水环境承载力评价技术方法体系建设与实证研究_曾维华

区域水资源利 用与污染物排
放强度
水环境
水资源可利用指数
%
万元工业增加值COD排放量
t/万元
万元工业增加值氨氮排放量
t/万元
人均生活COD排放量
kg/（人·d）
人均生活氨氮排放量
kg/（人·d）
公路网密度
km/km2
城市化率
%
平均受教育年限
年/人
GDP增长率
%
区域发展能力
第三产业占比
%
全社会劳动生产率
（6）
为避免超载最严重分量的影响，兼顾平均值 和最高值，采用内梅罗指数法计算水环境承载力 综合利用指数，以表征区域综合水环境承载力状 态，如式（7）所示：
（7）
式中 为区域综合水环境承载率， 为水环
境承载力分量 的利用指数。当
时，人类
活动对水系统的压力小于环境承载力，处于水环
境承载力适载状态；当 时，水系统处于超载
（用矢量的模表征）来比较不同区域水环境承
载力的大小。由于水环境承载力的各个分量具
有不同的量纲，因此，首先必须对其各分量进
行归一化处理。假设对人类社会行为作用方向
相同的 个地区的水环境承载力进行比较，设
个地区水环境承载力为：
。
再设此水环境承载力由 个分量组成，即有：
。对 个分量进行归一化
处理，如式（4）所示：
量间关系的函数 ，函数 为函数 的反函数，
，
。水环境承载力即为
不突破限制变量阈值的前提下，发展变量的阈
值，同样可以表示成 维空间的矢量，如式（3）
所示：
（3）
水环境承载力量化评价方法
水环境承载力由矢量模进行量化。矢量模
法将水环境承载力视为 维空间的一个矢量，
这一矢量随人类社会经济活动方向和大小的不
同而变化，通过比较水环境承载力矢量的大小
，其中 为每个准则层
下指标个数。 即为万元工业增加值耗水量、
ENVIRONMENTAL PROTECTION Vol. 45 No.24 2017
20 聚焦 深化流域水污染防治 实现“一盘棋”管理
水环境承载力也包 括水资源承载力、 水环境容量与水 生态承载力三个 分量。
万元工业增加值COD排放量、万元工业增加值氨
（4）
式中 为各分量归一化后的值，则地区 的 水环境承载力大小可用矢量模表示，如式（5） 所示：
（1）
其中： 为发展变量矢量， 为第 个发展 变量。
（2）
其中： 为发展变量矢量， 为第 个限值 变量。
一般情况下，发展变量与限制变量间存在某 种关系，对某种限制变量，总有若干发展变量与 之相关联，其间存在某种反映发展变量与限制变
湄洲湾沿岸有7个排污口和14个沿岸滩涂养 殖分区。排污口污染物排放量与滩涂养殖分区污 染物浓度的输入响应关系如式（11）所示：
（11）
式中 为第 个滩涂养殖分区的石油类污染 物浓度； 为第 个滩涂养殖分区的石油类污染 物本底浓度； 为第 个排污口石油类污染物排 放量； 为第 个排污口对第 个滩涂养殖分区石 油类污染物的贡献率。
状态。
表1 水环境承载力开发利用潜力评价指标体系
目标层
准则层
指标层
单位
水资源承载率
%
COD承载率
%
区域水环境承
氨氮承载率
%
载率
水环境容量丰裕度指数
%
水环境容量紧缺度指数
/
水环境容量季节变异系数
/
万元工业增加值耗水量
m3/万元
水资源
人均生活用水量 单位面积水资源量
m3/（人·d） m3/m2
水环境承 载力超载 状态评价 指标体系
环境承载力评价始于环境承载力大小评价，
水环境承载力是联系人类活动与水环境的纽带和中 介，它反映人类活动与水系统功能结构间的协调程 度，以及水系统可持续发展的状态或能力。
其原理为基于环境承载力的力学特征，采用矢量 方法对环境承载力进行表征，用矢量模的大小 对环境承载力进行评价[1]。此后，水环境承载力 评价更多借鉴矢量模法评价思路，建立指标体 系[8,9]，但由于评价目的不明确，水环境承载力概 念内涵界定不清，由此导致指标体系偏重于表达 流域或区域水系统的可持续发展状态或能力，虽 然体系庞大，但并未表征出水环境承载力的大小 或承载状态。本研究从水环境承载力概念入手， 在长期以来积累的水环境承载力评价领域案例基 础上，归纳总结出一套水环境承载力评价技术方 法体系，包括三种评价方法：水环境承载力大 小[1]、水环境承载力承载状态[10]和及水环境承载 力开发利用潜力[11]。
水环境承载力评价技术方法体系构建 水环境承载力概念及其矢量表征方法 如前所述，水环境承载力是指“在一定时
期、范围内，在一定自然环境条件下，维持水系 统结构不发生质的改变、环境功能不遭受破坏的 前提下，水系统所能承受人类活动的阈值”[12]。 水环境承载力的承载对象是人类活动，包括取 水、排水、居住和观赏等，有方向、强度和规模 等属性，这就决定了水环境承载力的力学矢量 特征。
（5）
水环境承载力承载状态评价 通过水环境承载力利用指数（或称开发利 用强度）来评价某一区域水环境承载力承载状 态。水环境承载力利用指数为相对应的发展变量 （即人类活动强度，也可理解为人类活动给水系 统带来的压力）与水环境承载力（水环境承载 力各分量的上限值）的比值，各分量利用指数
如式（6）所示：
19
17
水环境承载力评价技术方法体系 建设与实证研究
Technical Method System of Water Environment Carrying Capacity Evaluation and Empirical Research
摘 要 针对目前我国水环境承载力概念内涵和研究范畴不明确、评价目的模糊与指标体系针对性不强等问题，在界定水 环境承载力概念内涵基础上，系统整合现有水环境承载力评价方法，将其归纳为三类 ：水环境承载力大小评价、承载状态 评价与开发利用潜力评价，建立水环境承载力评价方法体系，并以湄洲湾经济开发区、蒙西工业园区和北京市丰台区水环 境承载力评价为案例开展实证研究。 关键词 水环境承载力 ；水环境承载力评价 ；水环境承载力开发利用潜力 ；水资源容量 ；水生态 ；水资源
（10）
根据熵权法确定各指标权重后，利用模糊
综合评价法对区域水环境承载力开发利用潜力进
行综合评价。首先确定评价因素（指标）集，设
，其中 , ,…, 为被评价对象的
各个因素。
首先建立因素集 和评价等级集 ：将指标
层分为因素集，其中因素集
，表
示指标体系中的 个准则层，这里只有一个指
标层，即开发水平（或发展能力）。子因素集
水环境承载力是水系统结构特征的一种抽象
ENVIRONMENTAL PROTECTION Vol. 45 No.24 2017
18 聚焦 深化流域水污染防治 实现“一盘棋”管理
水环境承载力是水 系统结构特征的一 种抽象表示，是水 系统自身具有的功 能属性。
表示，是水系统自身具有的功能属性。目前一些 研究将人类社会经济活动对水系统的压力作为承 载力，强调水环境承载力的社会属性，这与水环 境承载力的水系统属性相违背，压力与承载力是 一对相互作用的力，压力为社会经济系统（人类 活动）的属性，而承载力是水系统本身的自然属 性，在水环境承载力评价中不能将二者混淆，否 则将造成评价目的不清，所建指标体系逻辑也将 受到影响。
由此可见，水环境承载力是联系人类活动与 水环境的纽带和中介，它反映人类活动与水系统 功能结构间的协调程度，以及水系统可持续发展 的状态或能力。水系统因其所具有的水环境承载 力而支持人类生存与活动，人类又通过各种活动 反作用于环境，使水环境承载力发生变化。需要 说明的是，此处水环境承载力为广义的水环境概 念，即以人类活动为中心的水系统内客观事物的 总和[13]；而非狭义的“环境保护”中仅涉及水污 染问题的水环境容量概念。水系统由水资源子系 统、水环境子系统与水生态子系统组成，同样， 水环境承载力也包括水资源承载力、水环境容量 与水生态承载力三个分量。
氮排放量等指标；设
，其中
为各个等级。
然后确定模糊（关系）矩阵 和评价权重集
：对每个单评价因素
进行评
价，得到 上的模糊集
。它是从
到 的一个模糊映射 ，由 可以确定一个模糊关
系矩阵 ，通过隶属函数计算得到一个 的模糊
评价矩阵；通过熵值法确定的权重 ,设各因素 ，
，…， 所对应的权重分别为 ， ，…， ，
■文 / 曾维华 薛英岚 贾紫牧 DOI:10.14026/ki.0253-9705.2017.24.004
环境承载力概念由我国学者在20世纪90年代 初的“福建省湄洲湾新经济开发区环境规划综合 研究”课题中提出，其内涵为：在某种状态或 条件下，某地区的环境所能承受的人类社会经 济活动作用的阈值[1]；而水环境承载力（Water Environmental Carrying Capacity，WECC）则为 环境承载力的一个分量，指在一定技术经济条件 下，由水资源、水环境与水生态三个子系统构成 的水系统，所能承受的社会经济活动的阈值[2]。 目前一些研究将水环境承载力等同于“水环境容 量”，仅从水质角度界定水环境对人类活动排污 的承受能力[3-6]，而水环境承载力概念设计初衷， 从对社会经济的承载功能角度，包括水资源供给 能力、水环境容量和水生态服务三类功能[3,4]。片 面地仅以水环境容量代表水环境承载力，不能全 面反映水系统对人类用水、排污等活动的支撑作 用。从研究现状而言，从水资源角度研究水环境 供给能力大多仅在可持续发展的相关研究中有所 涉及，而从水生态服务功能角度研究水生态系统 承受人类社会经济活动的阈值才刚刚起步[7]。
熵权法通过信息熵确定指标权重，来对指 标进行赋权，通过计算熵值判断指标的随机性和 离散程度，离散程度越大，对综合评价的影响越 大，其权重也越大。熵权法具体步骤可分为数据 标准化和通过信息效用值确定权重，分别如式 （8）和（9）所示：