基于集對(duì)分析的水資源承載狀態(tài)評(píng)價(jià)研究

魯曉 董增川 張城

摘 要：為定量評(píng)價(jià)水資源承載狀態(tài)及發(fā)展趨勢，同時(shí)進(jìn)一步推廣五元減法集對(duì)勢方法在水資源領(lǐng)域中的應(yīng)用，構(gòu)建了基于集對(duì)分析理論的五元聯(lián)系數(shù)水資源承載狀態(tài)評(píng)價(jià)模型，并采用基于五元聯(lián)系數(shù)的改進(jìn)減法集對(duì)勢方法分析水資源承載狀態(tài)的發(fā)展趨勢，診斷水資源承載狀態(tài)的脆弱性指標(biāo)。采用基于集對(duì)分析的水資源承載狀態(tài)分析方法對(duì)鹽城市2009—2018年的水資源承載狀態(tài)進(jìn)行診斷分析，結(jié)果表明：2009—2018年鹽城市水資源承載狀態(tài)整體呈好轉(zhuǎn)趨勢，發(fā)展趨勢由偏反勢發(fā)展為均勢再發(fā)展為偏同勢;2018年水資源承載狀態(tài)的偏聯(lián)系數(shù)和五元減法集對(duì)勢位于曲線最高點(diǎn)，呈偏同勢，承載狀態(tài)和發(fā)展趨勢較好;水資源承載狀態(tài)的偏脆弱性因素為水環(huán)境相關(guān)指標(biāo)。建議在發(fā)展鹽城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，做好其水環(huán)境治理工作，改善水資源承載狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：水資源承載狀態(tài);集對(duì)分析;五元聯(lián)系數(shù);偏聯(lián)系數(shù);減法集對(duì)勢;鹽城市

中圖分類號(hào)：TV213.4 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.011

Abstract：In order to quantitatively evaluate the carrying status and development trend of water resources， and to further promote the application of the subtraction set pair potential method， the five-element connection number approach based on the set pair analysis theory and the improved subtractive set pair potential method based on the five-element connection number were proposed respectively for water resources carrying status evaluation and development trend analysis. In addition， the vulnerability indicators of the water resources carrying status were diagnosed. The method was applied to analyze the carrying status of Yancheng City from 2009 to 2018. The evaluation results show that the overall water carrying status of Yancheng City exhibits an improvement trend from 2009 to 2018， and the development trend changes from a counter trend to a balanced trend and then to the same trend. In addition， the partial connection number and the five-variable partial connection number of water resources carrying status in Yancheng are located at the highest point of the curve with the same trend in 2018， as well as a good carrying status and a good development trend. Moreover， the partial vulnerability is mainly led by water environment-related index. Improving water environment governance and the status of water resources are recommended while developing the social economy in Yancheng.

Key words： water resources carrying status; set pair analysis; five-element connection number; partial connection number; subtraction set pair potential; Yancheng City

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，水資源供需不平衡、水資源污染嚴(yán)重等問題日益突顯。根據(jù)我國的長期發(fā)展規(guī)劃，到2030年，我國人口將達(dá)到15億多，全國經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)需水量將達(dá)到7 000億m3，人均水資源量將降至1 700 m3的國際公認(rèn)警戒線[1]。貫徹水資源可持續(xù)利用理念，進(jìn)行水資源承載狀態(tài)評(píng)價(jià)并深入分析其發(fā)展趨勢，識(shí)別出脆弱性指標(biāo)，為水資源管理提供針對(duì)性的建議十分必要。

關(guān)于水資源承載狀態(tài)，前人已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，常見的量化研究方法主要有常規(guī)趨勢法、主成分分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法、多目標(biāo)決策分析法等[2]。水資源系統(tǒng)作為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，同時(shí)具備確定性和不確定性，為更好地處理評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之間的不確定性，集對(duì)分析理論[3]被引入水資源承載狀態(tài)評(píng)價(jià)中，例如：王文圣等[4]基于三元聯(lián)系數(shù)對(duì)東莞市不同水平年和關(guān)中平原不同地區(qū)的水資源承載狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)價(jià);胡啟玲等[5]將三角模糊數(shù)和聯(lián)系數(shù)結(jié)合起來建立模型;金菊良等[6]構(gòu)造了三元減法集對(duì)勢研究水資源承載力發(fā)展趨勢;王紅瑞等[7]引入偏聯(lián)系數(shù)概念，從微觀角度分析水資源承載力發(fā)展趨勢。基于不確定性的集對(duì)分析方法在水資源承載狀態(tài)評(píng)價(jià)中得到了廣泛應(yīng)用，但現(xiàn)有方法仍以三元聯(lián)系數(shù)為主，對(duì)水資源承載狀態(tài)發(fā)展趨勢的研究仍處于起步階段。因此，本文基于五元聯(lián)系數(shù)建立水資源承載狀態(tài)評(píng)價(jià)模型，按“同、偏同、異、偏反、反”5個(gè)等級(jí)劃分水資源承載狀態(tài)，同時(shí)引入計(jì)算更簡便、適用性更強(qiáng)的改進(jìn)減法集對(duì)勢方法，對(duì)水資源承載狀態(tài)發(fā)展趨勢進(jìn)行分析，并將模型應(yīng)用于鹽城市開展實(shí)證研究。

1 集對(duì)分析及聯(lián)系數(shù)

2 基于集對(duì)分析的水資源承載狀態(tài)評(píng)價(jià)方法

水資源系統(tǒng)包含了隨機(jī)性、模糊性等多種不確定性。本文依據(jù)集對(duì)分析理論，首先分析水資源承載狀態(tài)評(píng)價(jià)樣本值與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值的關(guān)系，建立兩者的“同異反”關(guān)系結(jié)構(gòu);然后基于所求聯(lián)系數(shù)，采用改進(jìn)減法集對(duì)勢的方法分析水資源承載狀態(tài)發(fā)展趨勢，并與傳統(tǒng)偏聯(lián)系數(shù)方法對(duì)比，識(shí)別脆弱因子。研究技術(shù)路線見圖1。

2.1 水資源承載狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)及等級(jí)

水資源承載狀態(tài)為在一定區(qū)域及社會(huì)經(jīng)濟(jì)規(guī)模下水資源系統(tǒng)承載的社會(huì)經(jīng)濟(jì)生態(tài)環(huán)境總體狀況[9-10]。因此，水資源承載狀態(tài)由水資源系統(tǒng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)3個(gè)子系統(tǒng)相互作用、共同決定。綜合考慮水資源條件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水水平和發(fā)展?fàn)顟B(tài)、生態(tài)環(huán)境條件，遵循全面性、精煉性和可操作性原則選取評(píng)價(jià)指標(biāo)，將指標(biāo)分為正向指標(biāo)（指標(biāo)值越大越優(yōu)）和逆向指標(biāo)（指標(biāo)值越小越優(yōu)）兩類，具體指標(biāo)及其含義見表1。

參考水資源承載狀態(tài)評(píng)價(jià)的相關(guān)研究資料，結(jié)合當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)規(guī)劃和專家意見，建立水資源承載狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，見表2。

3 實(shí)例分析

3.1 研究區(qū)概況

鹽城市位于江蘇省中部、淮河入海尾閭、黃海之濱，面積16 972 km2，屬明顯的海洋性暖濕季風(fēng)區(qū)，降水時(shí)空分布不均，多年平均降水量1 016.6 mm。河網(wǎng)密布，溝渠縱橫，多年平均地表水資源量45.47億m3，多年平均淺層地下水資源量21.56億m3[19]。過境水量豐富，但過境水河道主要為灌溉總渠、入海水道和廢黃河，均為排洪入海河道，可利用水量很少。

3.2 數(shù)據(jù)來源

鹽城市各年份水資源承載狀態(tài)的指標(biāo)值來源于鹽城市2009—2018年水資源公報(bào)和江蘇省2009—2018年統(tǒng)計(jì)年鑒，歸一化后的指標(biāo)值見表3。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)、水利相關(guān)規(guī)劃等，確定鹽城市水資源承載狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（見表4）。

3.3 鹽城市水資源承載狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果

通過層次分析法賦權(quán)得到主觀權(quán)重ω1，通過熵權(quán)法賦權(quán)得到客觀權(quán)重ω2，采用基于博弈論的組合賦權(quán)方法求出兩種賦權(quán)方法的組合系數(shù)，計(jì)算出組合權(quán)重ω*，各指標(biāo)權(quán)重見表5。

根據(jù)表3～表5，求出各指標(biāo)2009—2018年的五元聯(lián)系數(shù)，再利用式（4）計(jì)算鹽城市各年份水資源承載狀態(tài)的五元聯(lián)系數(shù)，并進(jìn)行等級(jí)評(píng)價(jià)。通過式（6）、式（10），得到各年份的全偏聯(lián)系數(shù)和減法集對(duì)勢，并進(jìn)行態(tài)勢分析，結(jié)果見表6、圖2。

由表6和圖2可知：鹽城市水資源承載狀態(tài)整體呈好轉(zhuǎn)趨勢，全偏聯(lián)系數(shù)和減法集對(duì)勢波動(dòng)上升;評(píng)價(jià)等級(jí)分布與態(tài)勢分布基本一致，其中2018年的評(píng)價(jià)等級(jí)較優(yōu)，屬于安全承載（Ⅱ級(jí)），對(duì)應(yīng)的全偏聯(lián)系數(shù)和減法集對(duì)勢分別位于同勢和偏同勢區(qū)，承載狀態(tài)發(fā)展趨勢較好。

鹽城市2009—2018年水資源承載狀態(tài)的偏聯(lián)系數(shù)與改進(jìn)減法集對(duì)勢的發(fā)展趨勢具有一致性，說明改進(jìn)的減法集對(duì)勢方法可靠。相對(duì)于偏聯(lián)系數(shù)方法而言，改進(jìn)的減法集對(duì)勢方法的計(jì)算更簡便，故選用改進(jìn)減法集對(duì)勢方法進(jìn)行水資源承載狀態(tài)的診斷分析[4]。分析可知：鹽城市水資源承載狀態(tài)整體呈好轉(zhuǎn)趨勢，發(fā)展趨勢整體由偏反勢發(fā)展為均勢，再發(fā)展為偏同勢，2009年、2010年、2012年和2013年處于偏反勢，2011年、2014年、2016年、2017年處于均勢，2015年、2018年處于偏同勢;2012年全偏聯(lián)系數(shù)和減法集對(duì)勢最小，原因是2012年屬于枯水年且水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率最低，水資源承載狀態(tài)差;2018年全偏聯(lián)系數(shù)和減法集對(duì)勢最大，水資源承載狀態(tài)和發(fā)展趨勢均較好。

3.4 鹽城市各指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果及分析

根據(jù)表3、表4，計(jì)算各指標(biāo)的五元聯(lián)系數(shù)，然后采用式（10）計(jì)算出各指標(biāo)的減法集對(duì)勢（見表7），找出脆弱性指標(biāo)。

由表7可知：①水資源量（C1）基本呈偏同勢，其中2013年呈偏反勢，原因是2013年屬于枯水年，年降水量比多年平均降水量減少25.1%;2011年、2015年和2016年呈同勢。②水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率（C2）基本呈反勢，其是鹽城市水資源承載狀態(tài)的脆弱性指標(biāo)，2014年、2015年和2017年呈偏反勢，2018年呈同勢。③社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的減法集對(duì)勢皆呈上升趨勢，其中用水指標(biāo)（C3、C4、C5）基本呈均勢和偏同勢，經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)人均GDP（C6）穩(wěn)步上升，社會(huì)發(fā)展指標(biāo)人口密度（C7）基本呈均勢，原因是隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，用水水平和截污限排能力不斷提高，經(jīng)濟(jì)社會(huì)指標(biāo)的脆弱性隨之降低。④生態(tài)環(huán)境指標(biāo)中的建成區(qū)植被覆蓋率（C8）由偏反勢發(fā)展為均勢，生態(tài)用水占比（C9）受政策、規(guī)劃影響較大，2009年、2010年和2018年呈同勢，其他年份基本呈均勢。

2018年用水指標(biāo)（C3、C4、C5）和生態(tài)用水占比（C9）呈同勢，提升速度較快;單位面積水資源量（C1）和人均GDP（C6）呈偏同勢，發(fā)展?fàn)顟B(tài)也較好;水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率（C2）、人口密度（C7）和建成區(qū)植被覆蓋率（C8）呈均勢，發(fā)展趨勢不確定，預(yù)測未來年份水資源承載狀態(tài)的偏脆弱性指標(biāo)為水環(huán)境相關(guān)指標(biāo)。據(jù)此為鹽城市水資源管理提出以下建議：①加強(qiáng)水功能區(qū)管理，嚴(yán)格按照水功能區(qū)限制納污紅線控制污水排放，解決河湖水質(zhì)污染問題;②做好城市綠化工作，改善生態(tài)環(huán)境;③大力推動(dòng)城鎮(zhèn)管網(wǎng)及污水處理廠建設(shè)，提高污水集中處理率，并加快再生水處理廠建設(shè)，提高中水回用率;④減少農(nóng)業(yè)面源污染，發(fā)展清潔養(yǎng)殖，種養(yǎng)結(jié)合。

4 結(jié) 語

（1）基于五元聯(lián)系數(shù)建立水資源承載狀態(tài)評(píng)價(jià)模型，并引入計(jì)算更簡便、適用性更強(qiáng)的改進(jìn)減法集對(duì)勢方法對(duì)水資源承載狀態(tài)發(fā)展趨勢進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)比偏聯(lián)系數(shù)和改進(jìn)減法集對(duì)勢方法，驗(yàn)證了改進(jìn)減法集對(duì)勢方法的可靠性，為水資源承載狀態(tài)評(píng)價(jià)研究提供了新思路。改進(jìn)減法集對(duì)勢方法考慮了不同差異度分量對(duì)發(fā)展趨勢的影響，本研究差異度分量的影響系數(shù)按照平均情況取值，如何根據(jù)不同差異度分量對(duì)發(fā)展趨勢的不同影響程度確定系數(shù)取值，需要下一步深入研究。