基于灰色關(guān)聯(lián)分析法的白城市洪水資源利用效益分析

王 倩， 豐 飛

(1.吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院, 吉林 長(zhǎng)春 130021; 2.國(guó)家開(kāi)發(fā)銀行吉林省分行, 吉林 長(zhǎng)春 130000)

水資源是人類(lèi)社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中賴(lài)以生存的基礎(chǔ)性資源之一，是維護(hù)人類(lèi)生存、發(fā)展必不可少的支撐性因素[1]。隨著人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的愈發(fā)重視，水資源需求相比以往也有了較大變化。因此，不同時(shí)期水資源面臨的問(wèn)題與認(rèn)知定位直接影響著水資源的開(kāi)發(fā)利用方式、功能發(fā)揮、用水結(jié)構(gòu)和用水效益等。洪水是一種常見(jiàn)且造成巨大損失的自然災(zāi)害，其威脅之大，嚴(yán)重影響著人類(lèi)生命財(cái)產(chǎn)安全[2]。然而對(duì)于中、小洪水來(lái)說(shuō)，我們可以采取及時(shí)有效的工程及非工程措施積蓄洪水，并在缺水時(shí)實(shí)現(xiàn)蓄存洪水分配、調(diào)度和高效利用，維持地區(qū)水資源可持續(xù)發(fā)展。

洪水資源是干旱缺水地區(qū)十分富貴的水資源。在生態(tài)環(huán)境建設(shè)被納入我國(guó)“五位一體”總體布局，全國(guó)環(huán)境保護(hù)大會(huì)順利召開(kāi)和習(xí)近平總書(shū)記就環(huán)境保護(hù)發(fā)表重要講話等諸多背景下，生態(tài)水利工程、地下超采等問(wèn)題已倍受關(guān)注。洪水資源的合理利用不但會(huì)創(chuàng)造直接的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益，更在社會(huì)效益的創(chuàng)造中扮演者重要的角色[3]。然而，由于洪水的非常規(guī)性、復(fù)雜性和不穩(wěn)定性，使得洪水資源利用的效益和風(fēng)險(xiǎn)并存，洪水資源的利用并未大范圍展開(kāi)。如何評(píng)價(jià)洪水資源、界定洪水資源以及在不同產(chǎn)業(yè)合理配置洪水資源的也都存在著爭(zhēng)議，故評(píng)價(jià)洪水資源利用效益需要建立一套完整的評(píng)價(jià)體系。

本文界定了洪水資源利用的直接經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)環(huán)境效益及間接經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益，并將白城市近些年來(lái)主要產(chǎn)業(yè)模式、門(mén)類(lèi)及領(lǐng)域的效益納入其中，基于灰色關(guān)聯(lián)分析法進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，確定洪水資源在不同類(lèi)效益及各產(chǎn)業(yè)中所占比重，實(shí)現(xiàn)合理配置當(dāng)?shù)睾樗Y源，使得白城地區(qū)在對(duì)生態(tài)和社會(huì)干擾最小的基礎(chǔ)上獲取洪水資源的最大效益。

1 區(qū)域概況

白城市是“全國(guó)節(jié)水型井灌區(qū)建設(shè)試點(diǎn)城市”[4]，位于吉林省西北部(121°38′—124°22′E，44°13′—46°18′N(xiāo))，嫩江平原以西，科爾沁草原以東地區(qū)。全市東西寬211 km，南北長(zhǎng)230 km，總面積25 685 km2。地形多為平原，只在西北地區(qū)有低山丘陵，海拔120～280 m，土質(zhì)多為黑土、草甸土和沙壤土。白城是以糧食生產(chǎn)為主的農(nóng)牧業(yè)地區(qū)，是國(guó)家級(jí)大型商品糧基地[5-7]。白城地處我國(guó)干旱的內(nèi)陸過(guò)渡帶和濕潤(rùn)東部季風(fēng)區(qū)，氣候?qū)俦睖貛Т箨懠撅L(fēng)氣候，年均降水分布不均，夏季降水占全年降水總量的70%以上，然而大多農(nóng)作物在春、秋季需水量多，降水與農(nóng)作物需水時(shí)間不一致，加劇了農(nóng)業(yè)缺水及干旱情況，形成了以地下水利用為主的用水現(xiàn)狀。隨著對(duì)地下水資源的嚴(yán)重依賴(lài)，白城市地下水位相對(duì)于10余年前下降了2 m以上，局部地區(qū)地下水位甚至達(dá)到了7 m以上，并且地下水污染日益劇烈，水資源浪費(fèi)極其嚴(yán)重[6]，故而白城市急需尋求其他有效的水利資源。白城境內(nèi)有一江七河，汛期洪峰高，流量大，非汛期河道清水流量小，行洪期一般在每年的8—10月份，行洪期正值農(nóng)作物生產(chǎn)發(fā)育的需水期，因此特殊的地理?xiàng)l件更有利于進(jìn)行洪水資源利用，對(duì)洪水資源的優(yōu)化配置也愈顯重要，并且白城市現(xiàn)有水庫(kù)亦可為白城提供了現(xiàn)成的蓄洪資源[7]。

2 灰色關(guān)聯(lián)分析

2.1 灰色關(guān)聯(lián)分析法

灰色關(guān)聯(lián)分析法(GRA)是灰色系統(tǒng)理論的一個(gè)重要方法，它以評(píng)價(jià)中各個(gè)因素的樣本數(shù)據(jù)為依據(jù)，利用關(guān)聯(lián)度來(lái)描述各因素之間關(guān)系的強(qiáng)弱、大小和順序?；疑P(guān)聯(lián)分析法與傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法相比，對(duì)數(shù)據(jù)的要求較低，計(jì)算量少，可同時(shí)對(duì)多個(gè)對(duì)象進(jìn)行評(píng)價(jià)，并向被評(píng)價(jià)對(duì)象反饋有效的信息?；疑P(guān)聯(lián)分析法亦可直觀的建立分析模型，使關(guān)系量化、序化、顯化，實(shí)現(xiàn)有參考，有測(cè)度的整體化比較[8]。

2.2 建立指標(biāo)體系

洪水資源利用效益的衡量依賴(lài)于經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步和生態(tài)環(huán)境改善等變化，換言之合理利用洪水資源，不但可以增加第一、第二產(chǎn)業(yè)收入，更可以改善生態(tài)環(huán)境，發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)。本文基于灰色關(guān)聯(lián)分析法，結(jié)合白城市的實(shí)際情況，分別從洪水資源利用所帶來(lái)的直接經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)環(huán)境效益和間接社會(huì)效益確定洪水資源效益，從農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活及生態(tài)用水等多角度出發(fā)選定效益來(lái)源，建立效益指標(biāo)體系，具體詳見(jiàn)表1。

表1 洪水資源效益分類(lèi)

2.3 研究方法

采用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)白城市洪水資源區(qū)域綜合效益進(jìn)行分析，確定洪水資源在各因素經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)效益的比重，進(jìn)而對(duì)當(dāng)?shù)睾樗Y源配置提出有效方案。

2.3.1 數(shù)據(jù)及整理 根據(jù)所確定指標(biāo)體系，從《白城市年鑒》《白城市水資源公報(bào)》及相關(guān)資料文獻(xiàn)中獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。采用市場(chǎng)價(jià)值法[9-10]、生產(chǎn)函數(shù)法[11]、替代費(fèi)用法[12]、旅行費(fèi)用法[13]及固定參數(shù)法[14]等不同算法確定指標(biāo)體系中各項(xiàng)效益值。設(shè)x1，x2，…，xn分別為以上n個(gè)因素指標(biāo)，反映各指標(biāo)時(shí)間序列變化分別為{z(t)，x1(t)，x2(t)，…，xn(t)}，t=1,2，…，m。其中z(t)為參考序列，其他為比較序列。

本文選取指標(biāo)體系的時(shí)間序列為2008—2017年，因本文是對(duì)白城市洪水資源進(jìn)行綜合效益分析，故以該區(qū)洪水資源總用量為參考序列，其他指標(biāo)為比較序列建立指標(biāo)體系，詳見(jiàn)表2。

表2 白城市洪水資源利用效益指標(biāo)體系構(gòu)成

2.3.2 數(shù)據(jù)無(wú)量綱化處理 由于不同指標(biāo)數(shù)據(jù)存在著數(shù)量級(jí)及極性的差異，所以需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理后進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析。本次無(wú)量綱化方法采用均值化法。即：

(1)

2.3.3 關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算 灰色關(guān)聯(lián)分析法[15-22]中的關(guān)聯(lián)性實(shí)際是指曲線間的幾何形狀差別，因此將以曲線的差值大小(即關(guān)聯(lián)系數(shù)Li(t))作為關(guān)聯(lián)度的衡量尺度。即：

(2)

式中：Δα(t)——比較數(shù)列與參考數(shù)列的絕對(duì)差，k——變異系數(shù)，一般選k=0.5。即：

Δα(t)=|Z(t)-Xi(t)|

(3)

Δmin——所有Δα(t)在各時(shí)刻的最小值，即：

(4)

Δmax——所有Δα(t)在各時(shí)刻的最大值，即：

(5)

2.3.4 關(guān)聯(lián)度的計(jì)算及排序 因?yàn)殛P(guān)聯(lián)系數(shù)的數(shù)據(jù)較多，為了便于比較分析，需要把分散的信息規(guī)整，采用取平均值的方法對(duì)各指標(biāo)中各時(shí)刻關(guān)聯(lián)系數(shù)進(jìn)行集中統(tǒng)一處理。這個(gè)平均值即為每個(gè)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度ξ。即：

(6)

將n個(gè)比較數(shù)列指標(biāo)對(duì)同一參考數(shù)列的關(guān)聯(lián)度依次排序，關(guān)聯(lián)度大則表明其在白城地區(qū)洪水資源對(duì)該項(xiàng)指標(biāo)的效益影響力大，結(jié)果如圖1所示。

注：1為促進(jìn)就業(yè)； 2文化科研效益； 3提高人口承載力； 4休閑旅游效益； 5水文調(diào)節(jié)效益； 6生物棲息地效益； 7大氣調(diào)節(jié)效益； 8凈化水質(zhì)效益； 9漁業(yè)生產(chǎn)； 10糧食生產(chǎn)； 11優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)； 12蘆葦生產(chǎn)； 13牧草生產(chǎn)

圖1白城市洪水資源與效益指標(biāo)關(guān)聯(lián)度

3 結(jié)果分析

3.1 洪水資源對(duì)效益指標(biāo)的影響

以白城市洪水資源總用量為參考序列，其他效益指標(biāo)作為比較序列，從數(shù)值上看當(dāng)?shù)睾樗Y源利用對(duì)各效益指標(biāo)均有一定程度的促進(jìn)作用，效益的影響關(guān)聯(lián)度均在0.55以上。從圖1中可以看出，當(dāng)?shù)睾樗Y源利用在大氣調(diào)節(jié)及凈化水質(zhì)上的效益較高，影響關(guān)聯(lián)度在0.85以上，說(shuō)明白城市目前的洪水資源利用效益以濕地、地下水庫(kù)等自然蓄存形式產(chǎn)生的效益為主，洪水資源更多以自然形式為環(huán)境及生態(tài)所利用；而在促進(jìn)就業(yè)、文化科研和漁業(yè)生產(chǎn)方面產(chǎn)生的效益相對(duì)較弱，影響關(guān)聯(lián)度低于0.70，這說(shuō)明白城市在現(xiàn)有人工利用洪水資源的工程措施少，對(duì)促進(jìn)就業(yè)、文化科研及漁業(yè)生產(chǎn)所帶來(lái)的效益不明顯。

3.2 洪水資源對(duì)效益的影響

對(duì)效益指標(biāo)進(jìn)行效益來(lái)源統(tǒng)計(jì)分析，確定白城市洪水資源分別對(duì)該地區(qū)直接經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)環(huán)境效益及間接經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益的影響程度。評(píng)價(jià)系數(shù)取對(duì)應(yīng)效益指標(biāo)和的平均值，對(duì)效益的綜合影響如圖2所示。洪水資源的有效利用對(duì)直接經(jīng)濟(jì)效益是較為明顯的，占全部效益的32%，而且直接經(jīng)濟(jì)效益是可以以收益的形式進(jìn)行反饋的，有效的利用洪水資源可從根本上解決當(dāng)?shù)厮Y源利用不合理，地下水超載等問(wèn)題，反過(guò)來(lái)在很大程度上增加直接經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益來(lái)說(shuō)，洪水資源的影響是不即時(shí)的，可能需要持續(xù)地長(zhǎng)時(shí)間的洪水資源利用才能顯現(xiàn)。目前來(lái)說(shuō)對(duì)當(dāng)?shù)氐暮樗Y源利用效益只占總效益的25%。但通過(guò)多年數(shù)據(jù)結(jié)合采用灰色關(guān)聯(lián)分析法，可以有效預(yù)測(cè)分析洪水資源對(duì)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)效益的影響。結(jié)合圖2不難看出，洪水資源在當(dāng)?shù)匦蓍e旅游業(yè)及人口承載力的提高上有一定的作用，有效開(kāi)發(fā)利用當(dāng)?shù)睾樗Y源不僅解決了當(dāng)?shù)厝彼畣?wèn)題，提高了人口承載力，更有效發(fā)展了旅游休閑產(chǎn)業(yè)和其它第三產(chǎn)業(yè)，增加了當(dāng)?shù)厝嗣竦慕?jīng)濟(jì)收益。

白城市的洪水資源目前對(duì)生態(tài)環(huán)境效益影響最為明顯，占全部效益的43%。這是因?yàn)楹樗Y源能夠針對(duì)當(dāng)?shù)馗珊蛋敫珊档臍夂蛱攸c(diǎn)，有效的緩解決當(dāng)?shù)氐默F(xiàn)狀缺水問(wèn)題，從而提高生態(tài)環(huán)境上的效益產(chǎn)出，也在很大程度上增加了動(dòng)、植物的效益產(chǎn)出。然而，上述分析仍然反映出，白城市目前的洪水資源沒(méi)有得到更加有效的利用，加之當(dāng)?shù)厝狈Υ笮蛥^(qū)域外引水和調(diào)水工程，效益大多局限在自然生態(tài)環(huán)境方面。所以，必須重視當(dāng)?shù)貎?nèi)部用水的轉(zhuǎn)化，增加針對(duì)性的工程及非工程措施將會(huì)在很大程度上增加洪水資源利用所帶來(lái)的社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益，影響當(dāng)?shù)貒?guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

圖2 白城市洪水資源對(duì)效益的影響

3.3 洪水資源對(duì)產(chǎn)業(yè)及環(huán)境的影響

為進(jìn)一步確定洪水資源對(duì)當(dāng)?shù)厝萎a(chǎn)業(yè)及生態(tài)環(huán)境的影響，把效益指標(biāo)細(xì)化對(duì)應(yīng)到相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)，計(jì)算效益指標(biāo)關(guān)聯(lián)度和所占百分比，進(jìn)而得到洪水對(duì)白城不同產(chǎn)業(yè)的影響程度。需要指出的是，一個(gè)效益指標(biāo)往往關(guān)聯(lián)不止一個(gè)產(chǎn)業(yè)，如促進(jìn)就業(yè)就可以關(guān)聯(lián)到農(nóng)業(yè)、工業(yè)及第三產(chǎn)業(yè)(如圖3所示)。目前來(lái)說(shuō)，白城市的洪水資源利用所帶來(lái)的效益更多是集中于生態(tài)環(huán)境本身，洪水資源對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響是最為直接簡(jiǎn)單的。相對(duì)來(lái)說(shuō)，洪水資源利用為工業(yè)所帶來(lái)的效益就并不那么顯著了。白城洪水資源利用為三次產(chǎn)業(yè)及生態(tài)環(huán)境所帶來(lái)的效益比重，側(cè)面反映出當(dāng)?shù)睾樗Y源仍然具有很大程度的開(kāi)發(fā)潛力，通過(guò)行之有效的工程及非工程措施積蓄洪水，逐步提高洪水資源利用效率是很有必要的。

圖3 白城市洪水資源對(duì)各產(chǎn)業(yè)及環(huán)境的影響程度

4 討 論

白城市境內(nèi)的嫩江、洮兒河等江河近10 a來(lái)水量流失嚴(yán)重，這些流失的水量絕大部分來(lái)源于汛期暴雨洪水。通過(guò)本文分析可以看出，白城市對(duì)洪水資源的開(kāi)發(fā)難度并不大，利用水保工程、水庫(kù)攔河閘壩、自然洼地、人工湖泊和地下水庫(kù)等蓄水工程蓄攔洪水，減少洪水資源的流失，不但有效緩解白城市水資源短缺，更可以恢復(fù)河流、湖泊、洼地的水面景觀，改善居住環(huán)境，發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)。在不成災(zāi)的前提下，合理利用洪水資源是白城市未來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)新途徑。白城地區(qū)有大中型水庫(kù)8座、小型水庫(kù)19座，對(duì)現(xiàn)有水庫(kù)的工作調(diào)度運(yùn)用方式進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)水庫(kù)潛力，對(duì)現(xiàn)有水庫(kù)進(jìn)行加固改造建設(shè)，提高工程標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)有條件的水庫(kù)庫(kù)容進(jìn)行擴(kuò)大，減少溢洪，科學(xué)調(diào)度，使白城境內(nèi)水庫(kù)充分發(fā)揮多年調(diào)節(jié)作用。白城境內(nèi)有自然湖泡百余個(gè)，可以利用天然湖泡的蓄水能力，將江河洪水引入，既節(jié)省投入，又能增加水資源，同時(shí)改善了白城市的生態(tài)環(huán)境。增加白城市的水利工程，沿河建設(shè)攔河閘，層層攔截，形成多道人工湖面，既美化環(huán)境，又補(bǔ)充了地下水，增加白城市的水資源總量。

5 結(jié)論及建議

灰色關(guān)聯(lián)分析法為有效利用和管理洪水資源，協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步和生態(tài)環(huán)境合理利用洪水資源提供了新的思路與評(píng)價(jià)方法。采用灰色關(guān)聯(lián)分析法，從經(jīng)濟(jì)條件、社會(huì)狀況、生態(tài)環(huán)境和水資源狀況等方面識(shí)別適用于區(qū)域的效益指標(biāo)并構(gòu)成影響評(píng)估指標(biāo)體系，使研究區(qū)域在更大范圍上可定量估算洪水資源利用情況，能夠?yàn)槲磥?lái)的洪水資源利用配置提出相應(yīng)的規(guī)劃及理論依據(jù)。

吉林省西部白城地區(qū)洪水資源利用實(shí)踐表明，洪水資源利用在干旱半干旱地區(qū)市可行的，由于當(dāng)?shù)厮Y源短缺的日益加重，合理利用洪水資源對(duì)于當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步及生態(tài)環(huán)境改善很有必要，效益極為可觀。目前白城市洪水資源對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境產(chǎn)生的效益較為顯著，而在產(chǎn)業(yè)發(fā)展上影響不夠，如能合理評(píng)估洪水資源現(xiàn)狀、規(guī)劃洪水資源利用和分配，合理安排洪水資源利用工程及非工程措施，可使洪水資源帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益，在最大程度解決當(dāng)?shù)厮Y源短缺的問(wèn)題。