关于衡水湖环境功能区划的研究

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中图分类号:X820 文献标识码: B 文章编号: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缓慢、水体更新历时长，其环境问题近来已经成为环境治理中的重点和难点。尽管国家已经投入大量的资金和技术力量，但湖泊的富营养化及污染问题仍难以根治。其根本原因就在于没有对来水水质进行控制，湖泊治理和功能区划不力，导致湖水水质总体下降，湖泊底质受到污染进一步成为内污染源。虽然部分湖泊已经进行环境功能区划，但由于未对其区划方案进行总体评估，在新的功能区划中出现消极影响并进一步导致环境恶化的现象也时有发生。因此，加强对湖泊环境功能区划的研究及不同区划方案的遴选工作，对湖泊环境的治理有较强的现实意义。

衡水湖又名千顷洼，位于衡水、冀州、武邑和枣强4市县之间，是华北平原的两大内陆淡水湖之一，对承接上游来水、供给本地用水起着极其重要的作用。也是长江中线引水工程的必经之路，已经成为“引黄”和“引江”等南水北调工程的枢纽。近年来，由于上游污水的不断汇入，衡水湖水质急剧恶化，已经不能适应作为引黄和南水北调对其功能的要求，且对湿地环境生态破坏很大。因此，对其进行治理已经成为目前华北地区水环境治理中迫在眉睫的任务。为了确保其在南水北调中的调蓄水库功能和湿地功能，就必须对其库区进行环境功能区划分。

层次分析法作为一种十分有效的系统分析方法，广泛地应用在能源开发利用、水资源分析利用等方面。[1-3]与目前国内外流行的指数法、灰色系统分析法、模糊数学法等方法相比，层次分析法适用于尚无统一度量标尺的复杂问题的分析，解决用纯参数数学模型方法难以解决的决策分析问题和多目标任务的分析。本文参考相关的研究，运用层次分析法对衡水湖环境功能区划方案的遴选工作进行了研究，得出衡水湖的最优化利用方案。在河北省南水北调工程办公室对衡水湖综合规划决策中起到了重要的参考作用。

2 层次分析法原理

层次分析法（Analytical Hierarchy Process, 简称AHP法）是将决策有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法。[4]该方法是美国运筹学家匹茨堡大学教授萨蒂于本世纪70年代初，应用网络系统理论和多目标综合评价方法，提出的一种层次权重决策分析方法。这种方法的特点是在对复杂的决策问题的本质、影响因素及其内在关系等进行深入分析的基础上，利用较少的定量信息使决策的思维过程数学化，从而为多目标、多准则或无结构特性的复杂决策问题提供简便的决策方法。尤其适合于对决策结果难于直接准确计量的场合。

由于层次分析法对原始观测数直接加权运算进行综合排序，未削弱原始信息量，使评价指标逻辑判断量化且保持判断思维全过程的一致性。

层次分析法基本原理为：将要评价系统的有关替代方案的各个要素分解成若干层次，并以同一层次的各个要素按照上一层要素为准则，进行两两判断比较并计算各要素的权重。通过层次单排序和层次总排序，根据最大综合权重原则确定最优方案。[5]

2.1 构建层次矩阵

首先根据项目特点构建层次矩阵，一般为三至四层，例如目标-决策层矩阵如表1。

矩阵中各元素为相对重要性标度，其取值见表2。

2.2 层次单排序

层次单排序就是针对上一层某个元素得到的判断矩阵，计算本层次与它有联系的元素权值，这些权重反映了这些互相联系的元素的相对重要性。层次单排序的基本思路是：求判断矩阵的最大特征值和特征向量（即本层次元素的权重）。

判断矩阵的最大特征值和特征向量采用平均近似法(方根法)计算。其计算步骤为：

①计算矩阵各行各元素乘积

2.3 层次总排序

层次总排序即计算同一层次所有元素相对上一层次的相对重要性的权值。这一过程是从最高层次到最低层次逐层进行。假设A层次所有要素排序结果分别为a1，a2，…am，则可计算其下一层次B中各要素对层次A而言总排序权值。

对于目标层（A）只有一个元素，所以准则层（B）层次单排序即为层次总排序；而对于指标层（C）相对于整个准则层（B）总排序计算，需要用准则层（B）各元素本身相对于总目标的排序权值加权综合，才能计算出指标层（C）相对于整个准则层（B），也即相对于总目标的相对重要性权值。

3 衡水湖环境功能区划备选方案

衡水湖分为东西两洼，目前东洼北部用来蓄引黄水，南部为冀州小库，主要用来蓄当地沥水，周边污水也顺河道进入冀州小库,使冀州小库水体污染十分严重。[6，7]西洼自建成以来只蓄过一次水，目前没有启用。

根据当地实际情况，在征询当地水利、环保及库区管理部门意见以及参阅相关文献[8-12]后，确定衡水湖环境功能区划5个备选方案如下：

a)方案1：东洼蓄当地水，西洼蓄引江水，增建中隔堤；

b)方案2：东洼蓄当地水，西洼蓄引江水，不建造中隔堤；

c)方案3：西洼部分蓄引江水，东洼北部蓄引江水；东洼南部蓄当地水；

d)方案4：西洼全部，东洼北部蓄引江水；东洼南部蓄当地水；

e)方案5：西洼蓄当地水，东洼蓄引江水。

本研究将在层次分析法原则下对以上5个备选方案进行综合评比，并确定最优方案。

4.层次分析法在环境功能区划中的应用

4.1 层次结构模型

由于水环境功能区划涉及的专业学科多，研究范围广，是一个复杂的系统工程。对于这样一种复杂的系统研究，关键是应科学地设计出能正确反映水环境功能各种指标体系，并据此建立起多层次结构模型。为此，在广泛、深入地搜集文献资料的基础上，建立了如图1所示的多层次分析结构模型。

从图1可见，层次分析模型结构图分为四个层次：目标层(A)、策略层(B)、约束层(C)和准确层(D)。目标层为总评估层，策略层分为生态环境、社会政治和技术经济三个方面，约束层由12个因子构成，准确层为具体判断指标。

4.2 A-B层次排序

根据生态环境、社会政治、技术经济对目标层重要的程度，得A-B判断矩阵

4.3 B-C层次排序

依据同样的规则确定B-C 判断矩阵并计算其特征向量（以B1-C判断矩阵为例）。

B2-C层次总排序，B3-C层次总排序与B1-C层次总排序计算方式相同。

4.4 A-C矩阵总排序

对A-B-C矩阵进行总排序，Cw为 A-B矩阵和B-C矩阵之积，即最终权重。计算结果如表7所示：

由上表可见，我们认为C11，即投资规模在方案评比中占有最重要的地位，其总权重为30.64%。此外，库容是否满足引江水的要求（C9）及水质是否能够达到规定标准（C1）也比较重要，权重分别为14.58%和12.4%。

5 结论

综合考虑准确层各因素的影响，邀请专家团对约束层各因子打分，得到约束层各分子的最终得分。结合其权重Cw可得各方案的综合分值，根据该分值对各个方案进行排序对各个方案进行综合评比（见表8）。

在方案综合评比中，方案2由于分值最高被确定为最优方案。该方案通过工程建设，将西库内17个村庄全部迁出，西湖作为衡水、冀州市饮用水源地，东库蓄当地水。由于未修建中隔堤，其库容较大，总库容达到南水北调衡水湖调蓄水库库容规划要求。而且西库内的居民全部迁出，洼内无居民居住，水质基本上不受人为活动影响，水体水质可以得到较好保护，其水质在5个方案中最优。同时人类活动程度的降低可以减少对野生动物的惊扰以及对野生植物的破坏，更加有利于恢复和保护生物多样性。且洼内村民完全搬迁出规划核心区，方案规划与《河北衡水湖自然保护区总体规划》完全一致。此方案移民数量多，移民投资大，但就业机会增加也多。

6 讨论

通过对衡水湖进行环境功能区划方案遴选，我们认识到湖泊的水体环境功能区划是一个系统工程，涉及到社会、经济、政治、环境、生物和工程等多个学科，研究起来相对数据信息量少且定量与定性数据并存。在湖泊水体环境功能区划方案选择中采用层次分析法, 可在现有的数据量和数据结构下,通过合理的权重分配和对定性指标作量化处理，使主观判断变为客观描述，既增强了项目和目标评估的科学性和可靠性，又提高了评估结果的直观性和可操作性。

要想获得科学、理想的评估结果，利用层次分析法进行湖泊水环境功能区划时应注意以下两点：

Ø针对评估对象设计出能体现评估目的，并符合评估对象基本特征的合理的评估指标体系。若指标体系缺乏系统性和完整性，或者所列指标缺乏层次性和逻辑性，则无法建立严密的层次结构模型，评估结果亦难以达到科学、可信。

Ø专家调查是一种由专家群对评估或预测目标进行判断和评价的群体作业，因此，专家的选择十分重要。如果接受咨询的专家对评估和预测对象缺乏广泛的背景知识和专深的学科知识，就难以作出较客观的正确判断。

参考文献：

[1] 苏德林，武斌，沈晋，水环境质量评价中的层次分析法，哈尔滨工业大学学报，第 2 9卷　第 5期，1997

[2] 慕金波, 层次分析法在评定最优环境工程方案中的应用,环境科学进展,1997,Vol 5, No 4， P33-40

[3] 洪继华，宋依兰，层次分析法在水环境功能区划中的的应用，环境科学与技术，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，谢家平，系统工程基础与应用〔Ｍ〕，北京 :地质出版社,1 996

[6] 赵藏书等，衡水湖水环境调查及防治对策，河北环境科学，2001年第1期，P42-44

[7] 江宝生等，衡水湖东湖底质监测调查,河北环境科学，2001年第4期，p19-21

[8] 河北省水利水电勘测设计分院，衡水湖环境系统评价研究报告，1988

[9] 河北省水利厅勘测设计分院，南水北调中线千顷洼蓄水工程可行性研究报告1985

[10] 河北省水利水电勘测设计分院，引黄入淀工程白洋淀、千顷洼的初步调蓄，1987

[11] 衡水市南水北调筹备处，南水北调中线工程供水区衡水市配套工程规划技术大纲，2001

[12] 地矿部水文地质工程研究院, 《衡水市引湖入衡给水工程环境影响评价报告》， 1995年

作者简介：牟纯如（1962―），男，高级工程师。