基于知識(shí)粒度-屬性重要度的水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)

門(mén)寶輝 吳明明 劉燦均 劉煥龍

門(mén)寶輝，

男，教授，博士生導(dǎo)師，擔(dān)任國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金和天津市自然科學(xué)基金項(xiàng)目的通訊評(píng)審專(zhuān)家，河北省科技獎(jiǎng)評(píng)審專(zhuān)家，水利科技專(zhuān)家?guī)鞂?zhuān)家，教育部學(xué)位與研究生教育發(fā)展中心學(xué)位論文通訊評(píng)議專(zhuān)家，中國(guó)科學(xué)院博士學(xué)位論文通訊評(píng)議專(zhuān)家，北京市水影響評(píng)價(jià)文件審查專(zhuān)家，《南水北調(diào)與水利科技》《水電能源科學(xué)》編委。

主要從事水文水資源的時(shí)間序列分析、水資源評(píng)價(jià)規(guī)劃與管理、水資源優(yōu)化配置、水資源系統(tǒng)優(yōu)化原理與方法、河流健康評(píng)價(jià)及生態(tài)需水量、水環(huán)境容量計(jì)算方法、納污能力復(fù)核及排污權(quán)交易等方面的教學(xué)和科研工作。主持國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專(zhuān)題等項(xiàng)目20余項(xiàng)，教改項(xiàng)目5項(xiàng)，榮獲北京高等學(xué)校青年教師社會(huì)調(diào)研優(yōu)秀項(xiàng)目一等獎(jiǎng)2項(xiàng)，教育部水利類(lèi)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)教學(xué)成果優(yōu)秀獎(jiǎng)1項(xiàng)。在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文100余篇，SCI/EI收錄50余篇，出版專(zhuān)著2部，十三五規(guī)劃教材4部。

摘要：

北京市人口密集而區(qū)域水資源量有限，水資源的不合理開(kāi)發(fā)利用曾一度導(dǎo)致地下水超采、水環(huán)境污染等問(wèn)題，如何評(píng)價(jià)和促進(jìn)北京市水資源利用的可持續(xù)性是緩解北京市水資源問(wèn)題的基礎(chǔ)。為分析北京市水資源利用現(xiàn)狀，根據(jù)社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用知識(shí)粒度和屬性重要度方法確定指標(biāo)權(quán)重，基于集對(duì)分析和屬性識(shí)別法定量評(píng)價(jià)了北京市2004～2020年水資源利用的可持續(xù)性，對(duì)比了不同權(quán)重下的評(píng)價(jià)結(jié)果并分析可利用水資源量對(duì)可持續(xù)性的影響。結(jié)果表明：基于知識(shí)粒度和屬性重要度的賦權(quán)方法在評(píng)價(jià)中具有良好的適用性，不同方法所得評(píng)價(jià)結(jié)果雖略有差異，但整體上體現(xiàn)出的趨勢(shì)性基本一致，均反映了北京市近17 a來(lái)水資源可持續(xù)利用水平逐年提高，呈現(xiàn)良性發(fā)展態(tài)勢(shì)。同時(shí)，可利用水資源量是影響北京市水資源利用可持續(xù)性的重要因素，而南水北調(diào)中線工程為保證北京市可利用水資源量提供了有利條件。研究成果對(duì)北京市未來(lái)水資源保護(hù)和發(fā)展相關(guān)政策和規(guī)劃的制定具有一定的參考價(jià)值。

關(guān) 鍵 詞：

水資源； 可持續(xù)利用； 粗糙集； 知識(shí)粒度； 屬性重要度； 北京市

中圖法分類(lèi)號(hào)： TV213.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.006

0 引 言

水資源可持續(xù)利用是當(dāng)前社會(huì)和自然環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。在氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)影響下，流域水資源供需矛盾、水環(huán)境問(wèn)題日益突出，區(qū)域水資源可持續(xù)利用將面臨重大挑戰(zhàn)。中國(guó)首都北京市早已是一座經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口稠密的大城市，在其建設(shè)發(fā)展過(guò)程中，人均水資源量不足、地下水超采等系列問(wèn)題也日益突出。2014年南水北調(diào)中線工程實(shí)施后，北京市水資源緊缺狀況一定程度上得到了緩解，但其緊缺狀況仍是北京城市定位調(diào)整和發(fā)展轉(zhuǎn)型過(guò)程中阻礙城市近期和未來(lái)可持續(xù)發(fā)展的重要“瓶頸”。因此，建立北京市水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，選取適宜的指標(biāo)確權(quán)和評(píng)價(jià)方法切實(shí)反映北京市水資源可持續(xù)利用水平，對(duì)北京市水資源優(yōu)化配置和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

已有研究通常在建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上對(duì)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，并采用不同的評(píng)價(jià)方法計(jì)算水資源利用的可持續(xù)性等級(jí)。其中指標(biāo)權(quán)重是影響評(píng)價(jià)結(jié)果的重要因素，根據(jù)指標(biāo)賦權(quán)過(guò)程的主觀性和客觀性原則，指標(biāo)賦權(quán)法可分為主觀賦權(quán)法、客觀賦權(quán)法、綜合賦權(quán)法，或不進(jìn)行指標(biāo)賦權(quán)而直接評(píng)價(jià)［1］。主觀賦權(quán)法根據(jù)決策者的意愿直接確定權(quán)重，主觀性和隨意性是其評(píng)價(jià)及決策過(guò)程具有的特點(diǎn)；客觀賦權(quán)法依靠嚴(yán)格的數(shù)學(xué)理論計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，能夠充分挖掘數(shù)據(jù)內(nèi)部客觀性聯(lián)系，但往往忽略了決策者的主觀意愿；不賦權(quán)法雖易于執(zhí)行，但該方法未能解釋推理過(guò)程和依據(jù)，僅將問(wèn)題特征用數(shù)字表示，推理過(guò)程采用數(shù)值結(jié)算替代，這往往會(huì)出現(xiàn)信息丟失的情況。為了考慮決策者的主觀意愿，又充分挖掘和利用數(shù)據(jù)內(nèi)部的信息和聯(lián)系，本次研究采用主客觀結(jié)合的綜合賦權(quán)法進(jìn)行評(píng)價(jià)，增強(qiáng)評(píng)價(jià)結(jié)果的可信度。本文以北京市為研究區(qū)域，以社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)為系統(tǒng)［2］，設(shè)置北京市水資源可持續(xù)利用情況評(píng)價(jià)的目標(biāo)層，從社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)3個(gè)方面出發(fā)設(shè)置準(zhǔn)則層及各層所包含的具體指標(biāo)，由此建立評(píng)價(jià)體系并應(yīng)用于北京市水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)。采用基于知識(shí)粒度和屬性重要度［3］的粗糙集方法計(jì)算指標(biāo)層權(quán)重，采用非結(jié)構(gòu)性決策模糊集理論和方法［4］計(jì)算準(zhǔn)則層權(quán)重，并在此基礎(chǔ)上分別采用集對(duì)分析法［5］和屬性識(shí)別法［6］計(jì)算評(píng)價(jià)等級(jí)。同時(shí)，采用層次分析法［7］和熵權(quán)法［8］計(jì)算指標(biāo)層權(quán)重，并用上述評(píng)價(jià)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，最后計(jì)算多組評(píng)價(jià)結(jié)果的Spearman相關(guān)系數(shù)分析其相關(guān)性［9］，驗(yàn)證評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

本次研究對(duì)北京市2004～2020年水資源利用的可持續(xù)狀況展開(kāi)評(píng)價(jià)。各指標(biāo)數(shù)據(jù)來(lái)自于國(guó)家統(tǒng)計(jì)局及北京市水資源公報(bào)等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

1.2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系時(shí)應(yīng)充分考慮與水資源可持續(xù)利用緊密相關(guān)、對(duì)水資源可持續(xù)利用產(chǎn)生重要影響的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境因素。基于社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)（RSWRS）［10］的方法，通過(guò)尋求較優(yōu)的評(píng)價(jià)指標(biāo)建立結(jié)構(gòu)完整的指標(biāo)體系，能夠有效突出與水資源相關(guān)的可持續(xù)性特點(diǎn)。

本次研究對(duì)北京市水資源可持續(xù)利用現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查和分析，本著代表性、適用性等原則從經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)子系統(tǒng)中有效篩選評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用RSWRS系統(tǒng)構(gòu)建評(píng)價(jià)體系。經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)指標(biāo)從整體部分和用水部門(mén)兩方面選取，其中，選取萬(wàn)元GDP耗水量作為整體性指標(biāo)表征該子系統(tǒng)水資源可持續(xù)情況，選取單方水糧食產(chǎn)量、單方水工業(yè)產(chǎn)值和第三產(chǎn)業(yè)占GDP比例3個(gè)指標(biāo)來(lái)分別表征用水部門(mén)中農(nóng)業(yè)、工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)水資源利用的可持續(xù)性。生態(tài)子系統(tǒng)指標(biāo)則從水量、水質(zhì)和植被覆蓋度3個(gè)方面篩選，其中，選取生態(tài)環(huán)境用水率、地下水占供水量比例作為水量方面的指標(biāo)，選取河流水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、污水處理率作為水質(zhì)方面的指標(biāo)，選取森林覆蓋率作為表征森林狀況的指標(biāo)。社會(huì)子系統(tǒng)指標(biāo)從城市和人口兩方面確定，選取人口密度、城市化水平作為表征城市方面的指標(biāo)，選取人均日生活水量、人均水資源量作為表征人口方面的指標(biāo)。各評(píng)價(jià)指標(biāo)的水資源可持續(xù)利用程度劃分為理想（Ⅰ）、良好（Ⅱ）、一般（Ⅲ）、預(yù)警（Ⅳ）、惡劣（Ⅴ）5個(gè)等級(jí)，各指標(biāo)在每一等級(jí)的閾值則根據(jù)已有的國(guó)際或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)確定，若無(wú)已有標(biāo)準(zhǔn)可供參考，需分析北京市發(fā)展現(xiàn)狀，并結(jié)合相關(guān)研究成果確定［11］。本次研究建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及各指標(biāo)在不同等級(jí)的閾值見(jiàn)表1。

1.2.2 指標(biāo)權(quán)重的確定

指標(biāo)權(quán)重值的確定是評(píng)價(jià)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，為確保評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性并考慮決策者的主觀意愿，本次研究采用主客觀綜合賦權(quán)法。其中，基于知識(shí)粒度和屬性重要度的粗糙集方法用來(lái)確定各指標(biāo)權(quán)重，而非結(jié)構(gòu)性決策模糊集理論用來(lái)確定準(zhǔn)則層中各子系統(tǒng)的權(quán)重值。

2.1.2 準(zhǔn)則層權(quán)重確定

生活、生產(chǎn)及生態(tài)用水作為社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)3個(gè)子系統(tǒng)的主要用水部門(mén)，能夠反映子系統(tǒng)對(duì)于水資源的可持續(xù)利用情況。北京市2004～2020年生活、生產(chǎn)和生態(tài)用水占比及其變化情況見(jiàn)圖1。

由圖1可知，北京在2004～2015年期間經(jīng)濟(jì)發(fā)展逐漸放緩，工業(yè)和農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型為其他產(chǎn)業(yè)，導(dǎo)致生產(chǎn)用水比例逐年下降，而生態(tài)用水比例顯著提高，生活用水占比變化不大。2015年之后，生態(tài)用水占比超過(guò)生產(chǎn)用水，充分反映北京市發(fā)展在以生態(tài)為重點(diǎn)的可持續(xù)發(fā)展道路上邁出更大一步。根據(jù)北京市城市轉(zhuǎn)型發(fā)展特點(diǎn)確定3個(gè)子系統(tǒng)的權(quán)重值。本次研究的指標(biāo)集為：P={p1，p2，p3}，其中，p1、p2、p3分別表示生態(tài)子系統(tǒng)、社會(huì)子系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)。二元比較矩陣E和二元比較判斷矩陣β根據(jù)表2和式（5）確定如下：

E=0.511 00.51 000.5；

β=0.500.600.70 0.400.500.65 0.300.350.50

在上述基礎(chǔ)上進(jìn)行歸一化處理，得到3個(gè)子系統(tǒng)權(quán)重如表3所列。

2.1.3 層次分析法和熵權(quán)法的計(jì)算結(jié)果

為了探究指標(biāo)權(quán)重差異對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果產(chǎn)生的影響，本次研究在上述指標(biāo)權(quán)重計(jì)算基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用層次分析法和熵權(quán)法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，并對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行比較。層次分析法是一種主觀賦權(quán)法，指標(biāo)權(quán)重基于判斷矩陣進(jìn)行計(jì)算［7］，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3中的AHP部分；熵權(quán)法為客觀賦權(quán)法，其詳細(xì)計(jì)算步驟參閱文獻(xiàn)［8］，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3中的EWM部分。

2.2 評(píng)價(jià)結(jié)果及分析

將表3中各指標(biāo)的權(quán)重分別帶入集對(duì)分析和屬性識(shí)別法中計(jì)算評(píng)價(jià)等級(jí)，得到如表4所列的2004～2020年北京市水資源可持續(xù)利用狀況與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之間的聯(lián)系度，并由公式（6）計(jì)算最終的評(píng)價(jià)等級(jí)。同時(shí)，將上述計(jì)算結(jié)果與采用層次分析、熵權(quán)法賦權(quán)的集對(duì)分析和屬性識(shí)別法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，得到結(jié)果如圖2所示。

分析圖2可知，基于6種方法的北京市水資源可持續(xù)利用狀況等級(jí)均位于Ⅱ～Ⅳ之間。2004～2020年間北京市水資源利用的可持續(xù)性整體表現(xiàn)為上升趨勢(shì)。評(píng)價(jià)結(jié)果受到不同評(píng)價(jià)方法的影響，屬性識(shí)別法所得結(jié)果各個(gè)年份之間具有較小差距，而集對(duì)分析法所得結(jié)果與之相反，前者差距僅為0.272，后者差距較大為1.259。屬性識(shí)別法所得評(píng)價(jià)結(jié)果的等級(jí)變化特征雖弱于集對(duì)分析法所得結(jié)果，兩種方法呈現(xiàn)出的變化趨勢(shì)具有一致性，均表現(xiàn)為整體上升的特點(diǎn)且具有相同的拐點(diǎn)年份。

通過(guò)計(jì)算3種確權(quán)方式下不同評(píng)價(jià)結(jié)果的Spearman相關(guān)系數(shù)（見(jiàn)圖3）分析結(jié)果間的相關(guān)性，進(jìn)一步討論本研究確權(quán)方法的評(píng)價(jià)效果。由圖3可知，采用粗糙集理論的知識(shí)粒度和屬性重要度確權(quán)的集對(duì)分析法結(jié)果有最高的相關(guān)系數(shù)（0.990），而基于該確權(quán)方式的屬性識(shí)別法結(jié)果也具有較高相關(guān)系數(shù)（0.979，0.975），這表明了基于粗糙集和模糊理論的指標(biāo)權(quán)重在本次評(píng)價(jià)中具有較好的適用性。

評(píng)價(jià)起始年北京市的單方水糧食產(chǎn)量、單方水工業(yè)產(chǎn)值、污水處理率等指標(biāo)均為最低，而人均日生活用水量最高，導(dǎo)致了2004年北京市水資源利用的可持續(xù)性等級(jí)值最小，反映了該年北京市具有較低的水資源利用效率且污水處理能力不高，城市居民對(duì)于水資源的合理利用觀念不強(qiáng)。而在2008，2013年和2018年的人均日生活用水量具有較高值，使得評(píng)價(jià)等級(jí)較低，水資源利用的可持續(xù)狀況評(píng)價(jià)結(jié)果在研究期間出現(xiàn)了極小值。這一結(jié)果與陳午等［15］在相關(guān)研究中所得結(jié)論基本吻合。

水資源可持續(xù)利用性取決于可利用水資源量的變化［16］，2004～2020年北京市可利用水資源總量呈持續(xù)增加的趨勢(shì)，可利用水資源量的結(jié)構(gòu)組成也發(fā)生了顯著變化（見(jiàn)圖4）。2004年北京市可利用水資源總量為34.55億m3，到2020年增加到40.61億m3，再生水可利用量顯著增加。2014年南水北調(diào)中線工程通水后，北京市可利用水資源量增加，2014～2020年間南水北調(diào)中線工程共向北京市輸水49.63億m3，極大緩解了北京市用水短缺問(wèn)題。圖4也顯示了評(píng)價(jià)期間北京市地下水供水量和生態(tài)環(huán)境用水量變化特點(diǎn)，隨著南水北調(diào)中線工程通水，北京市地下水供水量逐年減少，地下水得

到有效補(bǔ)給，地下水埋深逐漸回升，超采問(wèn)題得以緩解［17］；生態(tài)環(huán)境用水量顯著增加，市內(nèi)河湖水環(huán)境及水生態(tài)狀況持續(xù)改善。同時(shí)，在北京市發(fā)展轉(zhuǎn)型過(guò)程中，水資源高效利用的相關(guān)政策及工程措施逐步到位，人們對(duì)于水資源保護(hù)的意識(shí)也逐步增強(qiáng)，水資源可持續(xù)利用等級(jí)整體有所上升。由此可見(jiàn)，提高用水效率、增強(qiáng)污水處理能力和強(qiáng)化居民節(jié)水意識(shí)是提高

區(qū)域水資源利用可持續(xù)性的關(guān)鍵舉措，而可利用水資源量是影響北京市水資源可持續(xù)利用的重要因素，南水北調(diào)中線工程為保障北京市可利用水資源量提供了有利條件，進(jìn)一步推動(dòng)了區(qū)域水資源保護(hù)、管理和可持續(xù)利用的發(fā)展。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文在水資源復(fù)合系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建了北京市水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)模型，該模型根據(jù)RSWRS系統(tǒng)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用知識(shí)粒度及屬性重要度與非結(jié)構(gòu)性決策模糊集理論結(jié)合的方法確定各指標(biāo)權(quán)重，并采用屬性識(shí)別和集對(duì)分析法計(jì)算北京市水資源可持續(xù)利用等級(jí)。同時(shí)，通過(guò)層次分析和熵權(quán)法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重后采用上述方法求算評(píng)價(jià)等級(jí)，并計(jì)算結(jié)果間的Spearman相關(guān)系數(shù)，討論基于粗糙集理論的知識(shí)粒度和屬性重要度確權(quán)方法的評(píng)價(jià)效果，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文所構(gòu)建評(píng)價(jià)模型及評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。研究結(jié)果表明：在2004～2020年北京市水資源可持續(xù)利用總體水平逐年提高，呈現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)，可利用水資源量是影響北京市水資源利用可持續(xù)性的重要因素，南水北調(diào)中線工程為保障北京市可利用水資源量提供了有利條件。基于知識(shí)粒度及屬性重要度的集對(duì)分析法在北京市水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)領(lǐng)域具有較好的適用性，不同評(píng)價(jià)方法得到的評(píng)價(jià)結(jié)果具有差異性，但整體趨勢(shì)一致，均準(zhǔn)確反映了北京市17 a來(lái)在水資源可持續(xù)利用方面的現(xiàn)狀和發(fā)展態(tài)勢(shì)，對(duì)北京市未來(lái)水資源保護(hù)和發(fā)展相關(guān)政策和規(guī)劃的制定具有一定的參考價(jià)值。

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（編輯：謝玲嫻）

Abstract：

Beijing City has a dense population and limited regional water resources.Unreasonable development and utilization of water resources once led to groundwater overexploitation，water environment pollution and other problems.How to evaluate and promote the sustainability of water resources utilization is a basis to alleviating the water resources problems in Beijing City.Therefore，in order to analyze the current situation of water resources utilization in Beijing City，this paper establishes an evaluation index system according to the social-economic-ecological environment composite system，determines the index weight by using the knowledge granularity and attribute importance method，then quantitatively evaluates the sustainability of water resources utilization in Beijing City from 2004 to 2020 based on the set pair analysis and attribute identification method.Based on the results，we compare the evaluation results under different weights and analyze the impact of available water resources on the sustainability.The results show that the weight determination method based on knowledge granularity and attribute importance is feasible in the evaluation of water resources sustainable utilization in Beijing City.In addition，the overall level of sustainable water use is getting better and better year by year.Although the results obtained by different evaluation methods are slightly different，the overall trend is basically the same.The amount of available water resources is an important factor affecting the sustainability of water resources utilization in Beijing City，and the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project provides favorable conditions for ensuring the amount of available water resources in Beijing City.This study has certain reference values for the formulation of policies and plans related to water resources protection and exploration in Beijing City in the future.

Key words：

water resources；sustainable utilization；rough set；knowledge granularity；attribute importance；Beijing City