基于物元分析的皖北地區(qū)水資源可持續(xù)利用評價

高 楊，蘇海民，張 勇

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基于物元分析的皖北地區(qū)水資源可持續(xù)利用評價

*高 楊，蘇海民，張 勇

（宿州學(xué)院地球科學(xué)與工程學(xué)院，安徽，宿州 234000）

建立水資源可持續(xù)利用綜合評價的指標(biāo)體系，采用物元分析法，對皖北地區(qū)水資源可持續(xù)利用狀況進行綜合評價。評價結(jié)果表明：皖北各地區(qū)水資源開發(fā)利用情況差異明顯，阜陽市水資源開發(fā)利用程度大，可持續(xù)利用狀況較差；宿州市水資源可持續(xù)利用狀況較樂觀，水資源具有進一步開發(fā)利用的潛力；淮北市、亳州市、蚌埠市和淮南市水資源開發(fā)利用已經(jīng)有相當(dāng)規(guī)模，當(dāng)前的水資源供需達到基本平衡。

物元分析；水資源；可持續(xù)利用；皖北地區(qū)

水資源利用狀況直接關(guān)系到區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護和社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，水資源的可持續(xù)利用是實現(xiàn)人類社會協(xié)調(diào)發(fā)展和水環(huán)境保護的基礎(chǔ)。水資源可持續(xù)利用涉及到區(qū)域人口規(guī)模、資源環(huán)境、社會經(jīng)濟等多方面，進行地區(qū)水資源可持續(xù)利用評價需要建立合適的評價指標(biāo)體系，運用合適的數(shù)學(xué)方法，將多個評價指標(biāo)耦合為一個指標(biāo)以便進行綜合評價和時空比較[1]。許多評價方法相繼出現(xiàn)，如主成分分析法、常規(guī)趨勢法、系統(tǒng)動力學(xué)法、模糊數(shù)學(xué)法等方法[2], 這些方法各有特點，豐富了水資源可持續(xù)利用評價的研究手段，隨著各種方法的日益成熟，提高了評價的準(zhǔn)確度和量化水平。物元分析理論作為研究解決矛盾問題的規(guī)律和方法在20世紀(jì)80年代被提出[3]，它以促進事物轉(zhuǎn)化、解決不相容問題為核心，適用于多因子的評價問題，近年開始應(yīng)用于水資源開發(fā)利用評價，張斌等[4]采用物元分析法對江蘇省水資源緊缺度進行了量化計算，得出未來江蘇省水資源緊缺程度，并提出應(yīng)對建議。高鑫等[5]利用物元分析法建立水資源的價值量和價格計算模型對西安浐灞生態(tài)區(qū)的水資源價值進行全面核算，計算結(jié)果反映出研究區(qū)實際情況。楊旭等[6]依據(jù)物元分析理論，預(yù)測分析了龍鳳山灌區(qū)水資源2015及2025年水資源承載狀況，為區(qū)域水資源合理開發(fā)利用提供理論依據(jù)和支持。安徽省此類水資源綜合評價研究相對較少，皖北地區(qū)是安徽省經(jīng)濟發(fā)展速度較慢的地區(qū)，但依托地區(qū)能源資源、農(nóng)業(yè)資源等優(yōu)勢，近年來各項建設(shè)投資增加，國民經(jīng)濟取得了持續(xù)平穩(wěn)增長，水資源的配置和利用發(fā)生較大變化，通過建立皖北地區(qū)水資源可持續(xù)利用的評價指標(biāo)體系，采用物元分析法對皖北各地市的水資源可持續(xù)利用進行評價，分析皖北地區(qū)水資源可持續(xù)利用的整體狀況及區(qū)內(nèi)差異，為皖北地區(qū)水資源合理配置提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

皖北地區(qū)即安徽北部地區(qū)，主要是指安徽淮河以北的區(qū)域，包括煤炭能源基地淮北、淮南、交通樞紐的蚌埠、阜陽，以及傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)城市宿州和亳州，轄34個縣市區(qū)，總面積 39863.32 km2，約占安徽省總面積的28.58%，總?cè)丝诩s3111.6萬人，占全省總?cè)丝诘?5.25%。皖北屬于暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，四季分明，無霜期200天以上，多年平均降水量847 mm，年平均氣溫15.4℃。轄區(qū)內(nèi)的主要河流屬季節(jié)性河流，年際變化大。皖北地處蘇、魯、豫、皖四省交界處，對于黃淮海經(jīng)濟帶的發(fā)展具有承東啟西，連接南北的重要作用。近年來國民經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定增長，綜合實力進一步加強。2011年GDP 總量達到4326.98億元，連續(xù)多年保持兩位數(shù)增長。皖北地區(qū)水資源量低于全省平均水平，2011年水資源總量99.46億m3，占全省水資源總量的16.52%，地區(qū)總供水量為79.58億m3，其中地表水源供水量49億m3，地下水源供水量30.33億m3，其他水源供水量0.25億m3。

2 物元分析評價方法[3]

給定事物為N，它關(guān)于特征c的量值為v，以有序三元R= ( N, c, v )組作為描述事物的基本元，簡稱物元。如事物N有多個特征，它以n個特征c1, c2,…, cn和相應(yīng)的量值v1, v2,…, vn描述，則表示為：

2.1 經(jīng)典域與節(jié)域

設(shè)評價水資源可持續(xù)利用的量化指標(biāo)有n項，分別用c1,c2,…,cn表示，其量化指標(biāo)劃分為m個評價等級N1,N2,…,Nm，建立相應(yīng)的物元：

式中，N0j是事物的第個等級 (= 1,2,…, m )；ci是N0j的第個特征；X01j, X02j, ,, X0nj分別是N0j關(guān)于c的取值范圍，即經(jīng)典域。經(jīng)典域的直觀含義是事物各屬性變化的基本區(qū)間，并且X0ij的取值范圍是區(qū)間< a0ij, b0ij>，可記為X0ij= < a0ij, b0ij>，= 1, 2 ,…,。

對于經(jīng)典域，構(gòu)造其節(jié)域物元R如下：

式中，X1, X2, …, X分別是N關(guān)于c1, c2, …, c的取值范圍，即N的節(jié)域，記為X= < a, b> ，= 1, 2 ,…,。且Xoij∈X。

2.2 關(guān)聯(lián)函數(shù)及關(guān)聯(lián)度的計算

為定量描述物元特征，將實變函數(shù)中距離的概念拓展為距，即一點x到有限區(qū)間［a，b］和［a, b］(= 1,2,…,;= 1,2,…,)的距離分別為：

關(guān)聯(lián)函數(shù)定義為：

2.3 確定權(quán)系數(shù)

對于評價等級Ni（i=1,2,…,m）的門限制值Xij（j=1,2,…,n）權(quán)系數(shù)的計算公式為

2.4 綜合關(guān)聯(lián)度計算和等級評定

待評事物Nx關(guān)于等級j 的綜合關(guān)聯(lián)度：

3 評價指標(biāo)體系構(gòu)建

影響水資源開發(fā)利用的因素較多，選取的綜合評價指標(biāo)要能夠全面客觀反映該地區(qū)的水資源開發(fā)利用狀況，根據(jù)相關(guān)研究[7-10]及皖北地區(qū)水資源開發(fā)利用的實際情況，選取了 8個評價指標(biāo)：I1-人均水資源占有量 (m3)，I2- 水資源利用率 (%)，I3- 單位面積可用水資源量(104m3/km2)，I4- 耕地灌溉率 (%)，I5- 生活用水定額 (L/d)，I6- 地下水資源利用率(%)，I7- 地表水資源利用率 (%)，I8-生態(tài)用水比例 (%)，把8個評價指標(biāo)對水資源可持續(xù)利用的影響程度劃分為3個等級，給定了8個指標(biāo)的三級指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值的評價標(biāo)準(zhǔn)，見表1。Ⅰ-Ⅲ級分別表示水資源開發(fā)利用的3個不同階段，Ⅰ級表示水資源開發(fā)利用處于理想狀態(tài)，可開發(fā)利用的空間較大，水資源的供需情況較為樂觀；Ⅱ級表示水資源開發(fā)利用處在發(fā)展階段，水資源開發(fā)利用已經(jīng)具有相當(dāng)規(guī)模，水資源開發(fā)對國民經(jīng)濟發(fā)展的需水量有一定保證；Ⅲ級表示水資源可持續(xù)開發(fā)利用狀況較差，水資源承載能力已近飽和，可開發(fā)利用潛力不大，應(yīng)采取相應(yīng)的對策。

表1 評價指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)

皖北地區(qū)的樣本數(shù)據(jù)來源于2012年安徽省統(tǒng)計年鑒及2011年安徽省水資源公報，指標(biāo)實際值見表2。

表2 皖北地區(qū)水資源可持續(xù)利用評價的指標(biāo)值

4 評價與分析

由于各評價指標(biāo)量化值所在的區(qū)間不完全相同，有的評價指標(biāo)是數(shù)值越小說明開發(fā)程度越高，有的指標(biāo)是數(shù)值越大說明開發(fā)程度越高，而且各指標(biāo)數(shù)據(jù)有不同量綱，為了使數(shù)據(jù)間具有可比性，消除數(shù)據(jù)間的屏蔽效應(yīng)，需對原始數(shù)據(jù)進行歸一化處理，消除量綱的影響。根據(jù)物元分析原理確定經(jīng)典域和節(jié)域如下：

根據(jù)公式（7）可計算淮北市水資源可持續(xù)利用評價指標(biāo)的權(quán)系數(shù)，結(jié)果如表3。

表3 權(quán)系數(shù)表

Table 3 The weight coefficient

根據(jù)公式（4）、（5）、（6）計算出淮北市不同地區(qū)水資源可持續(xù)利用的關(guān)聯(lián)度，再由公式（7）計算出綜合關(guān)聯(lián)度，結(jié)果見表4。

表4 綜合關(guān)聯(lián)度和評價結(jié)果

根據(jù)物元分析的評價原理，綜合關(guān)聯(lián)度越大，說明評價事物屬于該等級。由表 4可以看出，皖北各市水資源可持續(xù)利用等級差異明顯，其中阜陽市水資源可持續(xù)利用的評價等級為Ⅲ級，表明阜陽市水資源開發(fā)利用潛力較小，可開發(fā)利用空間有限，隨著城市經(jīng)濟的發(fā)展，水資源供需矛盾將日益突出，阜陽市是安徽省人口第一大市，2011年總?cè)丝谶_1025.24萬人，占全省總?cè)丝诘?4.91%，人口分布密集使得生活需水量巨大，而本區(qū)可利用水資源有限，水資源開發(fā)利用程度大；宿州市的評價等級為Ⅰ級，表明宿州市水資源具有進一步開發(fā)利用的潛力，水資源供需情況較樂觀，從2011年水資源總量來看，宿州市在皖北各市中最多，占皖北總量的26.06%，作為安徽主要的農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)，該市工業(yè)企業(yè)較少，主要以生活和農(nóng)業(yè)用水為主，水資源利用程度較小。淮北市、亳州市、蚌埠市和淮南市的評價等級為Ⅱ級，表明這些地區(qū)水資源開發(fā)利用已經(jīng)有相當(dāng)規(guī)模，現(xiàn)階段區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護的水資源需求可以得到基本滿足。統(tǒng)計資料表明皖北地區(qū)水資源總量少[11]，不足全省1/5的水資源量，人均水資源占有量只有全省平均水平的1/2，不及全國的1/4，屬缺水地區(qū)，評價結(jié)果顯示皖北地區(qū)大部分地區(qū)水資源可持續(xù)發(fā)展情況屬中等水平，是因為皖北地區(qū)總體經(jīng)濟發(fā)展水平較低，現(xiàn)階段用水總量少，與實際情況相符。面對皖北社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，水資源供需狀況將日益嚴(yán)峻。

5 小結(jié)

基于物元分析理論對皖北地區(qū)水資源可持續(xù)利用狀況進行分析評價，結(jié)果表明：皖北各地區(qū)水資源開發(fā)利用程度差異明顯，阜陽市水資源開發(fā)利用程度大，可持續(xù)利用狀況較差，水資源供需矛盾將成為限制地區(qū)發(fā)展的主要因素；宿州市水資源可持續(xù)利用狀況較樂觀，水資源具有進一步開發(fā)利用的潛力；淮北市、亳州市、蚌埠市和淮南市水資源開發(fā)利用已經(jīng)有相當(dāng)規(guī)模，對現(xiàn)有的國民經(jīng)濟發(fā)展有一定的保證。皖北地區(qū)作為安徽省經(jīng)濟發(fā)展水平較低的地區(qū)，現(xiàn)階段用水總量相對偏少，在國家中部崛起戰(zhàn)略實施背景下，皖北地區(qū)的社會經(jīng)濟在近年必然得到快速發(fā)展，各項用水需求會大幅增加，水資源開發(fā)利用程度將進一步加大，皖北地區(qū)水資源可持續(xù)利用整體狀況并不樂觀，做好“開源節(jié)流”、水資源合理配置等工作才能保證區(qū)域社會經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展。

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Evaluation of Sustainable Utilization on Water Resources Base on Matter Element Analysis in Northern Anhui Province

*GAO Yang, SU Hai-min, ZHANG Yong

(School of Earth Sciences and Engineering, Suzhou University, Suzhou, Anhui 234000, China)

Establishing the comprehensive evaluation system of water resources sustainable utilization, comprehensive evaluation on the water resources sustainable utilization in North Anhui Province was applied by matter-element analysis method. The results showed there was significant difference on water resources sustainable utilization in Northern Anhui Province, among them, Fuyang City was poor because of large degree of development and utilization; Suzhou city was better and had the potential of further development; development and utilization of water resources had been a considerable scale, supply and demand of water resources achieves a basic balance in Huaibei, Bozhou, Bengbu and Huainan City.

matter element analysis; water resources; sustainable utilization; North Anhui Province

1674-8085(2013)05-0036-05

TV213.9

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2013.05.009

2013-04-21；

2013-06-16

安徽省高校省級自然科學(xué)研究項目(KJ2013Z323)；安徽省高校省級人文社科研究項目(SK2013B511) ；安徽省高校優(yōu)秀青年人才基金項目(2012SQRL208)

*高 楊(1979-)，男，安徽宿州人，講師，碩士，主要從事水資源與水環(huán)境研究(E-mail：szxygy@163.com);

蘇海民(1979-)，男，山東菏澤人，講師，碩士，主要從事資源環(huán)境與GIS應(yīng)用研究(E-mail：hmsu2004@163.com);

張 勇(1982-)，男，安徽合肥人，講師，碩士，主要從事水資源與水環(huán)境研究(E-mail：cuplife@126.com).