基于模糊綜合評(píng)價(jià)模型的綏濱縣水資源承載力研究與探討

李 瑩，王立權(quán)，董 鶴，陳 楷

(1．黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2．黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 研究背景與研究方法

1.1 研究背景

我國有許多城市面臨著水資源短缺的問題[1-2]。水資源承載力是城市可持續(xù)發(fā)展的基本指標(biāo)和前提條件[3-4]，綏濱縣作為水資源超載區(qū)，研究其水資源承載力是非常有意義的。近年來有很多學(xué)者對(duì)水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)，如周振民等[5]基于模糊綜合評(píng)價(jià)模型評(píng)價(jià)鶴壁市水資源承載力；孫海波等[6]基于模糊綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)遼陽市水資源承載能力進(jìn)行評(píng)估；何青等[7]基于模糊權(quán)物元理論對(duì)地下水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

1.2 區(qū)域概況

綏濱縣地處黑龍江省東北部，松花江和黑龍江之間的三江平原地區(qū)，所在區(qū)域是黑龍江省糧食主產(chǎn)區(qū)，近年來隨著農(nóng)田灌溉面積的增加，轄區(qū)域內(nèi)地下水開采量逐年增加，到2020年，綏濱縣地下水開采量已達(dá)8.94億m3，嚴(yán)重超過該縣2020年地下水開發(fā)利用控制指標(biāo)5.99億m3和2030年地下水開發(fā)利用控制指標(biāo)3.64億m3，屬嚴(yán)重超載地區(qū)。

1.3 研究方法

本文從環(huán)境子系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)、社會(huì)子系統(tǒng)、生態(tài)子系統(tǒng)等方面選取10個(gè)模糊評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建模糊綜合評(píng)價(jià)體系，對(duì)綏濱縣水資源承載力進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，通過熵權(quán)法對(duì)綏濱縣水資源承載力進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)[8]，熵權(quán)法是將水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，利用信息熵得到各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重[9]，為建立模糊綜合評(píng)價(jià)模型提供依據(jù)。將主觀結(jié)果與客觀影響結(jié)合，從而準(zhǔn)確地對(duì)綏濱縣水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 模糊評(píng)價(jià)水資源承載力

2.1 影響水資源承載力的因素

影響水資源承載力的因素是多角度、多方面的。水資源承載力的強(qiáng)弱直接影響到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境以及生態(tài)的發(fā)展，社會(huì)、生態(tài)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也會(huì)反作用于水資源承載力[10]。

本文將選擇最能體現(xiàn)問題實(shí)質(zhì)的主要因素來評(píng)價(jià)綏濱縣水資源承載力。

(1)環(huán)境子系統(tǒng) 。環(huán)境子系統(tǒng)主要是從水資源方面展開的，主要包括水資源的蘊(yùn)藏能力與水資源的開發(fā)利用程度。對(duì)于綏濱縣而言，水資源的稟賦很關(guān)鍵，但能夠真正被有效開發(fā)利用的水資源量相比于水資源數(shù)量更加重要。影響水資源開發(fā)利用的因素有很多，其中比較關(guān)鍵的是水資源總量多少和開采難易程度。

(2) 經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)。經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)是水資源支撐的主體。我國之所以經(jīng)濟(jì)發(fā)展如此快速，離不開水資源的加持。在整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展過程中，其增長速度與需水量呈正相關(guān)；在國民經(jīng)濟(jì)中產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化都會(huì)對(duì)水資源質(zhì)和量提出新的要求，對(duì)水資源需求影響比較大。所以產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)指標(biāo)和GDP指標(biāo)是一項(xiàng)衡量經(jīng)濟(jì)發(fā)展活躍程度的全面性指標(biāo)，本文采用產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相關(guān)指標(biāo)、GDP相關(guān)指標(biāo)來衡量綏濱縣經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。

(3)社會(huì)子系統(tǒng)。人口數(shù)量與結(jié)構(gòu)。社會(huì)子系統(tǒng)主要以人為研究對(duì)象。人口越多，水資源的消耗越大。目前社會(huì)系統(tǒng)中人口主要分為城鎮(zhèn)居民人口和農(nóng)村居民人口。隨著城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，城鎮(zhèn)居民人口越來越多，社會(huì)子系統(tǒng)對(duì)水資源的消耗也一直上升。所以本文采用城鎮(zhèn)居民人均日用水量、農(nóng)村居民人均日用水量等指標(biāo)來評(píng)價(jià)綏濱縣水資源承載力。

(4) 生態(tài)子系統(tǒng).水資源質(zhì)和量是確保維持生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)良性循環(huán)發(fā)展的主要前提條件，同時(shí)生態(tài)環(huán)境反過來對(duì)水資源具有涵養(yǎng)和凈化功能。因此，本文選取生態(tài)環(huán)境用水率來評(píng)價(jià)水資源承載力。

2.2 水資源評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的確立

(1)目標(biāo)層 U。本研究確定的目標(biāo)層 U為綏濱縣水資源承載力。

(2)系統(tǒng)層 Ui。本文的系統(tǒng)層 Ui是根據(jù)影響水資源承載力的因素來確定的，主要表現(xiàn)在四方面：環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)。設(shè)立四大系統(tǒng)層，在這四大方面選擇指標(biāo)體系，以便精確、全面地反映區(qū)域的水資源承載力。

(3)指標(biāo)層 C。通過綏濱縣水資源承載力的實(shí)際情況，結(jié)合影響綏濱縣水資源承載力的主要因素，從環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)四個(gè)方向選取10個(gè)具有代表性的評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)成綏濱縣水資源承載力評(píng)價(jià)體系。指標(biāo)的選取遵循指標(biāo)選取原則。參考我國水資源評(píng)價(jià)中指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及其他學(xué)者的研究成果[11]，將指標(biāo)體系中每個(gè)指標(biāo)分為三個(gè)等級(jí)，對(duì)水資源承載力進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)。各分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值見表1，綏濱縣水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)際數(shù)據(jù)見表2。

表1 綏濱縣水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)

表2 綏濱縣水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)際數(shù)據(jù)

2.3 熵權(quán)評(píng)價(jià)模型

通過對(duì)水資源承載力指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，目的是為了消除指標(biāo)不同單位帶來的影響。評(píng)價(jià)對(duì)象有m個(gè)，每個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象有n個(gè)指標(biāo)，則構(gòu)成判斷矩陣X，見式(1)：

X=(xij)n m,i=1,2,…,n,j=1,2,…,m

(1)

對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Y，Y對(duì)于偏大型 指標(biāo)和偏小型指標(biāo)有以下計(jì)算方法。

當(dāng)評(píng)價(jià)指標(biāo)越大越優(yōu)化時(shí)，見式(2)：

(2)

式中：xij為第i行第j列數(shù)據(jù)；xmin為第j列的最小值；xmax為第j列的最大值。

當(dāng)評(píng)價(jià)指標(biāo)值越小越優(yōu)時(shí)，見式(3)：

(3)

求評(píng)價(jià)指標(biāo)的信息熵Ei，見式(4)～式(5)：

(4)

(5)

式中：Yij為標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Y中元素;Pij=0時(shí)，則定義limPijlnPij=0。根據(jù)式(6)得出各指標(biāo)權(quán)重集。

(6)

式中：Wi為第i行指標(biāo)權(quán)重；Ei為第i行信息熵。

從上面公式可計(jì)算出水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系所占的權(quán)重。見表3。

表3 水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系權(quán)重

2.4 模糊評(píng)價(jià)模型

2.4.1 確定評(píng)價(jià)因素和評(píng)價(jià)等級(jí)

構(gòu)建評(píng)價(jià)因素集合：設(shè)X={x1,x2,…,xn}為評(píng)價(jià)對(duì)象的n種評(píng)價(jià)指標(biāo)[12]。

構(gòu)建評(píng)價(jià)等級(jí)集合：設(shè)V={v1,v2,vk,…}為評(píng)價(jià)等級(jí)，其中m表示評(píng)價(jià)等級(jí)個(gè)數(shù)，一般為3～5個(gè)等級(jí)。

2.4.2 建立隸屬度矩陣

在得到指標(biāo)所占權(quán)重后，要對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣X進(jìn)行量化，通過隸屬函數(shù)表達(dá)式算出每個(gè)指標(biāo)的隸屬度，以rij表示，K1為v1和v2的臨界值，K3為v2和v3的臨界值，K2為等級(jí)v2的中間值K2=(K1+K3)/2。進(jìn)而得到隸屬度矩陣R。隸屬函數(shù)表達(dá)式如下式(7)～式(9) ：

(7)

(8)

(9)

合成綜合評(píng)價(jià)結(jié)果向量，見式(10)：

B={b1,b2,b3,…,bm}=W·R

(10)

式中：W={w1,w2,…,wn}為每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)集。

為更好反映區(qū)域時(shí)間維度上水資源承載力的變化，對(duì)v1、v2、v3進(jìn)行賦值，分別為0.95、0.5、0.05，根據(jù)式(11)得出綜合評(píng)價(jià)值A(chǔ)。

(11)

式中：k為各等級(jí)指標(biāo)對(duì)水資源承載力的影響程度，取1。

綜上所述，2015—2020年綏濱縣水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果見表4所示。

表4 2015—2020年綏濱縣水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果

通過分析綏濱縣近6年的水資源承載力，可以得到水資源承載力趨勢(shì)為先上升后下降，見圖1，最低值在2020年，水資源承載力指數(shù)為0.373，最高值在2017年，水資源承載力指數(shù)為0.511，2015—2017年水資源承載力指數(shù)上升的原因可能是三江平原區(qū)旱改水影響，政府的監(jiān)督與倡導(dǎo)工作的落實(shí)。2017—2020年水資源承載力指數(shù)下降的原因可能是引進(jìn)其他大項(xiàng)目導(dǎo)致對(duì)用水量的需求增大；隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)需水量增加。所以應(yīng)采取措施提高其水資源承載力，實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用。

綏濱縣是以農(nóng)業(yè)為主的縣市，從表2、圖1可以看出，水資源的開發(fā)利用主要是以地下水為主，地下水的過度開發(fā)利用是導(dǎo)致綏濱縣水資源承載力低下的重要原因，所以提高綏濱縣的水資源承載力可以通過對(duì)綏濱縣地下水的用水結(jié)構(gòu)以及用量進(jìn)行分析，從而對(duì)綏濱縣地下水進(jìn)行壓采來實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用。

圖1 2015—2020年綏濱縣水資源承載力指數(shù)

3 結(jié) 論

通過模糊評(píng)價(jià)模型對(duì)綏濱縣近幾年的水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以得到綏濱縣的水資源承載指數(shù)呈先上升后下降趨勢(shì)，水資源承載力總體不高。而綏濱縣的水資源主要以地下水開發(fā)利用為主。所以若想提高地下水承載力，可通過對(duì)綏濱縣地下水進(jìn)行壓采、水源置換等方式來實(shí)現(xiàn)。