三峡库区水环境安全评价研究

1、.word格式.三峡库区水环境安全评价研究1张颖,刘凌,燕文明河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京（210098E-mail:摘要水库是人类对于河川径流调节的一种手段，其在防洪发电、航运灌溉等方面起着重要的作用。但同时也对库区生态环境产生不可避免的影响，对库区的水环境安全进行合理评价，及时发现系统问题，对库区生态系统的健康维持与发展有着重要意义。本文以三峡库区为研究对象，结合国内外对水环境安全的研究进展采用层次分析法（AHP与主成分分析法（PCA相结合的度量模型,最大程度的利用评价指标体系中指标的属性值计算各指标的权重系数与主成分值,客观且定量的对三峡库区的水环境安全状况进

2、行评价，得出库区大部分地区水环境安全状况均处于亚健康与受损害状态，结合可持续发展的理念，对需要保护和修复的区域提出相应的保障措施。关键词水环境安全层次分析法；主成分分析法；三峡库区中图分类号：X171.1文献标识码：A文章编号：1673-7180（200709-近年来，水安全问题越来越受到国际与国内各方人士的关注和重视。2000年3月在荷兰海牙召开的世界部长级会议和2000年8月在瑞典斯德哥尔摩召开的世界水讨论的主题都是“2世纪水安全”1。水安全具有自然属性和社会属性，体现了自然生态和人类基本生产与生活质量的保障程度20水生态与水环境安全危机日益严重。这不仅影响到生态和环境自身的平衡与良性循环

3、，还直接关系到维系国家安全及发展的经济问题和政治问题3。对水安全进行分析评价，对生态环境保护及经济发展均起着不可忽略的作用。三峡工程作为我国有史以来最大的水利枢纽设工程，对我国的经济建设和社会发展有着重要意义，在防洪、发电、航运、旅游、灌溉等方面产生了巨大的综合效益;但同时也对长江流域的环境安全尤其是对三峡库区的环境造成了极大的影响。保持良好的环境不仅是发展库区经济、实现库区可持续发展的重要基础，也关系到长江中下游地区生态环境安全，尤其对保障三峡工程的长期有效运行具重要作用。因此，三峡库区的生态环境问题特别是水环境安全受到了普遍重视。本文在国内外研究基础上，采用层次分析法与主成分分析法4,5相

4、结合的模型对库区水环境安全状况进行合理分析，以期为库区生态环境的修复和保护提供参考。1 .研究方法1.1 层次分析法1.1.1 构造判断矩阵AHP方法是将相互关联的要素按隶属关系划分为若干层次利用数学方法综合调查访问所得各方面意见，给出各层次各要素的相对重要性权重，作为综合分析的基础6,7o判断矩阵表示上一层某个元素针对本层次有关元素的相对重要性。结合数据资料、专家意见和作者的认识构造出A-B（第二层因素相对第一层的比较判断矩阵以下类同，B-C,C-D判断矩阵。1.1.2 层次单排序及其一致性检验本文采用方根法来求解。具体步骤参考文献8。1本课题得到国家863高技术研究发展计划资助项目（200

5、4AA649411-01的资助。由于客观事物的复杂性或对事物认识的片面性，需要对所构造的判断矩阵进行一致性和随机性检验，从而保证所求出的特征向量（权值的合理性。检验公式为：/CRCIRI=（1式中:CR为判断矩阵的随机一致性比率；CI为判断矩阵一致性指标；max1（1CInn入二-(2式中:max人为最大特征根；n为判断矩阵阶数；RI为判断矩阵的平均随机一致性指标。RI由大量试验给出，对于低阶判断矩阵,RI取值列于下表1。表1平均随机一致性指标RI阶数123456789RI0.000.000.580.9021.411.45当0.10CR时,即认为判断矩阵具有满意的一致性，

6、说明权数分配是合理的；否则，就需要调整判断矩阵，直到取得满意的一致性为止。1.1.3层次总排序及一致性检验层次总排序就是计算C层和D层对于A层的相对重要性排序,实际上是层次单排序的加权组合。见表2所示：表2层次总排序表层次BB1B2Bn次Cb1b2bnC层对A层的总排序C1c11c12c1n11njbc=ECmcmlcm2cmn1nmjjbc=E对整个递阶层次模型的判断一致性检验，即为:11njjjjCRaCIaRI面各式中:ja为特征向量,jCI和jRI分别为与ja对应的层次（B层或C层中判断矩阵的一致性指标和随机一致性指标。当0.10CR时，则判断矩阵有满意的一致性；否则，重新判断，直至满

7、意。1.2 主成分分析法1.2.1 标准化为了排除数量级和量纲不同带来的影响，首先对原始数据进行标准化处理。根据生态健康评价标准和各种资料得出各个指标的理想值并设该值所代表的权重为1,认为权重越大越优，那么，对于越大越优型的指标：/ijsxxx?=（3对于越小越优型的指标：/sijxxx?=（4式中sx为第i个指标的理想值。当理想值为0时则再确定另一个对应于系统某一分界点的值,之后再对两者进行线形插值。1.2.2求特征值及特征向量根据标准化数据表（ijnpx?x可算协方差矩阵（ijnnsx=S:*A1(nijkiikjjksxxxxn=-(5式中:ix代表第i个指标的样本均值o1.2.3计算主

8、成分的贡献率(1计算贡献率：/n入入=12(6累计贡献率：11/mniiijiE入入=EE(7(2计算主成分11j ii ij j i z u x =EE (8(3综合分析。通过求累计贡献率jE来判断一个m维主超平面是否能近似代替原始变量系统从而确保尽可能多的原始数据信息。一般取jE80%的最小(mmn0.42.4 层次分析法2.4.1 层次单排序及其一致性检验对指标体系中各层次的指标根据其相对重要性程度构建出判断矩阵，采用方根法进行计算，再进行一致性检验。如表5所示,为准则层中各项权重。表5准则层各项权重与排序编号名称权重值B1河流健康0.5149B2资源支撑能力0.164

9、4B3干扰能力0.1250B4环境修复能力0.19562.4.2 层次总排序及其一致性检验根据层次单排序的数据，采用2.1.3所述计算方法，进行层次总排序。部分计算结果见表6所示。表6层次总排序表层次BB1B2B3B4层次C总排序层次C0.51490.16450.12500.1956C10.12650.0652C20.18650.0960C30.68700.3537C40.05220.0086总的一致性检验：CR=0.0540.10,说明C层对于A层总排序具有满意一致性。2.5 主成分分析法(1首先对指标体系中的原始数据按各准则层分块分别进行标准化(原始数据及标准化数据从略，得到标准化数据表*

10、(ijx(1,2,3,10;1,2,5ij=LL。(2对标准化之后的矩阵求其协方差矩阵，然后将该斜方差矩阵分别求取特征值和特征向量。(3那么可得到各准则层的不同指标的贡献率，以河流健康层为例(见表7、表8所示：表7河流健康层各主成分的特征值及其贡献率准则层主成分序号特征值贡献率(%累计贡献率(10.131070.943470.943420.028815.597686.5410河流健康30.024813.4590100表8河流健康层层各主成分的特征向量准则层主成分序号特征值特征向量10.13100.98750.08930.12956河流健康20.02880.1200-0.9601-0.2527（

11、4以每个主成分特征值贡献率为权，对主成分加权合成最终该准则层对于各个区域的主成分得分。再通过在层次分析法中得到的各准则层的权重系数对区域主成分得分进行加权，可得到区域的综合健康评价指数（如表9、图1所示。表9区域综合评价指数计算资源支撑能力干扰能力0.16451.72870.70222.48840.50460.83610.60620.12500.66110.19780.0922-0.0039-0.16570.2235河流健康准则层权重系数泰江片区北岸盆地区乌江下游彭水以下磨刀溪龙河片区北岸盆地边沿区兴山种归宜昌区0.51490.1514-0.06390.6294-0.04210.08340.0

12、122环境修复能力0.19560.84540.96310.59210.97370.95780.9240区域综合指数0.61030.29570.86080.25130.34710.31473河流健康2.521.510.50区下区区区片地以片沿宜兴山种归昌区资源支撑能力干扰能力环境修复能力江盆水河泰岸彭龙北游溪江下刀乌图1准则层主成分分析直方图2.6区域综合健康评价根据表4所述的区域水环境安全等级标准，将安全、亚安全与受损害三者的分界值0.6和0.4代替指标体系中的原始数据，通过计算（步骤同上），可得出相应于三个等级状况的区域水环境安全综合指数的分界值，得出六个分区的水环境安全状况（见表10所示）

13、。表10区域水环境安全综合指数安全（0.5亚安全（0.30.5泰江片区北岸盆地区,北岸盆地边沿区,兴山、种归、宜昌区水环境安全状况区域磨北岸盆地边受损害（0.3磨刀溪龙河片区3.评价结果3.1评价与分析通过层次总排序结果可以看出，劣三类水水质比率所占的权重最大，干旱指数的权重居第二，城镇生活污水处理率居第三,年径流变差系数比重居第四，城市化率指数居第五，用水径流比居第六，人均水资源量及路网密度所占的权重最小。而通过安全综合指数的情况来看，三峡库区六个生态分区的评价结果有喜有忧，其中乌江下游彭水以下区以及泰江片区的-6-环境安全程度最好，综合指数均大于安全值；兴山、种归、宜昌区，北安盆地边沿区及

14、北岸盆地区处于亚安全状态；磨刀溪龙河片区的水环境安全状况最差，环境安全已经受到损害（见图2所示）。由主成分分析图中（见图1所示）可以得出：泰江片区和乌江下游彭水以上区、其资源支撑能力的影响较大，而其余四个区的环境修复能力所占比重更多。这是由于后四个区均属于环境非安全状态，迫切需要尽快采取环境修复措施。三峡库区总体水环境安全状况不容乐观。图2三峡库区水环境安全状态图3.2治理措施综合研究区实际情况，可以看到在受损害的北岸盆地区中河流众多，在拥有丰富水资源的同时也极易引起对水环境的破坏。处于亚健康层中的三个区，在污水处理、水土流失控制等方面也有待进一步的改善。提出三点治理措施：1加强工业污染防治与

15、城镇污水处理。目前，三峡库区及其上游工业废水及污染物排放量均占全部排放量的50%以上，是影响库区水质的主要污染源。三峡库区在工业污染治理中，应调整工业结构，尽量削减工业污染物排放总量，积极推行清洁生产和技术进步，实现工业污染物全面达标，促进工业结构的调整和升级。建立基于环境容量的污染物排放总量控制制度，推行排污申报登记和许可证制度。2加强生态环境保护。生态环境保护的重点是控制三峡库区及其上游的水土流失，减少入库的泥沙量。3水资源分区的综合治理。结合各个区域的具体情况，进一步采用最有效的治理方针和手段来保证整个库区的水环境系统的健康与和谐。对于处于安全状态的泰江片区和乌江下游彭水以上区，根据主成

16、分分析来看资源支撑能力的影响是最大的，即应争取更好得改善人均水资源量、年径流变差系数、森林覆盖率和输沙模数等指标值。其它四个属于亚安全和受损害状态的区域，应加快城镇污水处理设施建设，抓紧治理城镇生活垃圾，加大工业污染的防治力度，全面治理船舶流动源污染，使其生态环境得到有效的控制和修复。-7-4.结论水环境安全兼具自然和人为两重性，是自然属性与社会属性的有机结合。人类从关注其社会属性，注重对自身生存的安全保障开始，慢慢地关注其自然属性，在保护水环境的自然生态系统上有所探索，它们包含了自然、社会、经济等方面，这些方面的关系错综复杂，要全面准确的评价难度很大，特别是定量描述，需解决因素权值和因素评分

17、11。采用AHP与PCA相结合的评价模型,最大程度的利用了评价指标体系中指标的属性值计算各指标的权重系数与主成分值。将两者有机结合，得出区域综合指数对环境状况进行评定，再反之通过权重与主成分值来分析区域环境现状和问题，较好的解决了AHP法的过为主观和PCA法完全依赖数据的缺点，将二者优点很好的结合起来。本文的研究方法可供其它区域生态系统健康或安全评价借鉴参考。参考文献1方子云.提供水安全是21世纪现代水利的主要目标-兼介斯德哥尔摩前年国际水会议及海牙部长级会议宣言J.水利水电科技进展，2001,21(1:910.2卢敏，张洪海宋天文,等区域水安全研究理论及方法探析J.人民黄河，2005,27(

18、10,68.3曾畅云，李贵宝，傅桦.水环境安全的研究进展J.水利发展研究，2004,(4:2022.4张超扬秉庚.计量地理学基础M.北京:高等教育出版社,1993.145159.5任若恩，王惠文.多元统计数据分析M.北京:国防工业出版社，1997.92110.6樊彦芳，刘凌,陈星，等.层次分析法在水环境安全综合评价中的应用J河海大学学报,2004,32(5:512514.7张延欣.系统工程学M.北京:气象出版社，1997.125134.8任*鸟遵，于静杰，林耀明等.华北平原农业水资源工序状况评价方法J.地理研究,1999(1:3944.9韩宇平，阮本清.区域水安全评价指标体系初步研究J.环境科

19、学学报,2003,23(2:267272.10张凤玲，刘静玲，杨志峰.城市河湖生态系统健康评价-以北京市只海”为例J.生态学报,2005,25(11:30193027.11郑宗清.广州城市生态质量环境评价J.陕西师大学报(自然科学版.1995,(12,134137.StudyonwaterenvironmentsecurityoftheThreeGorgereservoirregionZhangYing,LiuLing,YanWenmingStateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,HohaiUnive

20、rsity,Nanjing(210098AbstractReservoirisausefulconstructiontoregulatethenaturalwaterresourcesandplayanimportantroleintheprogressofoursociety.Butitalsomakesinevitableimpressontheenvironmentofreservoirregion.Sotakestudyonwaterenvironmentsecurityhassignifymeaningforfindandsolveentironmentprombles.Inthispaper,onthebasisofcomprehensiveunderstandingoftheconceptofwaterecologyandwaterenvi