基于組合賦權(quán)的青海省水資源承載力模糊物元分析

于倩雯,吳鳳平

(河海大學(xué)商學(xué)院,江蘇 南京 211100)

基于組合賦權(quán)的青海省水資源承載力模糊物元分析

于倩雯,吳鳳平

(河海大學(xué)商學(xué)院,江蘇 南京 211100)

以青海省為研究區(qū)域,以其所轄的8個行政分區(qū)作為研究單元,利用基于組合賦權(quán)的模糊物元分析法,從用水總量、用水效率、水質(zhì)3個維度建立青海省水資源承載力的“三條紅線”評價指標(biāo)體系。結(jié)果顯示:青海省水資源還具有較大的開發(fā)潛力,水資源承載能力較強。但是青海省水資源開發(fā)利用條件和程度呈現(xiàn)出區(qū)域性差異,西寧市和海東市水資源承載力已近飽和狀態(tài),而其余地區(qū)水資源承載力相對較強,必須因地制宜采取相應(yīng)的改善措施。

組合賦權(quán);水資源承載力;模糊物元;青海省

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,各行各業(yè)對于水資源的需求量日益增加,區(qū)域水資源承載力的研究已經(jīng)成為眾多專家學(xué)者的熱點課題。目前,水資源承載力的研究方法主要有模糊綜合評價法[1-3]、集對分析法[4-6]、主成分分析法[7-8]等,這些方法在水資源承載力的評價中得到了較好的運用,但是仍然存在一些不足。如評價過程中指標(biāo)權(quán)重的確定偏于主觀,未曾考慮到指標(biāo)數(shù)據(jù)信息的模糊性,最后計算出的評價結(jié)果也與實際存在一些偏差。而且在現(xiàn)有的水資源承載力研究文獻中,通常將水資源承載力看成一個社會、經(jīng)濟、生態(tài)、資源的復(fù)雜系統(tǒng)[9-11],或者根據(jù)地區(qū)用水比例結(jié)合區(qū)域工農(nóng)業(yè)人口承載量來考慮[12],未與國家及地區(qū)政府出臺的政策相結(jié)合。鑒于此,筆者在前人研究的基礎(chǔ)上,根據(jù)最嚴(yán)格水資源管理制度的要求,建立了基于“三條紅線”的水資源承載力量化指標(biāo)體系,結(jié)合物元分析理論與模糊集、歐式貼近度的概念,構(gòu)建水資源承載力模糊物元評價模型,并利用組合賦權(quán)法確定權(quán)重,對青海省及其8個行政分區(qū)的水資源承載力狀況進行實證分析。

1 材料與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

青海省位于青藏高原東北部,是我國西部重要省份之一,東西長約1 200 km,南北寬800 km,面積為72.10萬km2。其境內(nèi)水資源豐富,涵蓋了長江、黃河、瀾滄江和黑河的源頭,是我國重要的水源地,素有“三江源”、“中華水塔”之稱。由于受海拔、地形、緯度、大氣環(huán)流等自然因素的影響,青海省擁有獨具特色的高原大陸性氣候,為我國干旱和半干旱氣候區(qū),年降水量較少且時空分布不均。

1.2 “三條紅線”量化指標(biāo)體系的確立

2012年1月,國務(wù)院發(fā)布了《關(guān)于實行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》明確指出實施最嚴(yán)格水資源管理制度對于解決當(dāng)今我國日益復(fù)雜的水資源問題具有重要意義。而現(xiàn)有水資源承載力研究文獻多采用水資源社會經(jīng)濟復(fù)合系統(tǒng)指標(biāo),與實際政策脫鉤,且由于所選研究區(qū)域具有強烈外部性,在考慮確定量化指標(biāo)體系時,筆者面向最嚴(yán)格管理制度的要求,結(jié)合國家水資源政策,更偏重于水資源視角的系統(tǒng)分析評估。根據(jù)相關(guān)文獻的研究成果[13],選取最嚴(yán)格水資源管理制度約束下影響水資源承載力的3個維度:用水總量控制、用水效率控制、水質(zhì)控制。同時,考慮到數(shù)據(jù)的可得性及區(qū)域內(nèi)不同地區(qū)的可比性,在3個維度下綜合選取12個評價指標(biāo),建立了基于“三條紅線”的水資源承載力評價量化指標(biāo)體系(表1)。

表1 水資源承載力“三條紅線”量化指標(biāo)體系

1.3 數(shù)據(jù)來源和計算方法

1.3.1 數(shù)據(jù)來源

以青海省8個行政分區(qū):西寧市、海東市、海北州、海南州、黃南州、果洛州、玉樹州、海西州作為研究的基本單元,選取2013年為時間斷面,分析青海省各行政分區(qū)的水資源承載力差異,所用數(shù)據(jù)來源于《青海統(tǒng)計年鑒》、《青海水資源公報》、各縣市《水資源評價及優(yōu)化配置》以及各行政分區(qū)的國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報資料,對于部分地區(qū)缺失的相關(guān)數(shù)據(jù),根據(jù)已有數(shù)據(jù)通過求加權(quán)平均值或線性插值法獲得。

1.3.2 數(shù)據(jù)規(guī)范化處理

越大越優(yōu)型定量指標(biāo)的規(guī)范化處理公式:

(1)

越小越優(yōu)型定量指標(biāo)的規(guī)范化處理公式:

(2)

1.3.3 組合賦權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重

a. 變異系數(shù)法。變異系數(shù)法的核心思想是根據(jù)各評價指標(biāo)所有樣本觀測值的變異程度大小來判斷各項指標(biāo)對評價對象的影響程度,變異程度越大說明該項指標(biāo)越能反映對評價對象影響的差距,賦予該指標(biāo)的權(quán)重也越大,反之則越小。假設(shè)共有n個待評價對象(j=1,2,…,n)、m個評價指標(biāo)(i=1,2,…,m),構(gòu)成一個特征值矩陣X=[Xij]m×n(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n),其中Xij為第j個評價對象第i個指標(biāo)的特征值。計算第i項指標(biāo)的變異系數(shù)δi：

(3)

(4)

(5)

c. 組合賦權(quán)法。組合賦權(quán)法是將主觀權(quán)重與客觀權(quán)重相結(jié)合,從而使指標(biāo)賦權(quán)更為合理的一種權(quán)重求解方法。為了使區(qū)域水資源承載力分析結(jié)果更為合理,筆者選取層次分析法作為主觀賦權(quán)方法,并運用層次分析法軟件yaahpV7.5求解主觀權(quán)重。信息熵法和變異系數(shù)法作為客觀賦權(quán)法,結(jié)合兩種方法的優(yōu)缺點采用最小鑒別信息原理來確定綜合權(quán)重,以求主客觀因素的統(tǒng)一。假設(shè)主觀權(quán)重向量為w1(i),客觀組合權(quán)重向量為w2(i)=λwi變+(1-λ)wj熵,λ取值0.5，綜合權(quán)重為w(i),采用最小鑒別信息原理求出組合權(quán)重[7],計算公式如下:

(6)

1.3.4 模糊物元分析

a. 構(gòu)造模糊復(fù)合物元。假設(shè)被描述的事物為M,它關(guān)于n個特征c1,c2,…,cn的模糊量值為v1,v2,…,vn,則稱R為n維模糊物元,簡記為R(m,c,v)。令v=u(x),若m個事物的n維模糊物元組合在一起,m個事物的n維模糊復(fù)合物元,記作Rmn,即

(7)

式中：Rmn為m個事物的n維模糊復(fù)合物元；ci為第j個特征(j=1,2,…,n)；Mj為第i個事物(i=1,2,…,m)；xij為第i個事物在第j個特征下對應(yīng)的模糊量值。

b. 貼近度計算和綜合評價。貼近度指各個樣品與標(biāo)準(zhǔn)樣品之間的接近程度,反映接近程度的數(shù)值越大表示兩者越接近,反之則表示距離較遠(yuǎn)。筆者采用先乘后加算法對水資源承載力的歐式貼近度進行計算:

(8)

根據(jù)ρHi構(gòu)建歐式貼近度復(fù)合模糊物元RρH:

(9)

式中:ρHi(i=1,2,…,m) 為評價對象i與理想對象之間的歐式貼近度,根據(jù)ρHi值的大小來判斷區(qū)域水資源承載力的情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 計算過程與結(jié)果

首先,根據(jù)式(1)、式(2)對青海省水資源承載力的12個量化指標(biāo)進行數(shù)據(jù)規(guī)范化處理,得到規(guī)范化決策矩陣;其次根據(jù)式(3)～(6)計算各項指標(biāo)的主客觀權(quán)重,得到綜合賦權(quán)。依據(jù)評價指標(biāo)對區(qū)域水資源承載能力的影響程度將其劃分為4個等級。其中Ⅰ級表示該區(qū)域水資源開發(fā)尚處于初始階段,水資源仍有很大的承載潛力,其供給情況較為樂觀;Ⅱ級表示該區(qū)域水資源利用程度、發(fā)展規(guī)模都較小,水資源仍有較大的承載發(fā)展?jié)摿?Ⅲ級表示該區(qū)域水資源承載能力較低,還有一定的發(fā)展?jié)摿?Ⅳ級表示該區(qū)域水資源承載力已經(jīng)達到飽和狀態(tài),發(fā)展下去將發(fā)生水資源短缺,制約國民經(jīng)濟的發(fā)展,這時應(yīng)采取相應(yīng)的對策。根據(jù)式(7)～(9),利用模糊物元分析法計算青海省及各行政分區(qū)水資源承載力的綜合評價值,見表2。

表2 青海省及各行政分區(qū)的綜合評價值

2.2 青海省水資源承載力綜合評價分析

從青海省的水資源承載力總體評價結(jié)果來看,青海省歐式貼近度值為0.497 3,目前處于Ⅱ級水資源承載力狀態(tài),但有向Ⅲ級狀態(tài)過渡的趨勢,表明水資源仍然有較大開發(fā)容量,水資源承載能力的潛力相對較大。

2.3 各行政分區(qū)水資源承載力分析

從各行政分區(qū)的水資源承載力評價結(jié)果來看,8個行政分區(qū)的水資源承載力大小按照從小到大的順序排列,分別為:西寧市、海東市、海南州、海西州、黃南州、海北州、玉樹州、果洛州。其中8個行政分區(qū)內(nèi)除西寧市和海東市外,其他地區(qū)水資源承載力較大,有一定開發(fā)潛力。綜合評價值中西寧市、海東市的歐式貼近度都大于0.4,說明水資源承載力達到飽和狀態(tài),發(fā)展下去將發(fā)生水資源短缺,制約國民經(jīng)濟的發(fā)展,應(yīng)采取相應(yīng)的對策;其他地區(qū)中海南州的歐式貼近度為0.353 1,水資源承載力等級為Ⅲ級,說明海南州的水資源承載能力較低,仍然有一定的發(fā)展?jié)摿?需要通過工程性措施等對其進行開發(fā);海北州、黃南州、海西州、玉樹州4個行政分區(qū)的歐式貼近度皆小于0.3,水資源承載力等級為Ⅱ級,說明這幾個地區(qū)的水資源利用程度以及發(fā)展規(guī)模都較小,地區(qū)水資源仍有較大的承載發(fā)展?jié)摿?而果洛州為Ⅰ級的歐式貼近度,表明水資源開發(fā)尚處于初始階段,水資源仍有很大的承載潛力,其供給情況較為樂觀。

2.4 “三條紅線”維度水資源承載力分析

從影響水資源承載力的3個維度(用水總量控制、用水效率控制、水質(zhì)控制)下的水資源承載力評價結(jié)果來看,用水總量控制下,水資源承載力處于Ⅳ級的地區(qū)有西寧市、海東市、海南州,這3個地區(qū)用水總量控制維度指標(biāo)的歐式貼近度均大于0.7,說明該地區(qū)的水資源開發(fā)程度高,可供繼續(xù)開發(fā)的水資源量相對較少,水資源承載能力比較低;水資源承載力處于Ⅱ級的地區(qū)有海北州和黃南州,歐式貼近度在0.5～0.6之間,說明這2個地區(qū)的水資源量充足,可供開發(fā)的水資源較多,水資源承載能力較強;水資源承載力處于Ⅰ級的地區(qū)有果洛州、玉樹州、海西州,歐式貼近度均小于0.5,說明該地區(qū)的水資源開發(fā)程度較低,水資源承載能力高,水資源仍有較大的開發(fā)空間。用水效率控制下,水資源承載力處于Ⅳ級的地區(qū)為西寧市和海東市,用水效率控制維度指標(biāo)的歐式貼近度大于0.7,說明西寧市和海東市社會經(jīng)濟發(fā)展程度較高,工農(nóng)業(yè)以及居民生活用水效率高;水資源承載力處于Ⅱ級的地區(qū)為海北州、黃南州、玉樹州、海西州,歐式貼近度在0.5～0.6之間,說明這4個地區(qū)的工農(nóng)業(yè)及生活用水效率不高,水資源浪費現(xiàn)象時有發(fā)生;水資源承載力處于Ⅰ級的地區(qū)為海南州和果洛州,歐式貼近度小于0.5,說明海南州和果洛州的水資源用水效率比較低,工農(nóng)業(yè)以及生活用水過程中的水資源浪費現(xiàn)象比較嚴(yán)重。水質(zhì)控制下,水資源承載力處于Ⅳ級的地區(qū)為西寧市,水質(zhì)控制維度指標(biāo)的歐式貼近度大于0.7,說明西寧市水污染現(xiàn)象比較嚴(yán)重,可供開發(fā)利用的水資源量受到水質(zhì)狀況的限制;水資源承載力處于Ⅲ級的地區(qū)為海東市、海北州、黃南州、海南州,歐式貼近度在0.6～0.7之間,說明這4個地區(qū)的水污染狀況不容樂觀,水資源承載能力較低;水資源承載力處于Ⅰ級的地區(qū)為果洛州、玉樹州、海西州,水質(zhì)控制維度指標(biāo)的歐式貼近度小于0.5,說明該地區(qū)的水資源污染現(xiàn)象比較少,水質(zhì)狀況良好,水資源承載能力高。

3 討論

從青海省綜合分析來看,青海省是長江、黃河、瀾滄江、黑河的發(fā)源地,而且也是中國自然生態(tài)敏感地區(qū)。2012年出臺的《青海省人民政府辦公廳關(guān)于實行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》明確了實行最嚴(yán)格水資源管理制度的總體要求和考核辦法,對青海省的水資源開發(fā)利用提出了新的要求。因此,加強節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣,降低無效的水資源損耗,保障生態(tài)用水安全,是促進青海省水資源長遠(yuǎn)發(fā)展的必要條件,青海省的水資源承載能力仍然具備較大的發(fā)展空間。

從各行政分區(qū)分析來看,青海省各地區(qū)的水資源開發(fā)利用條件和程度不平衡,水資源承載能力的分布呈現(xiàn)不規(guī)則狀態(tài)。西寧市、海東市位處青海省東部的湟水河流域,是青海省的政治、經(jīng)濟、文化中心,社會經(jīng)濟集中在狹小的湟水河流域,水資源承載力已近枯竭,進一步開發(fā)利用的潛力較小。海南州在地貌分區(qū)上屬柴達木—湟中海拔盆地大區(qū),擁有眾多的灘地,雖然占據(jù)黃河之利,但是水資源開發(fā)困難,取用難度較大,這也與其評價結(jié)果比較吻合,水資源承載力較低,但仍然有一定發(fā)展?jié)摿Α：１敝?、黃南州、玉樹州、海西州以及果洛州地形復(fù)雜,地區(qū)國民經(jīng)濟生產(chǎn)總值較低,以發(fā)展種植業(yè)、畜牧業(yè)為主,水資源開發(fā)尚處于初始階段,因此水資源的承載能力較強,評價結(jié)果符合現(xiàn)狀。

從“三條紅線”維度分析來看,青海省的用水總量、用水效率、水質(zhì)仍然有待提高,用水總量控制方面西寧市、海東市水資源開發(fā)程度高,內(nèi)陸河流域共和盆地和黃河一級支流湟水河流域水資源開發(fā)利用已達到極限水平,應(yīng)嚴(yán)格實施國家最嚴(yán)格水資源管理制度,調(diào)整產(chǎn)業(yè)用水比例,實施水資源的合理分配,必要時可采取跨流域調(diào)水等工程性措施;而海南州應(yīng)因地制宜,提高水資源開發(fā)技術(shù),實現(xiàn)科學(xué)取水、合理取水;海北州、黃南州、玉樹州、果洛州和海西州的用水總量偏小,與地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展程度有關(guān),加快地方社會經(jīng)濟的發(fā)展步伐,加大水資源的開發(fā)利用是今后的一個重點發(fā)展方向。用水效率方面,除西寧市和海東市外,其他地區(qū)的水資源利用效率還有待進一步提高,如海西州的柴達木盆地作為發(fā)展規(guī)劃中的重點開發(fā)地區(qū),用水增長快,必須合理工農(nóng)業(yè)布局,增加節(jié)水型設(shè)施,提高用水效率。水質(zhì)方面,由于西寧市和海東市經(jīng)濟的快速發(fā)展,當(dāng)?shù)厮廴粳F(xiàn)象比較嚴(yán)重,需要控制污水排放口的廢污水排放量,提高廢污水處理率。其中水質(zhì)維度下水資源承載力較高的地區(qū)中,海北州是青海湖水量平衡生態(tài)區(qū),水質(zhì)狀況優(yōu)良;玉樹州和果洛州自古以來系長江、黃河、瀾滄江的發(fā)源地,為確保三江源生態(tài)平衡,水生態(tài)保護程度同樣較高。

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國家自然科學(xué)基金(41271537);國家社會科學(xué)基金重大項目(12&ZD214)

于倩雯 (1992—),女,博士研究生,主要從事區(qū)域水資源管理研究。E-mail:yuqianwen1992@163.com

10.3880/j.issn.1003-9511.2017.02.006

F407.9

A

1003-9511(2017)02-0026-05

2016-10-25 編輯：方宇彤)