基于熵權(quán)理想解法的中國水資源承載力動態(tài)變化研究

魏光輝

(1.新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒　841000；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊　830052)

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基于熵權(quán)理想解法的中國水資源承載力動態(tài)變化研究

魏光輝1,2

(1.新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒841000；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830052)

摘要：以2010—2014年全國水資源公報數(shù)據(jù)為依據(jù)，建立了涵蓋水資源、社會發(fā)展、經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的水資源承載力評價體系，并采用熵權(quán)理想解法進行評價，認為2010～2014年，我國水資源承載力綜合值呈波動變化，無明顯增加或減小趨勢，同時評價結(jié)果還表明：人均用水量、城鎮(zhèn)人均生活用水量、耗水率、廢污水排放率、單位灌溉面積用水量、水功能區(qū)達標率與生態(tài)環(huán)境用水率這7項指標是影響承載力的主要因素.

關(guān)鍵詞：水資源承載力；熵權(quán)；評價體系；評價要素

0引言

水資源是基礎(chǔ)性的自然資源和戰(zhàn)略性的經(jīng)濟資源，是一個國家和區(qū)域生存和發(fā)展的基本保障[1].目前，水資源承載力(water resources carrying capacity，簡稱WRCC)研究已成為21世紀區(qū)域水資源安全研究的基礎(chǔ)課題之一，且水資源承載力已經(jīng)是衡量區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的一項重要指標[2].因此，正確地評價區(qū)域水資源承載力，對合理、充分利用水資源以及促進區(qū)域社會、經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義[3-5].本文以水利部2010—2014年發(fā)布的水資源公報數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過TOPSIS模型構(gòu)建全國水資源承載力評價模型，利用組合權(quán)重對評價指標賦權(quán)，為提高全國水資源承載力水平提供參考借鑒.

1水資源承載力評價體系構(gòu)建

根據(jù)水利部發(fā)布的2010—2014年水資源公報數(shù)據(jù)，建立全國水資源承載力評價體系.該體系涵蓋水資源、社會發(fā)展、經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境4個方面.其中水資源包括年降水量、水資源總量、人均水資源量、年總用水量、地表水開發(fā)利用率與地下水開發(fā)利用率6項指標；社會發(fā)展包括人均用水量、城鎮(zhèn)人均生活用水量與農(nóng)村居民人均生活用水量3項指標；經(jīng)濟發(fā)展包括耗水率、廢污水排放率、萬元工業(yè)增加值用水量及單位灌溉面積用水量4項指標；生態(tài)環(huán)境包括水功能區(qū)達標率與生態(tài)環(huán)境用水率2項指標.水資源承載力評價體系及指標性質(zhì)(見表1).

表1　全國水資源承載力評價體系

表1中，所謂正指標，是指該指標值越大則表明相應(yīng)的水資源承載力值越大；反之，所謂負指標，是指該指標值越小則表明相應(yīng)的水資源承載力值越大.

2熵值模型

2.1熵權(quán)計算[6,7]

設(shè)評價方案為m個，評價指標為n個，可構(gòu)成評價矩陣X=(xij)m×n，按下式進行歸一化處理，形成判斷矩陣B=(bij)m×n：

(1)

式中：i—評價方案；j—評價指標；

xmax、xmin—分別為第j個指標在方案中的最大與最小值.

第j個評價指標的熵值Hj計算如下：

(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)

(2)

(3)

則第j個評價指標的熵權(quán)βj，得權(quán)重向量β=(β1，β2，βj，…，βn)，即：

(4)

2.2貼進度值計算[8-10]

(1)構(gòu)建加權(quán)決策矩陣

將判斷矩陣B=(bij)m×n與指標權(quán)重相乘，得加權(quán)決策矩陣：R=(rij)m×n

rij=βj·bij(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)

(5)

(2)計算理想解和負理想解

根據(jù)加權(quán)決策矩陣,確定方案理想解S+與負理想解S-：

(6)

(7)

(3)計算歐式距離

采用歐氏距離計算與理想解和負理想解的距離，計算式如下：

(8)

(9)

(4)貼近度計算

根據(jù)式(10)計算接近度值ξi，其值越大則方案越優(yōu)，反之越劣：

(10)

3研究區(qū)水資源概況

2014年，我國平均降水量622.3mm，地表水資源量26 263.9億m3，折合年徑流深277.4mm，礦化度小于等于2g/L地區(qū)的地下水資源量7 745.0億m3，水資源總量為27 266.9億m3，地下水與地表水資源不重復(fù)量為1 003.0億m3，占地下水資源量的12.9%，占降水總量的45.2%，平均單位面積產(chǎn)水量為28.8萬m3/km2.

2014年，全國總用水量6 095億m3.其中，生活用水占12.6%；工業(yè)用水占22.2%；農(nóng)業(yè)用水占63.5%；生態(tài)環(huán)境補水(僅包括人為措施供給的城鎮(zhèn)環(huán)境用水和部分河湖、濕地補水)占1.7%.同期全國用水消耗總量為3 222億m3，耗水率為53%，其中農(nóng)業(yè)耗水率為65%，工業(yè)為23%，生活為43%，生態(tài)環(huán)境補水為81%.全國人均綜合用水量447m3，萬元國內(nèi)生產(chǎn)總值用水量96m3.耕地實際灌溉用水量為6 030m3/hm2，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)0.530，萬元工業(yè)增加值用水量59.5m3，城鎮(zhèn)人均生活用水量(含公共用水)213L/d，農(nóng)村居民人均生活用水量81L/d.

4模型應(yīng)用

4.1基本情況

根據(jù)水利部發(fā)布的2010—2014年水資源公報數(shù)據(jù)，對研究區(qū)水資源承載力進行綜合評價,評價指標(見表2).

4.2方案評價

(1)評價指標標準化.根據(jù)評價指標性質(zhì)，利用式(1)對表2中的數(shù)據(jù)進行標準化處理，結(jié)果(見表3).

表2　水資源承載力評價指標數(shù)據(jù)

表3　水資源承載力評價指標標準化值

(2)確定評價指標權(quán)重.根據(jù)表3數(shù)據(jù)，利用式(2)～式(4)計算各評價指標的權(quán)重，得到βj=(0.055 0，0.050 2，0.052 3，0.060 9，0.048 7，0.051 9，0.075 0，0.083 5，0.062 0，0.092 0，0.070 1，0.053 1，0.074 2，0.085 7，0.085 3).

(3)構(gòu)建加權(quán)決策矩陣.將判斷矩陣B=(bij)m×n與指標權(quán)重相乘，得加權(quán)決策矩陣(見表4)：

(4)貼近度計算.根據(jù)表4數(shù)據(jù)，利用式(6)～式(10)計算各年份的水資源承載力貼近度值ξi，結(jié)果(見表5).

表4　加權(quán)決策矩陣

表5　不同年份水資源承載力貼進度及排序

4.3結(jié)果分析

由表5計算結(jié)果可知：(1)2010—2014年我國水資源承載力綜合值呈現(xiàn)波動變化，無明顯的增加或減小趨勢，其主要原因是受水資源系統(tǒng)與社會發(fā)展系統(tǒng)構(gòu)成因子的波動性變化造成的；(2)2014年的水資源承載力值最大(貼進度值為0.546 1)，2011年的水資源承載力值最小(貼進度值為0.337 4)，不同年份的承載力值大小排序為2014年>2010年2012年>2013年>2011年(“>”表示“優(yōu)于”).

5結(jié)論與討論

(1)熵權(quán)法計算結(jié)果表明：人均用水量、城鎮(zhèn)人均生活用水量、耗水率、廢污水排放率、單位灌溉面積用水量、水功能區(qū)達標率與生態(tài)環(huán)境用水率這7項指標是影響我國水資源承載力的主要因素.

(2)2010—2014年我國水資源承載力綜合值呈現(xiàn)波動變化，無明顯增加或減小趨勢，其中2014年承載力值最高，其貼進度為0.546 1，2011年承載力值最低，貼進度為0.337 4.不同年份全國水資源承載力排序結(jié)果為：2014年>2010年2012年>2013年>2011年(“>”表示“優(yōu)于”).

(3)目前，我國尚未建立統(tǒng)一的水資源承載力評價體系(含承載力評價指標等級量化標準).承載力評價指標等級量化標準的建立，對于準確判定區(qū)域水資源承載力階段從而進行改進提高具有重要作用.因此，下一步應(yīng)從國內(nèi)外研究成果出發(fā)，建立具有普適性、科學(xué)性、全面性與合理性的水資源承載力綜合評價體系.

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Study on Dynamic Changes of China Water Resources Carrying Capacity Based on Entropy and TOPSIS Method

WEI Guang-hui1,2

(1.Xinjiang Tarim River Basin Management Bureau, Korla 841000, China; 2.School of Water Resources and Civil Engineering, Xinjiang Agriculture University, Urumqi 830052, China)

Abstract:Correct evaluation of regional water resources carrying capacity has important practical significance for the water resources efficient and rational use and helps to promote the sustainable development of regional social economy. According to the data from 2010 to 2014, the evaluation system of water resources carrying capacity, containing water resources, social development, economic development and ecological environment system (15 indicators), is established. The results show that the main factors affecting WRCC are: per capita water consumption, urban domestic water consumption, water consumption rate, waste water discharge rate, water consumption per unit irrigation area, water function area standard rate and ecological environment water consumption. From 2010 to 2014, the comprehensive value of water resources carrying capacity in our country has no obvious increase or decrease trend. The results of different years are 2014>2012>2011>2013>2010.

Key words:water resources carrying capacity; entropy weight; evaluation system; evaluative feature

中圖分類號：TV213.3

文獻標志碼：A

文章編號：1008-536X(2016)02-0028-04

作者簡介：魏光輝(1981-)男，新疆石河子人，高級工程師，博士，主要從事干旱區(qū)水資源利用研究.

基金項目：水利部公益性行業(yè)科研專項資助(201301102)；新疆水文學(xué)及水資源重點學(xué)科資助(XJSWSZYZDXK20101202).

收稿日期：2015-11-12