ACTA Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis
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 Ma
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
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
[11]区域水模型。Swatuk 等 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
[12]短缺以及生态环境恶化。Shirley 等 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
[14]态安全与城市化之间的关系。张丽等 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
[15]全综合评价指数处于上升趋势。傅春等 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
[16]源等措施来提高水环境生态安全水平。唐承佳运用系统动力法, 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
[17]是重要原因。孙才志等 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 12486 km2。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558.7 mm。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93.3 km, 途经沙河市(15.9 km)、桥西区(17.8 km)、邢台县(8.9 km)、内丘县(23.6 km)和临城县(27.1 km) 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[25]本文数据来自中国统计年鉴 、河北年鉴[26]、[27] [23]河北经济年鉴 、邢台市统计年鉴 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
[21,29]确性 。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