1、.word格式.三峽庫區水環境安全評價研究1張穎,劉凌,燕文明河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇南京（210098E-mail:摘要水庫是人類對于河川徑流調節的一種手段，其在防洪發電、航運灌溉等方面起著重要的作用。但同時也對庫區生態環境產生不可避免的影響，對庫區的水環境安全進行合理評價，及時發現系統問題，對庫區生態系統的健康維持與發展有著重要意義。本文以三峽庫區為研究對象，結合國內外對水環境安全的研究進展采用層次分析法（AHP與主成分分析法（PCA相結合的度量模型,最大程度的利用評價指標體系中指標的屬性值計算各指標的權重系數與主成分值,客觀且定量的對三峽庫區的水環境安全狀況進

2、行評價，得出庫區大部分地區水環境安全狀況均處于亞健康與受損害狀態，結合可持續發展的理念，對需要保護和修復的區域提出相應的保障措施。關鍵詞水環境安全層次分析法；主成分分析法；三峽庫區中圖分類號：X171.1文獻標識碼：A文章編號：1673-7180（200709-近年來，水安全問題越來越受到國際與國內各方人士的關注和重視。2000年3月在荷蘭海牙召開的世界部長級會議和2000年8月在瑞典斯德哥爾摩召開的世界水討論的主題都是“2世紀水安全”1。水安全具有自然屬性和社會屬性，體現了自然生態和人類基本生產與生活質量的保障程度20水生態與水環境安全危機日益嚴重。這不僅影響到生態和環境自身的平衡與良性循環

3、，還直接關系到維系國家安全及發展的經濟問題和政治問題3。對水安全進行分析評價，對生態環境保護及經濟發展均起著不可忽略的作用。三峽工程作為我國有史以來最大的水利樞紐設工程，對我國的經濟建設和社會發展有著重要意義，在防洪、發電、航運、旅游、灌溉等方面產生了巨大的綜合效益;但同時也對長江流域的環境安全尤其是對三峽庫區的環境造成了極大的影響。保持良好的環境不僅是發展庫區經濟、實現庫區可持續發展的重要基礎，也關系到長江中下游地區生態環境安全，尤其對保障三峽工程的長期有效運行具重要作用。因此，三峽庫區的生態環境問題特別是水環境安全受到了普遍重視。本文在國內外研究基礎上，采用層次分析法與主成分分析法4,5相

4、結合的模型對庫區水環境安全狀況進行合理分析，以期為庫區生態環境的修復和保護提供參考。1 .研究方法1.1 層次分析法1.1.1 構造判斷矩陣AHP方法是將相互關聯的要素按隸屬關系劃分為若干層次利用數學方法綜合調查訪問所得各方面意見，給出各層次各要素的相對重要性權重，作為綜合分析的基礎6,7o判斷矩陣表示上一層某個元素針對本層次有關元素的相對重要性。結合數據資料、專家意見和作者的認識構造出A-B（第二層因素相對第一層的比較判斷矩陣以下類同，B-C,C-D判斷矩陣。1.1.2 層次單排序及其一致性檢驗本文采用方根法來求解。具體步驟參考文獻8。1本課題得到國家863高技術研究發展計劃資助項目（200

5、4AA649411-01的資助。由于客觀事物的復雜性或對事物認識的片面性，需要對所構造的判斷矩陣進行一致性和隨機性檢驗，從而保證所求出的特征向量（權值的合理性。檢驗公式為：/CRCIRI=（1式中:CR為判斷矩陣的隨機一致性比率；CI為判斷矩陣一致性指標；max1（1CInn入二-(2式中:max人為最大特征根；n為判斷矩陣階數；RI為判斷矩陣的平均隨機一致性指標。RI由大量試驗給出，對于低階判斷矩陣,RI取值列于下表1。表1平均隨機一致性指標RI階數123456789RI0.000.000.580.9021.411.45當0.10CR時,即認為判斷矩陣具有滿意的一致性，

6、說明權數分配是合理的；否則，就需要調整判斷矩陣，直到取得滿意的一致性為止。1.1.3層次總排序及一致性檢驗層次總排序就是計算C層和D層對于A層的相對重要性排序,實際上是層次單排序的加權組合。見表2所示：表2層次總排序表層次BB1B2Bn次Cb1b2bnC層對A層的總排序C1c11c12c1n11njbc=ECmcmlcm2cmn1nmjjbc=E對整個遞階層次模型的判斷一致性檢驗，即為:11njjjjCRaCIaRI面各式中:ja為特征向量,jCI和jRI分別為與ja對應的層次（B層或C層中判斷矩陣的一致性指標和隨機一致性指標。當0.10CR時，則判斷矩陣有滿意的一致性；否則，重新判斷，直至滿

7、意。1.2 主成分分析法1.2.1 標準化為了排除數量級和量綱不同帶來的影響，首先對原始數據進行標準化處理。根據生態健康評價標準和各種資料得出各個指標的理想值并設該值所代表的權重為1,認為權重越大越優，那么，對于越大越優型的指標：/ijsxxx?=（3對于越小越優型的指標：/sijxxx?=（4式中sx為第i個指標的理想值。當理想值為0時則再確定另一個對應于系統某一分界點的值,之后再對兩者進行線形插值。1.2.2求特征值及特征向量根據標準化數據表（ijnpx?x可算協方差矩陣（ijnnsx=S:*A1(nijkiikjjksxxxxn=-(5式中:ix代表第i個指標的樣本均值o1.2.3計算主

8、成分的貢獻率(1計算貢獻率：/n入入=12(6累計貢獻率：11/mniiijiE入入=EE(7(2計算主成分11j ii ij j i z u x =EE (8(3綜合分析。通過求累計貢獻率jE來判斷一個m維主超平面是否能近似代替原始變量系統從而確保盡可能多的原始數據信息。一般取jE80%的最小(mmn0.42.4 層次分析法2.4.1 層次單排序及其一致性檢驗對指標體系中各層次的指標根據其相對重要性程度構建出判斷矩陣，采用方根法進行計算，再進行一致性檢驗。如表5所示,為準則層中各項權重。表5準則層各項權重與排序編號名稱權重值B1河流健康0.5149B2資源支撐能力0.164

9、4B3干擾能力0.1250B4環境修復能力0.19562.4.2 層次總排序及其一致性檢驗根據層次單排序的數據，采用2.1.3所述計算方法，進行層次總排序。部分計算結果見表6所示。表6層次總排序表層次BB1B2B3B4層次C總排序層次C0.51490.16450.12500.1956C10.12650.0652C20.18650.0960C30.68700.3537C40.05220.0086總的一致性檢驗：CR=0.0540.10,說明C層對于A層總排序具有滿意一致性。2.5 主成分分析法(1首先對指標體系中的原始數據按各準則層分塊分別進行標準化(原始數據及標準化數據從略，得到標準化數據表*

10、(ijx(1,2,3,10;1,2,5ij=LL。(2對標準化之后的矩陣求其協方差矩陣，然后將該斜方差矩陣分別求取特征值和特征向量。(3那么可得到各準則層的不同指標的貢獻率，以河流健康層為例(見表7、表8所示：表7河流健康層各主成分的特征值及其貢獻率準則層主成分序號特征值貢獻率(%累計貢獻率(10.131070.943470.943420.028815.597686.5410河流健康30.024813.4590100表8河流健康層層各主成分的特征向量準則層主成分序號特征值特征向量10.13100.98750.08930.12956河流健康20.02880.1200-0.9601-0.2527（

11、4以每個主成分特征值貢獻率為權，對主成分加權合成最終該準則層對于各個區域的主成分得分。再通過在層次分析法中得到的各準則層的權重系數對區域主成分得分進行加權，可得到區域的綜合健康評價指數（如表9、圖1所示。表9區域綜合評價指數計算資源支撐能力干擾能力0.16451.72870.70222.48840.50460.83610.60620.12500.66110.19780.0922-0.0039-0.16570.2235河流健康準則層權重系數泰江片區北岸盆地區烏江下游彭水以下磨刀溪龍河片區北岸盆地邊沿區興山種歸宜昌區0.51490.1514-0.06390.6294-0.04210.08340.0

12、122環境修復能力0.19560.84540.96310.59210.97370.95780.9240區域綜合指數0.61030.29570.86080.25130.34710.31473河流健康2.521.510.50區下區區區片地以片沿宜興山種歸昌區資源支撐能力干擾能力環境修復能力江盆水河泰岸彭龍北游溪江下刀烏圖1準則層主成分分析直方圖2.6區域綜合健康評價根據表4所述的區域水環境安全等級標準，將安全、亞安全與受損害三者的分界值0.6和0.4代替指標體系中的原始數據，通過計算（步驟同上），可得出相應于三個等級狀況的區域水環境安全綜合指數的分界值，得出六個分區的水環境安全狀況（見表10所示）

13、。表10區域水環境安全綜合指數安全（0.5亞安全（0.30.5泰江片區北岸盆地區,北岸盆地邊沿區,興山、種歸、宜昌區水環境安全狀況區域磨北岸盆地邊受損害（0.3磨刀溪龍河片區3.評價結果3.1評價與分析通過層次總排序結果可以看出，劣三類水水質比率所占的權重最大，干旱指數的權重居第二，城鎮生活污水處理率居第三,年徑流變差系數比重居第四，城市化率指數居第五，用水徑流比居第六，人均水資源量及路網密度所占的權重最小。而通過安全綜合指數的情況來看，三峽庫區六個生態分區的評價結果有喜有憂，其中烏江下游彭水以下區以及泰江片區的-6-環境安全程度最好，綜合指數均大于安全值；興山、種歸、宜昌區，北安盆地邊沿區及

14、北岸盆地區處于亞安全狀態；磨刀溪龍河片區的水環境安全狀況最差，環境安全已經受到損害（見圖2所示）。由主成分分析圖中（見圖1所示）可以得出：泰江片區和烏江下游彭水以上區、其資源支撐能力的影響較大，而其余四個區的環境修復能力所占比重更多。這是由于后四個區均屬于環境非安全狀態，迫切需要盡快采取環境修復措施。三峽庫區總體水環境安全狀況不容樂觀。圖2三峽庫區水環境安全狀態圖3.2治理措施綜合研究區實際情況，可以看到在受損害的北岸盆地區中河流眾多，在擁有豐富水資源的同時也極易引起對水環境的破壞。處于亞健康層中的三個區，在污水處理、水土流失控制等方面也有待進一步的改善。提出三點治理措施：1加強工業污染防治與

15、城鎮污水處理。目前，三峽庫區及其上游工業廢水及污染物排放量均占全部排放量的50%以上，是影響庫區水質的主要污染源。三峽庫區在工業污染治理中，應調整工業結構，盡量削減工業污染物排放總量，積極推行清潔生產和技術進步，實現工業污染物全面達標，促進工業結構的調整和升級。建立基于環境容量的污染物排放總量控制制度，推行排污申報登記和許可證制度。2加強生態環境保護。生態環境保護的重點是控制三峽庫區及其上游的水土流失，減少入庫的泥沙量。3水資源分區的綜合治理。結合各個區域的具體情況，進一步采用最有效的治理方針和手段來保證整個庫區的水環境系統的健康與和諧。對于處于安全狀態的泰江片區和烏江下游彭水以上區，根據主成

16、分分析來看資源支撐能力的影響是最大的，即應爭取更好得改善人均水資源量、年徑流變差系數、森林覆蓋率和輸沙模數等指標值。其它四個屬于亞安全和受損害狀態的區域，應加快城鎮污水處理設施建設，抓緊治理城鎮生活垃圾，加大工業污染的防治力度，全面治理船舶流動源污染，使其生態環境得到有效的控制和修復。-7-4.結論水環境安全兼具自然和人為兩重性，是自然屬性與社會屬性的有機結合。人類從關注其社會屬性，注重對自身生存的安全保障開始，慢慢地關注其自然屬性，在保護水環境的自然生態系統上有所探索，它們包含了自然、社會、經濟等方面，這些方面的關系錯綜復雜，要全面準確的評價難度很大，特別是定量描述，需解決因素權值和因素評分

17、11。采用AHP與PCA相結合的評價模型,最大程度的利用了評價指標體系中指標的屬性值計算各指標的權重系數與主成分值。將兩者有機結合，得出區域綜合指數對環境狀況進行評定，再反之通過權重與主成分值來分析區域環境現狀和問題，較好的解決了AHP法的過為主觀和PCA法完全依賴數據的缺點，將二者優點很好的結合起來。本文的研究方法可供其它區域生態系統健康或安全評價借鑒參考。參考文獻1方子云.提供水安全是21世紀現代水利的主要目標-兼介斯德哥爾摩前年國際水會議及海牙部長級會議宣言J.水利水電科技進展，2001,21(1:910.2盧敏，張洪海宋天文,等區域水安全研究理論及方法探析J.人民黃河，2005,27(

18、10,68.3曾暢云，李貴寶，傅樺.水環境安全的研究進展J.水利發展研究，2004,(4:2022.4張超揚秉庚.計量地理學基礎M.北京:高等教育出版社,1993.145159.5任若恩，王惠文.多元統計數據分析M.北京:國防工業出版社，1997.92110.6樊彥芳，劉凌,陳星，等.層次分析法在水環境安全綜合評價中的應用J河海大學學報,2004,32(5:512514.7張延欣.系統工程學M.北京:氣象出版社，1997.125134.8任*鳥遵，于靜杰，林耀明等.華北平原農業水資源工序狀況評價方法J.地理研究,1999(1:3944.9韓宇平，阮本清.區域水安全評價指標體系初步研究J.環境科

19、學學報,2003,23(2:267272.10張鳳玲，劉靜玲，楊志峰.城市河湖生態系統健康評價-以北京市只海”為例J.生態學報,2005,25(11:30193027.11鄭宗清.廣州城市生態質量環境評價J.陜西師大學報(自然科學版.1995,(12,134137.StudyonwaterenvironmentsecurityoftheThreeGorgereservoirregionZhangYing,LiuLing,YanWenmingStateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,HohaiUnive

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