基于模糊数学的葫芦岛水资源承载力评价

　　摘    要：　通过对水系统双控行动的分析,探讨了水资源承载能力研究中基于总量和强度控制的评价体系的可行性,由此构建葫芦岛市水资源承载力评价模型。研究表明:2017年、2020年和2025年葫芦岛市水资源承载力处于一般与较好状态,研究区水资源系统与经济社会发展相适应;基于总量和强度控制的评价体系能够用于区域水资源承载力的评价分析,可为当地产业结构调整和水资源发展规划提供科学的指导。

　　关键词：　模糊数学法; 评价体系; 承载能力; 葫芦岛市;

　　Abstract：　Based on the analysis of the double control action of water system, the feasibility of the evaluation system based on the total amount and intensity control in the study of water resources carrying capacity is discussed, and the evaluation model of water resources carrying capacity in Huludao City is constructed. The research shows that: the water resources carrying capacity of Huludao City is in a general and good state, and the water resources system of the study area is suitable for the economic and social development in 2017, 2020 and 2025; the evaluation system based on the total amount and intensity control can be used for the evaluation and analysis of the regional water resources carrying capacity,and can provide scientific guidance for the local industrial structure adjustment and water resources development planning.

　　Keyword：　fuzzy mathematics; evaluation system; carrying capacity; Huludao City;

　　0 、引 言

　　当前,中国面临着严峻的水体污染和水资源不足等问题,并对社会经济的可持续发展构成严重的威胁。随着经济社会的发展和人们生活水平的提升,葫芦岛市水资源系统受人类活动和气候变化的影响不断增大,河道断流、水污染事件、严重缺水等问题日趋突出并呈逐年恶化的发展趋势[1]。

　　对于一定的区域持续扩大发展规模、提升综合发展能力和协调持续而言,水资源承载能力占据着十分重要的地位。然而,区域的快速发展为引起水资源系统超载和水问题逐渐突出的主要原因。为解决日趋严峻的水问题,国内外诸多学者取得了一定的研究成果,如Naimi等[2]开发设计了严重缺水区域的承载能力评价软件,并对阿尔及利亚地区的水资源总量进行准确计算;朱照宇等[3]运用自然趋势法和年递增率指标,初步评价了珠三角地区的水资源状况;时佳等[4]构建了包含环境、生态、水资源、社会、经济等方面的量化评价体系;刘树峰等[5]采用相对承载力评价法,系统分析了惠州市的水资源开发潜力;孟珍珠等[6]基于和谐理论及“协调、发展、健康”准则,从多个方面建立较为完善的承载力评价体系;危文广[7]、蒋汝成[8]等对区域水资源承载力4个维度进行了定量的评价分析。依据现有研究成果和文献资料,关于水资源承载力的相关研究主要侧重于社会经济与自然生态两大方面。虽然,从这2个方面选取的评价因子具有一定的代表性,但水资源“双控”行动的提出为建立评价指标体系提供了一种新的思路,有利于顺应政策的施行和时代的发展。

　　为提升水资源承载能力和控制水资源消耗,“十三五”规划纲要及国务院颁布的相关文件提出要实行“双控”行动和“三条红线”的用水管理要求。自实施“双控”行动以来,已完成水量分配的跨省江河流域有19条,计划推进完成的有53条,已完成核减和论证的多个水资源项目量为40×108m3,实现用水定额全覆盖的区域有31个省区市,制定颁布的国家取水定额标准32项。然而,个别地区还存在没有足够重视节水工作、缺乏顶层设计规划水资源论证、未将用水强度指标分解至县级行政区域、对“双控”行动与最严格水资源管理制度认识不到位、农业用水浪费严重及全国性节水条例和实施安全未出台等问题。鉴于此,文章结合区域水资源实际情况,从总量和强度控制两个方面构建评价指标体系,将指标利用主、客综合赋权法计算,并对葫芦岛市水资源承载力现状利用模糊综合评价模型分析,为促进水资源系统与社会经济要素之间的协调可持续发展以及更好的组织实施“双控”行动提供科学的指导依据。
 

 

　　1、 研究方法

　　1.1 、区域概况

　　葫芦岛市地处辽宁省西南部,占地面积10415km2,总人口约262万。葫芦岛地区为亚湿润季风气候,年降水量560-630mm,年均气温8.2-9.2℃,四季分明。该区域地形地貌复杂,山区森林植被稀少,丘陵起伏,山岭重叠,水系纵横交错且南北跨度大,素有“辽西走廊”之称。

　　当前,葫芦岛地区面临着严峻的资源性、水质性和工程性缺水问题。调查显示,该地区人均水资源量显着低于辽宁省平均值,属于严重的贫水区。依据区域用水实际情况,水资源存在可开发利用量少、边界效益低、开发难度大和开采成本高等特点,加之局部地区地下水开发过度与水环境保护意识薄弱,境内水生态功能和承载力水平持续下降[9,10]。

　　1.2 、评价方法

　　1.2.1 、构建评价体系

　　水资源直接决定着社会经济的发展速度和人类的繁衍生存,其承载力水平为反映当地能否持续健康发展的重要参数。因此,构建的评价体系应层次分明、条理清晰且能够体现各因子间的相互关系。通过对水系统影响因素的分析,进一步将质量、强度、总量分解为若干指标并建立指标体系。

　　水资源总量属于反映区域开发利用程度和区域各产业最大耗水量的重要指标,通过对消耗总水量的分析可为用水消耗强度管理和掌握各行业可用水量提供科学的依据。水资源利用效率与用水强度相对应,主要涉及单位人口、面积和产品的用水量,为提升用水效率、更好的抓住重点、辨识方向及采取措施有必要对技术、经济、人口等利用效率进行系统的分析。水质反映了区域水环境的状况,为更加系统的评价水资源承载能力必须考虑水资源对生态环境的影响[11]。

　　采取专家咨询法、频度统计法、理论分析法等,遵循五大原则选取评价指标。其中,理论分析法是结合水资源“双控”行动的目标,选取典型的重要特征指标综合分析区域水资源承载能力。最严格水资源管理制度中体现了“双控”行动的主要内容,其拓展延伸即为“双控”行动的目标,如控制万元生产增值用水量、水质达标率及农田灌溉有效用水系数等;频度分析法是通过统计分析国内外有关承载力评价的研究资料选取较高频率的指标,如污水处理率、需水模数、人均供水量及工业用水计量率等;专家咨询法是依据水文水资源领域的专家意见对初步确定后的指标进行适当调整,最终选取适用性较强的评价指标。综合比较后,从总量和强度控制两个方面选取的评价指标[12]。

　　文章以葫芦岛市2017年、2020年和2025年水资源承载能力为研究对象,结合统计年鉴、水资源公报和水利部门相关资料获取各评价因子有关数据,3个水平年的评价因子值及构建的评价指标体系,基于总量和强度控制的评价体系及各水平年指标值,见表1。

　　表1 基于总量和强度控制的评价体系及各水平年指标值

　　1.2.2、 确定评价等级

　　综合考虑当地社会发展状况和水资源利用情况,结合现有研究成果将评价等级划分为a1-a5级,所对应的评语依次为好、较好、一般、较差、差。其中,“好”代表社会经济发展与水资源承载能力相适应,承载力强;①“一般”代表社会经济发展水平与区域水资源承载能力基本达到平衡状态;②“差”代表水系统承载力超越极限水平,任其继续发展将对生态平衡产生破坏作用;③“较差”、“较好”则处于相邻两等级的中间水平。不同评价等级下的取值界限为:0<a5≤0.3、0.3<a4≤0.5、0.5<a5≤0.7、0.7<a5≤0.9、0.9<a5≤1.0。

　　综合考虑葫芦岛市、辽宁省以及国际上各项指标的界限值,界定不同评价等下各项指标的阈值,并作为承载力评价标准。水资源承载力评价标准,见表2。

　　表2 水资源承载力评价标准

　　1.2.3、 计算指标权重

　　综合评价结果与指标权重密切相关,当前用于权重计算的方法主要有客观赋权、主观赋权两大类。其中,主观赋权法水考虑了决策者偏好的指标权重计算方法,若涉及到的评价因子较多则其可靠性较多;客观赋权主要是依据各因子具体的数值求解权重,该方法受主观因素的影响较低。所以,对于不确定具体数值的评价因子,其权重值利用层次分析法确定;针对能够确定具体数值的评价指标,其权重选用熵值法确定[13,14]。

　　指标层关于准则层的各因子权重大小利用熵值法确定,然后对准则层关于目标层的权重利用层AHP法确定,通过将2次计算结果的综合确定各评价因子的组合权重。耦合了主、客观权重的计算方法,具有更高的可靠性和准确性,计算公式为:

　　式中:Qy、Qyz为准则层关于目标层、指标层关于准则层的1级和2级权重;Y、Z为准则层和指标层中的评价因子数;Qz为评价因子的组合权重。

　　根据葫芦岛市2017年、2020年和2025年水资源各因子实际值,将指标层关于准则层的权重利用熵值法计算。然后,对准则层中的3类评价因子邀请10名水资源领域的专家打分,将评价体系中准则层关于目标层的相对权重利用层次分析法和打分结果求解,即Qy=(0.4601,0.3187,0.2212);最终,将以上计算结果相综合确定组合权重。

　　1.2.4、 建立模糊综合评价模型

　　区域水资源能力利用模糊综合法进行评价,其主要流程如下

　　1) 因素集、评判集、权重集的确定。

　　综合考虑与区域水资源相关的所有因素,将其构成有限论域U={u1,u2,…,um},其中i=1,2,…,m,ui为评价因素;承载能力评语集以有限论域V={v1,v2,…,vn}表示,其中j=1,2,…,n,vi为评价结果。通过赋予各因素相应的权重qi,反映评价结果受不同指标的影响状况,由此构成权重集为Q={q1,q2,…,qm}。

　　2) 构造隶属度矩阵。

　　针对各项因素ui构造相应的评判集Ri,设因素i对关于等级标准j的评价结果为rij,则构造的集合表示为Ri=(ri1,ri2,…,rim)。按行排列各因素隶属度,由此建立各评价因子的隶属度矩阵R=rij。

　　3) 确定承载能力综合评价结果。

　　评价结果采用加权平均法可表示为B=Q×R,其中B为模糊子集,即B=(b1,b2,…,bn),0≤bj≤1,关于模糊子集B评价等级vi的隶属度为bj。

　　4) 承载能力评价等级的确定。

　　对每一项评价等级利用加权平均法赋分,水资源承载能力综合评价值a按照V={v1,v2,…,vn}与各等级对应的评分值a1、a2、…、an确定,其计算公式为:

　　2 、结果分析

　　评价指标的隶属度利用表1中各因子值确定,从而获取2017年、2020年和2025年水资源承载能力模糊综合评判矩阵R2017、R2020、R2025。权重矩阵Q按照组合权重计算结果确立,然后采用加权平均法将模糊判断矩阵R和权重矩阵Q进行综合运算,从而获取各水平年葫芦岛地区的水资源承载能力评价矩阵B,结果如下:

　　为更加直观的比较确定承载能力大小,确定a1-a5值依次为0.95、0.85、0.60、0.40、0.01。采用计算式(2)最终确定a2017、a2020、a2025值为0.566、0.702、0.705。

　　根据以上计算值可知,葫芦岛市2017年、2020年、2025年的水资源承载力为一般、较好、较好水平。

　　葫芦岛地区2017年的综合评价值为0.566,依据分级标准处于一般水平,水体质量、强度和总量整体处于合理状态。参评的14项因子中,评价等级达到一般、较好和好的因子有4、3、5项,达到差和较差等级的评价因子数均为1项,其中水功能区水质代表率和再生水回用率指标未达标。其原因为葫芦岛地区农田灌溉仍以大水漫灌为主,许多水利设施老化失修严重,用水效率较低约为0.65,未来需进一步提升区域节水灌溉效率。另外,有待进一步提升重复用水率和改善部分工业企业用水喜欢;非传统水源利用,如中水、雨水等利用程度低,仍具有较大的节水潜力;同时,葫芦岛地区部分河湖的水污染严重,农业污染和水产养殖排放量大,水功能区水质达标率低及水质监测站网布置不合理,功能区划总体要求与水环境质量现状不符,这与水资源可持续发展和节水型社会建设仍存在较大的差距。

　　葫芦岛地区2020年综合评价值为0.702,按照分级标准处于较好水平,各项评价因子均处于较好状态。参评的14项因子中,评价等级达到一般、较好和好的因子有4、6、4项,达到差和较差等级的评价因子数均为1项;葫芦岛市2025年综合评价值为0.705,参照分级标准处于较好水平,各评价指标状态较好。参评的14项评价因子中,评价等级达到一般、较好和好的因子有1、4、6项。城市供水管网漏损率和第1产业用水比重在近期、远期水平年指标中呈减少趋势,水质带包、再生水回用率、灌溉用水系数及第3产业比重呈增大趋势,相对于现状年的承载能力葫芦岛地区规划年有所增大,这主要与“十三五”规划要求严格实行“双控”行动相关,有助于全面提升研究区节水水平和水资源利用效率,对优化配置区域水资源分布具有重要的指导作用。

　　3、 结 论

　　文章从强度和总量控制的角度建立较为系统、全面的承载力评价体系,得出的结论有:

　　1) 水资源“双控”行动的提出为建立评价指标体系提供了一种新的思路,文章从水资源质量、强度、总量3个层面选择14项典型评价指标,依据各评价指标间的关联特征建立指标体系,组合权重考虑选用较为常用的主、客观赋权法计算确定。然后依据葫芦岛地区2017年、2020年和2025年水资源相关资料,对承载能力利用模糊综合法进行分析,结果显示该区域整体处于一般与较好等级,所构建的评价体系和理论模型具有较强的科学合理性。

　　2) 结合“双控”行动实施过程中存在的问题以及区域水资源实际状况,从总量和强度控制的角度查找出现问题的原因,采取合适的方法加以处理,为区域水资源规划和可持续发展提供科学的依据。

　　3) 水资源系统涉及到的因素多、范围广且各因素存在复杂性特征,受研究区域和研究对象等条件限制所确定的评价等级仍存在一定的不足。随着对水资源管理水平的提升和区域水资源保护的逐渐重视,在实际应用时应结合具体情况选取适当的指标,为保证其普遍适用性还要不断的完善评价标准。

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