金菊良,陳 磊,沈時(shí)興,陳夢(mèng)璐,汪明武,童 芳
(1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥230009;2.合肥工業(yè)大學(xué)水資源與環(huán)境系統(tǒng)工程研究所,安徽合肥230009)
2017年的《世界水資源開發(fā)報(bào)告》指出:當(dāng)前人類利用淡水的速度遠(yuǎn)高于大自然淡水的更新速度,導(dǎo)致部分地區(qū)因水資源短缺發(fā)生沖突,飲用劣質(zhì)水患病等現(xiàn)象頻發(fā)[1]??茖W(xué)度量區(qū)域水資源承載力能夠促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展,維持生態(tài)環(huán)境健康穩(wěn)定。積極開展水資源承載力評(píng)價(jià)研究工作是進(jìn)行水資源承載調(diào)控的必要前提,也是支撐水資源可持續(xù)開發(fā)利用的重要基礎(chǔ)。目前,國內(nèi)外水資源承載力的評(píng)價(jià)方法主要有模糊綜合評(píng)價(jià)法[2-4]、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法[5-7]、主成分分析法[8-10]、云模型法[11-12]、集對(duì)分析法[13-16]等。 這些方法為評(píng)價(jià)區(qū)域水資源承載力提供了有效途徑,但同時(shí)也存在一些不足,例如:主成分分析法存在較難確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、主成分難以取舍等問題,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法存在參變量和數(shù)學(xué)方程偏多、對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)要求嚴(yán)苛和用于長序列的評(píng)價(jià)誤差較大等問題。云模型[17]將概率論和模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合,用來處理定性概念和定量表達(dá)相互轉(zhuǎn)換,對(duì)解決包含隨機(jī)性和模糊性等特征的問題有很好的應(yīng)用價(jià)值,因此將云模型應(yīng)用于不確定性問題的評(píng)價(jià)可有效解決評(píng)價(jià)指標(biāo)隨機(jī)性和評(píng)價(jià)等級(jí)閾值模糊性的問題。但現(xiàn)有的云模型尚存在一些不足:傳統(tǒng)的正態(tài)云模型要求評(píng)價(jià)指標(biāo)符合無限區(qū)間的正態(tài)分布,而實(shí)際的評(píng)價(jià)指標(biāo)分布很難滿足要求,同時(shí)傳統(tǒng)云模型較難反映評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)價(jià)等級(jí)之間的相互聯(lián)系,因此運(yùn)用傳統(tǒng)云模型評(píng)價(jià)不確定性問題可能出現(xiàn)評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況相偏離的情況,甚至出現(xiàn)錯(cuò)誤的評(píng)價(jià)結(jié)果。據(jù)此,汪明武等[18-19]提出將集對(duì)分析與云模型耦合得到非對(duì)稱聯(lián)系云評(píng)價(jià)模型,該模型適用于評(píng)價(jià)指標(biāo)分布具有非對(duì)稱和有限區(qū)間的特點(diǎn),克服了傳統(tǒng)云模型用于不確定問題評(píng)價(jià)的不足,提高了云模型的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,并在巖土工程相關(guān)問題的評(píng)價(jià)中得到應(yīng)用[19-21]。
筆者從水資源承載力內(nèi)在機(jī)理出發(fā),利用非對(duì)稱聯(lián)系云評(píng)價(jià)模型在評(píng)價(jià)不確定問題方面的優(yōu)勢(shì),將該模型應(yīng)用于區(qū)域水資源承載力評(píng)價(jià)??紤]到將非對(duì)稱聯(lián)系云模型應(yīng)用于水資源承載力評(píng)價(jià)無法體現(xiàn)出承載調(diào)控力對(duì)承載支撐力和承載壓力的調(diào)控作用,而風(fēng)險(xiǎn)矩陣的核心思想是用一維數(shù)值變量表示二維數(shù)值變量之間的相互關(guān)系[15],筆者將非對(duì)稱聯(lián)系云與風(fēng)險(xiǎn)矩陣相結(jié)合,構(gòu)建水資源承載力評(píng)價(jià)模型(Asymmetric Connection Cloud and Risk Matrix Model,ACCRMM),并在安徽省進(jìn)行實(shí)例應(yīng)用。
在參考相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,建立區(qū)域水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[13]。評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)集記為{xhgk|h=1,2, …,H;g =1,2, …,G;k =1,2, …,K},其中H、G、K分別為評(píng)價(jià)樣本總數(shù)、子系統(tǒng)總數(shù)和各子系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)總數(shù)。
采用層次分析法計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重wgk,比較子系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的相互重要程度,得到第g個(gè)子系統(tǒng)的判斷矩陣Ag=(aij)m×m。 理想狀態(tài)下 Ag具有完全的一致性,但實(shí)際應(yīng)用中受主觀因素的影響,比較各指標(biāo)的重要性程度時(shí)存在一些不穩(wěn)定因素,導(dǎo)致Ag較難達(dá)到一致性要求,此時(shí)需要通過修正Ag使之滿足要求。設(shè) Ag的修正判斷矩陣為 Bg=(bij)m×m,滿足矩陣 Bg為Ag的最優(yōu)模糊一致性判斷矩陣公式[22]:
式中:d為判斷矩陣調(diào)整幅度的非負(fù)參數(shù),一般可取0~0.5之間的數(shù);CIC(m)為一致性指標(biāo)系數(shù),當(dāng)CIC(m)≤0.2時(shí)表明Ag具有較好的一致性,此時(shí)得到的指標(biāo)權(quán)重wgk具有較高的可信度[22]。
參考文獻(xiàn)[23],將區(qū)域水資源承載力劃分為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)3個(gè)等級(jí),分別表示“可載(區(qū)域水資源能夠支撐經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、保持社會(huì)穩(wěn)定和維持生態(tài)環(huán)境平穩(wěn)運(yùn)行)”“臨界(區(qū)域水資源基本能夠維持區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)環(huán)境3個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行,同時(shí)存在超載的風(fēng)險(xiǎn))”“超載(水資源不足以支撐區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)環(huán)境3個(gè)系統(tǒng),存在水資源短缺、水環(huán)境破壞、飲用水供應(yīng)不足等水問題)”。單個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)承載力的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)需要結(jié)合區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀、社會(huì)人口等因素合理確定。
假設(shè)已知某個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)等級(jí)l(l=Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)的劃分標(biāo)準(zhǔn),將評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)閾值的均值作為分界點(diǎn),構(gòu)建第l個(gè)等級(jí)的左、右兩個(gè)半云,非對(duì)稱云由(,k)參數(shù)共同確定,確定度 μl計(jì)算公式[19] 為
其中
根據(jù)聯(lián)系數(shù)原理,將評(píng)價(jià)指標(biāo)值與評(píng)價(jià)等級(jí)之間的同異反關(guān)系定義為:當(dāng)評(píng)價(jià)指標(biāo)屬于l區(qū)間內(nèi)時(shí),則與l為同一關(guān)系,與l相鄰的等級(jí)為差異關(guān)系,與l相隔的等級(jí)為對(duì)立關(guān)系[18]。單指標(biāo)聯(lián)系云半?yún)^(qū)間長度由同一關(guān)系和差異關(guān)系區(qū)間共同構(gòu)成,當(dāng)評(píng)價(jià)指標(biāo)為正向指標(biāo)時(shí),等級(jí)l的半?yún)^(qū)長度[19]為
當(dāng)評(píng)價(jià)指標(biāo)為逆向指標(biāo)時(shí),等級(jí)l的半?yún)^(qū)間長度[19]為
式中:al左、al右分別為第 l等級(jí)的左、右半?yún)^(qū)長度;分別為等級(jí)l+1的端點(diǎn)最大值、最小值,分別為等級(jí)l-1的端點(diǎn)最大值、最小值。
考慮到水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)值分布的特殊性,如某正向評(píng)價(jià)指標(biāo)Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)為(0,,Ⅰ級(jí)左邊界的經(jīng)驗(yàn)取值為(0.3~0.5)×,Ⅲ級(jí)右邊界的經(jīng)驗(yàn)取值為 (2~。兩端云與中間云的分布形式不同,當(dāng)評(píng)價(jià)指標(biāo)為正向指標(biāo)時(shí),Ⅰ級(jí)云左端和Ⅲ級(jí)云右端為確定度等于1的均勻分布,其余部分近似服從正態(tài)分布;反之,當(dāng)評(píng)價(jià)指標(biāo)為逆向指標(biāo)時(shí),Ⅰ級(jí)云右端和Ⅲ級(jí)云左端為確定度等于1的均勻分布,其余部分近似服從正態(tài)分布。
第g個(gè)子系統(tǒng)隸屬于等級(jí)l的確定度μgl計(jì)算公式為
式中:μgkl為第g個(gè)子系統(tǒng)中第k個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)屬于評(píng)價(jià)等級(jí)l的確定度;wgk為第g個(gè)子系統(tǒng)中第k個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。
根據(jù)屬性識(shí)別法,判斷第g個(gè)子系統(tǒng)的水資源承載力等級(jí)h[24]為
式中:λ為置信度,可在區(qū)間[0.5,0.7]內(nèi)取值,λ值越大表明評(píng)價(jià)結(jié)果越趨于保守;l*為滿足給定條件下的最低評(píng)價(jià)等級(jí)。
綜合考慮區(qū)域水資源量、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、人口等因素,確定風(fēng)險(xiǎn)矩陣的合成規(guī)則[15,25],將各子系統(tǒng)的水資源承載力等級(jí)hg由風(fēng)險(xiǎn)矩陣合成得到最終的綜合評(píng)價(jià)等級(jí)。
安徽省位于長江、淮河中下游,與江蘇、湖北、河南、山東等省份交界,多年平均降水量為1 162.98 mm,2015年為1 362.80 mm,時(shí)空分布不均,夏季降水量占全年總降水量的40%~60%,皖北、皖中和皖南地區(qū)的年降水量分別為全省的16.94%、31.65%和51.41%,皖北、皖中和皖南地區(qū)的水資源總量分別占全省的8.85%、38.07%和53.08%。
參考相關(guān)文獻(xiàn)并征詢相關(guān)專家的意見和建議,選取 13 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)(見表 1)[13],采用 AGA-FAHP 計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重wgk。
組成水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的13個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)[15],見表 2。
按式(2)~式(7)求得各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)等級(jí)l的聯(lián)系云數(shù)字參數(shù)(,a,k),隨機(jī)模擬評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)等級(jí)左、右半?yún)^(qū)間各2 000個(gè)云滴。構(gòu)造承載支撐力子系統(tǒng)4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的非對(duì)稱聯(lián)系云,如圖1所示;構(gòu)造承載調(diào)控力子系統(tǒng)3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的非對(duì)稱聯(lián)系云,如圖2所示;構(gòu)造承載壓力子系統(tǒng)6個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的非對(duì)稱聯(lián)系云,如圖3所示。
表1 水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及指標(biāo)權(quán)重
表2 水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)
利用式(2)計(jì)算各地級(jí)市3個(gè)子系統(tǒng)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)等級(jí)l(l=Ⅰ、Ⅱ或Ⅲ級(jí))的確定度μl,由式(10)得到3個(gè)子系統(tǒng)對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)等級(jí)l的確定度μgl,將μgl歸一化后得到μ*gl,見表 3。
利用式(12)進(jìn)行屬性識(shí)別,得到3個(gè)子系統(tǒng)的承載力評(píng)價(jià)等級(jí),參考文獻(xiàn)[15]確定水資源承載支撐力、承載壓力和承載調(diào)控力的風(fēng)險(xiǎn)矩陣合成規(guī)則,見表4~表6。按照風(fēng)險(xiǎn)矩陣合成規(guī)則將3個(gè)子系統(tǒng)的評(píng)價(jià)等級(jí)合成最終得到各地級(jí)市的綜合評(píng)價(jià)等級(jí)[15]。為探究ACCRMM模型應(yīng)用于水資源承載力評(píng)價(jià)的合理性,將評(píng)價(jià)結(jié)果與采用文獻(xiàn)[13]的方法所得的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行比較,見表7。
表3 各地級(jí)市3個(gè)子系統(tǒng)確定度歸一化結(jié)果
表4 水資源承載支撐力-承載調(diào)控力合成的風(fēng)險(xiǎn)矩陣
表5 水資源承載壓力-承載調(diào)控力合成的風(fēng)險(xiǎn)矩陣
表6 水資源承載支撐力-承載調(diào)控力與承載壓力-承載調(diào)控力合成的風(fēng)險(xiǎn)矩陣
由表7得到2015年安徽省16個(gè)地級(jí)市3個(gè)子系統(tǒng)空間等級(jí)分布及水資源承載力綜合評(píng)價(jià)等級(jí)空間分布,見圖4。
表7 安徽省水資源承載力評(píng)價(jià)等級(jí)
由圖4(d)可知,位于皖北地區(qū)6個(gè)地級(jí)市的水資源承載力評(píng)價(jià)等級(jí)均為Ⅲ級(jí);位于皖中地區(qū)4個(gè)地級(jí)市的水資源承載力評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅱ級(jí);位于皖南地區(qū)的馬鞍山、蕪湖市的水資源承載力評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅱ級(jí),而銅陵、池州、黃山、宣城市的水資源承載力評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅰ級(jí)。由表7可知,將ACCRMM評(píng)價(jià)模型和文獻(xiàn)[13]的評(píng)價(jià)方法應(yīng)用于2015年安徽省16個(gè)地級(jí)市的水資源承載力評(píng)價(jià),結(jié)果總體上基本一致,只有少數(shù)地級(jí)市存在差異。評(píng)價(jià)結(jié)果的一致性表現(xiàn)在兩種方法得到的安徽省水資源承載力分布呈現(xiàn)南強(qiáng)北弱的區(qū)域差異,且從南到北逐漸減弱;差異性表現(xiàn)在用ACCRMM模型評(píng)價(jià)蚌埠市和銅陵市的水資源承載力等級(jí)分別為Ⅲ級(jí)和Ⅰ級(jí),用文獻(xiàn)[13]的方法評(píng)價(jià)蚌埠市和銅陵市的水資源承載力等級(jí)都為Ⅱ級(jí)。非對(duì)稱聯(lián)系云評(píng)價(jià)模型消除了云模型要求評(píng)價(jià)指標(biāo)必須符合無限區(qū)間正態(tài)分布的不足,擴(kuò)展并加深了云模型用于評(píng)價(jià)不確定性問題的應(yīng)用廣度和深度,ACCRMM模型則針對(duì)非對(duì)稱聯(lián)系云模型應(yīng)用于評(píng)價(jià)水資源承載力存在的不足,充分考慮評(píng)價(jià)區(qū)域的時(shí)空差異,根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象承載物理成因的不同,可通過修改風(fēng)險(xiǎn)矩陣的合成規(guī)則得到不同的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果,使得評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況更加符合。綜上,2015年蚌埠市和銅陵市的水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果分別為Ⅲ級(jí)和Ⅰ級(jí)更加符合實(shí)際情況。
由圖4(a)可知,安徽省水資源承載支撐力子系統(tǒng)承載力分布從南到北有逐漸減弱的趨勢(shì),原因是安徽省各市的水資源量和森林覆蓋率均從南到北逐漸減少。皖南地區(qū)組成支撐力子系統(tǒng)的人均水資源量、產(chǎn)水模數(shù)、人均供水量、森林覆蓋率4個(gè)指標(biāo)值總體上優(yōu)于皖中地區(qū)和皖北地區(qū)。
由圖4(b)可知,安徽省水資源承載調(diào)控力子系統(tǒng)承載力分布空間差異不顯著,淮南、淮北和馬鞍山3個(gè)地級(jí)市的評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅲ級(jí),原因是這3個(gè)地級(jí)市是安徽省典型的重工業(yè)城市,經(jīng)濟(jì)發(fā)展以高耗水、低產(chǎn)出的煤炭、金屬冶煉等第二產(chǎn)業(yè)為主,用水量高但經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出較低,導(dǎo)致這3個(gè)地級(jí)市組成調(diào)控力子系統(tǒng)的水資源開發(fā)利用率、人均GDP、生態(tài)用水率3個(gè)指標(biāo)值總體上劣于其他地級(jí)市。
由圖4(c)可知,安徽省水資源承載壓力子系統(tǒng)承載力分布區(qū)域差異不明顯,較為特殊的是蚌埠市水資源承載壓力較大,原因是組成其壓力子系統(tǒng)的人均生活用水量、萬元GDP用水量、萬元工業(yè)增加值用水量、人口密度、城鎮(zhèn)化率、農(nóng)田灌溉定額6個(gè)指標(biāo)值總體上劣于其他地級(jí)市。
對(duì)照2015年安徽省各地級(jí)市3個(gè)子系統(tǒng)的評(píng)價(jià)等級(jí)圖,提出針對(duì)性的意見和建議,提高全省的水資源承載力。由圖4(a)可知,應(yīng)提高皖北地區(qū)和皖南部分地區(qū)的水資源支撐力,具體措施為建設(shè)引江濟(jì)淮等跨流域調(diào)水工程。由圖4(b)可知,應(yīng)提高淮南、淮北和馬鞍山市水資源承載調(diào)控力,具體措施為通過科技創(chuàng)新,優(yōu)化企業(yè)管理,革新節(jié)水技術(shù),降低工業(yè)耗水量,引導(dǎo)發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)等。由圖4(c)可知,應(yīng)減小蚌埠市的水資源承載壓力,具體措施為制定合理的人口政策,適當(dāng)放緩城市化發(fā)展速度;發(fā)展高效用水產(chǎn)業(yè),提高水資源利用效率;通過科學(xué)灌溉,降低農(nóng)田灌溉定額等。
(1)利用非對(duì)稱聯(lián)系云評(píng)價(jià)不確定性問題的優(yōu)勢(shì),結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)矩陣的特點(diǎn),彌補(bǔ)了非對(duì)稱聯(lián)系云應(yīng)用于水資源承載力評(píng)價(jià)存在的不足,構(gòu)建了基于非對(duì)稱聯(lián)系云和風(fēng)險(xiǎn)矩陣的水資源承載力評(píng)價(jià)模型(ACCRMM),為區(qū)域水資源承載力評(píng)價(jià)提供了新的思路。
(2)運(yùn)用非對(duì)稱聯(lián)系云模型評(píng)價(jià)3個(gè)子系統(tǒng)的水資源承載力等級(jí),利用風(fēng)險(xiǎn)矩陣的合成規(guī)則將3個(gè)子系統(tǒng)的評(píng)價(jià)等級(jí)合成得到最終的綜合評(píng)價(jià)等級(jí)。運(yùn)用ACCRMM模型評(píng)價(jià)2015年安徽省16個(gè)地級(jí)市的水資源承載力,結(jié)果表明安徽省水資源承載力具有空間分布差異較為顯著的特點(diǎn),具體表現(xiàn)為皖北地區(qū)6個(gè)地級(jí)市的水資源承載力評(píng)價(jià)等級(jí)均為Ⅲ級(jí),皖中地區(qū)4個(gè)地級(jí)市的水資源承載力評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅱ級(jí),皖南地區(qū)的馬鞍山、蕪湖市的水資源承載力評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅱ級(jí),而銅陵、池州、黃山、宣城市的水資源承載力評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅰ級(jí)。
(3)ACCRMM模型定量評(píng)價(jià)水資源承載力是對(duì)非對(duì)稱聯(lián)系云應(yīng)用于評(píng)價(jià)不確定性問題的進(jìn)一步深化,拓寬了非對(duì)稱聯(lián)系云評(píng)價(jià)模型的應(yīng)用廣度。風(fēng)險(xiǎn)矩陣與非對(duì)稱聯(lián)系云評(píng)價(jià)模型的耦合體現(xiàn)了水資源承載調(diào)控力子系統(tǒng)的調(diào)控作用,完善了非對(duì)稱聯(lián)系云評(píng)價(jià)模型在水資源承載力評(píng)價(jià)中的應(yīng)用。ACCRMM評(píng)價(jià)模型為更加合理化、科學(xué)化評(píng)價(jià)區(qū)域水資源承載力提供了新的方法,為提出針對(duì)性措施實(shí)現(xiàn)區(qū)域水資源優(yōu)化利用和合理配置提供了理論依據(jù)。