基于突變級數(shù)法的六安市近10年水資源承載力綜合評價

吳傳余

(安徽省水文局 淠史杭蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)站，安徽 六安 237011)

1 概 述

隨著我國各地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，政府已逐漸認(rèn)識到環(huán)境的重要性，并制定出許多措施以維持和保護(hù)現(xiàn)有的生態(tài)環(huán)境。水資源承載力指的是區(qū)域?yàn)榱吮３制湟欢ǖ慕?jīng)濟(jì)社會和科術(shù)發(fā)展水平，以資源可持續(xù)利用和保護(hù)環(huán)境為前提，能夠支撐社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的區(qū)域水資源系統(tǒng)的合理規(guī)模[1]。水資源承載能力作為評價某個區(qū)域水資源供需能力的重要指標(biāo)，已逐漸成為國內(nèi)研究的熱點(diǎn)[2]。水資源承載力包括自然資源、社會資源和經(jīng)濟(jì)資源等重要指標(biāo)[3]，但由于其指標(biāo)眾多，找到合適的方法來綜合評價各區(qū)域水資源承載力已成為各部門急需解決的問題。同時，研究區(qū)域水資源承載力綜合評價模型對當(dāng)?shù)厮Y源評估及水資源保護(hù)措施的制定有著重要的意義[4]。

目前，許多方法已逐漸被應(yīng)用于水資源承載力的綜合評價中。李高偉等[5]基于主成分分析法綜合評價了鄭州市的水資源承載力，通過SPSS軟件計算每個指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)，從而計算每個指標(biāo)對水資源承載力的貢獻(xiàn)率，通過得到的主成分分析式，計算當(dāng)?shù)厮Y源承載力的綜合得分，指出鄭州市水資源承載力呈逐年提高趨勢。王弛[6]利用層次分析法綜合評價了渾河流域水資源承載力，通過區(qū)分不同指標(biāo)的重要性，計算不同指標(biāo)的權(quán)重，為當(dāng)?shù)厮Y源承載力綜合評價提供了理論依據(jù)。王楠等通過模糊綜合評價法評價了吉林省松原市的農(nóng)業(yè)水資源承載力，基于8個評價指標(biāo)，對不同指標(biāo)進(jìn)行綜合評分，指出當(dāng)?shù)厮Y源開發(fā)潛力較小。

截止到目前，用于水資源承載力的綜合評價方法多基于主觀權(quán)重，忽略了不同指標(biāo)之間的客觀聯(lián)系。突變級數(shù)法是一種基于突變理論的多指標(biāo)集成技術(shù)，該法不需要對評價指標(biāo)賦以權(quán)重，但它從各評價指標(biāo)實(shí)際重要性出發(fā)，以定性與定量相結(jié)合的研究方法，最大程度消除主觀因素對評價模型客觀性與科學(xué)性的影響，是一種客觀、準(zhǔn)確、計算簡便值得推廣的評價方法[7]。本文通過突變級數(shù)法，對安徽省六安市近10年水資源承載力進(jìn)行綜合評價，以期得到合理的水資源承載力綜合評價模型，為當(dāng)?shù)厮Y源開發(fā)利用提供科學(xué)指導(dǎo)。

2 研究區(qū)域概況及研究方法

2.1 研究區(qū)域概況

安徽省六安市(N30°16′～N32°05′，E116°05′～E116°30′)位于安徽省西部，大別山北麓，南與舒城、霍山接壤，北與壽縣毗鄰。境內(nèi)地勢由南向北逐漸降低，形成以丘崗為主，山、崗、灣、畈兼有的農(nóng)業(yè)大區(qū)。全區(qū)耕地資源總量49 663 hm2，常用耕地48 210 hm2，總?cè)丝谶_(dá)到573萬人，年平均氣溫15.6℃，年平均降雨量900～1 600 mm，年平均風(fēng)速2.8 m/s，農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值198.8億元，是全國重要的糧食生產(chǎn)基地[7]。因此，研究當(dāng)?shù)厮Y源承載力的綜合評價模型，對節(jié)約灌溉水源有著重要的意義。

2.2 研究方法

突變級數(shù)法是基于突變理論，通過不同指標(biāo)的勢函數(shù)，反映系統(tǒng)的動態(tài)變化情況[8]。突變理論區(qū)分了不同指標(biāo)的臨界點(diǎn)，并根據(jù)勢函數(shù)把臨界點(diǎn)分類，進(jìn)而研究各種臨界點(diǎn)附近非連續(xù)性的特征，通過理論與實(shí)際資料相結(jié)合，就可建立數(shù)學(xué)模型[9]。

突變級數(shù)法首先建立評價指標(biāo)體系，對評價目標(biāo)進(jìn)行多層次矛盾分解，再用突變理論建立突變隸屬函數(shù)，由歸一公式進(jìn)行綜合量化計算，求出總隸屬函數(shù)，從而得出綜合評價結(jié)果。

為綜合確定指標(biāo)的評價體系，突變系統(tǒng)共分為4種類型，分別為折疊模型、尖點(diǎn)模型、燕尾模型和蝴蝶模型[10]，每種模型的控制變量形式與歸一化公式見表1。

表1 突變級數(shù)法不同突變類型相關(guān)公式

突變級數(shù)法的具體步驟為：①根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，選擇合適的指標(biāo)，建立區(qū)域水資源承載力綜合評價指標(biāo)體系。②根據(jù)已有研究基礎(chǔ)，制定合理的分級標(biāo)準(zhǔn)，將區(qū)域水資源承載力分為不同類別，更好地反映出當(dāng)?shù)貙?shí)際水資源承載力狀況，對不同指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，計算不同指標(biāo)的相對隸屬度。③將不同評價指標(biāo)體系進(jìn)行分類，選擇合適的歸一化公式，求取評價體系的綜合評價指數(shù)。④將各評價對象的綜合評價值與等級標(biāo)準(zhǔn)綜合評價值進(jìn)行比較，判定評價對象隸屬的評價等級。

3 結(jié)果與分析

3.1 水資源承載力評價指標(biāo)體系構(gòu)建

進(jìn)行區(qū)域水資源承載能力評價，首先要建立起一套能反映區(qū)域水資源承載能力的指標(biāo)體系。構(gòu)建區(qū)域水資源承載能力評價指標(biāo)體系時，必須選取相互聯(lián)系且相互獨(dú)立的指標(biāo)，同時必須能夠較好地反映水資源承載力的特性。其選擇原則包括區(qū)域性原則、科學(xué)性原則、實(shí)用性原則和規(guī)范性原則。本文結(jié)合以往研究和六安市的實(shí)際情況，選擇12項(xiàng)指標(biāo)體系，指標(biāo)包含當(dāng)?shù)厮Y源自然狀況、社會經(jīng)濟(jì)狀況和社會生活狀況，具體指標(biāo)體系見圖1。其中，C代表水資源承載力，根據(jù)指標(biāo)重要性，分為水資源自然狀況C1、當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)狀況C2、社會生活狀況C3。每個指標(biāo)下分成了4項(xiàng)子指標(biāo)，分別為地表水資料總量C11、水資源可利用量C12、水資源剩余開采量C13、人均水資源利用量C14、國內(nèi)生產(chǎn)總值C21、工業(yè)用水量C22、農(nóng)業(yè)用水量C23、生態(tài)用水量C24、城市總?cè)丝跀?shù)C31、人口密度C32、垃圾無害化處理量C33、城市森林覆蓋率C34。

圖1 區(qū)域水資源承載力評價指標(biāo)體系

根據(jù)圖1中的3種不同類型指標(biāo)，對六安市水資源承載力進(jìn)行綜合評價。由于不同指標(biāo)量綱不同，需在計算前對不同指標(biāo)進(jìn)行無量綱化處理，采用下列公式計算。對最終水資源承載力進(jìn)行綜合打分，最終求得不同年份六安市近10年的水資源承載力狀況及變化趨勢。

式中：bij為每個指標(biāo)所對應(yīng)的的相對隸屬度；a、b為改進(jìn)公式系數(shù)，根據(jù)實(shí)際情況和模型確定，此處取a=0.99，b=0.01。

3.2 水資源承載力分析

根據(jù)六安市近10年現(xiàn)場調(diào)查的基本數(shù)據(jù)，得出近10年12項(xiàng)基本指標(biāo)的相對隸屬度，見表2。

表2 不同指標(biāo)相對隸屬度

參考以往研究及安徽省當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，制定出六安市水環(huán)境承載力評價指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)，并通過突變級數(shù)理論的歸一化公式逐級向上計算，得出不同水資源承載力分布的等級標(biāo)準(zhǔn)值，見表3。

表3 不同水資源承載力分布等級標(biāo)準(zhǔn)值

根據(jù)表2中計算得出的六安市近10年基本數(shù)據(jù)的相對隸屬度與前文簡介的突變級數(shù)法，得出六安市近10年水資源承載力的綜合評價指數(shù)，結(jié)果見表4。由表4可以看出，六安市水資源承載力普遍偏低，只有進(jìn)入2015年后，水資源承載力才到達(dá)低承載標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果符合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況。

由圖2可知，六安市近10年水資源承載力基本呈先上升后平穩(wěn)的趨勢。水資源承載力在2007～2009年時最低，在0.88以下。隨著政府的重視與相應(yīng)措施的頒布，2009年后水資源承載力出現(xiàn)顯著提高。水資源承載力在2015年后達(dá)到最高，然后逐漸趨于平穩(wěn)，說明當(dāng)?shù)赝恋刭Y源的利用和經(jīng)濟(jì)資源的發(fā)展逐漸達(dá)到一個平衡，但仍處于較低的標(biāo)準(zhǔn)，表明六安市生產(chǎn)節(jié)水、廢水重復(fù)再生利用等環(huán)節(jié)的技術(shù)水平及其他環(huán)境治理措施雖逐年有所提高，但仍需改進(jìn)，依然需要突破更多的技術(shù)革新，提高水資源利用率。

表4 六安市近10年水資源承載力綜合評價指數(shù)

圖2 六安市近10年水資源承載力綜合評價指數(shù)年際變化趨勢

4 結(jié) 論

本文基于安徽省六安市近10年的實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)，利用突變級數(shù)法中的突變理論對六安市近10年的水資源承載力進(jìn)行綜合評價，建立水資源承載力評價綜合模型。該模型計算簡單、思路明確，可以彌補(bǔ)靜態(tài)模型中的不足，同時消除主觀評價方法的主觀因素，相較于其他方法，在保證計算結(jié)果精確性的前提下，大大降低了工作量。經(jīng)過模型計算后發(fā)現(xiàn)，六安市近10年水資源承載力呈先提高后平穩(wěn)趨勢，但水資源承載力普遍較低，最高時僅在2015年達(dá)到弱承載標(biāo)準(zhǔn)，得出的結(jié)論與當(dāng)?shù)貙?shí)際情況相符，證明該模型的科學(xué)性，表明該模型可用于水資源承載力的綜合評價工作中。但由于突變模型是由折疊模型、尖點(diǎn)模型、燕尾模型和蝴蝶模型4種模型構(gòu)成，最多只能同時處理4個變量，對于變量較多的情況并不適用。在今后的工作中應(yīng)用該模型時，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對目標(biāo)進(jìn)行歸類和分解，使得控制變量在該模型適用范圍之內(nèi)。