基于集對分析的黃河三角洲東營市水資源承載力評價

張 欣，陳華偉，仕玉治，劉海嬌，范明元

(1.山東省水利科學研究院，山東 濟南 250013； 2.山東省水資源與水環境重點實驗室，山東 濟南 250013)

水資源是決定一個地區社會經濟發展規模以及能否實現可持續發展的關鍵因素之一，進行水資源承載力評價，度量區域水資源承載狀態如何，對于制定有效的水資源調控規劃和保護措施、實現經濟與環境協調發展具有重要的現實意義。我國學者自20世紀80年代就開始對水資源承載力進行研究，但至今對水資源承載力沒有一個通用的定義。這些定義可歸納為兩種觀點：①水資源承載力是在一定區域、一定物質生活水平下，水資源能持續供給當代和后代人需求的規模和能力[1]；②水資源承載力是在某一歷史發展階段，以可預見的技術、經濟和社會發展水平為依據，以可持續發展為原則，以維護生態環境良性發展為條件，在水資源得到合理的開發利用下，該地區人口增長與經濟發展的最大容量[2]。

目前常用的水資源承載力評價方法有很多，如背景分析法、多目標分析法、系統動力學方法、模糊綜合評判法、主成分分析法等，這些方法各有特點，但在具體分析過程中都存在一定的局限性。如背景分析法多局限于靜態的歷史背景，割裂了資源、社會、環境之間的聯系[3]；主成分分析法由于主成分是單純原始變量的線性組合，很難分析其具體含義，不利于水資源承載力的理解和控制[4]。鑒于此，筆者在建立研究區水資源承載力評價指標體系和分級標準的基礎上，引入集對分析理論，建立基于三標度層次分析法的水資源承載力集對分析評價模型，通過計算聯系度對黃河三角洲水資源承載力進行評價。

1 研究區概況

黃河三角洲位于渤海南部的黃河入海口沿岸地區，在環渤海地區發展中具有重要的戰略地位。東營市作為黃河三角洲的中心城市，資源優勢明顯，開發潛力巨大。但由于受自然條件限制，當地水資源十分匱乏，水資源緊缺已嚴重制約社會經濟的持續穩定發展，故本文水資源承載力研究區定為東營市。

東營市北臨渤海灣，東靠萊州灣，西與濱州市毗鄰，南與淄博市和濰坊市接壤。南北最大縱距123km，東西最大橫距74km，總面積7923km2。轄廣饒、利津、墾利三縣和東營、河口兩區。

東營市屬暖溫帶半濕潤半干旱大陸性氣候區，多年平均氣溫12.8℃，多年平均降雨量554.5mm，多年平均當地水資源為61596萬m3。黃河水為研究區主要的客水資源，但近年來黃河來水呈逐年減少趨勢，且年內分配不均。

2 基于三標度層次分析法的水資源承載力集對分析評價模型

2.1 集對分析的原理

集對分析法(set pair analysis，以下簡稱SPA)由我國學者趙克勤于1989年提出的一種處理不確定問題的系統分析方法[5]，目前已經應用到現代科學管理、人工智能、信息工程和氣象等很多領域。其核心思想是對不確定性系統中的兩個有關聯的集合構造為集對，對集對的某特性做同一性、差異性、對立性分析，然后建立集對的同異反聯系度，即給定集合A和B，并構成集對H(A，B)，建立兩個集合的聯系度表達式：

(1)

式中：μ為聯系度，N為特征總數，S為集對中兩個集合共有的特性個數，F為兩個集合既不共同也不相互對立的特性個數，P為集對中對立特征的個數。S/N為集合A和B的同一度，簡記為a，F/N為差異度，簡記為b，P/N為對立度，簡記為c。i為差異度系數，i∈[0，1]，有時僅起差異標記作用，j為對立度系數，其值為-1，有時起對立標記作用。

2.2 基于三標度層次分析法的集對分析評價模型[6-7]

基于三標度層次分析法的集對分析模型進行水資源承載力評價的步驟如下。

a. 聯系度的確定。假定有N個評價指標，其中有S個評價指標優于標準，P個評價指標劣于標準，F個指標介于優劣之間。根據公式(1)可以計算出樣本的聯系度μm，初步得到承載力情況。不同地區的水資源承載能力即使處于同一級別，也會因評價指標數值的差異而有所不同，因此，對于分級標準還要做同一、差異、對立的集對分析。

水資源承載力評價指標一般包括越大越優型指標和越小越優型指標。

越大越優型指標聯系度計算公式為：

(2)

越小越優型指標聯系度計算公式為：

(3)

式中：S1、S2、S3分別為評價指標的門限值，x為各評價區水資源承載力狀況的實際值，m為第m個評價區水資源承載力樣本，n為評價指標。

b. 權重的確定。確定各評價指標權重時采用三標度層次分析法。三標度層次分析法避免采用九標度法構造判斷矩陣，不僅降低了判斷難度，使專家易于接受和操作，而且可以保證易于得到具有足夠一致性的判斷矩陣。

三標度層次分析法依據評價指標的重要性進行兩兩比較，構造判斷矩陣A=(aij)n×m，

(4)

采用擬優傳遞矩陣的概念對矩陣A變換為

表1 黃河三角洲水資源承載力評價指標體系

①：1畝=1/15hm2。

A*，計算矩陣A*的最大特征值λmax及其對應的特征向量ω=(ω1，ω2，…，ωn)，對ω進行歸一化處理后，即為對應元素的權重值，如公式(5)所示。

(5)

c. 建立集對分析水資源承載力評價模型。

(6)

3 黃河三角洲水資源承載力評價

3.1 黃河三角洲水資源承載力評價指標體系[8]

綜合考慮自然、經濟社會和生態環境等水資源承載能力影響因素，建立黃河三角洲水資源承載力評價指標體系。該體系由三個層次構成，分別為目標層、準則層和指標層。目標層(A)表達的是水資源承載力；準則層(B)包括5個方面指標：水資源及其開發利用狀況、社會經濟發展狀況、生活用水情況、生產用水情況和生態環境狀況；指標層(C)包括25個指標。各評價指標分為正向指標(越大越優)、逆向指標(越小越優)和適度指標(優于標準的按越小越優、劣于標準的按越大越優)三類(表1)。表1中，C1為人均水資源量，多年平均當地水資源量/總人口；C2為單位土地面積水資源量，多年平均當地水資源量/總土地面積；C3為客水利用量占總供水量的比率，客水供水量/實際供水量；C4為供水模數，供水量/土地面積；C5為缺水率，(75%保證率下可供水量-75%保證率下的需水量)/75%保證率下的需水量；C6為水資源開發利用率，(實際供水量-調入水量-再生水等其他供水量)/多年平均當地水資源量；C7為人口密度，人口總數/土地面積；C8為人口自然增長率，年內凈增人口數/年平均人口數；C9為城鎮化率，城鎮人口數/總人口數；C10為人均GDP，GDP總量/總人口數；C11為GDP增長率，本年度GDP增長額/上年度GDP總量；C12為第一產業比例，第一產業GDP/GDP總量；C13為城鎮居民生活用水定額，城鎮生活用水量/城鎮人口數；C14為農村居民生活用水定額，農村生活用水量/農村人口數；C15為城鎮生活污水處理率，城鎮生活污水達標排放量/城鎮生活污水排放量；C16為農村飲水安全人口比例，農村飲水安全達標人口/農村人口數；C17為單方水總產值，GDP總量/總用水量；C18為萬元工業增加值用水量，工業用水量/萬元工業增加值；C19為工業用水重復利用率，工業重復利用的水量/工業用水量；C20為農田灌溉用水定額，農田灌溉用水量/有效灌溉面積；C21為有效灌溉率，有效灌溉面積/耕地面積；C22為用水結構指數，第一產業用水量/總用水量；C23為生態環境用水率，目前生態環境用水量/多年平均水資源量為；C24為萬元GDP廢污水排放量，廢污水排放量/GDP總量；C25為咸水區面積率，咸水區面積/土地面積。

3.2 黃河三角洲水資源承載力評價指標分級標準

為了描述水資源承載力狀態，將評價指標對水資源承載力的影響程度劃分為3個等級。Ⅰ級表示水資源承載能力較強，開發利用潛力較大；Ⅱ級表示水資源承載力中等，水資源仍有進一步開發的潛力；Ⅲ級表示水資源承載力較差，開發利用已經接近飽和(表1)。

3.3 評價結果及分析

以黃河三角洲水資源承載力評價指標體系各指標的評價標準值作為集對分析聯系度表達式中的同一度、差異度和對立度的取值依據，利用式(1)計算各評價區域的聯系度。

比較5個評價區域的聯系度，承載力相對較強的是墾利縣，其次是東營區和河口區，相對較弱的是利津縣和廣饒縣。為進一步分析評價指標的數值與指標分級標準之間的關系，需要繼續對各評價區域做同一、差異、對立的集對分析。

以東營區為例，由式(2)、(3)可計算出25項評價因子相對于分級標準的聯系度，μC1=0+0i+1j，…，μC24=1+0i+0j，μC25=0+0i+1j。根據公式(4)～(5)計算出各評價指標的權重，見表2。

表2 各評價指標權重

根據最終的平均聯系度得到各評價區域的水資源承載力等級。評價結果如下：東營區Ⅱ級，河口區Ⅲ級，墾利縣Ⅱ級，利津縣Ⅲ級，廣饒縣Ⅲ級，水資源承載力分區見圖1。

由圖1可看出，東營區和墾利縣水資源承載力屬于中等，河口區、利津縣和廣饒縣水資源承載力較弱，整體上研究區水資源承載力處于較低的水平，在現有的條件下水資源繼續開發的潛力相對較小，水資源供需矛盾非常突出。

從實例分析看，研究區水資源承載力整體水平較低，這是因為研究區特有的水資源狀況造成的。受自然條件限制，東營市當地水資源十分匱乏，當地地表水資源可利用量少，且僅能用于農業灌溉和河道生態用水，供水主要依靠黃河水，由于地處黃河最下游，季節性缺水問題仍然十分突出。東營市地下淡水資源也非常有限，可供開采的地下水資源主要集中在廣饒縣小清河以南的少部分區域，面積約占東營市面積的10%，小清河以北的大部分區域，由于礦化度太高，地下水難以利用。在小清河以南的井灌區，由于1975年以后多年干旱，致使地下水資源局部超采嚴重，尤其是部分相對富水區，工農、城鄉競相開采，井的密度、深度不斷加大，地下水位大幅度下降，形成了地下水超采漏斗區。近幾年地下水位下降趨勢已得到有效遏制，但是要恢復到合理的地下水位，仍需加大治理、管理工作力度。

針對研究區的水資源承載力現狀，水資源開發利用應以可持續發展為基礎，大力實行最嚴格的水資源管理制度，全面推進節水型社會建設，提高水資源的利用效率和效益；增加外調水量，積極拓展非常規水資源利用，增加“開源”途徑；調整用水結構，實現水資源的合理配置；做好城市水資源綜合規劃，合理確定城市發展規模；做好農村供水工作，保障農村飲用安全；加強水污染治理，防止水環境惡化；不斷提高水資源承載能力，以更好地保證研究區社會經濟的可持續發展。

4 結 語

a. 確定了研究區水資源承載力影響因素，構建了由25個指標組成的水資源承載力評價指標體系，該指標體系能夠較為準確的反映研究區的水資源承載力狀況，為了描述水資源承載力狀態，按較強、中等、較弱三個級別劃分，擬定了25個評價指標的分級標準，為評價區域水資源承載力狀態提供了標準。

圖1 研究區水資源承載力評價結果分區示意圖

b. 利用集對分析理論構建了基于三標度層次分析法的水資源承載力集對分析評價模型，運用三標度法確定各評價指標的權重，通過計算各評價對象對評價標準的聯系度，得出了研究區各評價區域的水資源承載力分級結果。該模型計算簡便，有效可行，評價結果與客觀實際基本符合。針對評價結果，提出了提高水資源承載力，實現水資源可持續利用的建議。

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