基于云模型的西寧市水資源承載力評價(jià)

李治軍 ， 王美波

（1.黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江大學(xué)寒區(qū)地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080）

2018 年2 月，國務(wù)院通過《蘭州—西寧城市群發(fā)展規(guī)劃》 要把蘭西城市群發(fā)展成維護(hù)西北經(jīng)濟(jì)生態(tài)穩(wěn)定的重要城市群。 蘭西城市群的發(fā)展，對于保障國家生態(tài)安全具有重要作用[1]。 水資源是人類賴以生存的必要條件，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，水資源承載力是否良好對于城市能否實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展起著重要的作用。

目前對水資源承載能力的研究主要分為3類：區(qū)域水資源承載狀態(tài)的評價(jià)、區(qū)域某狀態(tài)下水資源承載能力評價(jià)、 某地區(qū)水資源承載能力最大值的尋求。 要想了解一個(gè)地區(qū)的水資源承載能力，就要用某個(gè)評價(jià)方法對該地區(qū)水資源承載力進(jìn)行分析， 水資源承載能力的評價(jià)方法主要有模糊綜合評價(jià)法、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法、TOPSIS 法、主成分分析法、云模型法等。 例如，周艷梅[2]利用模糊綜合評價(jià)法對菏澤市水資源承載力進(jìn)行了預(yù)測；劉夏[3]等利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型對我國最大的內(nèi)陸干旱區(qū)流域的水資源承載力進(jìn)行了研究； 徐政華[4]等利用TOPSIS 模型對長春市的水資源承載力進(jìn)行了研究；程芳芳[5]利用主成分分析法選取了14 個(gè)指標(biāo)對太原的水資源承載力狀況進(jìn)行了分析；王文川[6]等利用云模型法對石羊河流域水資源承載力狀況進(jìn)行了分析。 在以上研究的基礎(chǔ)上， 本文采用熵權(quán)-G1 組合賦權(quán)的云模型法對西寧市的水資源承載力進(jìn)行評價(jià)。 該方法確定權(quán)重時(shí)大多是利用熵權(quán)法和G1 法分別確定指標(biāo)的權(quán)重，最后再求出組合權(quán)重。 本文在參考各種文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，利用另一種組合方法即：先利用熵權(quán)法求出客觀權(quán)重，之后直接利用熵權(quán)法所確定權(quán)重的大小關(guān)系作為G1法所需的唯一序關(guān)系，再直接利用G1 法求出最終的權(quán)重[7]，此方法結(jié)合了主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法的特點(diǎn)，使評價(jià)結(jié)果更合理。 云模型理論是李德毅院士等人首次提出的，可實(shí)現(xiàn)不確定性問題定性與定量之間的轉(zhuǎn)化[8]。 本文利用云模型進(jìn)行評價(jià)時(shí)，首先計(jì)算出云模型的特征參數(shù)，繼而進(jìn)行單指標(biāo)隸屬度的計(jì)算， 之后計(jì)算得到樣本綜合隸屬度和評價(jià)樣本等級，最后進(jìn)行水資源承載力的分析。相比于其他的評價(jià)方法， 云模型應(yīng)用到水資源承載力評價(jià)中， 更好的展現(xiàn)了水資源承載力的不確定性。

1 數(shù)據(jù)來源與評價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文的原始數(shù)據(jù)均來自于2012—2020 年《青海省水資源公報(bào)》《青海省統(tǒng)計(jì)年鑒》，并整理計(jì)算得到。

1.2 評價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

水資源承載力評價(jià)指標(biāo)的選取應(yīng)遵循科學(xué)性、全面性和可行性等特點(diǎn)。 在分析國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上， 綜合考慮西寧市的特點(diǎn)， 本文選取水資源-社會(huì)經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境準(zhǔn)則層， 并在這個(gè)準(zhǔn)則層下選取11 個(gè)評價(jià)指標(biāo)。 在水資源子系統(tǒng)中選取人均水資源量、年降水量、人均用水量、地表水資源量4 個(gè)指標(biāo)； 在社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)中選取萬元GDP用水量、第三產(chǎn)業(yè)比重、人均生活日用水量、工業(yè)用水量4 個(gè)指標(biāo)； 在生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)下選取萬元工業(yè)增加用水量、農(nóng)田灌溉畝均用水、生態(tài)用水率3 個(gè)指標(biāo)。西寧市水資源承載力評價(jià)指標(biāo)體系如表1；根據(jù)相關(guān)的水資源承載力的研究，結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，將水資源承載力評價(jià)指標(biāo)劃分為Ⅰ-Ⅴ級，評價(jià)指標(biāo)等級標(biāo)準(zhǔn)如表2。

表1 西寧市水資源承載力評價(jià)指標(biāo)體系

表2 評價(jià)指標(biāo)等級標(biāo)準(zhǔn)

2 研究方法

2.1 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

如果只使用一種方法計(jì)算權(quán)重會(huì)使指標(biāo)產(chǎn)生較大的差異性， 所以本文采用主客觀結(jié)合的組合賦權(quán)法計(jì)算權(quán)重。 即先用熵權(quán)法確定評價(jià)指標(biāo)的客觀權(quán)重， 再對熵權(quán)法所確定的權(quán)重的大小關(guān)系進(jìn)行排序， 其權(quán)重的排序作為G1 法唯一的序關(guān)系，再根據(jù)G1 法計(jì)算權(quán)重，所得的權(quán)重即為最終的權(quán)重。

2.1.1 熵權(quán)法確定權(quán)重

熵權(quán)法是客觀賦權(quán)法的一種， 它是根據(jù)各指標(biāo)的差異性來計(jì)算權(quán)重， 其計(jì)算結(jié)果能夠客觀的反映出各個(gè)數(shù)據(jù)的信息[9]，計(jì)算過程如下：

（1）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

正向指標(biāo)

負(fù)向指標(biāo)

其中，amax和amin分別表示指標(biāo)的最大值與最小值；aij′表示標(biāo)準(zhǔn)化后的值。

（2）計(jì)算指標(biāo)的信息熵

（3）客觀權(quán)重的計(jì)算

2.1.2 G1 法確定權(quán)重

（1）確定序關(guān)系a1＞a2＞a3＞…＞an-1＞an，本文中序關(guān)系已由熵權(quán)法計(jì)算得出；

（2） 由專家組給出各指標(biāo)間相對重要程度之比，即rk：

其中rk的理性賦值可參考程度良[10]等的文獻(xiàn)得到。

（3）最終權(quán)重的計(jì)算

根據(jù)各個(gè)指標(biāo)的數(shù)據(jù)以及式（1）-（7）計(jì)算得到西寧市水資源承載力評價(jià)指標(biāo)權(quán)重（表3）。

表3 西寧市水資源承載力評價(jià)指標(biāo)權(quán)重

2.2 云模型

云模型由若干云滴組成。 每個(gè)云滴是一個(gè)確定的點(diǎn)，這些確定的點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)不確定的云。 每個(gè)云都包含三個(gè)特征數(shù)即：Ex 期望，表示云滴在計(jì)算空間中的期望；En 熵， 表示云團(tuán)不確定性的大??；He 超熵，表示En 的不確定性程度。 云模型的使用就是實(shí)現(xiàn)云發(fā)生器，云發(fā)生器有兩種：正向云發(fā)生器：由（Ex，En，He）生成云團(tuán)；逆向云發(fā)生器：從云團(tuán)中提?。‥x，En，He）[11]，本文使用正向云發(fā)生器。云模型的計(jì)算過程如下：

2.2.1 云模型特征參數(shù)的計(jì)算

式中：xmax和xmin分別表示評價(jià)指標(biāo)等級標(biāo)準(zhǔn)中的最大值和最小值；本文中He取0.001。 依據(jù)表2 以及式（8）計(jì)算得到西寧市水資源承載能力不同等級云模型參數(shù)（表4）。

表4 西寧市水資源承載力不同等級云模型參數(shù)

2.2.2 單指標(biāo)隸屬度ujl的計(jì)算

根據(jù)云模型的3 個(gè)特征參數(shù)， 利用正向云發(fā)生器計(jì)算得到ujl，ujl表示指標(biāo)j 的第l 等級的隸屬度。

2.2.3 樣本綜合隸屬度gl的計(jì)算

2.2.4 評價(jià)樣本等級的計(jì)算

樣本等級的計(jì)算采用最大隸屬度原則， 評價(jià)樣本級別特征值k′的計(jì)算采用級別特征值法。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 計(jì)算結(jié)果

利用ujl和準(zhǔn)則層內(nèi)部權(quán)重， 計(jì)算得到準(zhǔn)則層各個(gè)子系統(tǒng)各等級水資源安全隸屬度矩陣， 采用最大隸屬度原則確定其安全評價(jià)等級， 同理可得西寧市水資源安全綜合隸屬度和評價(jià)等級（表5）。本文選取4 年的云模型圖作為示例，云模型如圖1所示。

圖1 綜合評價(jià)等級云模型圖

表5 西寧市水資源安全評價(jià)等級

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 權(quán)重分析

由表3 可得，從準(zhǔn)則層權(quán)重所占比例來看，水資源子系統(tǒng)所占比例最高，共占39.48%。從準(zhǔn)則層內(nèi)部權(quán)重來看，水資源子系統(tǒng)中前兩位分別為：人均用水量、地表水資源量，其所占權(quán)重比例分別為26.43%、24.57%； 社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)前兩位分別為：人均生活日用水量、第三產(chǎn)業(yè)比重，其所占權(quán)重比例分別為30.83%、28.02%；生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)前兩位分別為農(nóng)田畝均灌溉用水、生態(tài)用水率，其所占權(quán)重比例分別為33.98%、33.63%。

3.2.2 水資源安全評價(jià)結(jié)果分析

從水資源子系統(tǒng)來看，2013、2015 和2016 年為不安全等級，2020 年為安全等級，其余幾年都為基本安全。 這是因?yàn)樵?013 年人均水資源量461m3，屬于不安全等級，年降水量469.2mm，接近不安全等級。 2015 年人均用水量達(dá)到了247mm3，屬于不安全等級， 且年降水量相較于其他年份有所減少。2016 年地表水資源量11.93 億m3，同樣屬于不安全等級。2020 年人均水資源量、年降水量和地表水資源量都達(dá)到了安全等級， 且人均用水量達(dá)到了最低，這使得2020 年的安全評價(jià)等級達(dá)到了最高。

從社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)來看，2012—2018 年為基本安全等級，2019—2020 年為安全等級。這是因?yàn)槿f元GDP 用水量在2019 年為44m3， 并且在2020年達(dá)到了最低水平33m3，均處于非常安全等級。 第三產(chǎn)業(yè)比重2019 年和2020 年分別達(dá)到了66.1%、65.3%，均處于安全等級。 人均生活日用水量和工業(yè)用水量在這兩年都有減少。 在2012—2020 年西寧市第三產(chǎn)業(yè)比重正在逐漸上升， 而工業(yè)用水量正在逐年減少， 這表明西寧市在近年來正在努力的進(jìn)行產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)變， 這也使得社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的安全評價(jià)等級得到了提高。

從生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)來看，2012—2014 年為安全等級，2015—2020 年為基本安全等級。這是因?yàn)檗r(nóng)田灌溉畝均用水和萬元工業(yè)增加用水量雖有一定的減少，但是生態(tài)環(huán)境用水率逐年增加，這使得2014—2015 年安全評價(jià)等級由安全轉(zhuǎn)變?yōu)榛景踩?但是生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)安全評價(jià)等級整體較好，均達(dá)到了基本安全及以上等級。

從綜合評價(jià)等級來看，2012—2020 年安全等級有上升的趨勢， 說明西寧市整體的水資源承載力正在穩(wěn)步上升。

3.2.3 評價(jià)結(jié)果對比

為了驗(yàn)證評價(jià)結(jié)果的可靠性， 本文又利用TOPSIS 模型對西寧市水資源承載力進(jìn)行了分析，在2012—2017 年以及2019 年安全評價(jià)等級為Ⅲ，2018 和2020 年安全評價(jià)等級為Ⅱ，僅在2018年云模型法與TOPSIS 法評價(jià)結(jié)果等級相差1 級，這表明云模型法在評價(jià)該地區(qū)水資源承載力時(shí)可靠性高，評價(jià)結(jié)果合理。

4 結(jié)論

（1） 采用云模型對西寧市水資源承載力進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明2012—2020 年西寧市水資源承載力發(fā)展趨勢為穩(wěn)定上升。2020 年為安全等級，水資源承載力達(dá)到了最高， 屬于水資源十分充足的狀態(tài)。 研究結(jié)果表明，西寧市水資源承載力整體的狀況較好,能夠滿足西寧市生產(chǎn)和生活的需要。

（2） 云模型法與TOPSIS 法評價(jià)結(jié)果基本相同， 這表明基于云模型的評價(jià)方法具有可靠性和科學(xué)性。

（3）根據(jù)分析結(jié)果結(jié)合西寧市的水資源特點(diǎn)，要堅(jiān)持高效用水，源頭護(hù)水，全民節(jié)水，才能進(jìn)一步提高西寧市的水資源承載力。