灰色預測模型在區(qū)域水資源承載能力預測中的應用

李 智

(黑龍江農(nóng)墾勘測設計研究院，黑龍江 哈爾濱 150090)

長久以來，受氣候變化與環(huán)境影響，我國水資源系統(tǒng)逐漸變得脆弱，供需嚴重不均衡，因此，如何根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)基礎，對風險因素與風險程度作出有效辨識與分析，并基于某種有效理論對區(qū)域水資源承載能力作出合理評估與預測，是保護區(qū)域水資源的重要途徑[1- 2]。

為積極應對水資源生態(tài)環(huán)境脆弱的問題，我國水資源領(lǐng)域?qū)W者積極展開了大范圍的研究。吳旭[3]以邯鄲市主城區(qū)水資源供給為研究對象，通過引入雙要素水資源承載能力分析模型，從水量-水質(zhì)雙參數(shù)角度對區(qū)域現(xiàn)狀和水資源承載能力進行分析評價，提出基于雙要素水資源承載能力評價模型用于城市水資源承載能力評價，具有數(shù)據(jù)易獲取、可操作性強的優(yōu)勢。劉德虎[4]等以東營市水資源污染現(xiàn)狀為例，指出區(qū)域水功能區(qū)水質(zhì)達標率偏低，通過對超載區(qū)域的原因分析提出了調(diào)控建議。邢菊等[5]基于江淮分水嶺地區(qū)水資源現(xiàn)狀，提出當前該區(qū)域水資源承載力總體處于可載狀態(tài)，但空間分布上存在明顯的差異，且水資源所承載的經(jīng)濟總量呈現(xiàn)明顯的上升趨勢。趙林林[6]基于資源環(huán)境承載力理論，依據(jù)壓力-狀態(tài)-響應理論建立了TOPSIS診斷模型，分析得出區(qū)域水資源承載力空間分布不均衡，且承載力較為脆弱。此外，于紅偉[7]、婁洋[8]、董鳳軍[9]分別提出了集對分析法、基于支持向量機分析法和SPA耦合模型分析法對水資源承載力進行評估。

灰色預測模型作為一種風險評估與預測的新型理論[10- 11]，本文創(chuàng)新性將其引入到區(qū)域水資源承載能力評估與預測中，并對東北地區(qū)某城市水資源現(xiàn)狀作出了科學有效的預測，對我國水資源保護工作起到良好的指導作用。

1 研究方法與模型建立

1.1 研究路線

基于層次分析法[12]與灰色預測模型基本理論，本文提出的主要研究路線及研究方法如圖1所示。以東北某城市水資源系統(tǒng)為例，基于水資源-社會經(jīng)濟-生態(tài)環(huán)境復合系統(tǒng)構(gòu)建基于層次分析法評價指標體系與評估模型，基于城市現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果，構(gòu)建研究指標體系，見表1。目前，關(guān)于層次分析法的具體應用方法的論文較多，故本文在此不做贅述，這里基于灰色模型理論，對區(qū)域未來發(fā)展狀況作出合理預測與假設。

圖1 區(qū)域水資源承載能力評估與預測研究路線

表1 東北某城市水資源承載能力評價指標

1.2 灰色預測模型

灰色分析理論可以對含有不確定因素的系統(tǒng)進行預測，由我國學者創(chuàng)立并逐漸發(fā)展起來。該理論認為，通過對原數(shù)據(jù)進行詳細分析處理，能夠找到系統(tǒng)變動的規(guī)律，最后通過建立模型進而對將要發(fā)展的方向作出合理的預測。模型建立步驟如下：對原始數(shù)據(jù)進行累加處理→構(gòu)件累加數(shù)據(jù)矩陣→求解相關(guān)參數(shù)→帶入?yún)?shù)得累加預測結(jié)果→模型精度檢驗。灰色理論預測模型參數(shù)精度劃分標注見表2。

表2 基于多參數(shù)的灰色預測模型精度等級劃分表

2 實例研究

2.1 區(qū)域現(xiàn)狀及承載力評估

為深入探討該城市的水資源承載能力現(xiàn)狀，本研究小組對區(qū)域展開了全方位的走訪與調(diào)查，并深入研究了區(qū)域多年以來水資源利用、社會經(jīng)濟及生態(tài)環(huán)境多個方面的情況。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，多年來該區(qū)域人均水資源量充沛，平均年人均水資源量在2500m3以上，在缺水年人均水資源量能達到2200m3以上，在豐水年甚至能達到3640m3。

根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)，按照上述標準劃分為3個子系統(tǒng)、12個指標，歸納得出近十年(2009—2018年)間該城市各項指標參數(shù)，見表3。

根據(jù)上述3個子系統(tǒng)層參數(shù)，按照各自重要性權(quán)重計算得到水資源綜合承載能力評價指數(shù)，如圖2所示。由圖2可知，該城市在社會經(jīng)濟承載力方面處于較低水平，但呈現(xiàn)逐步增長趨勢，其原因是該城市近幾年經(jīng)濟迅速發(fā)展，生活水平不斷提高。但由于該地區(qū)應用于經(jīng)濟發(fā)展方面的水資源耗費量較大，且利用率處于較低水平，因此導致水資源環(huán)境處于較差水平。而在這三方面中，水資源承載力評價指數(shù)在經(jīng)過2009—2010年間的快速上升，此后一直保持著較高水平，其原因是該城市在2009年發(fā)布新政策，通過引入新技術(shù)合理調(diào)控農(nóng)村灌溉用水的空間分布與用水量，有效解決了農(nóng)業(yè)水資源浪費的問題。生態(tài)環(huán)境承載力一直保持較穩(wěn)定水平呈現(xiàn)些許波動，但在2017年出現(xiàn)一次陡降，是由于2017年區(qū)域出現(xiàn)罕見的旱災情況，因此生態(tài)環(huán)境承載力下降明顯。

表3 2009—2018年間城市水資源評價系統(tǒng)各項指標參數(shù)表

在過去的十年內(nèi)該城市綜合承載力水平在0.6～0.73之間，屬于較好水平。除去在2017年由于生態(tài)環(huán)境承載力下降導致區(qū)域水資源-社會經(jīng)濟-生態(tài)環(huán)境綜合承載力發(fā)生一定程度的下降，其他年間整體處于較穩(wěn)定狀態(tài)且呈現(xiàn)出緩慢上升趨勢，由此可見，該城市綜合承載力處于較好水平，且承載力不斷提高。承載力評價標準見表4。

圖2 2009—2018年間區(qū)域水資源-社會經(jīng)濟- 生態(tài)環(huán)境承載力及綜合承載力變化

表4 承載力評價標準

2.2 基于灰色預測模型的水資源承載力預測

表5給出了區(qū)域水資源承載力GM(1，1)灰色預測模型在2009—2018年的模擬結(jié)果以及在2020、2025、2030年間的預測結(jié)果，其平均相對誤差m=0.022，方差比c=0.597，小概率誤差p=0.818，分別達到良好，合格，良好水準。因此可見，從整體來說，基于GM(1，1)灰色預測模型對于該區(qū)域水資源承載力的模擬效果較好，誤差很小。對2020、2025、2030年的預測結(jié)果可知，該區(qū)域水資源-社會經(jīng)濟-生態(tài)環(huán)境綜合承載力分別為0.702、0.740、0.780，較之前均有所提高，這也符合區(qū)域綜合承載力曲線發(fā)展規(guī)律。

表5 城市水資源承載力模擬與預測結(jié)果

3 結(jié)論

本文以東北某城市為例，以層次分析法理論為基礎對區(qū)域水資源承載力展開了綜合評價，分析得出該城市在近十年內(nèi)水資源綜合承載力處于良好水平，且整體處于穩(wěn)定發(fā)展趨勢。進一步建立了區(qū)域水資源承載力灰色預測模型，并基于該城市2009—2018年間實際評價指數(shù)數(shù)據(jù)驗證了灰色預測模型的合理性與可靠性，對該城市2020、2025、2030年間水資源承載力作出了合理預測，為我國東北地區(qū)城市水資源合理分配與利用提供了一定的指導作用。目前，本研究及所建立的模型主要適用于東北地區(qū)流域水資源，因此如何將其合理推廣到我國其他地區(qū)仍需要展開進一步研究。