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

- LI Yuping, ZHU Chen, ZHANG Luxuan, et al

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

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图 1 邢台市地理位置Fig. 1 Geographic sketch map of Xingtai City
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图 2基本思路和技术路线­Fig. 2 Basic ideas and technical route

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