大庆地区水环境承载力计算分析与评价
第41卷 第2期2009年2月
哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报
J OURNAL OF HARBI N I NSTI TUTE OF TECHNOLOGY
Vo l 41N o 2Feb. 2009
大庆地区水环境承载力计算分析与评价
樊庆锌, 于 淼, 徐东川, 任南琪
2. 南京理工大学国际教育学院, 南京210094)
1
2
1
1
(1. 哈尔滨工业大学市政环境工程学院, 哈尔滨150090;
摘 要:为探索科学、合理、可持续开发和保护水资源的有效途径, 实现水资源有效、安全利用, 对大庆地区水环境承载力进行分析与评价. 针对大庆地区水环境现状建立合适的水环境评价指标体系, 应用各评价指标承载度模型计算得出各评价指标承载度, 各评价指标承载度通过水环境承载力模型进行综合计算, 得出大庆地区水环境承载力. 分析大庆地区水环境承载力现状以及动态变化趋势, 找出影响大庆地区水环境承载力的主要因素. 结果表明, 大庆地区水环境承载力较低并呈现逐年降低的趋势, 主要是水资源短缺、水资源利用率过大造成的. 关键词:大庆; 水环境; 水环境承载力; 评价指标
中图分类号:X 820 2文献标识码:A 文章编号:0367-6234(2009) 02-0066-05
Co mputi ng anal ysis and eval uati on of water environ m ent
carrying capacity i n Daqing area
FAN Q i n g x in , YU M iao , XU Dong chuan , RE N Nan qi
1
2
1
1
(1. Schoo l o fM unic i pal and Env ironmenta l Eng i neer i ng , H arbi n Institute o f T echno l ogy , H arb i n 150090, China ; 2. Schoo l of Internationa l Educati on , N an ji ng U n i versity o f Sc i ence and T echnology , N anji ng 210094, Ch i na)
Abst ract :In order to explore scientific , reasonable and sustainab le w ays to develop and protect w ater re sources effecti v e l y and i m p le m ent the effective and sa fe utilization of w ater resources , t h e w ater env ironm en t carrying capac ity i n Daq i n g area w as ana l y zed and eva l u ated . A suitab l e eva l u ation i n dicator syste m w as estab
lished acco r d i n g to the present stat u s o f the w ater env ironm ent i n Daqi n g area . The carry i n g deg ree o f each e va l u ation indicator w as obtained t h rough t h e ca lculati o n of the established m ode. l The w ater env ironm ent carry i n g capac ity w as obtained through the calcu lati o n of the w ater env ironm ent carrying capac ity m ode. l The m a i n facto rs i n fl u enci n g the w ater env ironm ent carry i n g capacity w ere found through the analysis o f the present status and dyna m ic chang i n g tendency o f the w ater env iron m ent carry i n g capacity i n Daq i n g area . Results indicate t h at the w ater env ir onm ent carr y ing capacity is relatively lo w and decreasesw ith ti m e in Daqi n g area , w hich is caused by shortw ater resources and h i g h u tilizati o n rati o ofw ater resources . K ey w ords :Daq i n g ; w ater env ironm en; t w ater env iron m ent carrying capacity ; eva l u ation i n d icator 水环境承载力(WECC) 是承载力概念与水环境领域的自然结合, 国外有关水环境承载力的专门研究尚处于初始阶段, 未建立统一和成熟的方法. 国外的相关研究往往将水环境作为一个孤立的体系, 未从各要素相互联系、相互制约的角度研究水环境承载力, 针对区域地理、气候和经济发展
研究水环境承载力的报导相对较少. 国内水环境
承载力的理论和实践研究目前尚处于探索阶段, 对水环境承载力的内涵、特征、变化关系和量化表征等尚未见较为系统的报导. 1997年, 唐剑武等给出了水环境承载力的概念, 并将水环境承载力的研究用于水域纳污能力、水环境容量、水环境价值与效益核算等方面. 但水环境承载力的科
收稿日期:2007-02-10.
作者简介:樊庆锌(1962 ), 男, 博士研究生, 副教授;
(, , [1]
学定义、研究理论与方法, 目前学术界尚未达成共
[2]
识. 汪恕诚部长定义的水环境承载能力指的是
第2期樊庆锌, 等:大庆地区水环境承载力计算分析与评价
67
一个水域的区域环境质量, 即水域系统生态健康, 有自净能力, 它的承载力就强, 就是一个运转良好的水域系统. 崔树彬认为, 水环境承载能力就是通常意义上的 水环境容量 , 水环境(水体) 的纳污能力 或 水环境容许污染负荷量 等. 水环境承载力的研究对控制环境污染有积极意义, 但针对地域环境特点从多角度论述水环境承载力
[4]
的研究相对较少.
进行大庆地区水环境承载力现状、动态变化评价, 探索科学、合理、可持续开发利用和保护水资源的有效途径, 实现水资源有效、安全利用, 对大庆地区经济持续发展以及人民生活水平不断提高具有重要意义
[5]
[3]
基于水环境承载力定义, 根据选取的相关指标进行模型计算, 得出各指标的承载度, 再加权计算出大庆地区水环境承载力的值, 从而进行水环
境承载力综合评价.
根据上述总体计算思路, 采用层次分析法结合 模加和 方法对水环境承载力进行综合评价, 即
|E |=
[8]
m
i=1
(Wi *E i
)
2
1/2
. (1)
式中:E 为大庆地区水环境总承载力的大小; W i 为第i 个指标承载度的权重; E i 为第i 个指标承载度的数值; m 为指标的数目.
评价的工作主要集中在各指标权重的确定和指标承载度的计算. 指标权重的确定应该根据该指标对水环境承载力影响程度的大小来确定, 本论文采用的是层次分析法来确定指标的权重. 对于指标承载度, 首先要确定每个指标的标准值范围, 然后确定模型进行计算. 2 2 权重的确定
由于水环境承载力的生态、人口、经济各要素还包括若干分要素, 实际组成要素是分层次构成
[9]
的多要素, 因此, 权重的确定采用层次分析法或灰色层次分析法较为适宜
[10]
. 本文针对大庆地区水环境现
状, 建立了合适的水环境评价指标体系. 应用各评价指标承载度模型计算得出各评价指标承载度, 将计算得到的指标承载度带入到水环境承载力模型中进行计算得到大庆地区水环境承载力.
1 大庆地区水环境承载力评价指标的选取
影响区域水资源承载能力的因素很多, 涉及到
[6]
水资源系统的各个方面, 确定综合评判指标体系要求能从不同方面、不同角度、不同层面客观地反映区域水资源条件、开发利用状况、供需关系及生态环境等方面. 本文根据水环境承载力评价指标体系建立的基本原则, 通过全面分析水资源承载能力的各影响因素, 参照全国水资源供需平衡分析中的指标体系和其他水资源一些评价指标体系及其标准, 根据大庆市社会经济发展状况和水资源利用的实际情况, 最终确定了水资源利用率、人均水资源量、人均供水量、人均GDP 、工业废水达标率、工业废水重复用水率、城镇生活污水处理率、城镇恩格尔系、农民人均纯收入等9个主要因素, 组成大庆市水资源承载力综合评价的指标体系.
[7]
.
层次分析法是由美国运筹学家萨蒂(Saaty . A. L) 提出的一种著名决策方法. 灰色层次分析法是由灰色系统理论与层次分析法结合形成的一种灰色决策方法. 二者的差别只是后者在前者的基础上加入了灰色理论的思想, 但基本方法相近, 本文用层次分析法计算各个承载因子的权重.
1) 按照选取的指标体系, 将水环境承载力和各指标用字母代表
水环境承载力A, 各指标P. 其中:水资源利用率P1, 人均水资源量P2, 人均供水量P3, 人均GDP(美元) P4, 工业废水达标率P5, 工业废水重复用水率P6, 城镇生活污水处理率P7, 城镇恩格尔系数P8, 农民人均纯收入P9.
2) 构造A -P 判断矩阵
判断矩阵的标度及其含义, 见表1.
2 大庆地区水环境承载力计算分析
2 1 总体计算分析思路
表1 判断矩阵的标度及其含义
标度135792, 4, 6, 8倒数
含义
和两个因素相比, 具有同样重要性
和两个因素相比, 一个因素比另一个因素稍为重要和两个因素相比, 一个因素比另一个因素明显重要和两个因素相比, 一个因素比另一个因素强烈重要和两个因素相比, 一个因素比另一个因素极端重要
上述两相邻判断的中值
因素i 与j 比较的bij, 则因素j 与i 比较的判断bj i =1/bij
68 哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第41卷
在综合考虑各评判指标对水资源承载力影响程度的大小, 及不同指标之间的交叉性基础上,
A P1P2P3P4P5P6P7P8P9
P111/31/31/31/51/51/51/71/7
P231113/53/53/53/73/7
P331113/53/53/53/73/7
P431113/53/53/53/73/7
参照全国水资源评价标准, 结合大庆市水资源开发利用的实际情况, 构造A-P 判断矩阵, 见表2.
P555/35/35/31115/75/7
P655/35/35/31115/75/7
P755/35/35/31115/75/7
P877/37/37/37/57/57/511
P977/37/37/37/57/57/511
表2 A-P 判断矩阵
3) 权重计算确定
权重的确定包括两个方面:特征向量的计算和一致性检验. 本文用方根法计算特征向量, 将判断矩阵每一列归一化, 随后对按列归一化的判断矩阵进行开方计算, 并将所得向量进行归一化处理求得特征向量
W =[W1, W 2, , W n ](0 33, 0 12, 0 12, 0 12, 0 07, 0 07, 0 07, 0 05, 0 05) . 用特征向量乘以原矩阵得出矩阵的权向量 i =(3 16, 1 0533, 1 0533, 1 0533, 0 632, 0 632, 0 632, 0 4514, 0 4514) , 最大特征值 m =8 996.
则CI =( 0036CR =m -n) /(n -1) =-0C I /RI =-0 0036/1 45=-0 00031
表3 不同n 值下R I 取值
n 12345
R I 0. 000. 000. 580. 901. 12
n 6789
R I 1. 241. 321. 411. 45
A
T
T
承载度从0增加到某个值后, 随着x 的继续增加,
y 的增加越来越小, 即d y /dx 为x 的减函数. 常见函数中对数函数、指数小于1的幂函数等符合这个要求, 但是由于对数函数关系比较简单, 适于单纯指标计算, 本文选取了对数函数. 在确定各指标承载度具体计算模型时, 参考了国际公认的指标值、我国发布的 全国人民小康生活水平的基本标准 以及近年来我国社会人口和经济发展的实际状况, 听取了专家的意见, 最终确定了各指标承载度核算标准, 并在此基础上通过计算得出各指标承载度计算模型的参数, 具体结果见表5.
表4 指标权重结果
指标P1P2P3P4P5P6P7P8P9
权重W W W W W W W W W
123456789
权重值0 330 120 120 120 070 070 070 050 05
通过计算, 最后可得到各判断矩阵的特征向量即各个指标的权重, 见表4.
2 3 指标承载度计算分析
在整个评价工作中, 最重要并且最难的是指标承载度的计算. 运用文献[11, 12]中提出的水环境承载力计算模型, 指标承载度的计算模型采用的是对数函数:
y =a +b lg x.
式中a 和b 为模型中的参数.
在选取指标承载度的计算模型时, 借鉴了水安全度的计算模型. 以正向指标(越大越好的指标x (2)
本文建立指标承载度计算模型的目的是将指标体系中各评价指标进行无量纲处理, 便于应用水环境承载力模型进行综合计算分析, 并最终获取水环境承载力值. 各评价指标值通过指标承载度模型计算后, 均得到0~1之间的指标承载度值. 1为指标承载度最优值, 0为指标承载度最差值. 指标承载度值越接近1, 表明承载能力越强; 指标承载度值越接近0, 表明承载能力越弱. 将指标承载度值代入到式(1) 进行计算, 便得到水环境承载力值. 由上述的指标承载度数值特点以及水环境承载力模型的计算方法可知, 最终计算获,
第2期樊庆锌, 等:大庆地区水环境承载力计算分析与评价
69
1之间. 1为水环境承载力最优值, 对应情况是指标体系中某个指标承载度为1且在评价中占有的权重为1; 0为水环境承载力最差值, 对应情况为
指标水资源利用率/%人均水资源量/(m3 人-1) 人均供水量/(m3 人-1) 人均GDP /(美元 人-1) 工业废水达标率/%工业废水重复用水率/%城镇生活污水处理率/%城镇恩格尔系数/%农民人均纯收入/(元 人-1)
最优值10---[1**********]-
指标体系中每个指标承载度均为0. 水环境承载力值越接近1, 表明水环境承载能力越强; 水环境承载力值越接近0, 表明水环境承载能力越弱.
及格值[1**********]00---502500
1200最差值-[1**********]530
指标承载度计算模型y =0 336-0 6641l g x y =-0 97+0 4871l g x y =-0 682+0 46l g x y =-0 82+0 411l g x
y =1+2 51lg x y =1+2 19lg x y =1+1 19lg x y =0 3-lg x y =-5 789+1 88l g x
表5 指标承载度模型计算确定
根据黑龙江省水利厅资料、 黑龙江省环境公报 、 黑龙江省经济年鉴 以及 大庆市国民经济和社会发展统计公报 有关资料得到大庆市2003、2004、2005年水环境承载力各指标值. 根据 黑龙江
省城市水资源可持续利用战略研究报告 、 大庆市老工业基地调整改造水利发展规划 以及大庆市发展规划等有关资料, 得到大庆市2010、2015年水
环境承载力各指标预测值, 见表6.
年度
表6 大庆地区水环境承载力评价指标原始值
指标名称
2003
水资源利用率/%人均水资源量/(m 人
3
-1
200435 [**************] 127155 2829 902384 50
200540 [**************] 408258 3229 702723 00
201047 [**************] 009268 2028 03200
201559 [**************] 509572 1326 53800
31 25
)
[1**********]95 036554 6530 201980 40
人均供水量/(m3 人-1) 人均GDP /(美元 人
-1
)
工业废水达标率/%工业废水重复用水率/%城镇生活污水处理率/%城镇恩格尔系数/%农民人均纯收入/(元 人-1)
根据表6所列出大庆地区水环境承载力评价指标原始值, 应用所建立的各评价指标承载度计
算模型, 计算得出大庆地区水环境承载力各评价指标的承载度值, 见表7.
年度
表7 大庆地区水环境承载力各评价指标承载度值
指标名称
2003
水资源利用率承载度人均水资源量承载度人均供水量承载度人均GDP 承载度工业废水达标率承载度工业废水重复用水率承载度城镇生活污水处理率承载度城镇恩格尔系数承载度农民人均纯收入承载度
0 6710 5630 5330 7070 9440 5900 6880 8200 409
20040 6420 5570 5510 7170 9450 6740 6940 8240 561
20050 5940 5430 5670 7380 9490 8110 7210 8270 669
20100 5520 5230 5780 7790 9670 9210 8020 8530 801
20150 4880 4930 5950 8050 9840 9510 8310 8770 941
2 4 大庆地区水环境承载力综合评价计算
根据表7所列出大庆地区水环境承载力各评价指标的承载度值, 应用式(1), 计算得出大庆地区水环境承载力值, 见表8.
表8 大庆地区水环境承载力
70 哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第41卷
3 大庆地区水环境承载力变化趋势分析
图1为大庆地区水环境承载力近几年现状和未来发展变化趋势, 结果表明, 大庆地区水环境综合承载力呈现出逐年下降的趋势, 2003年到2005年, 大庆地区的水环境综合承载力从0 275下降到0 261. 而且, 按照目前大庆地区水资源现状以及利用情况, 根据指标体系中各评价指标承载度预测值的综合计算结果表明未来10年内, 大庆地区的水环境承载力仍会呈现逐渐降低的趋势. 2015年, 大庆地区水环境综合承载力将降至0 246. 届时, 不容乐观的水环境情况势必会威胁大庆地区的生态环境安全, 制约经济、社会的协调发展, 影响生产、生活的方方面面. 综合表7、8结果可得, 指标体系中只有水资源利用率承载度、人均水资源量承载度呈现逐年下降的趋势, 并最终导致水环境承载力逐年下降. 由此可见, 大庆地区水环境承载力较低并呈现逐年降低的趋势, 主要是水资源短缺、水资源利用率过大造成的
.
4 结 论
1) 结合大庆地区水环境实际情况, 建立了大
庆地区水环境评价指标体系.
2) 对评价体系中各指标值进行无量纲化处理, 通过建立大庆地区水环境各评价指标承载度模型, 计算出各指标承载度值.
3) 应用层次分析法计算得出各评价指标在水环境承载力计算中的权重.
4) 建立大庆地区水环境承载力模型, 将各指标承载度代入模型进行综合计算, 得出大庆地区水环境承载力值.
5) 分析评价大庆地区水环境承载力发展变化趋势, 得出大庆地区现在以及未来10年内在水环境、水资源利用方面所存在的严重问题.
6) 大庆地区水环境承载力较低并呈现逐年降低的趋势, 主要是水资源短缺、水资源利用率过大造成的.
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综合上述对大庆地区水环境评价指标体系中各评价指标承载度发展变化的分析, 结合图1所
呈现的大庆地区水环境承载力发展变化趋势, 可清晰得出大庆地区现在以及未来10年内在水环境、水资源利用方面存在以下严重问题:
水资源短缺, 且水资源地域、时空分布不均衡; 人均水资源量少, 大大低于全国和全省的平均水平; 水体污染严重, 地表水体化学需氧量和总磷超标, 地下潜水铁、锰、氟含量偏高, 水质不符合饮用水要求; 局部地区地下水超采, 形成了区域性降落漏斗; 外引客水程度不够, 现有蓄水工程调节水资源、水环境能力有限, 不能根本解决大庆地区水资源短缺的局面; 农业用水缺口较大, 灌溉方式落后, 浇灌设施老化, 管理不科学、不严格, 灌溉水利用系数低; 水利工程建设中未考虑环境以及生态用水, 造成水环境承载力逐年下降.
(编辑 刘 彤)