基于模糊集對和指標評價體系對水資源監(jiān)測系統(tǒng)承載能力實現(xiàn)動態(tài)評價

謝智雄，陳江清

（1.廣東省水文局佛山水文分局,廣東 佛山 528000；2.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,廣西 南寧 530000）

經(jīng)濟的發(fā)展和人口涌入城市的數(shù)量增加,使得城市需水量呈指數(shù)級別增長,但由于我國水資源本身分布的不均衡性,以及前期遺留的水污染問題,故水系統(tǒng)的健康度對于城市的發(fā)展和人們生活水平提升帶來嚴重的制約,為了保障各城市經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展、人們生活水平持續(xù)提升,水資源得到合理的開發(fā)使用,需要做好水資源監(jiān)測系統(tǒng)承載能力的動態(tài)評價工作。

1 水資源監(jiān)測系統(tǒng)承載能力評價概述

1.1 水資源監(jiān)測系統(tǒng)承載能力評價現(xiàn)狀

水資源監(jiān)測系統(tǒng)承載能力最初是在20 世紀90 年代提出的,目前對于水資源監(jiān)測系統(tǒng)承載能力的定義存在不同解釋。部分專家將水資源系統(tǒng)監(jiān)測和承載能力作為經(jīng)濟活動發(fā)展的基礎(chǔ),其閾值決定經(jīng)濟發(fā)展的上限,也有專家指出水系統(tǒng)的監(jiān)測能力和承載能力具有自然和社會的雙重屬性,即承載力具有上限,超出承載能力,生態(tài)系統(tǒng)就會被破壞。生態(tài)學(xué)上認為水資源監(jiān)測系統(tǒng)承載能力是在社會發(fā)展的一定階段和生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)狀態(tài)下,水資源對于人類活動的最大的承載能力[1]。人類只有在水資源監(jiān)測系統(tǒng)承載能力所允許的范圍內(nèi)進行各類活動,才能使整個社會的經(jīng)濟持續(xù)性健康發(fā)展,水資源監(jiān)測系統(tǒng)承載能力是包含了社會、人口、環(huán)境、資源、技術(shù)等很多因素的系統(tǒng),這些因素相互之間存在著影響和制約的關(guān)系。水資源能夠支撐多少人類進行各類活動、經(jīng)濟能否持續(xù)性發(fā)展、水資源系統(tǒng)能否實現(xiàn)良性循環(huán),這些需要我們制定并實施的各項經(jīng)濟、技術(shù)等政策,但是如何制定相關(guān)政策以及參數(shù)如何確定是當前急需解決的難題。

1.2 水資源監(jiān)測系統(tǒng)承載能力評價存在問題及發(fā)展趨勢

目前我國對于水資源監(jiān)測系統(tǒng)承載能力的認識和研究還處于探索時期,還沒有構(gòu)建完善的理論體系和統(tǒng)一的研究方法,需要加強對基礎(chǔ)理論的研究,開拓新的思路和方法,為國家關(guān)于水系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)承載能力的研究提供理論依據(jù)[2]。目前,水資源監(jiān)測系統(tǒng)承載能力評價指標體系中關(guān)于指標的選取較多樣且存在局限性,對于指標的選取沒有統(tǒng)一的可遵循的方案。今后需要將復(fù)合系統(tǒng)作為研究目標,構(gòu)建新的可行的指標評價體系。評價指標的標準值的詳細研究還比較少,影響著很多評價方法的應(yīng)用,今后應(yīng)加強對評價指標標準值的研究。目前還沒有統(tǒng)一和完善的用來進行水資源監(jiān)測系統(tǒng)承載能力動態(tài)評價的方法,構(gòu)建的綜合模型無法做到將水資源的復(fù)雜、模糊性能進行同時描述,需用系統(tǒng)的觀點、更廣的視角、更科學(xué)的方法來研究水資源監(jiān)測系統(tǒng)承載能力[3]。此外,水資源監(jiān)測系統(tǒng)承載能力研究的重要前提是環(huán)境所需水資源量,對于所需水資源量的研究和計算還沒有統(tǒng)一的理論和方法,今后環(huán)境所需水資源量的確定將是水資源監(jiān)測系統(tǒng)承載能力研究的重要組成部分[4]。

2 模糊集對理論概述

模糊數(shù)學(xué)法、物元法及灰色系統(tǒng)法等評價方法是應(yīng)用較為廣泛的水資源監(jiān)測能力評價方法,但是這些方法存在只能對事物的聯(lián)系進行單一描述、無法在復(fù)雜、不確定、動態(tài)情況下進行水資源監(jiān)測[5]。而模糊集對和指標評價體系是對水資源監(jiān)測系統(tǒng)承載能力進行動態(tài)評價的一種有效方法[6]。模糊集對評價方法是對信息隨機、各類信息冗雜且不確定的情況下進行的一種優(yōu)化選擇,將確定和不確定的信息作為既確定又不確定來進行分析,將等級標準和指標權(quán)重作為評價重點,提升了評價的準確度,并將其應(yīng)用在水資源監(jiān)測系統(tǒng)的評價上[7]。

模糊集對理論的基礎(chǔ)是構(gòu)建集合A、B,成為集對H（A,B）,其中集合A 是監(jiān)測系統(tǒng)評價指標的集合,集合B 是監(jiān)測系統(tǒng)等級標準的集合,此時對集對進行特性分析,并設(shè)定特征數(shù)量為M,兩個集合A 和B 的共性特性的數(shù)量為P,兩個集合A和B 的異性特性的數(shù)量為P,兩個集合A 和B 的對立特性的數(shù)量為Q,那么集對的關(guān)聯(lián)度為：

式中：μA，B為集對H（A,B）的關(guān)聯(lián)度；分別為集對H（A,B）的同一特性、差異特性和對立特性占比,分別用a、b、c表示,且a+b+c=1,O+P+Q=M；X為集對H（A,B）的差異度,取值范圍為從-1～1 之間；Y為集對H（A,B）的對立度,取值為-1。

3 水資源監(jiān)測系統(tǒng)承載能力動態(tài)評價

3.1 構(gòu)建水資源監(jiān)測系統(tǒng)指標評價體系

從自然、人為和承載力指標中選取8 項指標作為評價指標,構(gòu)建水資源監(jiān)測系統(tǒng)承載能力指標評價體系,各評價指標名稱、符號及單位見表1。

表1 水資源監(jiān)測能力評價指標體系

3.2 評價等級標準劃分

綜合考慮南方某內(nèi)陸城市的實際水資源情況和構(gòu)建的評價指標體系,將原始量化數(shù)據(jù)進行離散化,并對評價指標進行分級,從強到弱五個評價等級,分別用1 級～5 級進行表示,見表2。

表2 水資源監(jiān)測系統(tǒng)承載能力評價等級標準

3.3 確定評價指標權(quán)重

通常在實踐中使用主觀法和客觀法確定各類評價指標的權(quán)重,但主觀法由于存在較多主觀因素,其評價結(jié)果受到評價者的認知影響較大,故本文采用客觀法對各類評價指標進行權(quán)重的分配和計算,步驟如下：

（1）標準化處理評價量化指標數(shù)據(jù),其中正向指標計算依據(jù)如下：

負向指標用公式（3）進行計算：

式中：rij為第i個評價對象的第j個指標；amaxj為第i個指標的最大值；aminij為第i個指標的最小值。

標準化處理后,得到矩陣R=（aij）mn,其中m表示評價對象數(shù)量,n表示評價指標數(shù)量。

（2）計算各評價指標的熵：

（3）計算各評價指標的權(quán)重：

根據(jù)該市2017 年～2021 年水資源公報,對該市水資源監(jiān)測系統(tǒng)承載能力各評價指標權(quán)重結(jié)果見表3。

表3 水資源監(jiān)測系統(tǒng)承載能力各評價指標權(quán)重

3.4 模糊集對評價水資源監(jiān)測系統(tǒng)承載能力

（1）計算被評價對象的指標和水系統(tǒng)承載水平之間的量化數(shù)據(jù)及單指標關(guān)聯(lián)度

結(jié)合最大隸屬度原則,將指標分為正向指標和反向指標后,分別對評價指標和承載等級進行單指標關(guān)聯(lián)度計算,其中：

正向指標的公式如下：

負向指標的計算公式為：

式中：i為評價對象；j為評價指標；k為水資源監(jiān)測系統(tǒng)承載能力評價等級；sk,j為水資源監(jiān)測系統(tǒng)承載能力評價標準的界限值。

（2）計算被評價對象和評估等級的關(guān)聯(lián)度

（3）相對隸屬度和綜合隸屬度計算

（4）評價對象的水資源監(jiān)測系統(tǒng)承載能力等級計算

因最大隸屬度原則在模糊識別中容易使信息丟失,在對評價對象的水資源監(jiān)測系統(tǒng)承載能力等級進行計算時,為提高評價等級的精度和評價結(jié)果的準確性,使用置信度原則進行計算,計算公式為：

該市水資源監(jiān)測系統(tǒng)承載能力評價結(jié)果見表4。

表4 水資源監(jiān)測系統(tǒng)承載能力評價結(jié)果

4 評價結(jié)果分析及問題對策

4.1 水資源監(jiān)測系統(tǒng)承載能力評價結(jié)果分析

根據(jù)表4結(jié)果,該市水資源監(jiān)測系統(tǒng)承載能力整體較一般,自2020 年提高了水資源監(jiān)測和管控水平,水資源緊缺和上下游污染現(xiàn)象得到緩解和改善,供水系統(tǒng)承載能力提升明顯,水資源供應(yīng)效率和質(zhì)量需要進一步配合該市經(jīng)濟發(fā)展速度[8]。

4.2 問題及對策

根據(jù)評價結(jié)果并結(jié)合該市水資源實際使用情況,梳理出以下存在問題并制定對策見表5。

表5 水資源監(jiān)測系統(tǒng)承載能力存在問題及對策

5 結(jié)語

本文基于模糊集對評和指標評價體系對水資源監(jiān)測系統(tǒng)承載能力進行動態(tài)評價,并以南方某內(nèi)陸城市為例進行水資源監(jiān)測系統(tǒng)承載能力評價,并針對評價結(jié)果找出存在問題及制定對策。通過評價證明了該評價方法對于水資源監(jiān)測系統(tǒng)承載能力的動態(tài)評價非常有效,但同時本文在指標評價體系的構(gòu)建中對指標的選擇存在一定局限,對各指標的權(quán)重和標準分級方面也需要進一步的研究。