南京市水环境承载力评价(修改稿)

南京市水环境承载力评价程卓，杨侃，郝永怀，周冉，郑蛟，刘国帅（河海大学水文水资源学院, 江苏南京 210098）摘要：水是人类赖以生存的根本,是城市产生和发展的根基，一座城市的水环境状况对城市公共安全具有很重要的意义，然而近年来突发水环境污染事件频发,城市供水安全等问题也日益凸显。

基于水环境对社会经济和人口的支持能力,综述了水环境承载力的概念。

从经济发展、水资源量及水环境和科学技术水平等角度分析了水环境承载力的主要影响因素并确定评价的指标体系。

应用向量模法和模糊物元模型分析了2003-2009年南京市水环境承载力。

结果表明两种方法得出的结论一致:南京市的水环境承载力水平较低,但呈逐年上升趋势。

为了实现经济发展与水环境保护的协调，一方面可以从长江调水等方式增加水资源量，另一方面需要加大水功能区治理力度以提升水环境承载力。

关键词：水环境承载力; 安全评价指标体系; 向量模法; 模糊物元模型水，是生命的源泉，是人类生存的命脉，又是自然环境的重要组成部分，是可持续发展的基础条件。

城市是人类高强度活动区域，随着城市化进程的快速发展，人口急剧增长，工业规模扩大，生活水平提高，对供水的水量需求越来越大，水质的要求越来越高，于此同时排污量日益增加，导致城市水资源短缺、城市水环境污染等诸多水环境问题日益凸显。

m，,不到全国平均以南京市为例，现状全市人均多年平均水资源量为3503水平的1/7，全市2009年水功能区达标率（达到预期水质目标）仅为23.7%[1].，水环境已经成为制约南京经济社会可持续发展的重要因素，通过对水环境承载力的评估,判断水环境承载力变化的趋势,对了解南京市经济社会的可持续发展与水环境保护的关系具有比较重要的指导意义。

1 水环境承载力概述目前关于水环境承载力的认识，各个学者所做的研究定义的侧重点不同，可以把水环境承载力大致分为两类：狭义水环境承载力与广义水环境承载力。

狭义水环境承载力等同于“水环境容量”、“水环境容许污染负荷量”等，即在一定水域，其水体能够被继续使用并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[2-3]；广义水环境承载力系指某生产力水平下，某一区域水环境对人类活动的最大支持能力[4-5]。

由此可见广义水环境承载力在纳污能力的基础上又联系了人类活动，更直接地表达了水环境与人的关系。

水环境承载力研究涉及水环境、宏观经济、社会、人口等众多因素,各因素之间相互促进、相互制约,构成一个复杂的动态系统[6]..总结而言水环境承载力与当地水环境属性、承载对象相关, 水环境仅仅是一个相对稳定的系统，是动态变化的，与水环境密切相关的人类活动也存在明显的地域差异，不同水域的功能及保护标准可能具有巨大的差异，因此水环境承载力具有分区性[7] 。

由于流域内的区域间水环境功能高度关联，上、中、下游之间和干、支流之间的相互制约和交互影响十分显著，因此水环境承载力具有关联性[8]。

根据水环境承载力的概念和特点，可得出水环境承载力包括涵义为：在某一时期特定的水域内满足特定环境目标，并且维持良好的生态系统前提下水体的纳污能力及对人口、经济及社会可持续发展的最大支持能力。

2 评价方法的选择目前采用的方法主要有向量模法、模糊综合评判法、加权平均法、多目标决策分析法、系统动力学方法等。

这几种方法各自都有一定的适用范围，都具有一定的优缺点。

2.1 向量模法介绍向量模法是一种综合评价方法，常常用于横向(不同地区同一时间)和纵向(同一地区不同时间) 的承载能力综合比较,评价结果是一个与承载力正相关的无量纲数值,反映了承载力的发展变化趋势[9].。

在向量模法中,首先假设有m 个不同发展方案或有m个时期(地区) 的发展状E ( j = 1 ,2 , 态,对应着m 个水环境承载力评价。

设每个情景的环境承载力为j⋯, m) ,而每个评价值是由n 个 具体指标确定的分量构成,即j E = （ 1j E ， 2j E ，,nj E ) （1）归一化：j E =（1j E ，2j E ，，nj E ） （2）其中：ij E =ij E /mij j 1E =∑，其中i=1,2，，n ；j=1,2，，m （3）第j 个情景的水环境承载力可以用归一化后的矢量的模来表示,即：j E =m 2ij i 1E =⎡⎤⎢⎥⎣⎦∑（） （4） 如果考虑各个指标的权重,则：jE = 1/2m 2ij ij i 1E W =⎡⎤⎢⎥⎣⎦∑（） （5）式中Wij 为第j 个情景水环境承载力中第i 个指标的权重。

2.2 模糊物元模型介绍给定事物的名称M ，其关于特征C 的量值为v ，以有序三元组R ＝(M ，C ，v)作为描述事物的基本元，称为物元。

如果其中量值具有模糊性，则称之为模糊物元， 若事物M 有n 个特征1C ,2C ,…, n C ，与其相应的模糊量值分别为1u x （），2u x （） ,…, n u x （），则称R 为n 维模糊物元[10]。

若以mn R 表示m 个事物n 维复合模糊物元，并以j M 表示第j 个事物，i C 表示第j 个特征，记作：mn X =j i ij M C u x ⎡⎤⎢⎥⎣⎦（），其中 i=1,2,…,n ;j=1,2,…,m （6） 由于各项指标特征值对综合评价结果有正负影响，所以需要对指标进行同向化处理，公式如下：ij u =ij ijx max x （逆向指标）；ij u =ij ijx max x （正向指标） （7）可以得到评价对象新的模糊物元。

选取中各评价对象的最大值或最小值构造标准值的模糊物元（本文取最大值1）：令ij ∆=[ 0j u x （） -ij u x （）] （8）则可构造差平方复合模糊物元R ∆,即：R ∆=j i ij M C ⎡⎤⎢⎥∆⎣⎦（9） 变异系数法是一种简单的客观赋权方法，其原理是根据各评价指标数值的变异程度所反映的信息量大小来确定权数，是一种动态的客观赋权方法。

确定权重过程如下：i X =1nnijj 1x=∑ （10）i S（11） i δ=i S /i X （12） i ω=i δ/ nij j 1x =∑ （13）式中i X 为第i 项指标特征值的均值；i S 为均方差；i δ为变异系数；i ω为权重。

本文采用常用的M（，+）算法计算欧式贴近度j H ρ，即j H ρ（14）构造的复合模糊物元H R ρ=12m j 12m M M M H H H H ρρρρ⎛⎫⎪⎝⎭（15）可以根据欧式贴近度的大小对评价对象进行优劣排序。

相对贴近度越大结果越优，相对贴近度越小则结果越劣。

3 南京市水环境承载力评价3.1 指标体系确定原则水环境不仅容纳污水及污染物，在自我维持的同时也为经济社会的发展提供必要的物质基础和支撑。

因此,评价指标应从与人口、经济技术有关的水资源及水污染状况指标中选取,而且这些指标应该是可以度量的-[11]。

在考虑以上因素后确定主要原则如下：（1）全局性原则。

指标体系需要覆盖城市经济发展、科技水平、水环境现状和水资源量等方面，而且每个指标是最必要的、最具代表性的。

（2）可比性原则。

指标尽可能采用常用的标准化概念和计算方法，同时考虑不同地区的差异。

（3）定量原则。

指标体系尽量选择方便量化的指标，以避免确定难以量化的定性指标时过于主观的判断。

（4）可操作性原则。

选定指标时应尽量考虑资料的来源和现实状况，避免选择指标中具有很大争议性的数据，最好采用易于获取数据的指标，提高在实际工作中的可操作性。

根据以上原则,参考国内外的研究成果[12-14].，并结合南京市具体情况以及数据的可获得性, 从经济发展、水资源量及水环境和科学技术水平三个层次选择了8 个指标：人均地区生产总值（GDP）、城市水资源总量/用水总量、水功能区水质达标率、城镇生活污水集中处理率、万元GDP耗水量、工业废水排放达标率、一般工业用水重复利用率、万元工业增加值废水排放水量。

这些指标涉及南京市的水资源及其开发利用状况、生态环境、经济发展水平和污染物排放及控制技术等方面, 符合完整性、动态性、简明性和可比性等原则。

为了体现水体纳污能力引入了水功能区水质达标率，对相关指标进行归一化处理, 其中对水环境承载力起负效作用的指标（指对水环境有破坏的、污染性质的因素，本文中取万元GDP 耗水量和万元工业增加值废水排放水量）进行取倒数处理。

各指标具体情况见表1。

表1 南京市水环境承载力评价指标Table 1 the analysis index of water environmental carrying capacity of Nanjing根据选择的评价指标体系, 确定2003 ～ 2009年南京市与环境承载力相关的经济发展、水资源量及水环境和科学技术水平等方面的数值(见表2) 。

表2 2003-2009年南京市水环境承载力评价指标值Table 2 the analysis index value of water environmental carrying capacity of Nanjing表2 2003-2009年南京市水环境承载力评价指标值Table 2 the analysis index value of water environmental carrying capacity of Nanjing水资源公报2003-2008》、《南京市环境状况公报2004-2009》等；（2）人均地区生产总值和工业增加值均以2003年可比价格计算，部分数据获取不便的沿用上年数据。

（3）水功能区达标率2003-2006年数值取由监测断面超标率推算，2007-2008年数值取112个水功能区年度枯水期监测达标率及年度丰水期监测达标率平均值。

3.2 向量模法在水环境承载力评价中的应用采用向量模法对相关指标进行归一化处理，处理结果见表3表3 2003-2009年南京市水环境承载力评价指标归一化值Table 3 the analysis index normalization of water environmental carrying capacity ofNanjing年份 城市水资源总量/用水总量人均地区生产总值（GDP ） （/%）城镇生活污水集中处理率（/%）万元GDP 耗水量（m 3/万元）2003年 0.262 0.094 0.114 0.095 2004年 0.113 0.114 0.118 0.103 2005年 0.137 0.135 0.126 0.111 2006年 0.126 0.141 0.148 0.141 2007年 0.104 0.154 0.158 0.158 2008年 0.127 0.173 0.168 0.196 2009年0.1310.1900.1680.197表3 2003-2009年南京市水环境承载力评价指标归一化值Table 3 the analysis index normalization of water environmental carrying capacity ofNanjing水环境承载力评价值变化情况（图1）年份 工业废水排放达标率(/%)一般工业用水重复利用率(/%)万元工业增加值废水排放水量 （t/万元）水功能区达标率 (/%)2003年 0.138 0.123 0.076 0.177 2004年 0.139 0.127 0.085 0.156 2005年 0.140 0.131 0.101 0.165 2006年 0.143 0.146 0.127 0.130 2007年 0.146 0.158 0.149 0.166 2008年 0.147 0.157 0.201 0.103 2009年0.1470.1580.2600.103图1 2003-2009年南京市水环境承载力评价结果Figure 1 the result of water environmental carrying capacity in Nanjing 2003 to 20093.3 模糊物元模型在水环境承载力评价中的应用构造差平方复合模糊物元：R ＝1234567123456M M M M M M M C 00.5680.4790.5180.6030.5140.502C 0.5070.4020.2880.2600.1890.0900C 0.3180.2940.2490.1180.05900C 0.5170.5140.3980.3280.1440.0740C 0.0570.0540.0430.0250.0020.0010C 0.2230.1930.1710.0720.178080.0020C 0.7080.6220.4910.4030.2480.1080C 00.1200.0710.2670.0610.4210.421⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦确定权重，用变异系数法求得各指标权重的归一化模糊物元为：W= 12345678i C C C C C C C C 0.0860.1970.1460.1040.0760.0670.1990.132ω⎡⎤⎢⎥⎣⎦计算贴近度H R ρ= 1234567j M M M M M M M H 0.4350.3910.4280.4790.5160.5520.586ρ⎡⎤⎢⎥⎣⎦即各年度的贴近度的大小见下表4表4 2003-2009年南京市水环境承载力贴近度结果Table 4 the result of water environmental carrying capacity Closeness3.4 评价结果分析（1）根据图1和表4中的评价结果,可以看出南京市水环境承载力水平较低,但呈逐年改善趋势，改善的原因是:人均地区生产总值(GDP) 、污水处理率等正影响因子不断增长,而单位地区生产总值(GDP) 水耗、工业万元增加值废水排放量、工业万元增加值COD 排放量等负影响因子逐年下降。