一种同步水环境承载力评价与类型识别方法与流程

本发明属于水环境管理领域，涉及一种同步水环境承载力评价与类型识别方法。

背景技术：

承载力作为研究社会经济与环境可持续发展的重要方法，起源于生态学，在实际应用中发展出了水环境(资源)承载力、土壤承载力、生态环境承载力、人口承载力等一系列概念与评估方法。随着社会的发展对水资源的需求也越来越高，不仅体现在水量的需求，对水质的需求也达到了一个新的高度。面对严峻的水环境形势，90年代以来围绕着水环境开展了一些社会经济与水环境协调发展的研究。研究认为水环境承载力是水质和水量的综合承载，有阈值性和协调性两个方面，受到人工-自然综合影响具有复杂性和不确定性，并且随着社会的发展与环境对策的变化有着时空的变化性。目前一部分研究人员认为水环境承载能力是某一区域水环境对人类发展的支持能力，涉及到水资源、水质量、经济、人口、环境保护等多个方面。也有一些人认为水环境承载力是水环境纳污能力。

值得注意的是水环境承载力涉及到水环境和社会发展两个方面，各地区的经济水平、自然资源、发展模式等因素都不尽相同，不同地区水环境承载力评价可能会得出相同的承载能力从而掩盖了不同地区的差异。虽然综合的水环境承载力评价在一定程度上有助于认识当地承载状态，但不能体现出相同水环境承载力水平下的差异。例如，当评价得出丰水区域的水环境承载力和缺水地区的水环境承载力能力相同，这时候就会给水环境管理带来困惑。因此，迫切需要一种可以同步进行水环境承载力评价，并确定其水环境承载类型的方法，从而寻找地区发展中存在的问题，权衡社会发展与水环境的平衡点，并为相似地区的水环境承载力提供借鉴。

本专利受到国家自然科学基金(51809032；51879031)资助。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有水环境承载力评价方法只能进行综合评价，不能区分承载力类型的缺陷，提供一种同步水环境承载力评价与类型识别方法，能够同步评价水环境承载力级别与识别水环境承载力类型，从而提高管理效率。

为了实现以上的功能，本发明的技术方案如下：

一种同步水环境承载力评价与类型识别方法，包括以下步骤：

步骤一、利用压力-状态-响应(psr)模型建立评价指标体系

压力-状态-响应模型由oecd于80年代提出，由于其系统性、因果性、可持续性等特点，广泛的应用于资源承载力评估、环境影响评估、可持续发展评价等；水环境承载力反映的是水环境对社会发展的支撑能力，是一个动态变化的过程；社会经济的发展水环境压力(p)增大导致了水环境状态(s)的恶化，面对恶化的水环境状态s，通过分析恶化的因素(水环境压力p)采取措施(水环境响应(r))从而降低水环境压力p并改善水环境状态s，水环境状态s的改善又会进一步提高水环境承载能力，形成一个良性循环，逐渐提高水环境承载力，使得在社会经济发展的同时也保持了水环境的良好状态，反之则水环境承载力逐渐恶化。基于水环境承载力的动态变化过程分析，利用psr模型构建水环境承载力指标体系，将水环境承载能力分为水环境压力承载力、水环境状态承载力、水环境响应承载力3个部分，各部分指标如下：

水环境压力承载力指标(p)：水环境承载力的压力主要来自于人口压力和经济压力，体现为用水和排污两种方式，选取人口密度(人/km²，x1)、人均用水量(m³/人，x2)、人均gdp(元/人·年，x3)、氨氮排放(t/万亿元，x4)、化学需氧量排放(t/万亿元，x5)、万元gdp用水(t/万亿元，x6)6个指标作为水环境压力指标；

水环境状态承载力指标(s)：水环境状态是水环境承载力的核心，是社会经济发展的重要支撑，主要体现在水量、水质两个方面。由于利用率说明未来可开发的程度，森林覆盖率对水循环与水净化有密切的作用，降雨量与水资源量相关性显著这给水环境承载力带来了一些不确定性，河流不仅本身是重要的水资源同时对湖泊水库水质有所影响，因此选取森林覆盖率(％，x7)、年降水量(mm，x8)、河流三类水质比例(％，x9)、人均水资源量(m³/人，x10)、水资源利用率(％，x11)作为水环境状态指标；

水环境响应承载力指标(r)：水环境响应包括两个方面，一方面是通过环境投入和增大生态用水比例来改善水环境状态，另一方面是通过科学研究、降低工业、农业用水量、促进产业结构调整来减少用水压力。因此，选取科学研究占国内生产总值比例(％，x12)、第三产业比重(％，x13)、环境治理投入占国内生产总值比例(％，x14)、万元工业用水量(m³/万元，x15)、万元农业用水量(m³/万元，x16)、生态用水比例(％，x17)作为水环境响应指标；

参考国内外文献确定评价标准如表1所示；

表1水环境承载力评价标准

其中x3,x7,x8,x9,x10,x12,x13,x14和x17是水环境承载力评价中的正指标，x1,x2,x4,x5,x6,x11,x15和x16是水环境承载力的负指标。

步骤二、规格化指标，将水环境压力指标、状态指标、响应指标及其标准分别代入公式(1)和(2)进行规格化消除量纲及逆指标影响。

式中，xij是第i个样本的第j个指标；yhj是第h级标准的第j个指标，c表示标准的最高等级，rij和shj是分别样本和标准的规格化结果；h是标准的第h个等级；

步骤三、确定指标权重，可以利用层次分析法、熵权法、主成分分析法或综合权重法确定；

步骤四、利用可变模糊识别模型进行评价，按照公式(3)对样本的子系统承载力进行评价；

式中，uhi是样本i的综合优属度；k是ai,bi的区间值；ai,bi通过rij与shj获得，ai为下限值，bi为上限值；ωj是指标j的权重；a，p为模型参数，a＝1(线性),a＝2(非线性)；p＝1(海明距离),p＝2(欧式距离)；建议计算四个模型的结果取均值作为最后结果；

进一步，利用公式4计算样本的压力、状态、响应各子系统级别特征值，并根据权重计算子系统综合水环境承载力；

式中，h是标准的等级，c表示标准的最高等级；h是样本i的子系统承载力级别；至此就可以分别计算出压力、状态、响应各子系统级别特征值；

步骤五、进一步利用加权平均法对三个子系统进行加权计算即可获得样本的水环境承载力级别；

步骤六、根据压力、状态、响应各子系统级别特征值确定水环境承载力类型；由于水环境承载力是个复杂的人工-自然系统，它的变化受到水环境压力承载力、状态承载力、响应承载力的影响，这就可能出现相同水环境承载能力，却不同水环境承载类型的情况，当前的水环境承载力评价多是进行综合评价而忽视了类型的差异，本方法根据水环境压力承载力、状态承载力、响应承载力的不同级别对水环境承载力进行类型识别；将各子系统的1-2级定义为好，3级定义为中，4-5级定义为差，这样便可以将水环境承载力划分为27个类型，如表2所示：

表2水环境承载力类型划分

根据三个系统的承载力级别，利用加权平均分就可计算出水环境承载力级别，并根据表2就可以同步判定出水环境承载力类型，从而实现同步水环境承载力评价与类型识别，方便水环境管理；

步骤七、将三个系统的承载力级别、水环境承载力级别、水环境承载力类型作为要素加入到gis中，在研究区域底图的基础上绘制水环境承载力分布图。

本发明的有益效果为：本发明能够实现同步水环境承载力评价与类型识别，可以准确的识别出相同水环境承载力下的不同类型，提高了水环境管理的技术。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

图2为同步水环境承载力评价与类型识别方法流程与案例示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图详细叙述本发明专利的具体实施方式，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于分本发明的保护范围。

一种同步水环境承载力评价与类型识别方法，为了进一步说明本发明方法的有效性，选取中国2003年水环境承载力评价为例，计算步骤如下：

步骤1：确定指标体系，搜集2003年中国水环境承载力样本的各指标数据；xij＝[134.61412.9010542.009.5498.14391.7216.55638.0062.602131.3019.371.3032.281.20190.551990.381.49]

其中1-6表示水环境压力承载力指标数据，7-11为水环境状态承载力数据，12-17为水环境响应承载力数据；接下来以水环境压力承载力为例进行计算；

步骤2：进行样本与标准的规格化；

步骤3：利用层次分析法确定指标权重；

步骤4：可变模糊识别模型评价

根据rij与shj确定a1，b1值

s31＝0.678≤r11＝0.798≤s21＝0.847,herea11is2,b11is3；

s32＝0.385≤r12＝0.672≤s22＝0.692,herea12is2,b12is3；

s43＝0.065≤r13＝0.142≤s33＝0.370,herea13is3,b13is4；

s54＝0.000≤r14＝0.000≤s44＝0.296,herea14is4,b14is5；

s55＝0.000≤r15＝0.000≤s45＝0.212,herea15is4,b15is5；

s46＝0.161≤r16＝0.497≤s36＝0.726,herea16is3,b16is4；

a1＝min{a1j}＝2,j＝1,2…6

b1＝max{b1j}＝5,j＝1,2…6

将权重与模型参数代入公式3计算，结果如下

将优属度结果代入公式4计算，结果如下

可以看出2003年中国水环境压力承载力的级别为3.34，这里将4中模型评价结果取均值作为最后的输出结果，可以提高结果的可靠性；

步骤5：类似的，可以计算出2003年中国水环境状态承载力、中国水环境响应承载力分别为2.62和3.99。利用层次分析法确定的权重可以计算出2003中国水环境承载力级别是3.14；

步骤6：对照表2发现其类型为24类；

步骤7：同样的对中国各省市2003-2008期间的水环境承载力进行评价，绘制gis图，结果发现北京和黑龙江在2003年时期的水环境承载力分别为3.10和3.66，均处于较差水平；承载类型分别为23、24；但北京自然资源相对匮乏而经济相对发达，黑龙江相对资源较为丰富而经济相对落后，相应的水环境响应措施也相对较差；由于这些特征不同，北京在水环境压力与响应方面积极努力，2008年北京的水环境承载力已经提升到了2.82达到了中等水平，其水环境承载力类型也变为11；而黑龙江的水环境承载力则持续退化到3.66，其承载类型也转变为27类。可以看出相同水环境承载力的情况下，不同承载类型也会产生不同的变化情况。因此，在进行水环境承载力问题研究时，不仅要考虑综合水环境承载力水平，还需要考虑其承载力类型。