2010—2014年全國水資源可持續利用評價方法對比研究

(新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒 841000)

水資源可持續利用評價是可持續利用研究的主要方式，它在建立水資源可持續利用評價指標體系(Indicators System for Sustainability Assessment of Water Resources Use,簡稱ISSAWRU)及評價標準的基礎上，通過描述指標與標準間復雜關系的方法或模型，實現水資源可持續利用程度在時間或空間上的分類或排序，從而為協調區域水資源開發利用及其與人口、社會、經濟和環境等之間的關系提供科學依據[1-2]。受人口、社會、經濟和生態環境等眾多因素的綜合影響，加之復雜的“可持續”概念，水資源可持續利用的定量評價成為交互耦合的非線性復雜系統，其相關評價研究的方法眾多，大致可歸納為：數理統計方法、運籌決策方法、灰色系統理論法、模糊數學方法、機器學習方法等[3-5]。為進一步揭示水資源可持續利用評價方法的特點與應用效果，本文以2010—2014年全國水資源利用統計數據為評價對象，進行研究區水資源可持續利用評價，從而對各方法的特點及其評價結果進行比較研究。

1 評價方法簡介

從方法的性質和理論基礎考慮，本文選取了兩類2種評價方法，即綜合指數型的主成分分析(Principal Component Analysis,簡稱PCA)法、等級分類型的模糊綜合評判法。各模型的基本原理簡述如下。

1.1 PCA法

水資源可持續利用評價是一個多指標多因素綜合的研究問題，但變量太多會增加評價過程的復雜性，并且眾多指標間易存在信息的重復和干擾，從而影響評價結果的精確程度。PCA法的基本思想就是在數據信息損失最小的前提下，通過線性變換實現高維變量空間的降維，用少數綜合的主成分代替原多維變量。采用PCA法獲取指標權重的主要內容包括建立相關系數矩陣，求取特征值、特征向量和方差貢獻率，提取特征值大于1或累計貢獻率大于85%的前n項主成分，以及計算指標權重等，最終指標權重的計算模型為

式中Wi——第i項指標的權重；

gq——第q個主成分的方差貢獻率；

aiq——特征向量分量，即第q個主成分第i項指標的系數；

m——主成分個數。

1.2 模糊綜合評判法

模糊綜合評判法是基于模糊數學理論的綜合評價方法，有單層次和多層次兩類模糊綜合評判模型。該方法根據模糊數學的隸屬度函數進行定量評價，并依據最大隸屬度及其補充原則得到評價目標的分類等級，適合于各種非確定性問題的評價研究。水資源可持續利用評價是多層次、多因素評價問題，因此應采用多層次模糊綜合評判模型，這不僅可以反映評判因素的不同層次，而且有效減少了由于因素過多而難于分配權重的困難，從而最終依據決策評判矩陣確定各評價對象所對應的評價等級。本文擬采用的隸屬度函數及評價方法的詳細過程可參考劉梅冰等的研究成果[8]。

2 評價體系構建

PSR(Pressure-State-Response)概念模型最初由Tony Friend和David Rapport提出[7]，用于分析環境壓力、現狀與響應之間的關系。應用PSR模型構建指標體系，計算某一時間點的水資源可持續利用程度，在此計算結果的基礎上，結合上述方法計算不同時間點之間的水資源可持續利用程度與等級。本文基于PSR框架構建了全國ISSAWRU(見表1)。

表1 水資源可持續利用綜合評價指標體系

將指標數據進行無量綱處理，得到各評價指標值。將12個指標劃分為4個等級，其中Ⅰ級為水資源可持續利用強等級，Ⅱ級為水資源可持續利用較強等級，Ⅲ級為水資源可持續利用中等級，Ⅳ級為水資源可持續利用較弱等級。各指標等級劃分如表2所示。

表2 全國水資源可持續利用評價指標等級劃分

續表

3 模型應用

本文結合PSR的框架內容構建全國水資源可持續利用評價指標體系。在指標體系不變的條件下，分別采用上述2種方法對全國2010—2014年水資源可持續利用情況進行評價。

3.1 研究區概況和數據來源

2014年全國平均降水量622.3mm，地表水資源量26263.9億m3，礦化度不大于2g/L地區的地下水資源量7745.0億m3，水資源總量27266.9億m3，地下水與地表水資源不重復量1003.0億m3。水資源總量占降水總量45.2%，單位面積產水量28.8萬m3/km2。

2014年全國總供水量6095億m3，占當年水資源總量的22.4%。其中，地表水源供水量4921億m3，占總供水量的80.8%；地下水源供水量1117億m3，占總供水量的18.3%；其他水源供水量57億m3，占總供水量的0.9%。全國總用水量中，生活用水占12.6%，工業用水占22.2%，農業用水占63.5%，生態環境補水占1.7%。

全國人均綜合用水量447m3，萬元國內生產總值用水量96m3。耕地實際灌溉畝均用水量402m3，農田灌溉水有效利用系數0.530，萬元工業增加值用水量59.5m3，城鎮人均生活用水量(含公共用水)213L/d，農村居民人均生活用水量81L/d。

本文指標數據主要來自2010—2014年水利部水資源公報和國家統計局國民經濟和社會發展統計公報(評價指標值見表3)。

表3 水資源可持續利用評價指標值

3.2 評價結果

模糊綜合評判法中涉及各指標的權重采用前期PCA法權重系數。2種方法所得評價結果分為綜合指數和等級分類兩種類型，最終得到綜合評價結果見表4。

3.3 分析與討論

表4中的評價結果表明，由于2種評價方法的視角不同，所依賴的理論基礎也不同，對于相同的ISSAWRU，評價所得結果存在一定差異，主要表現在綜合值大小和綜合等級的差異上。在評價指標體系不變的條件下，對2種評價方法的特點及其評價結果的差異進行對比分析，以探求一些潛在規律。

PCA法依據數據結構和特征客觀地確定指標權重，不受主觀判斷影響。從評價過程的復雜性來看，PCA法是個兩次加權的過程，第一次以特征值對應的單位特征向量分量為權，對標準化指標值求和合成各主成分，第二次以方差貢獻率為權，對主成分求合成單值化的綜合評價值。從該方法的優缺點可知，PCA法的特點是客觀賦權，不受主觀判斷影響，但未從指標的物理意義融入評價者的價值判斷。

表4 2種方法評價結果對比

模糊綜合評判法基于傳統的評價思想和原理，其特點是能夠考慮到水資源可持續利用程度分類界限的模糊性，基于已有的指標等級分類標準，通過最大隸屬度及其補充原則來判斷評價對象所屬水資源可持續利用程度的最大可能性。然而，雖然模糊綜合評判是個綜合評價過程，但其缺點也明顯，即當評價對象數量大時，需要構造大量的評價決策矩陣，計算工作量較大，同時評價結果受指標等級分類標準的影響大。

4 結 論

a.在相同的評價指標體系下，兩種不同方法所得評價結果有一定差別，從而在一定程度上表明評價方法對評價指標體系的依賴性。

b. PCA方法的綜合評價指數分布范圍小、區域間分辨間隔較小。對于模糊綜合評判法，其綜合值評價結果分布大，區域間分辨間隔較大。

c.從評價過程的復雜性來看，PCA和模糊綜合評判法的評價過程相對穩定，且PCA的賦權是基礎性的。

[1] 金菊良,張禮兵,魏一鳴.水資源可持續利用評價的改進層次分析法[J].水科學進展,2004,15(2):227-232.

[2] 宋松柏,蔡煥杰.區域水資源可持續利用評價的人工神經網絡模型[J].農業工程學報,2004,20(6):89-92.

[3] 王軍璽,劉嚴如,李月嬌.基于區域發展目標的蘭州市水資源可持續承載能力預測研究[J].水利建設與管理,2013(3):81-86.

[4] 王娟.菏澤市水資源可持續利用的管理對策探討[J].水利建設與管理,2013(9):82-83,58.

[5] 崔兆東.黃河水資源可持續利用探討[J].水資源開發與管理,2015(2):33-34,43.

[6] 劉梅冰,陳興偉.福建省水資源可持續利用的模糊綜合評判[J].福建師范大學學報:自然科學版,2006,22(1):107-111.

[7] 周豐,郭懷成,劉永.濕潤區湖泊流域水資源可持續發展評價方法[J].自然資源學報,2007,22(2):290-301.