基于模糊理論的寧波市水資源承載力評價應(yīng)用

王 穎

（浙江同濟科技職業(yè)學(xué)院，杭州311231）

基于模糊理論的寧波市水資源承載力評價應(yīng)用

王 穎

（浙江同濟科技職業(yè)學(xué)院，杭州311231）

水資源可持續(xù)承載能力涉及到整個資源、經(jīng)濟、環(huán)境等復(fù)雜系統(tǒng)，越來越受到廣泛關(guān)注。以水資源承載力的若干指標作為評價因子，構(gòu)建綜合評判模糊數(shù)學(xué)模型，并將其應(yīng)用于寧波市水資源承載能力評價，針對評價結(jié)果進行分析，驗證評判模型的可靠性。結(jié)果表明，目前寧波市水資源開發(fā)利用已達到一定規(guī)模，但水資源承載力較低。應(yīng)采用節(jié)水、外調(diào)水工程、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、加強污水處理、改善水質(zhì)等措施。

模糊識別；水資源承載力；評價指標體系；寧波市

水資源承載力是一個國家或地區(qū)持續(xù)發(fā)展過程中各種自然資源承載力的重要組成部分，對一個國家或地區(qū)的綜合發(fā)展及其發(fā)展規(guī)模有著非常重大的影響，目前已經(jīng)引起了眾多學(xué)者的關(guān)注。

水資源承載力的定義雖然各家說法不盡相同，但均具有如下的特點：有限性、可增強性、動態(tài)性、模糊性、不確定性、多目標性等［1］。目前研究水資源承載力的方法有很多，如系統(tǒng)動力學(xué)方法、多目標分析法、背景分析法、簡單定額估算法、綜合指標法、模糊綜合評價法等，本文采用模糊綜合評價法，該方法充分考慮影響因素的不確定性及邊界不清所帶來的評價時難于歸類的難題，在對水資源承載力評價中，可以防止遺漏任何信息和信息的中途損失，該方法具有獨特的優(yōu)越性［2］。

1 水資源承載力評價指標

水資源承載力研究涉及到社會、經(jīng)濟、環(huán)境、生態(tài)及資源在內(nèi)的一個復(fù)雜系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)內(nèi)既有自然因素影響，又有社會、經(jīng)濟、文化等因素的影響。其主要影響因素包括水資源的數(shù)量、質(zhì)量及開發(fā)利用程度、生產(chǎn)力水平、消費水平與結(jié)構(gòu)、科學(xué)技術(shù)、人口與勞動力、其他資源潛力、政策、法規(guī)、市場、宗教、傳統(tǒng)、心理等，水資源承載力指標體系也同樣是一個復(fù)雜的系統(tǒng)。本文結(jié)合寧波市水資源的特點，構(gòu)建其水資源承載力評價指標體系［3］，各指標的定義與評價對象見表1。

表1 水資源承載力評價指標體系Table 1 Assessment index system for the carrying capacity of water resource

2 水資源承載力評價數(shù)學(xué)模型

模糊綜合評價法是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，應(yīng)用模糊關(guān)系合成原理，將一些邊界不清、不易定量的因素定量化，從而進行模糊識別評價的方法［4］。

設(shè)有對水資源可持續(xù)利用承載力~A作識別的n個樣本集合X＝｛x1，x2，…，xn｝，樣本j的特征用m個指標特征值表示，即xj＝｛x1j，x2j，…，xmj｝T，則X樣本集可表示為m×n階指標特征值矩陣：式中xij為樣本j指標i的特征值，i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n。

樣本集根據(jù)m個指標按c個級別的指標標準特征值進行識別，則有m×c階指標特征值矩陣：

式中vih為級別h指標i的標準特征值，h＝1，2，…，c。

將兩集合作相應(yīng)的模數(shù)變換，其模糊數(shù)學(xué)模型為：

式中：rij為樣本j指標i的特征值對~A的相對隸屬度；vi1和vic分別為指標i的1級、c級標準值及標準值的相對隸屬度；bik為級別k指標對i的標準值對~A的相對隸屬度。其標準特征值符合相對隸屬度的定義。

根據(jù)上述模糊變換，得到相對隸屬度的R與B集合，用矩陣形式表示為：

對以上兩相對隸屬度矩陣，利用二元對比定性排序原則，確定該論域X上評價指標的歸一化權(quán)向量W＝（w1，w2，…，wm），由此建立模糊模式識別模型：

式中：ukj為樣本j對~A級別k的相對隸屬度；dkj為j與級別k間的權(quán)距離；dkj采用歐式距離，djk＝及qj分別為評價指標相對隸屬度下限與上限值，1≤gj＜qj≤c；根據(jù)矩陣R得樣本j的m個指標相對隸屬度為rj＝（r1j，r2j，…，rmj）T，分別與矩陣B中的行向量逐一對比，可得rj落入矩陣B的級別下限為gj及級別上限qj，且gj，qj滿足約束條件U的矩陣形式表示為

則水資源可持續(xù)利用承載力~A的n個樣本歸屬于各級別［5－6］的級別特征值向量

由以上模糊模式識別模型計算出相應(yīng)的該區(qū)域水資源承載力評價結(jié)果，由此可以判定該區(qū)域水資源可持續(xù)利用下的承載能力狀況，為水資源開發(fā)利用以及經(jīng)濟的發(fā)展提供依據(jù)。

3 應(yīng)用實例分析

寧波位于我國海岸線中段，浙江省寧紹平原東端，即東經(jīng)120°55＇～122°16＇，北緯28°51＇～30°33＇。東有舟山群島為天然屏障，北瀕杭州灣，西接紹興市的嵊縣、新昌、上虞，南臨三門灣，并與臺州的三門、天臺相連。全市總面積9 365 km2，其中市區(qū)面積為1 033 km2。寧波屬亞熱帶季風(fēng)氣候，溫和濕潤，四季分明，年平均氣溫16．2℃，平均氣溫以7月份最高，為28．8℃，1月份最低，為－4．2℃。多年平均降水量為1 517．1 mm，全市多年平均天然徑流總量為73．36億m3，地下水多年平均總量19．05億m3。區(qū)內(nèi)水系眾多，由甬江流域和象山港、三門灣地區(qū)獨流入海水系組成。水利設(shè)施類型齊全，中型以上水庫26座，合計水庫、河網(wǎng)興利庫容12．7億m3。

隨著寧波市水資源條件的變化和工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的蓬勃發(fā)展，以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、水資源開發(fā)利用規(guī)模與格局的調(diào)整，一定程度上加劇了寧波市水資源的短缺。分析研究區(qū)域水資源承載力顯得十分重要。寧波市各分區(qū)現(xiàn)狀年水資源的資料列于表2中。

根據(jù)表1得到寧波市各分區(qū)水資源系統(tǒng)的指標特征值列于表3。

根據(jù)研究區(qū)水資源稟賦條件、用水現(xiàn)狀以及《浙江省行業(yè)用水定額》，并借鑒了他人成果［5］，本次研究確定水資源承載力評價標準等級見表4。

表2 寧波市水資源資料Table 2 Data of water resources in Ningbo city

表3 寧波市現(xiàn)狀年水資源承載力評價指標特征值Tab le 3 Eigenvalues of the indexes of water resource’s carrying capacity in the p resent year in Ningbo city

表4 寧波市水資源承載力評價指標等級取值Table 4 Values of the assessm ent level of water resource’s carrying capacity in Ningbo city

評價標準等級中，1級屬于狀況較差，表示水資源承載力已接近其最大值，水資源進一步開發(fā)利用的潛力很小，水資源利用率高，發(fā)展下去將發(fā)生水源短缺，制約社會經(jīng)濟的發(fā)展，這時應(yīng)采取尋找新水源的對策。2級對應(yīng)水資源承載力中級水平，此時水資源還有一定的開發(fā)潛力，水資源利用率達到中等以上水平，應(yīng)采取開源節(jié)流對策緩解水資源緊缺的壓力。3級對應(yīng)水資源還有較大的承載潛力，水資源開發(fā)利用已具有一定規(guī)模，水資源利用率較低，但進一步開發(fā)的潛力較大，水資源的供給需求在一定程度上能滿足其流域內(nèi)的社會經(jīng)濟發(fā)展。4級屬情況較好，表示研究區(qū)水資源仍有較大的承載潛力，此時水資源開發(fā)規(guī)模很小、開發(fā)程度低、水資源利用率低、工農(nóng)業(yè)及整個經(jīng)濟類型屬耗水型，其供給情況較為樂觀。

從上述資料可以建立評價影響因素矩陣X、對應(yīng)的評價標準矩陣V：

應(yīng)用模糊理論變換，式（3）、式（4）可得水資源可持續(xù)利用承載力1級標準對應(yīng)的相對隸屬度矩陣為：

通過對以上矩陣分析及相關(guān)專家意見［2，6］。用二元對比定性排序原則，再經(jīng)檢驗得到以上7項指標重要性排序一致性標度矩陣，從而計算出該7項評價指標的歸一化權(quán)向量為

采用模糊模式識別模型式（7），計算得樣本各級別的相對隸屬度集合為

則各分區(qū)的水資源可持續(xù)利用承載力的級別特征值為

該地區(qū)各分區(qū)的水資源承載力評價結(jié)果見表5。

表5 寧波市現(xiàn)狀年水資源承載力評價結(jié)果Table 5 Results of the assessment of water resource’s carrying capacity in the present year in Ningbo city

從評價結(jié)果可以看出，現(xiàn)狀年寧波市各分區(qū)水資源承載力綜合評價特征值最小值為寧?？h1．19，而最大值為奉化市2．69。說明寧海縣的水資源承載力已經(jīng)較低，處于1級及2級之間，屬于狀況較差，表示水資源承載力已接近其最大值，水資源進一步開發(fā)利用的潛力很小，水資源利用率高，發(fā)展下去將發(fā)生水源短缺，應(yīng)采取尋找新水源的對策。其他區(qū)域的水資源承載力處于2級及3級之間，對應(yīng)水資源承載力中級水平及偏上，尤其是市區(qū)水資源承載力基本處于2級水平，此時水資源還有一定的開發(fā)潛力，水資源利用率達到中等以上水平，應(yīng)采取相應(yīng)的措施。

4 結(jié) 語

寧波市各水資源分區(qū)中寧海縣水資源承載力水平較低，水資源開發(fā)利用率高，不適宜再開發(fā)，應(yīng)采用節(jié)水、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、水利工程措施、外調(diào)水工程、加強污水處理提高水的利用效率、改善水質(zhì)等措施。其他分區(qū)水資源承載力相對處于中等及偏上水平，水資源還有一定的開發(fā)潛力，應(yīng)采取開源節(jié)流對策緩解水資源緊缺的壓力。總之，寧波市區(qū)域水資源可持續(xù)利用承載力總體偏低，除上述措施外還應(yīng)考慮外調(diào)水源緩解水資源承載力不足的問題。

［1］ 徐中民，程國棟．運用多目標決策分析技術(shù)研究黑河流域中游水資源承載力［J］．蘭州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2000，36（2）：122－132．（XU Zhong-min，CHENG Guo-dong．A Study on the Water Resources Carrying Capacity by Using the Method of Multiobjective Optimization Model—Taking the Heihe River as an Example［J］．Journal of Lanzhou University（Natural Sciences），2000，36（2）：122－132．（in Chinese））

［2］ 秦 奮，張喜旺，劉劍鋒．基于模糊分析法的水資源承載力綜合評價［J］，水資源與水工程學(xué)報，2006，16（1）：1－6．（QIN Fen，ZHANG Xi-wang，LIU Jian-feng．Comprehensive Evaluation of theWater Resources Carrying Capacity Based on Fuzzy Analysis Method［J］．Journal of Water Resources and Water Engineering，2006，16（1）：1－6．（in Chinese））

［3］ 陳守煜．系統(tǒng)模糊決策理論與應(yīng)用［M］．大連：大連理工大學(xué)出版社，1994：85－86．（CHEN Shou-yu．System Fuzzy Decision Theory and Application［M］．Dalian：Dalian University of Technology Press，1994：85－86．（in Chinese））

［4］ 王 穎，方 航．模糊識別法在水庫水質(zhì)評價中的應(yīng)用［J］．人民黃河，2010，32（7）：40－41．（WANG Ying，F(xiàn)ANG Hang．Reservoir Water Quality Assessment Based on Fuzzy Identification Method［J］．Yellow River，2010，32（7）：40－41．（in Chinese））

［5］ 陳守煜．工程水文水資源系統(tǒng)模糊集分析理論與實踐［M］．大連：大連理工大學(xué)出版社，1998：101－109．（CHEN Shou-yu．Theory and Practice of Fuzzy Set Analysis for Engineering Hydrology and Water Resources System［M］．Dalian：Dalian University of Technology Press，1998：101－109．（in Chinese））

［6］ 鄒志紅，孫靖南，任廣平．模糊評價因子的熵權(quán)法賦權(quán)及其在水質(zhì)評價中的應(yīng)用［J］．環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2005，25（4）：552－556．（ZOU Zhi-hong，SUN Jing-nan，REN Guang-ping．Study and Application on the Entropy Method for Determination of Weight of Evaluating Indicators in Fuzzy Synthetic Evaluation for Water Quality Assessment［J］．Acta Scientiae Circumstantiae，2005，25（4）：552－556．（in Chinese） ）

（編輯：趙衛(wèi)兵）

Assessment of the Carrying Capacity of Water Resources in Ningbo City by Fuzzy Mathematics

WANG Ying
（Zhejiang Tongji College of Science and Technology，Hangzhou 311231，China）

Sustainable carrying capacity ofwater resources involves complex systems such as the entire resource，economy，and environment．It has been receiving increasing concerns．With some indicators of carrying capacity as the assessment factors，we established a fuzzy mathematicalmodel and applied it to the assessment of water resources carrying capacity in Ningbo city．The assessment resultwas analyzed to verify the reliability of themodel．Results indicate that the development and utilization ofwater resources in Ningbo city has reached some scale with low carrying capacity．Measures as water saving，water transfer project，industrial structure adjustment，sewage treatment，and water quality enhancementwere proposed to solve this problem．

fuzzy recognition；water resources carrying capacity；evaluation index system；Ningbo city

TV213

A

1001－5485（2013）11－0028－04

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．11．007

2012－09－10；

2012－09－28

王 穎（1965－），女，遼寧遼中人，副教授，碩士，研究方向為水文與水資源，（電話）13819162305（電子信箱）wangyingedu＠163．com。