环

污径比x7/%平均废污水排放量/平均径流反映区域经济发展与水资源协调状况

－境环境B2及水体污染程度

承污水处理率x8/%污水处理量/污水排放总量反映污水排放对环境的影响+

工业废水排放达标率x9/%工业废水达标量/工业废水排放量反映工业废水对环境的影响+载

人均GDPx10/元/人GDP总量/总人口反映区域经济发展水平+

力3

万元工业增加值用水量x11/m/万元工业用水量/工业增加值反映工业用水水平－

经济B33A万元GDP用水量x12/m/万元GDP用水量/GDP反映生产用水水平－

高新技术产业占工业总产值比重x13/%高新技术产业产值/工业总产值反映科技化水平+

2

人口密度x14/人/km总人口/区域面积人口越稠密，水资源需求量越大－

社会B4城镇化率x15/%城镇人口/总人口反映城市化水平－

人均日生活用水量x生活用水总量/总人口/365反映居民的节水观念－

Tab.2

表22003—2010年湖南省水环境承载力无量纲化矩阵

ThedimensionlessmatrixoftheWECCinHunanProvincefrom2003to2010

1.000.120.000.460.001.000.000.000.000.000.001.001.000.180.620.240.670.690.760.230.270.090.030.210.920.800.000.330.360.860.790.680.290.710.180.180.360.840.640.000.620.621.000.820.650.330.850.290.570.510.750.470.180.030.600.220.850.190.410.720.440.410.650.670.290.180.370.740.570.930.330.520.890.600.800.790.570.12指标

人均水资源量/m水资源开发利用率/%

单位面积平均降水量/万m3/km2水田实灌亩均用水量/m3/亩地下水开采率/%生态环境用水率/%污径比/%污水处理率/%

工业废水排放达标率/%人均GDP/元

万元工业增加值用水量/m3/万元万元GDP用水量/m3/万元人口密度/人/km2城镇化率/%

人均日生活用水量/L

0.240.000.800.001.000.000.670.830.760.820.890.440.010.121.001.000.800.840.271.001.001.001.001.000.000.00

160经济地理第33卷

Tab.3

表3A-B判断矩阵及权数表

ThetableofA-Bjudgmentmatrixandweights

资源子系统11/2环境子系统11/2经济子系统21社会子系统21权数0.33300.1667水环境承载力资源子系统环境子系统经济子系统社会子系统

0＜0.1，即通过一致性检验，结果可以接受。

然后计算各子系统内各指标的权重，运用熵权法公式（3）和（4）得到各子系统的权重分别为：w1=(0.2104，0.2192，0.2238，0.1700，0.1766)

w2=(0.2051，0.2901，0.2458，0.2590)

w4=(0.2348，0.4033，0.3619)w3=(0.3285，03819，0.2896)

TT

T

T

最后将各子系统的权重分别与每个子系统内指标权重相乘，即得到每个指标占总系统的权重为：

w＝（0.0701，0.0730，0.0746，0.0566，0.0588，

0.0682，0.0966，0.0818，0.0862，0.0549，

T

0.0638，0.0484，0.0392，0.0674，0.0604）

由表4和图1可以看出，除2010年外，2003—2009年湖南省水环境承载力整体变化不大，没有较为明显的改善。而2010年的突增是由当年的资源子系统承载力的大幅度提高所引起的，2010年，湖南省平均降水比常年偏多13.0%，地表水比常年偏多12.9%。8年来，水环境承载力资源子系统表现得非常不稳定，时高时低；环境子系统则低速稳步增长，虽然2003—2010年的污径比在不断增大，但是污染治理力度扩大，促使生活污水处理率和工业废水达标率迅速提高；8年间，湖南省经济发展状况良好、稳定，上升速度几乎呈直线型，这为制定提高湖南省水环境承载力的策略提供了坚实的经济依托；水环境承载力社会子系统表现为不断下降，这主要是归咎于湖南的人口压力越来越大。2.3重点城市水环境承载力的综合评价

2.3.1数据来源和无量纲化处理。湖南省洞庭湖区重点城市（长株潭城市群、衡阳、岳阳、常德、益阳、娄底）水环境承载力的数据是根据2011年《湖南统计年鉴》和2010年《湖南省水资源公报》整理而来。加上湖南省与全国两个对比样本，共10个样本。其中湖南省是指湖南平均水平，全国是指全国平均水平，数据来源于2011年《中国统计年鉴》。考虑数据的尽量较新和可获得性，立足于湖南省内的实际情况，在研究城市群的水环境承载力中，本文选择2010年为时间点，并去掉了指标体系中的地下水开采率、工业废水排放达标率和万元GDP用水量。由于指标都进行了无量纲化处理，且权重之和为1，因此此时的综合评价仍然合理、有效。根据对数据进行无量纲化处理，处理后的数据见表5。2.3.2主客观联合赋权。利用层次分析法对水环境承载力各评价子系统赋权与上文相同。

然后计算每个子系统内各指标的权重，运用熵权法公式（3）和（4）得到各子系统的权重分别为：

w1=(0.2960，0.2361，0.2853，0.1826)

w2=(0.3963，0.3595，0.2442)w4=(0.3796，0.3137，0.3067)

0.62450.48710.56460.54740.49960.55680.64150.66040.54890.64360.74200.5482T

T

2.2.3基于关联分析的湖南省水环境承载力综合评价。本文取分辨系数ρ=0.5，利用公式（1）计算得到关联系数灰元。将权重w1、w2、w3、w4和w分别代入公式（2），得到水环境承载力各子系统和复合总系统中每个评价样本相对于评价标准的关联度，从而

得到评价结果。

图12003—2010年湖南省水环境承载力趋势图Fig.1ThetrendgraphoftheWECCinHunanProvince

from2003to2010

Tab.4

w3=(0.3213，03151，0.3636)

TT

年份

资源子系统环境子系统经济子系统社会子系统水环境承载力

0.52670.33330.7588表42003—2010年湖南省水环境承载力指数

TheindexoftheWECCinHunanProvincefrom2003to2010

0.52600.35970.61560.58600.39650.57140.77881.00000.5746

第10期李姣，严定容：湖南省及洞庭湖区重点城市水环境承载力研究161

最后将各子系统的权重分别与每个子系统内

指标权重相乘，即得到每个指标占总系统的权重为：

w＝（0.0987，0.0787，0.0951，0.0609，0.1321，

0.1198，0.0814，0.0535，0.0525，0.0606，

T

0.0633，0.0523，0.0511）

2.3.3基于关联分析的水环境承载力综合评价。根据与上文相同的方法，得到以下结果：

①水环境承载力资源子系统评价分析。从表6的关联度可看出株洲和益阳的水资源富饶程度排名第一和第二，且差别很小，紧跟其后的为湖南省、常德、全国、岳阳和娄底，排名最后三位的为长沙、湘潭和衡阳，水资源相对短缺。一方面，这三个城市的平均人均水资源量为1652.44m3，远远低于株洲、湖南平均和全国平均的3448.19m3、2902.54m3和2310.40m3。另一方面，这三个城市的平均水资源开发利用率为39.97%，相当接近国际公认的水资源开发利用程度的警界线40%，并远远高于益阳、湖南平均和全国平均的19.3%、19.3%和19.5%。

②水环境承载力环境子系统评价分析。对由生态环境用水率、污径比和污水处理率构成的水环境

承载力环境子系统进行评价，评价结果见表6。长沙

表现最优，益阳次之，随后的全国、娄底和常德表现相当，排名最末的是衡阳和湘潭。其中，除长沙和全国平均生态环境用水率分别为2.50%和1.99%外，株洲生态环境用水率仅为1.32%，其他城市不足1%。生态环境补水的严重不足，极大地损害城市的可持续发展。另外，衡阳的污水处理率仅为63.83%，比长沙90.80%的污水处理率低太多。

③水环境承载力经济子系统评价分析。经济是地区发展的动力，也是水环境保护的有力支撑，高新技术产业的发展更是节水减排的重要途径。从表6中可以看出，仅长沙经济实力高于全国平均水平，而水环境承载力所需的经济支撑只有长沙、株洲和湘潭高于湖南省平均水平，其余5个城市均比湖南省平均水平低。

④水环境承载力社会子系统评价分析。水环境承载力的社会压力主要体现在人口密度、城镇化率和人均日生活用水量上，其中又以人口密度的权重最高、影响最大。全国平均人口密度为139.68人/km2，而湖南省、长沙、株洲、湘潭和衡阳分别为全国平均的2.22、4.26、2.45、3.94和3.35倍，人口相当稠

Tab.5

表52010年湖南省洞庭湖区重点城市水环境承载力无量纲化矩阵

ThedimensionlessmatrixoftheWECCinthekeycitiesintheDongtingLakeAreain2010

长沙0.340.820.361.000.001.001.001.001.000.000.00株洲0.871.000.270.430.750.640.340.510.740.560.37湘潭0.000.870.310.100.070.680.310.280.660.100.54衡阳0.630.630.310.070.810.000.070.340.230.280.71岳阳0.720.870.740.240.770.410.240.500.080.500.66常德0.730.790.860.001.000.400.200.340.200.620.88益阳1.000.920.870.141.000.880.000.000.000.540.85娄底0.790.920.000.260.920.640.020.070.470.281.00湖南1.000.780.490.270.820.410.160.430.390.630.75全国0.990.001.000.750.740.500.270.820.781.000.54指标

人均水资源量/m水资源开发利用率/%

单位面积平均降水量/万m3/km2水田实灌亩均用水量/m3/亩生态环境用水率/%污径比/%污水处理率/%人均GDP/元

万元工业增加值用水量/m3/万元高新技术产业占工业总产值比重/%人口密度/人/km2城镇化率/%

人均日生活用水量/L

Tab.6

城市长沙株洲湘潭衡阳岳阳常德益阳娄底湖南全国

资源子系统排名

1（0.843）9（0.489）10（0.479）6（0.637）4（0.660）2（0.797）7（0.603）3（0.712）表6湖南洞庭湖区重点城市水环境承载力排名

TherankingoftheWECCofthekeycitiesintheDongtingLakeArea

环境子系统排名

6（0.566）10（0.416）9（0.480）8（0.515）5（0.603）2（0.701）4（0.610）7（0.538）经济子系统排名

3（0.537）4（0.480）9（0.392）6（0.413）7（0.398）10（0.333）8（0.394）5（0.430）社会子系统排名

9（0.482）8（0.511）7（0.588）6（0.589）3（0.721）2（0.746）4（0.639）5（0.598）水环境承载力排名

4（0.638）10（0.466）9（0.482）8（0.550）5（0.607）1（0.669）7（0.576）6（0.588）注：括号内为相应的关联度。关联度是指评价对象相对于最优评价标准的关联系数，本文的最优评价标准选定为最优属性指标所构成的数据

列。关联度越高，说明承载力水平就越高。

162经济地理第33卷

密，人口压力很大。另外，长沙和株洲的人均日生活用水量为364.24L和266.32L，均高于全国平均和湖南平均的171.40L和220.40L，体现出居民节水意识较弱，需加大节约用水的管理力度。

⑤水环境承载力综合评价分析。结合资源、环境、经济和社会四个子系统，对水环境承载力进行综合评价，可得到如下评价结果：益阳和全国的水环境承载力综合排名最高，长沙、株洲和常德虽位列其后，却低于全国、高于湖南省平均水平。水环境综合承载力相对较差的城市是娄底、岳阳、衡阳和湘潭。从表6中可以看出，虽然湖南水资源相对充沛，湖南省资源子系统排名比全国平均水平高，但其环境保护力度、经济水平都不如全国平均水平，且社会压力远远大于全国平均水平，导致湖南平均水环境承载力低于全国平均水平。

和可持续性。

最后，湖区重点城市要因地制宜，根据自身的水环境特点，确定水环境承载力瓶颈，制定相应的管理策略。如长沙和株洲应着力于降低人口压力，减轻由人口导致的水环境负担；常德和益阳需大力发展经济，为水环境的协调可持续发展提供强劲的经济依托；而湘潭和衡阳等城市在水环境承载力的各子系统排名均相对较低，因此应注重各方面的协同发展。参考文献：

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3结论与建议

从上述分析可知，2003—2010年湖南省总体水

环境承载力未得到有效改善，提高水环境承载力的任务仍然任重而道远。除益阳外，湖南省洞庭湖区8个重点城市的水环境承载力水平也都不高。在权重确定中，影响水环境承载力大小的重要因素分别为污径比、工业废水达标率、生态环境用水率、人均水资源量、水资源开发利用率、人口密度和污水处理率。针对上述情况，在提高湖南水环境承载力的过程中，可以采取以下措施：

首先，抓好水质污染的防治，加快污水处理设施建设和提标改造，不断提升污水处理能力。同时进一步强化市场经济体制下的环境经济手段，尽快提高排污费标准，使之高于污染治理成本。

其次，提高用水效率，减少水消耗。各重点城市应有组织地推行节水、高效的农灌技术，完善农业用水管理措施，尽快改变农业生产大量耗水的局面。制定单位产品用水定额和水重复利用率等考核指标，建立工业用水考核制度；明确规定冷却水及工艺用水等工业废水必须循环利用和再生利用；大力发展水的闭路循环使用，最大限度地减少废水排放量。

再次，注重湖区水环境和经济社会的平衡发展。因地制宜建设卫星城与小城镇，缓解中心城市规模过大与资源环境承载力有限之间的内在矛盾。具体来讲，在区域经济优化布局、产业结构调整与升级、城市扩张和建设过程中，充分考虑当地的资源环境承载能力，做到发展规划的前瞻性、科学性