基于模糊集對(duì)和指標(biāo)評(píng)價(jià)體系對(duì)水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)承載能力實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)

謝智雄，陳江清

（1.廣東省水文局佛山水文分局,廣東 佛山 528000；2.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,廣西 南寧 530000）

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口涌入城市的數(shù)量增加,使得城市需水量呈指數(shù)級(jí)別增長(zhǎng),但由于我國水資源本身分布的不均衡性,以及前期遺留的水污染問題,故水系統(tǒng)的健康度對(duì)于城市的發(fā)展和人們生活水平提升帶來嚴(yán)重的制約,為了保障各城市經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展、人們生活水平持續(xù)提升,水資源得到合理的開發(fā)使用,需要做好水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)承載能力的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)工作。

1 水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)承載能力評(píng)價(jià)概述

1.1 水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)承載能力評(píng)價(jià)現(xiàn)狀

水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)承載能力最初是在20 世紀(jì)90 年代提出的,目前對(duì)于水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)承載能力的定義存在不同解釋。部分專家將水資源系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和承載能力作為經(jīng)濟(jì)活動(dòng)發(fā)展的基礎(chǔ),其閾值決定經(jīng)濟(jì)發(fā)展的上限,也有專家指出水系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)能力和承載能力具有自然和社會(huì)的雙重屬性,即承載力具有上限,超出承載能力,生態(tài)系統(tǒng)就會(huì)被破壞。生態(tài)學(xué)上認(rèn)為水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)承載能力是在社會(huì)發(fā)展的一定階段和生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)狀態(tài)下,水資源對(duì)于人類活動(dòng)的最大的承載能力[1]。人類只有在水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)承載能力所允許的范圍內(nèi)進(jìn)行各類活動(dòng),才能使整個(gè)社會(huì)的經(jīng)濟(jì)持續(xù)性健康發(fā)展,水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)承載能力是包含了社會(huì)、人口、環(huán)境、資源、技術(shù)等很多因素的系統(tǒng),這些因素相互之間存在著影響和制約的關(guān)系。水資源能夠支撐多少人類進(jìn)行各類活動(dòng)、經(jīng)濟(jì)能否持續(xù)性發(fā)展、水資源系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)良性循環(huán),這些需要我們制定并實(shí)施的各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等政策,但是如何制定相關(guān)政策以及參數(shù)如何確定是當(dāng)前急需解決的難題。

1.2 水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)承載能力評(píng)價(jià)存在問題及發(fā)展趨勢(shì)

目前我國對(duì)于水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)承載能力的認(rèn)識(shí)和研究還處于探索時(shí)期,還沒有構(gòu)建完善的理論體系和統(tǒng)一的研究方法,需要加強(qiáng)對(duì)基礎(chǔ)理論的研究,開拓新的思路和方法,為國家關(guān)于水系統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)承載能力的研究提供理論依據(jù)[2]。目前,水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)承載能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中關(guān)于指標(biāo)的選取較多樣且存在局限性,對(duì)于指標(biāo)的選取沒有統(tǒng)一的可遵循的方案。今后需要將復(fù)合系統(tǒng)作為研究目標(biāo),構(gòu)建新的可行的指標(biāo)評(píng)價(jià)體系。評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值的詳細(xì)研究還比較少,影響著很多評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用,今后應(yīng)加強(qiáng)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值的研究。目前還沒有統(tǒng)一和完善的用來進(jìn)行水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)承載能力動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)的方法,構(gòu)建的綜合模型無法做到將水資源的復(fù)雜、模糊性能進(jìn)行同時(shí)描述,需用系統(tǒng)的觀點(diǎn)、更廣的視角、更科學(xué)的方法來研究水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)承載能力[3]。此外,水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)承載能力研究的重要前提是環(huán)境所需水資源量,對(duì)于所需水資源量的研究和計(jì)算還沒有統(tǒng)一的理論和方法,今后環(huán)境所需水資源量的確定將是水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)承載能力研究的重要組成部分[4]。

2 模糊集對(duì)理論概述

模糊數(shù)學(xué)法、物元法及灰色系統(tǒng)法等評(píng)價(jià)方法是應(yīng)用較為廣泛的水資源監(jiān)測(cè)能力評(píng)價(jià)方法,但是這些方法存在只能對(duì)事物的聯(lián)系進(jìn)行單一描述、無法在復(fù)雜、不確定、動(dòng)態(tài)情況下進(jìn)行水資源監(jiān)測(cè)[5]。而模糊集對(duì)和指標(biāo)評(píng)價(jià)體系是對(duì)水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)承載能力進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)的一種有效方法[6]。模糊集對(duì)評(píng)價(jià)方法是對(duì)信息隨機(jī)、各類信息冗雜且不確定的情況下進(jìn)行的一種優(yōu)化選擇,將確定和不確定的信息作為既確定又不確定來進(jìn)行分析,將等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)權(quán)重作為評(píng)價(jià)重點(diǎn),提升了評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確度,并將其應(yīng)用在水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)上[7]。

模糊集對(duì)理論的基礎(chǔ)是構(gòu)建集合A、B,成為集對(duì)H（A,B）,其中集合A 是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的集合,集合B 是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的集合,此時(shí)對(duì)集對(duì)進(jìn)行特性分析,并設(shè)定特征數(shù)量為M,兩個(gè)集合A 和B 的共性特性的數(shù)量為P,兩個(gè)集合A和B 的異性特性的數(shù)量為P,兩個(gè)集合A 和B 的對(duì)立特性的數(shù)量為Q,那么集對(duì)的關(guān)聯(lián)度為：

式中：μA，B為集對(duì)H（A,B）的關(guān)聯(lián)度；分別為集對(duì)H（A,B）的同一特性、差異特性和對(duì)立特性占比,分別用a、b、c表示,且a+b+c=1,O+P+Q=M；X為集對(duì)H（A,B）的差異度,取值范圍為從-1～1 之間；Y為集對(duì)H（A,B）的對(duì)立度,取值為-1。

3 水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)承載能力動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)

3.1 構(gòu)建水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系

從自然、人為和承載力指標(biāo)中選取8 項(xiàng)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)指標(biāo),構(gòu)建水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)承載能力指標(biāo)評(píng)價(jià)體系,各評(píng)價(jià)指標(biāo)名稱、符號(hào)及單位見表1。

表1 水資源監(jiān)測(cè)能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.2 評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分

綜合考慮南方某內(nèi)陸城市的實(shí)際水資源情況和構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,將原始量化數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化,并對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分級(jí),從強(qiáng)到弱五個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí),分別用1 級(jí)～5 級(jí)進(jìn)行表示,見表2。

表2 水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)承載能力評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3.3 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

通常在實(shí)踐中使用主觀法和客觀法確定各類評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,但主觀法由于存在較多主觀因素,其評(píng)價(jià)結(jié)果受到評(píng)價(jià)者的認(rèn)知影響較大,故本文采用客觀法對(duì)各類評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重的分配和計(jì)算,步驟如下：

（1）標(biāo)準(zhǔn)化處理評(píng)價(jià)量化指標(biāo)數(shù)據(jù),其中正向指標(biāo)計(jì)算依據(jù)如下：

負(fù)向指標(biāo)用公式（3）進(jìn)行計(jì)算：

式中：rij為第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的第j個(gè)指標(biāo)；amaxj為第i個(gè)指標(biāo)的最大值；aminij為第i個(gè)指標(biāo)的最小值。

標(biāo)準(zhǔn)化處理后,得到矩陣R=（aij）mn,其中m表示評(píng)價(jià)對(duì)象數(shù)量,n表示評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)量。

（2）計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵：

（3）計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重：

根據(jù)該市2017 年～2021 年水資源公報(bào),對(duì)該市水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)承載能力各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重結(jié)果見表3。

表3 水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)承載能力各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

3.4 模糊集對(duì)評(píng)價(jià)水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)承載能力

（1）計(jì)算被評(píng)價(jià)對(duì)象的指標(biāo)和水系統(tǒng)承載水平之間的量化數(shù)據(jù)及單指標(biāo)關(guān)聯(lián)度

結(jié)合最大隸屬度原則,將指標(biāo)分為正向指標(biāo)和反向指標(biāo)后,分別對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)和承載等級(jí)進(jìn)行單指標(biāo)關(guān)聯(lián)度計(jì)算,其中：

正向指標(biāo)的公式如下：

負(fù)向指標(biāo)的計(jì)算公式為：

式中：i為評(píng)價(jià)對(duì)象；j為評(píng)價(jià)指標(biāo)；k為水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)承載能力評(píng)價(jià)等級(jí)；sk,j為水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)承載能力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的界限值。

（2）計(jì)算被評(píng)價(jià)對(duì)象和評(píng)估等級(jí)的關(guān)聯(lián)度

（3）相對(duì)隸屬度和綜合隸屬度計(jì)算

（4）評(píng)價(jià)對(duì)象的水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)承載能力等級(jí)計(jì)算

因最大隸屬度原則在模糊識(shí)別中容易使信息丟失,在對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)承載能力等級(jí)進(jìn)行計(jì)算時(shí),為提高評(píng)價(jià)等級(jí)的精度和評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性,使用置信度原則進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算公式為：

該市水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)承載能力評(píng)價(jià)結(jié)果見表4。

表4 水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)承載能力評(píng)價(jià)結(jié)果

4 評(píng)價(jià)結(jié)果分析及問題對(duì)策

4.1 水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)承載能力評(píng)價(jià)結(jié)果分析

根據(jù)表4結(jié)果,該市水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)承載能力整體較一般,自2020 年提高了水資源監(jiān)測(cè)和管控水平,水資源緊缺和上下游污染現(xiàn)象得到緩解和改善,供水系統(tǒng)承載能力提升明顯,水資源供應(yīng)效率和質(zhì)量需要進(jìn)一步配合該市經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度[8]。

4.2 問題及對(duì)策

根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果并結(jié)合該市水資源實(shí)際使用情況,梳理出以下存在問題并制定對(duì)策見表5。

表5 水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)承載能力存在問題及對(duì)策

5 結(jié)語

本文基于模糊集對(duì)評(píng)和指標(biāo)評(píng)價(jià)體系對(duì)水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)承載能力進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià),并以南方某內(nèi)陸城市為例進(jìn)行水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)承載能力評(píng)價(jià),并針對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果找出存在問題及制定對(duì)策。通過評(píng)價(jià)證明了該評(píng)價(jià)方法對(duì)于水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)承載能力的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)非常有效,但同時(shí)本文在指標(biāo)評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建中對(duì)指標(biāo)的選擇存在一定局限,對(duì)各指標(biāo)的權(quán)重和標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)方面也需要進(jìn)一步的研究。