關于衡水湖環(huán)境功能區(qū)劃的研究

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中圖分類號:X820 文獻標識碼: B 文章編號:1672-1683(2004)02-0029-04

Abstract: Environmental district & plan is a effective measure to control the water quality in Hengshui Lake. In the basis of selecting reasonable and feasible drafts about the Hengshui Lake’s environmental district & plan, evaluation index system is constructed and environmental, social, technical and economical impacts for every draft are analyzed through AHP method. The optimal usage model was determined. This research can provide a reference to the lake environmental management and recovery.

Keywords: Analytical Hierarchy Process, Lake, Environmental District and Plan, Hengshui Lake

1 前言

由于湖泊的水流速度緩慢、水體更新歷時長，其環(huán)境問題近來已經(jīng)成為環(huán)境治理中的重點和難點。盡管國家已經(jīng)投入大量的資金和技術(shù)力量，但湖泊的富營養(yǎng)化及污染問題仍難以根治。其根本原因就在于沒有對來水水質(zhì)進行控制，湖泊治理和功能區(qū)劃不力，導致湖水水質(zhì)總體下降，湖泊底質(zhì)受到污染進一步成為內(nèi)污染源。雖然部分湖泊已經(jīng)進行環(huán)境功能區(qū)劃，但由于未對其區(qū)劃方案進行總體評估，在新的功能區(qū)劃中出現(xiàn)消極影響并進一步導致環(huán)境惡化的現(xiàn)象也時有發(fā)生。因此，加強對湖泊環(huán)境功能區(qū)劃的研究及不同區(qū)劃方案的遴選工作，對湖泊環(huán)境的治理有較強的現(xiàn)實意義。

衡水湖又名千頃洼，位于衡水、冀州、武邑和棗強4市縣之間，是華北平原的兩大內(nèi)陸淡水湖之一，對承接上游來水、供給本地用水起著極其重要的作用。也是長江中線引水工程的必經(jīng)之路，已經(jīng)成為“引黃”和“引江”等南水北調(diào)工程的樞紐。近年來，由于上游污水的不斷匯入，衡水湖水質(zhì)急劇惡化，已經(jīng)不能適應作為引黃和南水北調(diào)對其功能的要求，且對濕地環(huán)境生態(tài)破壞很大。因此，對其進行治理已經(jīng)成為目前華北地區(qū)水環(huán)境治理中迫在眉睫的任務。為了確保其在南水北調(diào)中的調(diào)蓄水庫功能和濕地功能，就必須對其庫區(qū)進行環(huán)境功能區(qū)劃分。

層次分析法作為一種十分有效的系統(tǒng)分析方法，廣泛地應用在能源開發(fā)利用、水資源分析利用等方面。[1-3]與目前國內(nèi)外流行的指數(shù)法、灰色系統(tǒng)分析法、模糊數(shù)學法等方法相比，層次分析法適用于尚無統(tǒng)一度量標尺的復雜問題的分析，解決用純參數(shù)數(shù)學模型方法難以解決的決策分析問題和多目標任務的分析。本文參考相關的研究，運用層次分析法對衡水湖環(huán)境功能區(qū)劃方案的遴選工作進行了研究，得出衡水湖的最優(yōu)化利用方案。在河北省南水北調(diào)工程辦公室對衡水湖綜合規(guī)劃決策中起到了重要的參考作用。

2 層次分析法原理

層次分析法（Analytical Hierarchy Process, 簡稱AHP法）是將決策有關的元素分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎之上進行定性和定量分析的決策方法。[4]該方法是美國運籌學家匹茨堡大學教授薩蒂于本世紀70年代初，應用網(wǎng)絡系統(tǒng)理論和多目標綜合評價方法，提出的一種層次權(quán)重決策分析方法。這種方法的特點是在對復雜的決策問題的本質(zhì)、影響因素及其內(nèi)在關系等進行深入分析的基礎上，利用較少的定量信息使決策的思維過程數(shù)學化，從而為多目標、多準則或無結(jié)構(gòu)特性的復雜決策問題提供簡便的決策方法。尤其適合于對決策結(jié)果難于直接準確計量的場合。

由于層次分析法對原始觀測數(shù)直接加權(quán)運算進行綜合排序，未削弱原始信息量，使評價指標邏輯判斷量化且保持判斷思維全過程的一致性。

層次分析法基本原理為：將要評價系統(tǒng)的有關替代方案的各個要素分解成若干層次，并以同一層次的各個要素按照上一層要素為準則，進行兩兩判斷比較并計算各要素的權(quán)重。通過層次單排序和層次總排序，根據(jù)最大綜合權(quán)重原則確定最優(yōu)方案。[5]

2.1 構(gòu)建層次矩陣

首先根據(jù)項目特點構(gòu)建層次矩陣，一般為三至四層，例如目標-決策層矩陣如表1。

矩陣中各元素為相對重要性標度，其取值見表2。

2.2 層次單排序

層次單排序就是針對上一層某個元素得到的判斷矩陣，計算本層次與它有聯(lián)系的元素權(quán)值，這些權(quán)重反映了這些互相聯(lián)系的元素的相對重要性。層次單排序的基本思路是：求判斷矩陣的最大特征值和特征向量（即本層次元素的權(quán)重）。

判斷矩陣的最大特征值和特征向量采用平均近似法(方根法)計算。其計算步驟為：

①計算矩陣各行各元素乘積

2.3 層次總排序

層次總排序即計算同一層次所有元素相對上一層次的相對重要性的權(quán)值。這一過程是從最高層次到最低層次逐層進行。假設A層次所有要素排序結(jié)果分別為a1，a2，…am，則可計算其下一層次B中各要素對層次A而言總排序權(quán)值。

對于目標層（A）只有一個元素，所以準則層（B）層次單排序即為層次總排序；而對于指標層（C）相對于整個準則層（B）總排序計算，需要用準則層（B）各元素本身相對于總目標的排序權(quán)值加權(quán)綜合，才能計算出指標層（C）相對于整個準則層（B），也即相對于總目標的相對重要性權(quán)值。

3 衡水湖環(huán)境功能區(qū)劃備選方案

衡水湖分為東西兩洼，目前東洼北部用來蓄引黃水，南部為冀州小庫，主要用來蓄當?shù)貫r水，周邊污水也順河道進入冀州小庫,使冀州小庫水體污染十分嚴重。[6，7]西洼自建成以來只蓄過一次水，目前沒有啟用。

根據(jù)當?shù)貙嶋H情況，在征詢當?shù)厮h(huán)保及庫區(qū)管理部門意見以及參閱相關文獻[8-12]后，確定衡水湖環(huán)境功能區(qū)劃5個備選方案如下：

a)方案1：東洼蓄當?shù)厮?，西洼蓄引江水，增建中隔堤?/p>

b)方案2：東洼蓄當?shù)厮魍菪钜?，不建造中隔堤?/p>

c)方案3：西洼部分蓄引江水，東洼北部蓄引江水；東洼南部蓄當?shù)厮?/p>

d)方案4：西洼全部，東洼北部蓄引江水；東洼南部蓄當?shù)厮?/p>

e)方案5：西洼蓄當?shù)厮?，東洼蓄引江水。

本研究將在層次分析法原則下對以上5個備選方案進行綜合評比，并確定最優(yōu)方案。

4.層次分析法在環(huán)境功能區(qū)劃中的應用

4.1 層次結(jié)構(gòu)模型

由于水環(huán)境功能區(qū)劃涉及的專業(yè)學科多，研究范圍廣，是一個復雜的系統(tǒng)工程。對于這樣一種復雜的系統(tǒng)研究，關鍵是應科學地設計出能正確反映水環(huán)境功能各種指標體系，并據(jù)此建立起多層次結(jié)構(gòu)模型。為此，在廣泛、深入地搜集文獻資料的基礎上，建立了如圖1所示的多層次分析結(jié)構(gòu)模型。

從圖1可見，層次分析模型結(jié)構(gòu)圖分為四個層次：目標層(A)、策略層(B)、約束層(C)和準確層(D)。目標層為總評估層，策略層分為生態(tài)環(huán)境、社會政治和技術(shù)經(jīng)濟三個方面，約束層由12個因子構(gòu)成，準確層為具體判斷指標。

4.2 A-B層次排序

根據(jù)生態(tài)環(huán)境、社會政治、技術(shù)經(jīng)濟對目標層重要的程度，得A-B判斷矩陣

4.3 B-C層次排序

依據(jù)同樣的規(guī)則確定B-C 判斷矩陣并計算其特征向量（以B1-C判斷矩陣為例）。

B2-C層次總排序，B3-C層次總排序與B1-C層次總排序計算方式相同。

4.4 A-C矩陣總排序

對A-B-C矩陣進行總排序，Cw為 A-B矩陣和B-C矩陣之積，即最終權(quán)重。計算結(jié)果如表7所示：

由上表可見，我們認為C11，即投資規(guī)模在方案評比中占有最重要的地位，其總權(quán)重為30.64%。此外，庫容是否滿足引江水的要求（C9）及水質(zhì)是否能夠達到規(guī)定標準（C1）也比較重要，權(quán)重分別為14.58%和12.4%。

5 結(jié)論

綜合考慮準確層各因素的影響，邀請專家團對約束層各因子打分，得到約束層各分子的最終得分。結(jié)合其權(quán)重Cw可得各方案的綜合分值，根據(jù)該分值對各個方案進行排序?qū)Ω鱾€方案進行綜合評比（見表8）。

在方案綜合評比中，方案2由于分值最高被確定為最優(yōu)方案。該方案通過工程建設，將西庫內(nèi)17個村莊全部遷出，西湖作為衡水、冀州市飲用水源地，東庫蓄當?shù)厮?。由于未修建中隔堤，其庫容較大，總庫容達到南水北調(diào)衡水湖調(diào)蓄水庫庫容規(guī)劃要求。而且西庫內(nèi)的居民全部遷出，洼內(nèi)無居民居住，水質(zhì)基本上不受人為活動影響，水體水質(zhì)可以得到較好保護，其水質(zhì)在5個方案中最優(yōu)。同時人類活動程度的降低可以減少對野生動物的驚擾以及對野生植物的破壞，更加有利于恢復和保護生物多樣性。且洼內(nèi)村民完全搬遷出規(guī)劃核心區(qū)，方案規(guī)劃與《河北衡水湖自然保護區(qū)總體規(guī)劃》完全一致。此方案移民數(shù)量多，移民投資大，但就業(yè)機會增加也多。

6 討論

通過對衡水湖進行環(huán)境功能區(qū)劃方案遴選，我們認識到湖泊的水體環(huán)境功能區(qū)劃是一個系統(tǒng)工程，涉及到社會、經(jīng)濟、政治、環(huán)境、生物和工程等多個學科，研究起來相對數(shù)據(jù)信息量少且定量與定性數(shù)據(jù)并存。在湖泊水體環(huán)境功能區(qū)劃方案選擇中采用層次分析法, 可在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)下,通過合理的權(quán)重分配和對定性指標作量化處理，使主觀判斷變?yōu)榭陀^描述，既增強了項目和目標評估的科學性和可靠性，又提高了評估結(jié)果的直觀性和可操作性。

要想獲得科學、理想的評估結(jié)果，利用層次分析法進行湖泊水環(huán)境功能區(qū)劃時應注意以下兩點：

Ø針對評估對象設計出能體現(xiàn)評估目的，并符合評估對象基本特征的合理的評估指標體系。若指標體系缺乏系統(tǒng)性和完整性，或者所列指標缺乏層次性和邏輯性，則無法建立嚴密的層次結(jié)構(gòu)模型，評估結(jié)果亦難以達到科學、可信。

Ø專家調(diào)查是一種由專家群對評估或預測目標進行判斷和評價的群體作業(yè)，因此，專家的選擇十分重要。如果接受咨詢的專家對評估和預測對象缺乏廣泛的背景知識和專深的學科知識，就難以作出較客觀的正確判斷。

參考文獻：

[1] 蘇德林，武斌，沈晉，水環(huán)境質(zhì)量評價中的層次分析法，哈爾濱工業(yè)大學學報，第 2 9卷　第 5期，1997

[2] 慕金波, 層次分析法在評定最優(yōu)環(huán)境工程方案中的應用,環(huán)境科學進展,1997,Vol 5, No 4， P33-40

[3] 洪繼華，宋依蘭，層次分析法在水環(huán)境功能區(qū)劃中的的應用，環(huán)境科學與技術(shù)，2000年第1期，P32-39

[4] Thomas L. Saaty, Multicriteria Decision Making: The Analytic Hierarchy Process. 1990 extended edition.

[5] 王金山，謝家平，系統(tǒng)工程基礎與應用〔Ｍ〕，北京 :地質(zhì)出版社,1 996

[6] 趙藏書等，衡水湖水環(huán)境調(diào)查及防治對策，河北環(huán)境科學，2001年第1期，P42-44

[7] 江寶生等，衡水湖東湖底質(zhì)監(jiān)測調(diào)查,河北環(huán)境科學，2001年第4期，p19-21

[8] 河北省水利水電勘測設計分院，衡水湖環(huán)境系統(tǒng)評價研究報告，1988

[9] 河北省水利廳勘測設計分院，南水北調(diào)中線千頃洼蓄水工程可行性研究報告1985

[10] 河北省水利水電勘測設計分院，引黃入淀工程白洋淀、千頃洼的初步調(diào)蓄，1987

[11] 衡水市南水北調(diào)籌備處，南水北調(diào)中線工程供水區(qū)衡水市配套工程規(guī)劃技術(shù)大綱，2001

[12] 地礦部水文地質(zhì)工程研究院, 《衡水市引湖入衡給水工程環(huán)境影響評價報告》， 1995年

作者簡介：牟純?nèi)纾?962―），男，高級工程師。