基于模糊綜合評判的鶴壁市水資源承載力評價

周振民，劉 朔

(華北水利水電大學，鄭州 450011)

0 引 言

水資源是人們賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。水資源承載力是權(quán)衡區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的一項重要指標，是當前水科學研究的重點和熱點[1]。水資源承載力雖迄今為止沒有形成系統(tǒng)、科學的理論體系，但國內(nèi)外許多學者對水資源承載力概念提出了不同的觀點和方法。現(xiàn)在較普遍認同的水資源承載力概念是：“某一具體的歷史發(fā)展條件下，以可預見的技術(shù)、經(jīng)濟和社會發(fā)展水平為依據(jù)，以可持續(xù)發(fā)展為原則，以維護生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展為條件，經(jīng)過合理優(yōu)化配置，水資源對該地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展的最大支撐能力”[2]。水資源承載力具有自然屬性和社會屬性，而水資源承載力綜合評價就是基于這兩種屬性之上，是指對區(qū)域水資源特點、開發(fā)利用情況及生態(tài)環(huán)境、工農(nóng)業(yè)發(fā)展和居民生活所需水資源的供需關(guān)系等方面用合適的方法綜合分析得出的結(jié)論，它的目的是揭示自然、經(jīng)濟和社會三者協(xié)調(diào)發(fā)展的內(nèi)在關(guān)系，給水資源的可持續(xù)開發(fā)利用和配置提供決策依據(jù)。

鶴壁市屬于缺水城市，目前，鶴壁市水資源承載力研究成果不多。因此，采用科學方法，構(gòu)建鶴壁市水資源承載力模型，評判鶴壁市水資源承載力，提出緩解水資源供需矛盾途徑，是實現(xiàn)鶴壁市社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容。因此本文構(gòu)建了模糊綜合評價模型并給出了具體計算方法，針對鶴壁市水資源條件和社會經(jīng)濟現(xiàn)狀與未來發(fā)展趨勢，計算了鶴壁市水資源承載力，研究成果為鶴壁市社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 研究方法與步驟

1.1 水資源承載力評價指標的選取和分級

水資源承載力評價指標的建立和選取是水資源承載力研究中很關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一?；谒挠绊懸蛩乜蛇_到幾十種，所以在選取主要因素作為評價指標時，可以從以下三點著重考慮：①評價指標應該充分考慮當?shù)禺a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟發(fā)展模式及水資源情勢特點從而做出合理選擇；②水資源承載力是動態(tài)變化的，故選擇的指標應該較為靈敏貼切地反應水資源承載力變化；③優(yōu)先選取能反映問題本質(zhì)及主要矛盾且指標值易量化的評價指標，數(shù)量7～9個為宜[4]。綜合考慮以上因素，參照全國水資源供需分析中指標體系及其他相關(guān)資料，參考專家意見及惠泱河[3]、陳洋波[4]、王友貞[5]等學者的研究成果，權(quán)衡抉擇后選取人均供水量u1、產(chǎn)水模數(shù)u2、萬元GDP用水量u3、供水模數(shù)u4、需水模數(shù)u5、耕地灌溉率u6、生態(tài)用水率u7共計7個評價指標。

將上述7個指標按對水資源承載能力影響程度劃分為3個等級，其中V1級代表該地水資源承載力處于較弱水平，潛力不足，進一步開發(fā)將不利于社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展；V3級代表該地水資源承載力處于較強水平，水資源量供給樂觀，進一步開發(fā)潛力較大，而V2則介于V1與V3之間，表示該地水資源開發(fā)已具有一定規(guī)模，對水資源的供給能提供一定保障，仍有開發(fā)潛力。各指標的定義及分級值標準詳見表1。

表1 各評價指標定義及分級值標準

1.2 模糊綜合評判方法

模糊綜合評判法是對受多種因素影響的事物做出全面評價的一種十分有效的多元素決策方法，能夠較全面地分析區(qū)域水資源承載能力狀況。

1.2.1 確定評估對象的因素論域U及評語等級論域V

令U={u1,u2,…,um}，因素論域由上述所選取的7個評價指標所構(gòu)成，即U={u1,u2,…,u7}。

令V={v1,v2,…,vn}，即等級集合。評語等級論域由3個等級構(gòu)成，即v={v1,v2,v3}，每一個等級可對應一個模糊子集。

1.2.2 評判矩陣R的構(gòu)建與計算方法

構(gòu)建了等級模糊子集后，逐個對被評事物從每個因素ui(i=1,2,…,m)上進行量化，即確定從單因素來看被評事物對等級模糊子集的隸屬度(R|ui)，進而得到模糊關(guān)系矩陣：

矩陣R中第i行第j列元素rij，表示被評事物從因素ui來看對Vj等級模糊矩陣子集的隸屬度。一個被評事物在某個因素ui方面的表現(xiàn)，就是通過模糊向量(R|ui)=(ri1,ri2,…,rin)來刻畫的。

推求R值時，因為R中rij即為指標ui對應等級Vj的隸屬函數(shù)，故可將各評價指標的實際數(shù)值與分級值表(表1)中的值進行對照后分析求解。為消除V1，V2，V3,等級之間數(shù)值相差不大而評價等級相差一級的跳躍現(xiàn)象，需進行模糊化處理[6]。

處理后構(gòu)建了評價指標u3、u4、u5、u6各評語等級隸屬函數(shù)計算式如下：

(3)

對于u1、u2、u7計算式如下：

(6)

式中：k1表示評價指標V1與V2的等級臨界值；k3表示V2與V3的等級臨界值；V2等級區(qū)間中點值為k2。其中k1,k2,k3的關(guān)系可表示為k2=(k1+k3)/2。

1.2.3 AHP定權(quán)重矩陣W

1.2.4 綜合評價

確定了評判矩陣R與權(quán)重矩陣W,在模糊綜合評判中，最后選擇合適的算子將W,R合成。因本次研究選取的評價指標為7個，勢必會導致每個評價指標所分得的權(quán)重 較小，用max-min合成運算必定會丟掉R=(rij)的許多信息，為避免這種情況發(fā)生，故而選擇加權(quán)平均模型M(·,+)算子進行計算，此模型對所有指標依權(quán)重大小均衡兼顧，很適用于考慮各因素起作用的情況[8]。故而合成后可得綜合評判結(jié)果：

B=(b1,b2,…,bj)=W·R

(7)

實際上，為了更貼切地反映各級水資源承載力情況，可將評判等級采用1分制，即對V1～V3三個等級在0～1區(qū)間對應取c1=0.05,c2=0.5,c3=0.95,評分綜合評定最終按公式(8)計算:

(8)

式中：k僅為突出占優(yōu)勢等級的作用，本研究中取值為1。

2 研究區(qū)概況

鶴壁市地處河南省北部，東經(jīng)113°59′～114°45，北緯35°26′～36°02′，東與安陽市的內(nèi)黃、滑縣連接，西鄰安陽市的林州市，南與新鄉(xiāng)市的延津縣、衛(wèi)輝市毗鄰，北接安陽市的安陽、湯陰二縣。該市土地總面積2 182 km2。

鶴壁市屬溫帶大陸性季風氣候，四季分明，多年平均氣溫14.1 ℃左右。全市多年平均降水量617.8 mm，降水量年際相差懸殊，年內(nèi)分配不均，主要集中在6-9月，占全年降水量的72.5%，多年平均陸地水面蒸發(fā)量1 124.3 mm，蒸發(fā)大于降水，屬偏干旱區(qū)。鶴壁人均水資源量為272 m3，遠遠低于全國人均水資源量，水資源量相對匱乏。全市多年平均地表水資源量19 449 萬m3/a，折合徑流深89.1 mm，多年平均淺層地下水資源量為29 879 萬m3/a。地表水體主要由盤石頭水庫、奪豐水庫等大小水庫40余個以及衛(wèi)河、共產(chǎn)主義渠、淇河、思德河、湯河、羑河等10余條主要河流組成。鶴壁市河流水系分布情況見圖1。

圖1 鶴壁市河流水系圖

近年來鶴壁市已經(jīng)發(fā)展成為以煤電化材、汽車零部件、食品加工等主導工業(yè)綜合發(fā)展的新興工業(yè)城市，目前鶴壁市正處于快速推進工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的關(guān)鍵時期，工業(yè)需水急劇增長，伴隨而來的地下水超采、水環(huán)境污染等現(xiàn)象也開始出現(xiàn)，城市不斷增長的用水需求與匱乏的水資源之間形成了尖銳的矛盾，因此通過必要的措施使水資源最大限度地滿足社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境的用水需求是鶴壁市亟須解決的問題。

3 鶴壁市水資源承載力綜合評價

3.1 鶴壁市多年評價指標的指標數(shù)值

根據(jù)鶴壁市自然、社會、經(jīng)濟及水資源變化情況，對2009-2015年各評價指標實際值所涉及的數(shù)據(jù)資料進行了收集，整理計算后得到了不同年評價指標實際值如表2所示。

3.2 權(quán)重矩陣W與評判矩陣R的計算

權(quán)重矩陣W的確定：對7個評價指標重要性進行兩兩比較，構(gòu)造了判斷矩陣，然后計算一致性指標CI和平均隨機一致性指標CR,對判斷矩陣進行了檢驗，確定了權(quán)系數(shù)分配的合理性。最終得到W=(02,0.1,0.2,0.15,0.15,0.1,0.1)。可以看出影響水資源承載力較大的因素為人均供水量及萬元GDP用水量。

評價矩陣R的計算：根據(jù)表2中的數(shù)值，對照表1中的分級規(guī)定，利用公式(1)～(6)可計算出各年份每個評價因素對應于各個等級的相對隸屬度rij的值。各指標隸屬于V1，V2，V3的值分別為ri1,ri2,ri3,具體計算結(jié)果見表3。

3.3 綜合評價結(jié)果及分析

上述已算出指標權(quán)重W與評判矩陣R的值，根據(jù)式(7)可以求得2009-2015年鶴壁市水資源承載力的評價結(jié)果B，再根據(jù)式(8)可以計算出鶴壁市水資源承載力的綜合評分值C。計算成果見表4。

表2 鶴壁市2009-2015年評價指標實際值

由表4分析知鶴壁市2009-2015年水資源承載力多年綜合平均評分為0.422 4，屬弱承載。水資源承載力綜合評價結(jié)果中bj的值對V2級的隸屬度較大，明顯高于對V1與V3級的隸屬度，且V1級的隸屬度都要高于V3級隸屬度，表明鶴壁市水資源開發(fā)利用已經(jīng)具有了一定的規(guī)模，對本地經(jīng)濟與社會的可持續(xù)發(fā)展有了一定的水資源保障，雖然還可以開發(fā)，但潛力較?。?009-2013年鶴壁市綜合評分值呈增加趨勢并且趨向平穩(wěn)，而2014-2015年呈下降趨勢，表明鶴壁市水資源的開采已經(jīng)接近其開發(fā)容量，本地水資源很難承受將來經(jīng)濟社會發(fā)展對水資源的需求，如果不采取措施，地下水的超采及水資源供需矛盾都會加劇，將嚴重制約鶴壁市社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展；2015的評分值相對2014年有所增加，因為 2015年南水北調(diào)水在鶴壁市已經(jīng)部分投入使用，在一定程度上緩解了該市水資源用水緊張情況，隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，需水量也將快速增加，故應增快南水北調(diào)水全面投入使用，進而提高該市水資源承載能力。

4 結(jié) 語

本研究通過構(gòu)建模糊綜合評判模型，對鶴壁市水資源承載能力進行了綜合評價。

(1)從鶴壁市的實際情況出發(fā)，綜合考慮多方面因素權(quán)衡抉擇后選取了7個影響鶴壁市水資源承載力的評價指標，建立了評價指標體系，通過層次分析法確定了各評價指標的權(quán)重，運用模糊綜合評價方法對該市進行了綜合評價。

(2)2009-2015年間，鶴壁市水資源承載能力多年綜合平均評分為0.422 4，屬弱承載。評價結(jié)果中bj的值對V2級的隸屬度較大，明顯高于對V1與V3級的隸屬度，且V1級的隸屬度都要高于V3級隸屬度，表明鶴壁市水資源開發(fā)利用已具有一定規(guī)模，進一步開發(fā)潛力較小。

(3)依照鶴壁市目前經(jīng)濟快速發(fā)展及人口增長迅速的情勢來看，未來對水資源承載能力將提出更高的要求，南水北調(diào)投入使用后，該市水資源承載能力有所增強，但是從整體上來看，水資源供需矛盾仍是制約當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展的主要瓶頸，因此落實水資源優(yōu)化配置，實行水資源合理開發(fā)利用仍是今后一個時期內(nèi)的重要工作目標。

(4 )解決當?shù)厮Y源供需矛盾的主要出路是建立節(jié)水型社會，提高各行業(yè)節(jié)水水平，加強水資源統(tǒng)一管理，運用經(jīng)濟杠桿促進水資源節(jié)約與保護，從而達到提高水資源利用效率，提高水資源承載能力，實現(xiàn)水資源可持續(xù)開發(fā)利用之目的。

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