基于多層次模糊評價模型的水資源承載力研究

肖 瑜，王方圓

(濟南市水利建筑勘測設(shè)計研究院有限公司，山東 濟南 250014)

1 研究區(qū)概況

青海省海西蒙古族藏族自治州(簡稱海西州)位于青藏高原的北部，青海省的西部。全州東西長837km，南北寬486km。海西州轄德令哈、格爾木及茫崖市，天峻、都蘭及烏蘭縣和大柴旦行委，總面積32.58萬km2。州域主體為中國四大盆地之一的柴達木盆地，具有典型高寒干燥大陸性氣候特征，盆地中心為干旱荒漠區(qū)，多年平均年降水深115.4mm，多年平均水面蒸發(fā)量高達1600mm左右。近年來，海西州發(fā)揮區(qū)域資源優(yōu)勢，創(chuàng)建柴達木國家級循環(huán)工業(yè)園區(qū)，國民經(jīng)濟取得快速發(fā)展的同時，水資源量需求逐年攀升，國民經(jīng)濟需水與水生態(tài)環(huán)境之間的矛盾初現(xiàn)，為實現(xiàn)海西州水資源合理開發(fā)利用，促進社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，對海西州進行水資源承載力評價，將為區(qū)域水資源可持續(xù)利用提供參考。

2 評價模型建立和指標分級標準

2.1 研究方法及數(shù)據(jù)來源

水資源是社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)資源，水資源的合理利用能夠促進社會經(jīng)濟、環(huán)境持續(xù)向好，反之，水資源對社會經(jīng)濟發(fā)展起限制作用。水資源對區(qū)域社會系統(tǒng)發(fā)展的支撐力度或程度可用水資源承載力表示，水資源承載力的定義方法眾多，目前尚未形成一致成果[1]。承載力的定義可歸納為3類，一是水資源可開發(fā)利用的上限，二是水資源可支撐的社會系統(tǒng)能夠良性循環(huán)的規(guī)模，三是將兩者或更多的因素綜合評價，得到一個較為合理可行的指標。關(guān)于水資源承載力的研究方法較多，有主成分分析法[2]、常規(guī)趨勢法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[3]、綜合評價法和系統(tǒng)動力學(xué)法[4]等。由于我國地域遼闊，水資源時空分布差異巨大，加之人口規(guī)模、經(jīng)濟發(fā)展、科技水平等因素，水資源承載力評價方法在各地區(qū)的應(yīng)用存在差異。總體來看，由于水資源承載力具有隨機性、模糊性等特點[5]，模糊綜合評價法與熵權(quán)法[6]在解決水資源承載力方面具有獨特優(yōu)勢。近年來，模糊綜合評價模型得到較為廣泛的應(yīng)用，其結(jié)果的可靠性和準確性得到驗證[7- 8]。本文通過構(gòu)建多層次模糊綜合評價模型，將隸屬度矩陣與因素的權(quán)向量進行模糊化運算，對海西州水資源承載力進行評價。指標權(quán)重的計算尚未有公認的最佳方法[8]，確定方法主要包括兩類：一類為主觀賦權(quán)法，包括層次分析法、專家調(diào)查法、環(huán)比評分法，其優(yōu)點是對于難以量化的評價指標，可以通過經(jīng)驗賦權(quán)值，得到貼近實際的結(jié)果，缺點是權(quán)值易受人為主觀因素影響；另一類為客觀賦值法，有熵權(quán)法、多目標分析法等，優(yōu)點是權(quán)值的確定可以有效避免主觀因素影響，但對于不同決策目標，難以反應(yīng)指標對目標的優(yōu)先級。本次采用層次分析法和熵權(quán)法對指標權(quán)重進行計算，力求做到主客觀結(jié)合，權(quán)重適宜。

2.2 模糊綜合評價模型

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論，模糊評判可用W⊙R=B模式描述。其中W為輸入，即參評因子權(quán)重集，是一個1×m階行矩陣；R為模糊變換器，即由單因子評價行矩陣組成m×n階模糊關(guān)系矩陣；B為輸出，即為綜合評判結(jié)果，稱為評價矩陣，為一個1×n階行矩陣[9]。模糊評判就是對擬評判對象選定一些主要因素，先進行單因素評判，評價結(jié)果構(gòu)成模糊關(guān)系矩陣R[10]，再考慮諸因素在總綜合評判中的地位，求取R和W的過程。

(1)

其中“⊙”為模糊合成算子。常用的模糊算子有4種[11]，分別為M(∧，∨)算子、M(·，∨)算子、M(∧，⊕)算子和M(·，⊕)算子。對同一因素集用不同的模糊算子會使評價的結(jié)果產(chǎn)生差異，M(·，⊕)算子比較適用于多因素起作用的情況[12]，本文采用M(·，⊕)算子進行模糊綜合計算。

2.3 評價指標體系建立

水資源承載力系統(tǒng)并非一個獨立存在的系統(tǒng)，而是由水資源、經(jīng)濟、社會、生態(tài)環(huán)境4個與人類密切相關(guān)的子系統(tǒng)組合起來的一個錯綜復(fù)雜的耦合系統(tǒng)。對于其評價指標的選取，不僅要覆蓋范圍廣，且需要有代表性[13]，選擇能夠反映研究區(qū)域特征的獨特性指標對研究結(jié)果的準確性有較大影響。為能夠全面真實地反映研究區(qū)水資源承載力情況，考慮柴達木盆地植被覆蓋度低、土壤組成松散，水土保持對水資源承載力影響[14]作用，綜合選取包括水土流失率在內(nèi)的14個評價指標，構(gòu)建包含水資源、經(jīng)濟系統(tǒng)、社會系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)4個子系統(tǒng)的水資源承載力評價指標體系。將指標強弱分為5個檔，從低到高依次為弱、較弱、一般、較強和強。指標強弱分級主要參考青海省和西北地區(qū)先進水平。模糊綜合評價模型及指標分級標準見表1。

3 權(quán)重確定

綜合層次分析法與熵權(quán)法，得到綜合主客觀因素的指標權(quán)重W。

W=(Wi)1×n

(2)

(3)

表1 模糊綜合評價模型及指標分級標準表

層次分析法的基礎(chǔ)是比較判斷矩陣。由于每個準則都支配下一層若干個因素，這樣對于每一個準則及他所支配的因素都可以得到一個比較判斷矩陣。判斷矩陣的構(gòu)建應(yīng)得到一致性檢驗通過，若一致性比例CR=CI/RI<0.1，則認為矩陣一致性檢驗通過。RI為平均隨機一致性指標，CI為一致性指標。

(4)

式中，λmax—判斷矩陣的最大特征值；n—判斷矩陣階數(shù)。計算結(jié)果一致性指標均小于0.1，見表2，矩陣一致性檢驗通過。

表2 層次分析法權(quán)重計算結(jié)果

熵值在信息論中表示信息無序化程度的度量[15]。采用2004—2015年之間15年數(shù)據(jù)應(yīng)用熵權(quán)法進行權(quán)重分析，將所得權(quán)重Wi′按式(3)進行計算，得到最終綜合指標權(quán)重，結(jié)果見表3。

4 結(jié)果分析

所得綜合權(quán)重W與評價矩陣R進行模糊運算，得到評判結(jié)果B(表4)。為能更加直觀評價水資源綜合承載力，令評語等級集合為各等級賦值為V={0.1，0.3，0.5，0.7，0.9}，進行運算后，可以得到海西州水資源承載力綜合得分。

(1)海西州水資源承載力綜合得分為0.4，水資源承載力介于較弱與一般狀態(tài)之間。說明海西州水資源開發(fā)利用存在不可持續(xù)問題，國民經(jīng)濟發(fā)展與水資源承載力的矛盾尚未得到重視，水資源承載力正在轉(zhuǎn)變?yōu)樯鐣?jīng)濟快速發(fā)展、生態(tài)環(huán)境優(yōu)化的限制因素。

表3 水資源承載力各級評價指標綜合權(quán)重

(2)海西州水資源承載力水資源系統(tǒng)評價等級為一般，這與海西州地廣人稀，人均水資源量高、水資源開發(fā)利用率低，但產(chǎn)水模數(shù)較低的實際相吻合；經(jīng)濟系統(tǒng)評價等級為一般，海西州工業(yè)用水水平較高，但區(qū)內(nèi)都蘭縣、天峻縣為農(nóng)業(yè)、牧業(yè)大縣，萬元GDP用水水平偏低；社會系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)評價等級為弱，是水資源承載力提高的主要壓力源。

(3)社會系統(tǒng)中的畝均灌溉用水量和生態(tài)系統(tǒng)中的水土流失率是水資源承載力提高的主要限制因素。海西州現(xiàn)狀灌溉水利用系數(shù)0.48，遠低于西北先進地區(qū)，未來海西州應(yīng)加快推進灌區(qū)節(jié)水改造、優(yōu)化作物種植結(jié)構(gòu)，提高灌溉水利用系數(shù)，減少農(nóng)田畝均灌溉用水量。同時，推進水土保持治理和小流域生態(tài)環(huán)境綜合治理，逐步降低水土流失率。

評價結(jié)果表明，海西州因國土面積廣闊，人均水資源量、人口密度、單位面積廢污水排放量等指標評分領(lǐng)先，但由于自然生態(tài)系統(tǒng)脆弱、用水效率不高等因素，總體水資源承載力較弱。海西州應(yīng)立足“三個最大”省情定位，走資源可持續(xù)發(fā)展道路，建議進一步深入開展水資源承載力研究，挖掘、提升區(qū)域發(fā)展?jié)摿Α?/p>

表4 海西州水資源承載力評價結(jié)果

5 結(jié)語

通過篩選切合海西州實際的評價指標，建立起水資源系統(tǒng)-經(jīng)濟系統(tǒng)-社會系統(tǒng)-生態(tài)系統(tǒng)耦合的多層次模糊評價模型，對海西州水資源承載力進行評價，取得了較好效果，文章對高寒地區(qū)水資源承載力評價具有一定的指導(dǎo)意義。由于水資源承載力評價指標和方法眾多，從眾多指標和方法中構(gòu)建適合評價區(qū)域?qū)嶋H的模型是一項復(fù)雜的工作，進一步開展評價機理研究和評價方法篩選將是下一步高寒地區(qū)水資源承載力評價的重要工作。