基于最大熵原理的莊河市水資源承載力模糊評價

高清震

(莊河市水務(wù)事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 莊河 116400)

1 莊河市概況

莊河市位于遼東半島東側(cè)南部，處于E39°25′-40°12′，N122°-29′-123°31′之間，海岸線長285km，境內(nèi)總面積6968km2。屬于大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫9.1℃，氣候溫和，四季分明，夏秋季降雨集中，冬春季多風(fēng)少雨，年均降水量757.4mm。莊河市為低山丘陵區(qū)，自北向南地勢呈逐次降低趨勢，地貌特征有“五山一水四分平地”之稱。受季風(fēng)和地形影響，在空間和時間分布上降水量極不均衡，年降水的56%集中于每年的7、8月，自東北向西南方向降水量呈遞減趨勢。境內(nèi)主要有小沙河、小寺河、莊河、那英河等，其中100km2以上的河流13條，河流總長882km。北部山區(qū)為所有河流的發(fā)源地，徑流南部沿海平原區(qū)及中部丘陵區(qū)，河流走勢自北向南徑流，最終匯入黃海。莊河市水資源存在著可開發(fā)利用量較少、開采成本高、邊際效益低等難題。

依據(jù)莊《河市2018年水資源公報》、《莊河市2018年統(tǒng)計年鑒》等相關(guān)統(tǒng)計資料可知：莊河市淡水資源比較豐富，全市淡水資源總量為17.45億m3，有中小河流349條，流域面積2944.65 km2，多年平均地表水總量16.96億m3，35座大中小型水庫總庫容6.7億m3，正常庫容5.13億m3，可供水量4.78億m3。塘壩、攔河閘、引提水站、機(jī)電井、深井等水利工程，可供水2.02億m3。全市水利工程合計可供水量6.8億m3。莊河市人均水資源占有量約為1900m3，與大連市平均水平相比，水資源相對豐富，與全國平均水平相比，約占82%。莊河市人均年供水量為206 m3/人·a，年供水模數(shù)19.2萬m3/km2·a，水資源灌溉率76%，城市人均生活用水0.19 m3/人·d，農(nóng)村人均日生活用水0.05 m3/人·d，需水模數(shù)22萬m3/人·a，人口密度312人/km2，人均年工業(yè)產(chǎn)值4954元/a。

近年來，莊河市依托其優(yōu)越的環(huán)境條件和獨特的地理優(yōu)勢迅速發(fā)展經(jīng)濟(jì)，污廢水排放量和用水需求量急劇增大，水資源供給矛盾和水體污染問題現(xiàn)已十分突出。局部地區(qū)由淺層地下水和地表水污染已發(fā)展至深層地下水，民用淺水井水質(zhì)較差已無法滿足飲用水標(biāo)準(zhǔn)要求。2015年莊河市水源保護(hù)規(guī)劃顯示，境內(nèi)的13條主干河流均受到不同程度的污染，污水未經(jīng)處理或處理不達(dá)標(biāo)排入河道使得水系統(tǒng)環(huán)境不斷下降?？傮w來看，在空間分布上南部地區(qū)的水環(huán)境污染相對較輕，而北部地區(qū)的較重，這主要與當(dāng)?shù)鼐用裼盟枨?、排水方式、農(nóng)業(yè)重視、工業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)保政策等因素相關(guān)[1-3]。

2 基于最大熵原理的承載力模糊評價

依據(jù)現(xiàn)有研究成果和施雅風(fēng)等[4]觀點，將水環(huán)境承載力的內(nèi)涵概括為：在特定的生產(chǎn)條件和科學(xué)技術(shù)下區(qū)域水資源能夠最大程度的支撐生態(tài)環(huán)境、人類生產(chǎn)生活和工農(nóng)業(yè)發(fā)展的用水能力，在這種容量下水資源不會引起環(huán)境惡化且具有自我更新和自然循環(huán)功能。通過對人口規(guī)模、經(jīng)濟(jì)社會與水資源系統(tǒng)相互作用的研究分析，為水資源科學(xué)利用和管理規(guī)劃提供科學(xué)指導(dǎo)為承載力評價的根本目的。

模糊集理論在處理分析承載力各模糊性因子時具有較強(qiáng)的適用性，能夠保證評價結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)確性，但該方法未能考慮評價結(jié)果受隨機(jī)性因子的影響。對于水文參數(shù)包含的不確定性可選用具有整體觀念的“最大熵”理論衡量，該該方能夠綜合考慮各方面因素深層刻畫隨攜帶的不確定信息。據(jù)此，為消除不確定性對承載力評價的影響引入最大熵原理，從而構(gòu)建最大熵與模糊集相結(jié)合的綜合評價模型。

2.1 評價模型

設(shè)n個樣本所對應(yīng)的m項指標(biāo)的評價等級有k個，由此建立包含n個水資源承載力評判區(qū)域的樣本矩陣C和k級評價標(biāo)準(zhǔn)的矩陣S，具體形式為：

(1)

(2)

水資源承載力評價的重要環(huán)節(jié)是合理構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)矩陣和樣本矩陣，考慮到不同指標(biāo)量綱的不同需要對初始數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)格化處理，從而構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)模糊矩陣，其處理方法如下：

式中：si1、si2、sik為承載力等級為1、h、k時各參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值。根據(jù)以上規(guī)格化公式可將模糊矩陣轉(zhuǎn)化為如下標(biāo)準(zhǔn)形式，即：

考慮各參評指標(biāo)的內(nèi)涵特征和區(qū)域水資源利用現(xiàn)狀，采用如下公式轉(zhuǎn)化處理區(qū)域樣本值，即：

(3)

(4)

將區(qū)域樣本矩陣?yán)霉?3)、(4)可轉(zhuǎn)化為模糊矩陣，轉(zhuǎn)化結(jié)果為：

設(shè)k級承載力標(biāo)準(zhǔn)下由n個待評價樣本構(gòu)造的隸屬度矩陣為U，其表達(dá)式為：

(5)

(6)

2.2 建立評價體系及標(biāo)準(zhǔn)

水資源直接關(guān)系著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展速度和人類的繁衍生存，其承載力水平為評判當(dāng)?shù)啬芊癯掷m(xù)健康發(fā)展的重要依據(jù)。不同地區(qū)水文條件、氣候因素和水資源狀況存在一定差異，所以評價指標(biāo)體系的建立應(yīng)盡可能的體現(xiàn)區(qū)域水資源利用過程中存在的問題以及可能發(fā)生的變化。同時，有些參數(shù)具有一定的關(guān)聯(lián)性，有些指標(biāo)對評價結(jié)果影響較大，對此應(yīng)選擇數(shù)據(jù)易獲取且具有關(guān)聯(lián)性的參數(shù)。為全面了解水資源承載力狀況就必須從眾多的復(fù)雜數(shù)據(jù)信息中選取典型指標(biāo)，評價體系的構(gòu)建應(yīng)遵循的原則有：①科學(xué)性，承載力評價體系應(yīng)具有科學(xué)的內(nèi)涵，較為客觀、準(zhǔn)確的反映水資源系統(tǒng)特征和承載力影響因子，最大限度的準(zhǔn)確描述不同指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)特性；②完備性，承載力評價要綜合考慮用水量、供水量、人口規(guī)模等等方面因素，較為全面、系統(tǒng)的描述水資源系統(tǒng)狀況，在一個完整的系統(tǒng)內(nèi)分析各項評價因子；③可行性，評價指標(biāo)應(yīng)盡可能的便于數(shù)據(jù)的獲取和計算，指標(biāo)的內(nèi)涵簡單明確，在具體的應(yīng)用中具有普遍適用性，并保證計算方法的可行性；④顯著性，評價因子應(yīng)盡可能的體現(xiàn)水資源系統(tǒng)與區(qū)域發(fā)展規(guī)劃間的差異，各單一指標(biāo)要盡可能替代的原有貢獻(xiàn)概率，所包含的信息應(yīng)盡量的豐富，度量簡便、靈敏性強(qiáng)；⑤代表性，水資源系統(tǒng)涉及到的因素多、范圍廣，承載力評價時沒必要也不可能將所有指標(biāo)參與計算，所以指標(biāo)的選擇要結(jié)合數(shù)據(jù)資料和信息，選擇涉及水資源各方面的代表性指標(biāo)。

文章結(jié)合莊河市水資源相關(guān)資料和已有研究成果，綜合考慮與水資源相關(guān)的各方面因素，從遼寧省環(huán)境統(tǒng)計公報、水資源公報、統(tǒng)計年鑒等資料提取相關(guān)參數(shù)，在遵循上述原則的基礎(chǔ)上建立多因子綜合評價體系，如表1。

表1 莊河市水資源承載力評價體系

根據(jù)其他具有相似社會經(jīng)濟(jì)與自然條件的區(qū)域承載力評價標(biāo)準(zhǔn)，參考文獻(xiàn)資料、莊河市發(fā)展規(guī)劃、國家和國際認(rèn)可的水資源標(biāo)準(zhǔn)，將承載力劃分為為V1、V2、V3級3個標(biāo)準(zhǔn)，其中V1級代表水資源開發(fā)利用具有較大的開發(fā)空間，承載力水平較高可滿足區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要；V3等級代表區(qū)域水資源開采接近極限狀態(tài)，進(jìn)一步開發(fā)利用的潛力較低其承載力水平較差；V2等級處于以上兩種狀態(tài)的中間水平，即優(yōu)于V3劣于V1級。各項評價指標(biāo)2025年、2030年的期望值如表2，部分評價標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)。

表2 莊河市水資源承載力評價標(biāo)準(zhǔn)及其期望值

續(xù)表2 莊河市水資源承載力評價標(biāo)準(zhǔn)及其期望值

2.3 結(jié)果分析

綜合考慮莊河市水管理部門和水資源領(lǐng)域?qū)＜乙庖?，?jīng)適當(dāng)調(diào)整構(gòu)造各指標(biāo)相對重要性判斷矩陣，然后對8項指標(biāo)權(quán)重利用AHP法確定，最終計算得到wi=(0.143,0.126，0.126,0.125,0.114,0.126,0.125,0.115)，B值為10。

按照以上計算步驟對各參數(shù)數(shù)值值進(jìn)行規(guī)格化處理，然后利用公式(6)和模糊數(shù)學(xué)法計算確定莊河市2018、2025年最優(yōu)分級結(jié)果，如表3。

從表3可以看出，莊河市水資源承載力在2025、2030水平年均處于V3等級，水資源開發(fā)利用程度已趨近于極限水平，進(jìn)一步開發(fā)利用的潛力較低其承載力水平較差。莊河市2025年承載力隸屬于V2、V1等級的數(shù)值分別為0.487、0.013，而V3與V2級的評價值相差不大，且屬于V3等級的程度并不十分顯著，可見雖然2025年該區(qū)域水資源為V3，但也趨近于上一等級V2；莊河市水資源承載力在2030年為V3與V2級的評價值為0.923、0.060，二者存在較大的差距，隸屬于V3級的程度更加顯著，可見在2030年的缺水程度較2025年更加嚴(yán)峻?？傊?，莊河市水資源短缺矛盾越來越緊張，且現(xiàn)狀可承載能力負(fù)荷過高已無法滿足用水需要[5]。

2.4 承載力提升措施

水資源承載力覆蓋的范圍廣、因素多，主要與污水處理率、水資源量、第三產(chǎn)業(yè)比重、污水處理率、降水量等因素相關(guān)，另外海域耗水量、GDP增長率、人口自然增長率等因素有關(guān)。結(jié)合上述評價結(jié)果和莊河市水資源利用現(xiàn)狀，為進(jìn)一步提升其承載力水平可采取的有效措施如下：

1) 加強(qiáng)節(jié)水意識，建設(shè)節(jié)水型社會。加快節(jié)水器具、設(shè)備的普及和供水管網(wǎng)的改造，減少水資源的浪費切實提升節(jié)水意識，進(jìn)一步調(diào)節(jié)水價和優(yōu)化生活用水定額；推行節(jié)水責(zé)任制，建立節(jié)水管理法規(guī)和制度體系，根據(jù)區(qū)域缺水程度對行業(yè)用水定額重新制定或調(diào)整；注重澆灌節(jié)水技術(shù)和抗旱作物的研究，加強(qiáng)骨干灌水線節(jié)水改造工程建設(shè)，提升灌區(qū)渠系的防滲率和配套率，采取河道整修防滲和入河口排入控制工程。

2) 用水結(jié)構(gòu)調(diào)整，提升用水效率。結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況對第三產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提升莊河市企業(yè)重復(fù)用水率和第三產(chǎn)業(yè)比重，最大程度的降低萬元GDP耗水量。加快節(jié)水器具、設(shè)備的普及和供水管網(wǎng)的改造，減少水資源的浪費并提升居民節(jié)水意識。

3) 嚴(yán)格控制污染，加強(qiáng)水環(huán)境保護(hù)。按照循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展理念轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的污水處理方式，從源頭上控制水體污染來源；嚴(yán)格限制重污染環(huán)境的化工企業(yè)，在沿江、沿河和工業(yè)密集帶控制新工廠建設(shè)；為實現(xiàn)遼莊河市各主城區(qū)沿河污染的有效控制采取排污口改道措施，采取集中處理生活垃圾和水上航運污染[6]。

3 結(jié) 論

為消除不確定性對水資源承載力評價的影響引入最大熵原理，構(gòu)建最大熵與模糊集相結(jié)合的綜合評價模型，然后以莊河市為例驗證了該模型的科學(xué)有效性。研究表明，莊河市水資源承載力在2025、2030水平年均處于V3等級，水資源開發(fā)利用程度已趨近于極限水平，進(jìn)一步開發(fā)利用的潛力較低其承載力水平較差。目前，莊河市的水資源短缺矛盾越來越緊張，且現(xiàn)狀可承載能力負(fù)荷過高已無法滿足用水需要，為進(jìn)一步提升其承載力水平提出了有效措施。