摘 要

本文采用向量模法和层次分析法相结合的方法，针对武汉市构建了水环境承载力评价指标体系，对指标进行归一化处理；在利用层次分析法进行指标权重计算的情况下，对武汉市2014-2016年的水环境承载力进行了评价分析，并就其计算结果给出了提高区域水环境承载力的具体建议。研究结果表明，2014-2016年，武汉市水环境承载力分别为0.1463，0.1457和0.1762，呈现小幅度增长趋势，说明人类社会生产生活在模式转变升级的情况下，武汉市水环境的压力有所减小，但是水资源开发利用率的持续上升也是不容忽视的现实问题。对于指导武汉城市长期可持续发展具有重要指导意义。

关键词：水环境承载力；向量模法；层次分析法

Abstract

In this paper, vector norm combined with analytic hierarchy process was used to construct the evaluation index system of water environmental carrying capacity in Wuhan, and the indicators were normalized. Under the condition of using the analytic hierarchy process to calculate the index weights, the water environmental carrying capacity of Wuhan city from 2014 to 2016 was evaluated and analyzed, and concrete measures for improving regional water environment carrying capacity were given based on the calculation results. The results of the study indicate that the water environmental carrying capacity of Wuhan City was 0.1463, 0.1457 and 0.1762 in 2014-2016, showing a slight growth trend. This shows that under the circumstances that the production and life of human society has been transformed and upgraded, the pressure on the water environment in Wuhan has decreased, but the continuous rise in the utilization rate of water resources development is also a realistic issue that cannot be ignored. It has important guiding significance for guiding the long-term sustainable development of Wuhan City.

Key Words：Water environmental carrying capacity；vector norm；analytic hierarchy process

目 录

第1章 绪论 1

第2章 水环境承载力评价内容及方法 4

2.1 水环境承载力的定义 4

2.2 水环境承载力评价的内容 4

2.3 水环境承载力评价的方法 5

第3章 武汉市水环境承载力评价 7

3.1 武汉市概况 7

3.2 向量模法结合层次分析法的评价步骤 7

3.2.1 建立指标体系 7

3.2.2 数据归一化及权重计算 8

3.2.3 水环境承载力值计算 12

第4章 分析与建议 14

4.1 数据分析 14

4.2 关于提高武汉市水环境承载力的建议 16

参考文献 18

致 谢 20

第1章 绪论

水环境是大自然的重要组成部分，水资源是人类生存和社会发展不缺少的条件。作为人类进行生产生活区域的城市，现在存在着资源环境无法跟上其发展速度的问题。人口剧增，产业经济扩大的同时，社会需水量日益增加，对水资源总量造成了较大负担；在社会生活水平提高的同时，人们对水环境质量的要求也更加严格。在工业经济发展导致污水排放量增加的现状下，由于工业生产结构的不科学、资源配置的不合理以及水环境污染防治的缺失等原因，城市水环境污染、水生态破坏和水资源短缺等水体生态问题便随之出现。

水环境承载力作为一个限制值，对于指导人类生产生活有着重要的意义。即，当人类的社会经济活动超过它时，会对水环境的结构和功能产生较大影响，进而危害到人类社会的长久发展。要保持社会和环境可持续发展，明确当前城市的水资源供给能力和水环境承受的污染压力，就需要对当前水环境承载力进行合理准确评价，并据此对人类生产生活活动进行调整和限制，以达到社会经济与水环境的平衡和谐发展。

水环境承载力的概念源于水环境容量，其定义为水体的自净能力，即能容纳人类活动产生的污染物排放的能力。水环境承载力在狭义上等同于水环境容量，可以理解为水体纳污能力或水体允许污染负荷量。而广义的水环境承载力则是指，在满足特定环境目标和经济发展目标，以及区域水体能够维持一定的生态系统功能前提下，水环境对社会经济与人口协调发展的最大支持力^[1]。狭义的水环境承载力，只强调了水环境容量，并以它代表水环境承载力，忽视了水环境对于人类社会发展的水资源供给等支撑作用，过于片面。关于水环境承载力、水环境容量两者间区别的判断分析，一般从以下两点进行。一是水环境承载力的概念在水环境容量的基础上，还有涉及到水环境资源的可持续发展能力以及水环境功能等；水环境容量则主要强调水环境的纳污能力，只反映了水环境对于社会经济承载的一部分；二是两者的评价角度与意义存在差异，水环境承载力是从社会经济的角度进行水环境对于社会发展支持能力的评价，其意义是通过对水环境承载力的评价进行社会长期可持续发展的规划和指导，水环境容量则是从生态环境的角度，对水环境的纳污能力进行的研究和评价，其意义是对水环境水体功能作出较准确的判断，不能直接指导社会经济发展的发展^[2]。

水环境内在结构功能通过水环境承载力体现，它是水环境对于人类社会经济活动的给予以及对于人类经济社会活动造成的影响的接纳能力。因为它是对水环境状态进行客观反映的一个指标，是某一阶段实际存在的阈值，因此具有一定客观性。但因为水环境承载力是由特定阶段下水环境功能以及人类社会发展对于水环境功能的要求共同决定，是人为设定的与社会经济发展以及生产生活相关的限制值，在评价出发点和评价方法不同的情况下就会有不同的体现，所以水环境评价也是一个具有主观意识的评价。这使得水环境承载力同时具有主观和客观两个特性。除此之外，水环境承载力还具有波动性。将水体枯水期和丰水期的水环境承载力进行对比，会发现水体结构功能，即供水与纳污能力由于水量的变化会呈现出明显的差异。不只有时间变化会导致水量变化，空间的差异同样会使水环境呈现不同状态。这就使得水环境承载力具有时间和空间双重属性，水环境承载力处于不间断的动态变化之中。水体的自我净化和自动更新能力也极大地影响着水环境整体承载力，环境污染引起的生态破坏会使水体的净化能力下降，使水环境恶化。在水体的自我更新外，人类利用科技和经济手段进行的人工保护，如合理建设污水处理厂以及修建水利工程等，也有利于提高水环境承载力。

水体生态系统因其所具有的资源和空间等要素而能够对人类生产活动提供承载力，与此同时，这些人类活动造成的影响又被作为压力反馈给水环境，造成水环境承载力的波动与变化。作为一对互相作用的力，承载力与压力是同时产生和存在，并且相互影响的作用力^[3]。由于这两种力之间的紧密关系，我们在进行水环境承载力评价的时候，应将社会属性的人类活动压力和自然属性的水环境承载力两者结合进行综合考虑分析，构建指标体系进行深入研究。水环境承载力作为中间作用力，联接了经济社会与水体生态系统，它体现的是水环境支持社会发展与同时维持正常水体功能的能力。水环境承载力包括多个分量，如水资源总量、水环境容量和水环境生态等^[4]。要进行水环境承载力研究，就要列出影响水环境承载力的多种因素，构建综合评价指标体系，再运用相关数学统计或评价方法对水环境承载力的大小进行定性或定量分析。

国外的水环境承载力的评价很少单独单项进行，其常见形式为将水环境承载力评价与社会经济、生态环境进行有机结合后研究分析。而国内水环境承载力概念的首次提出大约在上世纪九十年代初，即：某一地区、某一时间、某种状态下水环境对人类活动的支持能力^[5]。国内外已有多种区域水环境承载力研究实例，就其研究进展而言，研究方法多种多样，相关理论体系还未统一。目前可将研究水环境承载力的方法主要分为三类：单因子表征、综合表征和综合评价方法。其中就包括向量模法、层次分析法、模糊综合评价法、主成分分析法、系统动力学法、多目标模型最优化方法等具体评价方法^[6-8]。

曾现进^[9]等从水资源、水生态、社会经济3个方面构建宜昌市水环境承载力指标体系，采用层次分析法和向量模法结合的方法对2005-2020年的宜昌市水环境承载力进行评价分析和预测；杨喆^[10]等通过构建物料衡算模型与水质模型等数学方法从水量和水质两个角度综合分析了江苏高淳固城湖流域水环境承载力；王金南^[11]等应用环境承载力预警分析方法建立压力-状态-响应(PSR)结构模型，研究了长江三角洲多个城市水环境承载力的波动；孙亚飞^[12]等运用层次分析法建立包含多个子系统的评价体系对辽河干流各行政区水环境承载力进行了分区评价；邬彬^[13]等构建了多极关联评价模型和河道一维模型，在区域水环境承载力评价指标体系的基础上对深圳市水环境承载力和水环境容量进行评价。

由于我国长期的粗放型经济发展模式，对资源环境的压力接近维持生态环境平衡的极限，区域社会需要主动寻求转型的机会^[14]。水环境承载力作为支撑区域社会经济可持续发展的环境承载力中的重要一环，往往是制约社会发展规模和速度的关键。因此，要保障人类社会实现可持续的快速发展，就要对以水环境质量和水资源数量等为代表的水环境承载力进行科学有效的评价和保护，以实现水环境和社会的协调发展。

武汉水体区域众多，区域内河流交错，水资源丰富。但是对于武汉市来说，在拥有丰富水资源的基础上，同时也存在着不可忽视的水资源开发以及水环境污染问题。据监测资料显示，武汉市内汉江支流内存在轻度污染现象，大部分湖泊如东湖、南湖等呈现较明显富营养化趋势，其水质难以满足功能区划的要求^[15]。武汉社会经济的健康发展需要水环境系统功能的支持。由此出发，要协调整个武汉市的城市发展以及指导水环境保护的进行，就必须要针对水环境承载力建立指标体系，进行对武汉市水环境承载力水平的综合评价。以此为基础，本文合理运用可持续发展和环境保护理论，结合相关水环境承载力量化评价方法对武汉市2014-2016年的水环境承载力进行分析评价，并针对当前社会发展提出相应的提高武汉市水环境承载力的建议，对于实现经济、社会、人口和水环境协调发展以及制订武汉市可持续发展策略具有至关重要的现实指导意义。

第2章 水环境承载力评价内容及方法

2.1 水环境承载力的定义

近些年，由于我国研究人员的积极探索，我国对于水环境承载力的理论研究取得了长足的进步与发展。但由于水环境承载力涉及较多学科知识与理论，学界对于它的定义还存在多种观点和认识。经查阅资料，发现可将对水环境承载力的定义分为以下三类^[16-18]：第一类即满足水体一定生态结构功能条件下的水环境纳污能力；第二类即满足可持续发展条件下水环境资源对于社会发展的长久支持程度和支撑潜力；第三类即将前两类的定义进行了有机整合，定义水环境承载力为水体纳污能力与支持社会人口和经济发展的能力。

虽然上文中提到了当前研究中对水环境承载力从不同出发点给出的多种定义，但从其本质来看都具有一致性，可以主要归纳为两点，即水环境的供水及纳污能力。水环境承载力在广义上可被总结为在满足特定环境目标和某一特定的生产力状况，和实现区域水体保持一定生态功能的前提下，水环境对于社会经济体系可持续发展的支撑程度。

由于水环境承载力的大小对于人口和社会经济发展的重要性，对水环境承载力进行深入细致的研究是对我国的社会经济可持续发展和环境资源可持续发展进行指导规划的必然要求。

2.2 水环境承载力评价的内容

一般来说，水环境承载力评价中包含了可持续发展、承载力、环境容量和流域生态学^[19]等学科理论，并在这些理论的基础上进行了丰富的结合与发展。可持续发展理论作为水环境承载力的内涵，它所体现的是实现社会和环境的和谐发展以及人口和资源的长期平衡发展这一水环境承载力研究目的和意义；承载力理论作为水环境承载力概念的起源，它强调的是水环境与人类社会之间的关系，即现阶段以及未来一段时间内水环境和水资源给与人类社会活动的支撑力度；环境容量和流域生态学则是水环境承载力研究的理论支持，它结合自然地理、生态等学科，针对水环境系统结构和功能，研究区域内环境污染和生态破坏对水环境在时空上的影响。

总结起来，水环境承载力研究的内容主要包括五个方面^[20]，一是水体生态功能，通过对水环境容量和水体自净能力等指标的调查，进行对现阶段水环境的功能评价；二是水环境与社会经济、人口的相互作用力。人类经济活动会施加压力在水环境上，而人口的变化又与经济的发展密不可分，水环境承载力的动态变化与社会经济以及人口规模息息相关；三是社会经济发展中出现的产业结构问题。通过对水环境承载力的研究进行因地制宜的产业结构和布局以及经济模式的探索；四是人口结构和规模与社会经济间的协调。社会经济的发展会导致人口结构与规模的发展变化，这种变化主要体现在城镇化率的变化上，可以通过研究人口的结构与规模发展来分析；五是针对研究结果探索提高水环境承载力和实现水资源可持续发展的有效途径和措施。

2.3 水环境承载力评价的方法

通过对众多参考文献的阅读和研究，本文决定采用向量模法和层次分析法结合的方法对武汉市水环境承载力进行评价。作为能一种将选取的指标处理后表示区域水环境承载力数值的数学统计方法，向量模法^[21]的具体步骤是先建立区域水环境承载力的评价指标体系，在此基础上设置多个变量数据，每个变量均会对区域内水环境承载力产生不同的影响，而对这些影响综合在一起后的承载力评价是通过归一化处理每个评价指标体系中影响水环境承载力的变量实现的。水环境承载力的数值即为归一化后各变量组成的向量的模。

向量模法具有数学公式直观、计算简单和结果可信度高等特点，由于包含多个向量，向量模法通常被进行用于不同时间或不同空间情况下区域的水环境承载力数值研究，用于体现同一地区在不同时间承载力的变化趋势或者不同地区在同一时间承载力的差异。郭怀成 ^[22]等就运用向量模法对山东省某区域在多种情况下的水环境承载力进行计算量化。随后向量模法对于水体环境承载力的计算得到了更多的运用与发展。本文中运用向量模法的计算，主要是认为对于某个地区的水环境，在m个时间段里存在m个水环境承载力数值，可将这m个承载力数值用指数E_j(_j= 1，2，3，… ，m)表示；而在某个阶段的水环境承载力E_j数值又由 n个不同类型的变量确定，有E_j=(E_1j，E_2j，E_3j，… ，En_j)，即有以下表示：

=(，… ，) （2.1）

归一化处理的公式如下：

ij= Eij/ (i=1，2，3，… ，n；j=1，2，3，… ，m) （2.2）

第j个水环境承载力的大小即为：

= （2.3）

由于向量具有的方向性未在公式计算中得到体现，所以通过以上公式计算得到的数值会存在问题。我们需要将有影响的变量分为正相关变量和负相关变量，水环境承载力随正相关变量的增大而增大，随负相关变量的减小而增大，然后对负相关变量数值先取倒数后再进行相关计算。关于变量与水环境承载力相关关系的判断要综合考虑其间的社会、经济和生态影响因素。

由于各个变量对于水环境承载力的影响程度和重要程度之间存在差异，要尽可能准确地对武汉市水环境承载力的大小进行评价，就需要引入权重值Wi(i= 1，2，3，… ，n)，有：

= （2.4）

权重的计算方法有很多，如专家打分法、主成分分析法、熵值法和层次分析法等。本文中权重选择使用较广泛的层次分析法进行计算。层次分析法包含多种准则和变量，是由美国学者萨迪基于决策中存在大量无法定量因素并且不能回避主观判段的问题时提出的分析方法，它的计算方法简单，需要与人们进行本质上比较主观的判断与决策，应用广泛。层次分析法^[23-24]的要求是先将需要评价的目标层分为多个准则层，各个准则层又可被分解为多个变量层；将各准则层相对于评价目标进行相互比较，构建判断矩阵，计算各层权重；然后将处于同一准则层的变量相对于该准则层同样进行两两比较，权重计算方式与上一层相同；最后将各变量权重与该准则层相对于目标层的权重结合得出综合权重排序。

层次分析法的步骤，可总结为以下四项：

（1）分析研究对象，构建目标-准则-要素层次结构指标体系；（2）对各层次中指标进行重要程度两两判断，构建判断矩阵；（3）由判断矩阵计算各准则层中变量权重；（4）计算各准则层权重，进行变量的综合排序。

第3章 武汉市水环境承载力评价

3.1 武汉市概况

武汉市属于湖北省，是该省省会城市，地理位置处于我国腹部长江中游。作为特大型城市，武汉同时也是中国重要的工业经济文化城市，交通发达。截至2017年底，武汉市人口约为1200万，区域内面积达8494平方公里。武汉有江城的美誉，城区被世界第三长河长江及其支流划分成武昌、汉阳、汉口三大区域。全市有湖泊166个，其中包括城区内的43个湖泊。这主要得益于武汉市内以长江为干流以及其各支流纵横交错共同形成的庞大水网。武汉市内水体区域的面积约2217.6平方千米，而这一面积数据占武汉市内总土地面积的比例达到了四分之一以上。河流方面，有165条左右的河流长度大于5千米。降水量方面，年度总降雨量据统计数据显示，一般在1150毫米～1450毫米，季节分布明显，每年6月～8月的降雨量可以占到年度总降雨量的40％。武汉市的地貌特征为南部丘陵环绕，中部地区平坦，北部山地连绵，地貌分类属于低山丘陵过渡地区。

3.2 向量模法结合层次分析法的评价步骤

3.2.1 建立指标体系

确定能准确反映社会发展与水环境、水资源之间关系的指标体系对于水环境承载力评价非常重要。影响水环境承载力的变量关系到社会、人口、经济和环境质量等多领域，并且各指标间彼此联系，关系复杂。前文提到的存在的社会属性的人类活动压力和自然属性的水环境支持力是决定水环境承载力的关键。所以在进行水环境承载力量化评价之前，我们需要明确社会经济变量与水环境系统功能变量间存在的联系。社会经济变量是人类进行的生活生产活动对水环境压力大小的体现，一般选用水资源利用量和污染物排放量表示；而水环境系统功能变量则是水资源现具有的结构功能对于社会发展的限制的体现，是水环境对人类社会的反作用力。

关于评价体系指标的选取原则可总结为以下四点^[25]：