基于改进层次分析法的水环境生态安全评价与对策—

1.邢台学院, 邢台 054001; 2.Malaysian University of Sabah, Kota Kinabalu 88400; 3.邢台市气象局, 邢台 054001; 4.Chiang Mai University, Chiang Mai 50200; †通信作者, E-mail: zhu_chen1990@163.com

摘要通过对传统层次分析法的改进, 采用构建三标度(0, 1, 2)矩阵的方法, 构建 3 个层次、24 个指标的水环境生态安全评价体系, 对邢台市水环境生态安全影响因素进行分析和判别, 对水环境生态安全状况进行评价。结果显示, 在 24 个评价指标中, 污水处理率、年降水量、废水排放总量、工业废水排放量和城镇居民生活污水排放量列权重在前 5 位; 2006—2015 年邢台市水环境生态安全综合评价指数在 0.36~0.63 之间, 水环境生态安全处于一般状态和较差状态, 安全形势严峻。对邢台市水环境生态安全问题提出相应的对策和建议, 为水资源可持续利用提供理论依据, 同时为具有类似自然条件的地区的生态安全评价提供借鉴。

生态安全关系到一个区域生态系统乃至一个国家的安全。作为生态安全的重要组成部分, 水环境生态安全已成为近年来学界研究的热点问题[1–6]。水环境生态安全指水体的水量和水质能够满足其内部及周围环境系统的正常和持续的运转, 并能保证人类社会良性持续的发展[7–8]。随着工业化和城市化步伐加快, 水资源短缺和水质恶化等问题日益突显, 水环境生态安全受到越来越多的关注和重视。

目前, 有关水环境生态安全问题研究的区域广泛, 方法繁多。例如, Afzal 等[9]运用线性规划模型, 以巴基斯坦灌溉区为例, 研究不同水质的水量使用, 体现水质、水量优化配置的理念。Simonovic[10]以加拿大为研究区, 考虑水对人类活动、环境的变化、生态的整体性和社会经济等因素的影响以及这些因素对水的反馈信息, 提出将全球水模型转化为区域水模型。Swatuk 等[11]认为南非博兹瓦纳的快速城市化引发水资源需求的急剧增加, 导致水资源短缺以及生态环境恶化。Shirley 等[12]以纳米比亚的 Campsite 社区为例, 通过跟踪研究水资源管理政策, 试图找到促进当地旅游业发展和防治沙漠化的方法。Narain 等[13]分析了南亚四城市的水环境生态安全与城市化之间的关系。张丽等[14]运用系统动力法, 构建 3 个层次的水环境安全评价体系, 对南京市水环境安全进行综合评价, 结果表明 2005—2012 年南京市水环境生态安全从较差转为一般, 安全综合评价指数处于上升趋势。傅春等[15]运用系统动力法, 综合评价 2012 年南昌市水环境安全状况, 提出加大环保投入、控制污染排放和开发新水源等措施来提高水环境生态安全水平。唐承佳[16]运用系统动力法, 以 1999—2005 年的数据为依据, 对枣庄市水环境生态安全进行评价, 其评价综合值总体上呈下降趋势, 其中, 农业面源污染逐年增加是重要原因。孙才志等[17]运用层次分析法(AHP), 对大连市水资源的安全状况进行评价, 指出大连市水环境生态不安全的状况主要发生在农村, 重点解决农村用水问题是提高安全水平的关键。梁兴军等[18]利用层次分析法, 从经济、社会、供需和生态安全 4 个方面建立评价指标体系, 对陕西省 10 个城市的水资源安全状况进行综合评价, 结果显示, 研究区内安全水平空间分布不均衡, 汉中市安全水平最高, 延安市和铜川市安全等级最低, 水环境生态安全状况堪忧。陈磊等[19]和王建春等[20]运用层次分析法, 对济南市水环境生态安全状况进行评价, 发现安全质量总体上保持较好态势, 但存在水安全危机, 需加强水环境生态安全预警, 实现水资源的可持续利用。张凤翔[21]改进传统 AHP 方法, 构建三标度矩阵, 评价沂沭泗地区水环境安全, 找到影响该区域水环境生态安全权重最大的指标和表征因子。

本文拟运用改进层次分析法(IAHP), 对南水北调中线受水区的邢台市水环境安全进行研究; 针对邢台市水环境实际情况, 建立水环境生态安全评价指标体系, 构建基于三标度(0, 1, 2)的水环境生态安全评价指标比较矩阵, 分析和判别邢台市水环境生态安全的主要影响因素, 对水环境生态安全问题提出相应的对策和建议, 实现快速城市化过程中水资源的可持续利用, 并为与邢台市具有类似自然条件的地区生态安全评价提供借鉴。

1 研究区概况

邢台市地处北纬 36°50′—37°47′、东经 113°52′ —115°49′之间, 总面积为 12486km2。位于京津冀区域冀中南地区中心, 东以卫运河为界与山东省相望, 西依太行山与山西省毗邻, 南与邯郸市相连, 北与石家庄市和衡水市接壤(图 1)。该区域属暖温带大陆性季风气候, 四季分明, 年平均气温为 13ºC, 年降水量为 558.7mm。依托独特的区位优势和优越的自然条件, 邢台市经济发展迅猛[22]。2015 年, 国民生产总值为 1764.7 亿元, 第一、二、三产业比重为 15.6:45:39.4[23]。南水北调中线工程贯穿邢台市西部, 邢台市境内干渠全长 93.3km, 途经沙河市(15.9km)、桥西区(17.8km)、邢台县(8.9km)、内丘县(23.6km)和临城县(27.1km) 5 个县(市、区), 自南向北依次穿越邢台市的大沙河、七里河、白马河、小马河、李阳河、泜河和午河等 7 条主要行洪河道。邢台市境内河流均为季节性河流, 除“引黄济津”干渠(清凉江)、临城水库上游、朱庄水库上游和七里河外, 其他河流均接纳生活污水和工业废水, 无天然径流。2015 年 14 条有水河流的监测结果显示, 境内河流水质除朱庄水库上游和临城水库上游为Ⅱ类外, 其他均为劣Ⅴ类[24]。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本文数据来自中国统计年鉴[25]、河北年鉴[26]、河北经济年鉴[27]、邢台市统计年鉴[23]和邢台市环境状况公报[24]。

2.2 研究方法

2.2.1 层次分析法(AHP)

美国运筹学家 Saaty[28]在 20 世纪 70 年代提出的层次分析法(analytic hierarchy process, AHP)是一种定量与定性分析相结合的决策分析方法。利用AHP 方法, 可以将复杂问题分解为若干层次和若干因素, 计算出参评因素的相互关联度和隶属关系, 通过两两比较, 构造比较矩阵, 确定层次中各因素的相对重要性, 然后构造判断矩阵, 以确定各元素的权重, 从而为决策方案的选择提供依据。

2.2.2 改进层次分析法(IAHP)

传统 AHP 的判断矩阵定量评价值采用 Saaty[28]提出的 1–9 标度方法。当评价体系中指标较多时, 不仅迭代次数较多, 运算量大, 且判断矩阵很可能因一致性较差(甚至不具有一致性)而导致计算出的权重值可靠性较低。为此, 本文运用改进层次分析法(improved analytic hierarchy process, IAHP), 采用三标度(0, 1, 2), 对指标进行两两比较, 建立比较矩阵, 进而确定判断矩阵。IAHP 的三标度含义为: 0 表示 Ci 不如 Cj 重要, 1 表示 Ci 和 Cj 同等重要, 2 表示 Ci 比 Cj 重要。该方法具有自调节功能, 不需要进行一致性检验, 与 AHP 相比, 标度值具有合理性和良好的判断传递性, 在比较判断过程中提高了准确性[21,29]。本研究的基本思路和技术路线如图 2所示。

3 评价体系建立及结果分析

3.1 指标体系建立和数据标准化

本文依据水环境生态安全概念, 结合邢台市实际情况以及对有关文献[14–21,29]的梳理和分类, 将水环境生态安全评价体系分为三层: 目标层 A、系统层 B 和指标层 C。以指标的易获得性、独立性、针对性和可比性为原则, 经过实地调查以及走访经济、农业、林业和水利等相关部门, 获取大量数据和资料。通过对数据和资料的甄别和筛选, 选取既方便获得又能反映当地实际情况、既便于本研究区的纵向比较又便于与相似区域的横向比较的指标来构建评价指标体系, 尽可能从不同角度全面地反映水环境生态安全的水平, 最终从社会经济系统、生态环境系统和水环境系统 3 个方面选取 24个指标, 构建三层次的水环境生态安全评价指标体系(表 1)。

在对数据进行标准化之前, 先对数据进行自然对数变换以便减小变化幅度。为消除量纲不同, 使数据具有可比性, 进一步对数据进行极差标准化处理。邢台市近 10 年 24 个评价指标的原始数据矩阵为 X={xij}m×n, 经自然对数变换后的数据矩阵为 Y= {yij}m×n (m为评价指标, m=1, 2, …, 24; n 为年份, n= 1, 2, …, 10)。

对于正安全趋向性指标, 数值越大, 水环境越安全, 其极差标准化处理采用式(1):

对于负安全趋向性指标, 数值越小, 水环境越安全, 其极差标准化处理采用式(2):

式(1)和(2)中, min(yij)表示第 i 个指标的最小值, max(yij)为第 i个指标的最大值。

3.2 指标权重确定

根据 IAHP 的赋权步骤, 我们邀请一些有经验的专家对所建立的水环境生态安全评价体系中评价指标的相对重要性给予判断。根据专家判断结果, 经计算整理, 得到邢台市水环境生态安全系统比较矩阵 A-B, B1-C, B2-C 和 B3-C, 如表 2~5 所示, 计算步骤见文献[21,28–30]。水环境生态安全评价体系各指标的层次单排序及层次总排序见表 6, 各指标的权重为 Wi。

赋权结果表明: 在 24 个指标中, 污水处理率权重为 0.1101, 年降水量权重为 0.0779, 废水排放总量权重为 0.0765, 工业废水排放量权重为 0.0765, 城镇居民生活污水排放量权重为 0.0582, 分列前 5位; 人均 GDP、总人口数和人均粮食产量等 3 项的权重较小。对水环境生态安全进行量化时, 可将权重较小的三要素删减, 使评价运算过程得以简化。

3.3 水环境生态安全值的计算

邢台市水环境生态单项指标安全值计算模型为

式中, Si 为水环境生态安全值, Pij 为第 j 年第 i 个指标标准化后的值。虽然单项指标安全值可以从不同的侧面反映邢台市水环境生态安全的状况, 但要全面地反映水环境生态安全现状, 还需对指标进行综合计算。水环境生态安全综合值的计算公式为

式中, Tj为第j年水环境生态安全综合值, i为指标, j为年份。

3.4 水环境生态安全评价标准和等级

借鉴国家、行业和地方规定的标准与相关研究成果[14,17,19–20,31–33], 参考研究区各指标的本底值, 通过专家咨询、公众参与等方法, 根据计算得到的安全综合值, 结合邢台市的实际情况, 设置邢台市水环境生态安全综合评判标准。表 7 中将安全综合值取值范围(0~1)采用非等间距法分为 5 个等级, 并依次对 5 个等级的系统特征进行描述。安全综合值越大, 水环境生态安全状况越好, 反之则越差。

4 水环境生态安全评价结果分析

计算得到邢台市 2006—2015 年水环境生态安全评价指数(表 8), 综合评价指数在 0.36~0.63 之间变化, 前 5 年波动较大, 后 5 年较平稳且有逐渐改善的趋势, 但总体形势严峻, 安全状况不容乐观。其中, 2011 年安全综合值最小(0.36), 2009 年最大(0.63)。参照水环境生态安全评价标准和等级(表 7), 2011 和 2012 年的水环境生态安全评价指数在[0.20, 0.40)区间, 水环境生态安全等级属于Ⅳ级, 为较差状态(较不安全), 其特征为水生态系统服务功能严重退化。水生态环境受到较大破坏, 生态系统结构破坏较大, 功能退化且不全, 受外界干扰后恢复困难, 生态问题较大, 生态灾害较多。其他年份的水环境生态安全综合评价指数在0.43~0.63 之间, 处于[0.40, 0.70)区间, 水环境生态安全等级属于Ⅲ级, 为一般状态(临界), 其特征为水生态系统服务功能已退化。水生态环境受到一定破坏, 生态系统结构有变化, 但尚可维持基本功能, 受干扰后易恶化, 生态问题显现, 生态灾害时有发生。

从邢台市整体水环境生态安全与 3 个亚系统的关系来看, 其与社会经济系统、生态环境系统和水环境系统间的相关系数分别为 0.31, 0.60 和 0.88。显然, 水环境系统与邢台市整体水环境生态安全关系密切, 走势也相似。

从邢台市整体水环境生态安全与 24 个评价指标的关系看, 2011 年正向指标中的环境污染治理投资和草地面积最小, 分别为 9.97 亿元和 117.06 千公顷。2011 年负向指标中的工业废水排放量、COD排放量和工业源 COD 排放量为最多年份, 分别为 14897.17 万吨、11.54 万吨和 2.96 万吨; 2009 年正向指标中的草地面积和人均水资源量都为 10 年间最大, 分别为 186 千公顷和 208.9m3/人。2009 年负向指标中的有效灌溉面积比重、工业废水排放量和工业源 COD 排放量都为 10 年间最小, 分别为74.68%, 8678.11 万吨和 1.25 万吨。从以上分析可以看出, 影响邢台市水环境生态安全水平的主要原因是人均水资源量、草地面积、环境污染治理投资、工业废水排放量、COD 排放量和工业源 COD 排放量等因素。采取加大调水力度、增大环境污染治理投资、退耕还林还草、调整产业结构以及减少工业废水排放等措施, 可以有效地提高邢台市水环境生态安全水平。

5 结论与建议

基于 IAHP 方法, 对邢台市水环境生态安全评价体系中各指标赋权的结果表明, 在 24 个指标中, 权重最大的 5 个指标分别为污水处理率、年降水量、废水排放总量、工业废水排放量和城镇居民生活污水排放量, 这些是影响水质和水量的关键因素; 而人均 GDP、总人口数和人均粮食产量的权重较小, 在运用该评价体系时, 可删减这 3 个要素, 简化运算过程。

评价结果表明, 邢台市 2006—2015 年水环境生态安全综合评价指数的变化范围在 0.36~0.63 之间, 水环境生态安全等级处于Ⅲ~Ⅳ之间, 即水环境生态安全处于一般状态和较差状态, 前 5 年波动较大, 后 5 年较平稳。从影响邢台市整体水环境生态安全的 3 个亚系统来看, 水环境系统与邢台市整体水环境生态安全的关系最密切。从影响邢台市水环境生态安全的 24 个指标来看, 人均水资源量、草地面积、工业废水排放量和环境污染治理投资等因素决定邢台市水环境生态安全水平。

结合邢台市水环境生态安全存在的问题以及主要影响因素, 我们对邢台市水环境生态安全保障提出如下对策。1)节流与开源并举。推广节水灌溉技术, 倡导居民使用节水型卫生洁具[17], 实行“阶梯式”水价政策, 提高居民节水用水意识[30]。加大调水力度, 南水北调中线工程加压通水和从黄河引水, 是解决邢台市资源性缺水的重要途径[34]。2)调整产业结构, 加大减排力度。淘汰水污染严重企业, 对不能稳定达标或排放量大的工业企业实行限期治理, 削减污染物总量。3)加大环境污染治理投资力度, 增加水利投资比重。加大污水处理厂建设力度, 提高污水处理厂的运行质量, 提高污、废水处理率和处理水平[35–36]。加大金融行业对水利建设的支持, 积极修建塘坝和水库, 以保证邢台市水环境生态安全[37]。4)退耕还林还草。提高森林覆盖率和草地面积可以有效地提高邢台市水环境生态安全水平。

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Ecological Security Assessment and Countermeasures of Water Environment Based on Improved Analytic Hierarchy Process: A Case Study of Xingtai City

LI Yuping1, ZHU Chen1,2,†, ZHANG Luxuan1, WANG Yanchao1, WU Zhijie3, NIU Xuran4

1. Xingtai University, Xingtai 054001; 2. Malaysian University of Sabah, Kota Kinabalu 88400; 3. Weather Bureau of Xingtai, Xingtai 054001; 4. Chiang Mai University, Chiang Mai 50200; † Corresponding author, E-mail: zhu_chen1990@163.com

Abstract Based on the improved analytic hierarchy process, the authors adopted a 3-scale (0, 1, 2) matrix method to establish regional water ecological security assessment system including 3 layers and 24 indicators according to the real conditions of water environment in Xingtai City. The ecological security assessment system could analyze the influence factors of water environmental security status and evaluate the security situation in Xingtai City. The results showed that the five top influence factors were sewage treatment rate, annual precipitation, wastewater total amount, industrial waste water discharged and urban residential domestic sewage in the 24 indicators. The composite evaluating indexes of the water environment ecological security were within the bandwidth of 0.36 to 0.63, which indicated that the water environment ecological security was still in severe with general or poor state. Some coping strategies and suggestions were put forward to water environmental safety in Xingtai City. The research would provide a theoretical basis for water resource sustainable utilization and a reference for the similar natural condition areas.

Key words ecological security of water environment; improved analytic hierarchy process(IAHP); Xingtai City

河北省自然科学基金(D2016108005)、河北省高等学校科学技术研究项目(ZD2016206, BJ201602)、邢台市科技计划项目(2017ZC178)和黄土与第四纪地质国家重点实验室开放基金(SKLLQG1720)资助

基于改进层次分析法的水环境生态安全评价与对策—— 以邢台市为例