面向區(qū)域水資源生態(tài)安全評價(jià)的可拓云模型

王 鵬

(包頭市水利事業(yè)發(fā)展中心，內(nèi)蒙古 包頭 014030)

隨著生產(chǎn)活動(dòng)的日益增加，區(qū)域水資源生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)退化趨勢，水體生態(tài)因受到污染而遭到破壞[1]。水資源是區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略資源，與人們生活和區(qū)域經(jīng)濟(jì)緊密相關(guān)，有必要治理水資源生態(tài)系統(tǒng)，解決水資源生態(tài)環(huán)境問題[2-3]。水資源生態(tài)安全評價(jià)是制定區(qū)域水安全戰(zhàn)略的基礎(chǔ)，由于各個(gè)水資源生態(tài)系統(tǒng)的自然特征存在差異，應(yīng)對流域進(jìn)行分級管理，分析影響水資源生態(tài)系統(tǒng)的因素，為各個(gè)區(qū)域水安全戰(zhàn)略提出針對性指導(dǎo)意見，從而提高水資源水質(zhì)，改善流域水生態(tài)系統(tǒng)，促進(jìn)水生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展，保證水資源生態(tài)安全[4-5]。

現(xiàn)階段，區(qū)域水資源生態(tài)安全評價(jià)相關(guān)研究較為成熟，國外有效結(jié)合多個(gè)區(qū)域特征指標(biāo)，包括土地利用、植物、土壤等，賦予區(qū)域特征指標(biāo)權(quán)重，采用模糊評價(jià)法等，分析陸地生態(tài)系統(tǒng)和水資源生態(tài)系統(tǒng)之間相關(guān)程度高的關(guān)鍵因素，以水體類型和水生態(tài)區(qū)為基礎(chǔ)，評價(jià)水體的生態(tài)狀況，以此搭建水資源生態(tài)分區(qū)體系[6]。國內(nèi)以水文特征時(shí)空差異為依據(jù)，分析水生態(tài)區(qū)和功能區(qū)的關(guān)系，結(jié)合水資源生態(tài)特征、空間數(shù)據(jù)、自然屬性，通過層次分析、主成分分析等方法，確定各個(gè)指標(biāo)對水生態(tài)安全的影響程度，得到水生態(tài)安全效用值，得到水環(huán)境安全等級[7]。

為了掌握區(qū)域水資源生態(tài)安全狀況，實(shí)現(xiàn)流域水資源分級管理，構(gòu)建了區(qū)域水資源生態(tài)安全評價(jià)的可拓云模型。

1 研究方法

1.1 構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)體系

在構(gòu)建區(qū)域水資源生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系過程中，各個(gè)評價(jià)指標(biāo)之間不相容或是存在矛盾，本文根據(jù)實(shí)際情況，遵循科學(xué)性、系統(tǒng)性、客觀性、動(dòng)態(tài)性以及綜合性等原則，分析區(qū)域水資源生態(tài)安全影響因素，構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)體系。該指標(biāo)體系的具體描述如圖1所示。

圖1 區(qū)域水資源生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系Fig.1 Evaluation index system of regional water resources ecological security

將水資源生態(tài)系統(tǒng)劃分為4個(gè)子系統(tǒng)，分別為壓力指標(biāo)、狀態(tài)指標(biāo)、管理指標(biāo)、響應(yīng)指標(biāo)，通過壓力指標(biāo)反映人們生產(chǎn)活動(dòng)對區(qū)域水資源造成的負(fù)荷，響應(yīng)指標(biāo)表示人們面對水資源生態(tài)環(huán)境問題實(shí)施的治理措施和政治對策；管理指標(biāo)反映水資源開發(fā)利用情況；狀態(tài)指標(biāo)可以充分反映水資源生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況[8-9]。挑選壓力指標(biāo)、狀態(tài)指標(biāo)、管理指標(biāo)、響應(yīng)指標(biāo)的次級指標(biāo)，得到評價(jià)指標(biāo)體系[10]。正向指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理公式為：

(1)

式中，Aij為第i年第j個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值；maxaij、minaij分別為原始值的最大值與最小值[11]。

負(fù)向指標(biāo)處理公式為：

(2)

通過式(1)和式(2)，消除各項(xiàng)指標(biāo)之間的量綱，使其具備可比性[12]。至此完成評價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建。

1.2 計(jì)算評價(jià)指標(biāo)權(quán)重

計(jì)算指標(biāo)變異權(quán)重、熵權(quán)、模糊權(quán)重，得到指標(biāo)組合權(quán)重。計(jì)算指標(biāo)j均值Bj，指標(biāo)j變異權(quán)重cj，指標(biāo)熵值dj，熵權(quán)Ej[13-14]。設(shè)第o年第j個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值為Aoj，o∈(l，m)，建立各個(gè)年份評價(jià)指標(biāo)的模糊矩陣(eoj)n×n。

將(eoj)n×n的最大矩陣元作為指標(biāo)j的置信水平Fj，計(jì)算模糊權(quán)重fj。根據(jù)變異權(quán)重cj、熵權(quán)Ej、模糊權(quán)重fj，計(jì)算指標(biāo)j的組合權(quán)重Gj，公式為：

(3)

由Gj衡量各個(gè)指標(biāo)重要程度[15]。至此完成評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算。評價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重Tab.1 Weight of evaluation index

1.3 確定評價(jià)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)

由評價(jià)對象、評價(jià)指標(biāo)、指標(biāo)隸屬度，構(gòu)成可拓云模型，評價(jià)區(qū)域水資源生態(tài)安全。將水資源生態(tài)安全作為評價(jià)名稱g，得到可拓云模型I：

(4)

式中，Hj為第j個(gè)指標(biāo)；hkj為第j個(gè)指標(biāo)關(guān)于等級k的隸屬度，k∈(l，J)[16]。

將水資源生態(tài)安全狀況劃分為5個(gè)等級，分別為A、B、C、D、E，表示非常安全、安全、基本安全、不安全、危險(xiǎn)。A級說明水資源協(xié)調(diào)能力強(qiáng)，無水生態(tài)危機(jī)；B級說明協(xié)調(diào)能力良好，水生態(tài)危機(jī)很少；C級說明協(xié)調(diào)能力正常，存在部分水生態(tài)危機(jī)；D級說明協(xié)調(diào)能力變?nèi)?，水生態(tài)危機(jī)事件很多；E級說明協(xié)調(diào)能力特別弱，水災(zāi)害事件頻率較高。各個(gè)評價(jià)等級的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值上限maxAkj和下限minAkj，見表2。

表2 評價(jià)等級的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值上限和下限Tab.2 Upper limit and lower limit of index standard value of evaluation grade

設(shè)評價(jià)等級k的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值為Akj，具體見表3。

表3 2019—2021年水資源評價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值Tab.3 Standard values of indicators from 2019 to 2021

假設(shè)Akj=Bj，將Akj視為一個(gè)云滴[17]，將Akj輸入正向云發(fā)生器，計(jì)算指標(biāo)j關(guān)于等級k的期望值Kkj，公式為：

(5)

式中，maxAkj、minAkj分別為評價(jià)等級k的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值的最大值與最小值[18-19]。

計(jì)算指標(biāo)j關(guān)于等級k的標(biāo)準(zhǔn)差Lkj，隸屬度hkj計(jì)算公式為：

(6)

通過hkj和Gj的模糊轉(zhuǎn)換，得到整個(gè)評價(jià)指標(biāo)體系關(guān)于等級k的隸屬度lk。根據(jù)隸屬度最大原則，將lk的最大值作為水資源生態(tài)安全等級[20]。

至此完成水資源生態(tài)安全等級的評價(jià)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域水資源生態(tài)安全評價(jià)的可拓云模型構(gòu)建。

2 區(qū)域水資源生態(tài)安全評價(jià)

2.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

以某城市水資源為例，該城市位于長江中下游中部地區(qū)，總面積6 192 km2，降水量1 075 mm，蒸發(fā)量803 mm，平均溫度16.8 ℃，水資源總量28.83×108m3，地表水和地下水引用量分別為7.26×108、4.12×108m3，地表水引用率和開發(fā)率分別為45.3%和78.2%。

該城市降水量時(shí)空分布不均，隨著城市規(guī)模擴(kuò)大，地下水水位下降，水環(huán)境質(zhì)量日益惡化，截至2021年，全市Ⅰ—Ⅲ類水體占比為50.1%，劣Ⅴ類水體占比為17.1%。部分研究數(shù)據(jù)來自當(dāng)?shù)氐慕y(tǒng)計(jì)年鑒，另一部分?jǐn)?shù)據(jù)來自于現(xiàn)場調(diào)研。

2.2 評價(jià)指標(biāo)性質(zhì)

由該城市2019—2021年的統(tǒng)計(jì)年鑒、水資源公報(bào)、灌溉年報(bào)、河系供水量年報(bào)、水利綜合年報(bào)，獲得指標(biāo)原始數(shù)據(jù)。不同評價(jià)指標(biāo)對于水資源生態(tài)安全的影響如下：壓力指標(biāo)的次級指標(biāo)分別為污水排放總量、廢水排放總量、化肥農(nóng)藥使用量、廢水化學(xué)需氧量，指標(biāo)性質(zhì)都為負(fù)向；狀態(tài)指標(biāo)的次級指標(biāo)分別為降水量、地下水總量、水資源總量、地表水總量，指標(biāo)性質(zhì)都為正向；管理指標(biāo)分別為人均用水量、工業(yè)用水水平、生產(chǎn)總值、農(nóng)業(yè)用水水平，指標(biāo)性質(zhì)分別為負(fù)向、正向、負(fù)向、正向；響應(yīng)指標(biāo)分別為水資源治理資金、污水處理量、地下水開發(fā)量、廢水達(dá)標(biāo)排放量，指標(biāo)性質(zhì)都為正向。

2.3 結(jié)果分析

由指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值A(chǔ)ij、標(biāo)準(zhǔn)值上限maxAkj和下限minAkj，得到單個(gè)指標(biāo)關(guān)于評價(jià)等級A、B、C、D、E的隸屬度hjk，由hjk和表3所示的組合權(quán)重Gj，得到該城市關(guān)于5個(gè)等級的隸屬度。單個(gè)指標(biāo)評價(jià)等級見表4。

表4 單個(gè)指標(biāo)評價(jià)等級Tab.4 Evaluation grade of single index

該城市水資源生態(tài)安全評價(jià)結(jié)果見表5。

表5 城市水資源生態(tài)安全評價(jià)結(jié)果Tab.5 Evaluation results of ecological security of urban water resources

由表5可知，該城市2019—2021年最大隸屬度分別為C級、B級、C級，表明2019年、2020年、2021年水資源生態(tài)安全等級分別為C級、B級、C級。

分析以上數(shù)據(jù)可知，該城市污水排放總量、廢水排放總量、化肥農(nóng)藥使用量、廢水化學(xué)需氧量逐年減小，壓力指標(biāo)作為負(fù)向指標(biāo)，且呈現(xiàn)下降趨勢，但隨著城市人口擴(kuò)張和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，仍為水資源帶來較大壓力；狀態(tài)指標(biāo)作為正向指標(biāo)，整體數(shù)值不高，2021年最低，這是由于2021年劣Ⅴ類水體比例變大，導(dǎo)致狀態(tài)指標(biāo)整體偏低；響應(yīng)指標(biāo)逐年增加，這是由于當(dāng)?shù)卣J(rèn)識到水資源保護(hù)的重要性，進(jìn)行了一系列水資源改善措施，如引進(jìn)污水和廢水處理技術(shù)、加長排水管道、建設(shè)水資源治理工程、改善水廠生產(chǎn)能力等；管理指標(biāo)呈先增加后降低趨勢，這是由于該城市工業(yè)化規(guī)模不斷擴(kuò)大，工業(yè)用水水平未能跟上工業(yè)化發(fā)展，新建工廠排污率未達(dá)標(biāo)。相比2020年，該城市2021年水資源生態(tài)安全狀況整體處于下降趨勢，但要優(yōu)于2019年，水資源生態(tài)基本安全，今后應(yīng)重點(diǎn)治理壓力指標(biāo)和管理指標(biāo)，降低新建工廠工業(yè)用水水平以及加大廢水達(dá)標(biāo)排放量的監(jiān)督力度。

3 結(jié)語

此次研究利用可拓云模型，設(shè)計(jì)了一種區(qū)域水資源生態(tài)安全評價(jià)方法，以此劃分水資源生態(tài)安全等級，掌握區(qū)域水資源生態(tài)安全情況。但此次設(shè)計(jì)方法仍存在一定不足，在今后的研究中，會(huì)將人文環(huán)境、生物狀態(tài)、經(jīng)濟(jì)壓力等因素納入評價(jià)指標(biāo)體系，對水資源進(jìn)行橫向比較，更全面地體現(xiàn)流域水生態(tài)安全等級，提升評價(jià)結(jié)果的精準(zhǔn)度。