遼寧省鞍山市抗旱能力評價

董忠龍

(鞍山市水利事務服務中心，遼寧 鞍山 114002)

0 引 言

抗旱能力是指被研究區(qū)域內(nèi)社會經(jīng)濟發(fā)展、組織管理、生產(chǎn)技術(shù)、水利工程等人類活動，能夠減輕、抵抗和防御干旱災害風險的綜合能力。干旱災害具有影響范圍廣、持續(xù)時間長、危害程度高、發(fā)生較為頻繁等特點，對區(qū)域抗旱能力的綜合評價可為抗旱應急方案制定、抗旱決策以及旱災風險管理等提供重要的支撐[1]。目前，針對抗旱能力的評價多集中于農(nóng)牧業(yè)方面，國內(nèi)相關(guān)研究還處于初始階段。例如，顧穎等對我國農(nóng)業(yè)抗旱能力等級運用模糊聚類方法進行評判；鄧建偉等對甘肅省農(nóng)業(yè)抗旱能力利用單目標分析法進行了系統(tǒng)分析；云小林等對內(nèi)蒙古牧區(qū)的抗旱等級采用模糊決策方法進行了評價；張歡等對河北省農(nóng)業(yè)抗旱能力運用多指標多層次模糊評判法進行了科學分析；伊吉美等對大連市農(nóng)業(yè)旱災脆弱性程度選用模糊綜合評價法進行系統(tǒng)分析；美國國家建筑科學研究所和聯(lián)邦緊急事務所研制了能夠評估自然災害損失的HAZUS系統(tǒng)，為了評估氣象災害造成的直接和間接經(jīng)濟損失澳大利亞氣象部門和緊急事務所開發(fā)了一套EMA工具。然而，針對區(qū)域抗旱能力整體評價及提高抗旱能力的研究還鮮有報道[2-6]。鑒于此，文章以遼寧省鞍山市為例，通過分析區(qū)域抗旱能力關(guān)鍵性影響因子，從多個不同方面建立能夠系統(tǒng)反映抗旱水平的指標體系，對鞍山市抗旱能力運用可變模糊集模型進行綜合評價，在此基礎上結(jié)合區(qū)域發(fā)展情況和自然特征提出有效的政策建議。

1 可變模糊集評價模型的構(gòu)建

根據(jù)可變模糊集理論和識別的抗旱能力樣本數(shù)目，建立基于區(qū)間形式評價標準的可變模糊集模型，在識別處理區(qū)間形式的評價等級問題時具有較強的適用性和科學性。詳細的建模流程如下：

1)依據(jù)樣本抗旱能力影響因子和識別的評價樣本數(shù)目，構(gòu)造抗旱標準特征值矩陣和樣本集矩陣。引入X={x1,x2,…,n}為識別的抗旱評價樣本集合，選用m個指標特征值xj={x1j,x2j,…,xmj}T描述樣本j的特性，由此可構(gòu)造樣本集矩陣為X=(xij)m×n，指標i關(guān)于樣本j的特征值為xij，其中i=1,2,…,m；j=1,2，…,n。按照c個級別特征值識別樣本集的m個指標，指標i關(guān)于h級別的標準特征值為yij，由此構(gòu)造m×c階特征矩陣Y=(yih)m×c，其中h=1,2,…,c。

2)結(jié)合待評價區(qū)域的實際狀況和指標標準值矩陣，建立可變集合的抗旱能力范圍矩陣和吸引域矩陣，即：

Icd=([cih,dih])

(1)

Iad=([aih,bih])

(12)

其中，范圍域矩陣、吸引域矩陣分別為包含xij的某一上下界范圍域區(qū)間和實軸上模糊可變集合的吸引域，其中0

3)吸引域[aih,bih]中DA(xih)h=1的點值Mih的矩陣依據(jù)抗旱能力分為c個級別的實際狀況來確定，即：

M=(Mij)

(3)

4)關(guān)于Mij點樣本特征值xij位于左側(cè)或右側(cè)的判別依據(jù)為公式(1)-(3)，差異度DA(xij)h的計算式如下：

(4)

(5)

(6)

μA(xij)h=(1+DA(xij)h)/2

(7)

區(qū)域抗旱h等級下指標的相對隸屬度μA(xij)h矩陣為[Dh]=μA(xij)h，相對差異函數(shù)模型在x落入M點左側(cè)、右側(cè)時分別如下：

(8)

(9)

式中：DA(u)=-1;x(c,d)；β為非負指數(shù)，一般取1。

5)區(qū)域抗旱能力綜合評價模型選用文獻資料提出的方法，其表達式為：

(10)

6)根據(jù)最大隸屬度原則在模糊概念分級條件下的不適用性，對樣本抗旱能力運用級別特征值分析，即H=(1,2,…,c)×U。

2 鞍山市抗旱能力綜合評價

2.1 評價指標體系的構(gòu)建

鞍山市地處環(huán)渤海經(jīng)濟區(qū)腹地，為遼東半島開發(fā)區(qū)和遼寧中部城市群的連接紐帶，沈秦新電氣化鐵路、哈大鐵路、京沈及沈大高速公路橫貫鞍山，地理位置優(yōu)越，交通條件發(fā)達。屬于溫帶季風氣候，冬冷干燥、夏熱多雨、四季分明、光照豐富，降水充沛，年均降水量703.7mm。境內(nèi)氣候環(huán)境優(yōu)美，平均日照時數(shù)2540h，平均氣溫9.4℃，相對濕度60%，年均蒸發(fā)量1750.2mm，最大凍土深1.18m，多年平均風速3.5m/s。鞍山市有太子河、渾河、遼河、哨子河、大洋河、饒陽河、海城河等支流，統(tǒng)計資料顯示全市地表水總量25.22億m3，境內(nèi)供水量2.38億m3，地下水可開采量6.41億m3，可開發(fā)利用率108%，局部地區(qū)地下水超采現(xiàn)象嚴重。雖然該區(qū)域徑流量大、水系發(fā)達、水資源量較豐富，由于復雜的地貌特征和獨特的氣候條件，水資源存在邊際效益低、可開采量少、開發(fā)成本高和開采難度大等特征，加之水環(huán)境保護意識薄弱和地下水過度開采，境內(nèi)水資源功能退化和干旱災害問題突出，旱災已成為制約當?shù)厣鐣l(fā)展和經(jīng)濟建設的關(guān)鍵因素之一[7-9]。

文章結(jié)合數(shù)據(jù)資料的可獲取性和可靠性，提取鞍山市2018年抗旱能力評價各參數(shù)值，充分考慮抗旱能力影響因子和當?shù)厮Y源利用現(xiàn)狀構(gòu)建評價等級標準，如表1所示。

灌溉水利用系數(shù)為水源渠首處總引進水量中農(nóng)作物一次灌溉期間利用凈水量的占比；城市化率為總?cè)丝谥谐擎?zhèn)人口的占比；種植結(jié)構(gòu)=(1-水稻播種面積/總播種面積)×100%。

2.2 抗旱能力評價

區(qū)域抗旱能力參評指標有20個，即i=1,2,…,20；待評價樣本為鞍山市，即j=1；抗旱評價標準由5級，即h=1,2,…,5。根據(jù)評價等級標準和指標特征值確定鞍山市抗旱能力點值Mih的矩陣M、可變集合范圍域矩陣Icd、吸引域矩陣Iab，其中指標標準值的上、下限通過外延1、2和4、5指標標準的區(qū)間分界點確定，其外延依據(jù)為2級和4級區(qū)間的長度，如表2-表4所示。

表1 鞍山市抗旱能力評價標準及參數(shù)值

表2 可變集合的吸引域矩陣Iab

表3 范圍域Icd

表4 范圍域Icd

關(guān)于Mij點樣本特征值xij位于左側(cè)或右側(cè)的判別依據(jù)為矩陣Iab、Icd和M，然后運用式(8)、(9)計算確定差異度，區(qū)域抗旱h級標準下指標的相對隸屬度μA(xi)hμA(xi)h利用公式(7)計算確定。為詳細說明該求解過程，在1-5級標準下計算確定人均水資源量指標的相對隸屬度μA(x2)h。

根據(jù)矩陣M、范圍域矩陣Icd、吸引域矩陣Iab以及指標特征值x2，計算確定h=1-5級標準下的點值M2h、范圍域向量和吸引域向量為:

[a2h,b2h]=[[0,1000],[1000,2000],[2000,3000],[3000,4000],[4000,5000]]

[c2h,d2h]=[[0,2000],[0,3000],[1000,4000],[2000,5000],[3000,5000]]

M2h=[0,1000,2500,4000,5000]

根據(jù)x2=1042.8，a21、b21、c21、d21、m21值分別為0、1000、0、2000、0，判斷指標x2的位置，確定其隸屬于各抗旱等級的隸屬度向量為[Uh]=[0.482,0.978,0.022,0,0]。然后對20個指標的權(quán)重利用加速遺傳算法中的AHP法計算確定，結(jié)果如下：

W=(0.071,0.064,0.062,0.050,0.087,0.092,0.078,0.052,0.061,0.036,0.032,0.037,0.046,0.032,0.032,0.034,0.038,0.031,0.031,0.030)T，其中α=2、p=1，代入公式(10)計算確定相對隸屬度為：U″=(0.877,0.705，0.782，0.780，0.789)，經(jīng)歸一化處理得到標準矩陣如下：

U=(0.221，0.180，0.200，0.197，0.202)T

保持各特征指標的權(quán)重不變，改變模型參數(shù)分別計算鞍山市抗旱能力等級，即變換模型參數(shù)為α=2、p=2；α=2、p=1；α=1、p=2；α=2、p=2的4種情況，抗旱等級評價結(jié)果如表5所示。

表5 基于不同參數(shù)的抗旱能力等級評價

根據(jù)以上計算結(jié)果可知，區(qū)域抗旱評價指標特征值受模型參數(shù)改變的影響較小，抗旱評價等級基本保持不變，由此表明文中所用方法具有較好的可行性和準確性。

2.3 建議措施

鞍山市位于環(huán)渤海經(jīng)濟區(qū)腹地，各行業(yè)用水量大且地下水長期處于超采現(xiàn)象。農(nóng)業(yè)灌溉和城市發(fā)展之間的用水矛盾突出，受當?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展水平限制工程與非工程抗旱措施落后，從而使得鞍山市抗旱能力較弱。為改善當?shù)乜购的芰λ胶吞岣咚Y源承載力，可采取的有效措施有：優(yōu)化調(diào)整綠化作物、糧食作物的種植比例，改善種植結(jié)構(gòu)；擴大有效灌溉面積和提高耕地灌溉率，節(jié)約用水提高用水效率；有效攔蓄洪水增大水庫總庫容，通過提高水庫水位標準增大干旱時期水庫雪水量；提高人均GDP和擴大第二產(chǎn)業(yè)規(guī)模；增大蒸發(fā)站、墑情、地下水測量站數(shù)，保證應急水源水質(zhì)等。另外，還可采取興建和維修節(jié)制閘、河道綜合治理和地表徑流攔蓄等工程措施。目前，鞍山市地表水比較缺乏，部分地區(qū)的機井缺乏且分布不合理，為擴大井灌面積要加快機井建設力度，提升抗大旱能力；為實現(xiàn)節(jié)地、節(jié)能、節(jié)水和農(nóng)作物增產(chǎn)目標還采用低壓管道灌溉、噴灌、地表防滲渠等措施。

3 結(jié) 論

對鞍山市抗旱能力運用可變模糊集模型進行科學評價，對建模流程、計算方法開展詳細的論述，結(jié)果表明該區(qū)域抗旱能力較弱，處于2級評定等級。為提高區(qū)域抗旱能力從工程和非工程措施兩個方面提出了有效的建議，基于鞍山市自然概況和發(fā)展狀提出的措施簡單易行。