遼寧省易旱地區(qū)抗旱能力評價

梁德帥

(莊河市水利建筑勘測設(shè)計院，遼寧 莊河 116400)

0 引 言

抗旱能力是指各種組織管理、生產(chǎn)技術(shù)、水利工程及社會經(jīng)濟等活動，能夠減輕、防御旱災影響的綜合水平，由于存在危害程度高、覆蓋范圍廣、持續(xù)時間長、發(fā)生較為頻繁等特點，干旱災害成為當前學術(shù)界研究的重要課題。抗旱能力評價主要是考慮旱災脆弱性特征和成因判斷結(jié)果，在一定的經(jīng)濟、技術(shù)和環(huán)境條件下建立相應的等級標準和評價體系，各地區(qū)抗旱能力采用系統(tǒng)綜合評價法進行差異性評判，從而為抗旱減災、風險管理等提供一定參考[1]。

目前，關(guān)于抗旱能力的評價主要集中于農(nóng)牧業(yè)方面，國內(nèi)相關(guān)研究還處于初步階段，如張潤平等對陜西省應急水源工程的抗旱規(guī)劃思路進行了初步探討；張成才等對2020年河南省抗旱應急水量的供需關(guān)系利用指標分析法進行研究；暢建霞等對西安供水水庫的優(yōu)化調(diào)度函數(shù)利用動態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、累計誤差的BP網(wǎng)絡(luò)法進行求解。然而，現(xiàn)有研究對于整個區(qū)域抗旱能力的評價分析比較少，尚未有效解決評價系統(tǒng)中抗旱能力等級劃分標準、評價體系的構(gòu)建及抗旱范圍劃分等問題。鑒于此，文章以遼寧省為研究對象，通過分析8個易旱區(qū)的抗旱能力關(guān)鍵性影響因子，從多個不同方面構(gòu)建抗旱能力評價體系，然后對各指標權(quán)重采用改進的AHP法確定，將各評價標準與樣本指標的隸屬度函數(shù)采用集對分析法構(gòu)造，綜合評價了2018年遼寧省易旱地區(qū)的抗旱能力，可為該區(qū)域旱災風險管理和抗旱減災工作提供一定的支持。

1 確定評價指標體系

1.1 區(qū)域概況

遼寧省屬于我國東北地區(qū)南部既沿邊又沿海的省份，地處E118°53′-125°46′，N38°43′-43°26′之間，地形地貌有“六山一水三分田”之稱，地勢結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出中部低、東西兩側(cè)高的變化趨勢，東、西兩側(cè)為海拔約800-500m的低山丘陵。由于特殊的地理環(huán)境和復雜的水文氣象，中部平原地區(qū)相對于高山地的降水量較低，與渤海相鄰的東南部降水量充足，而西北地區(qū)風沙干旱嚴重且降水稀少。其中沈陽、鐵嶺、撫順、鞍山、阜新、大連、北票市、遼陽為易旱地區(qū)，水資源存在可開發(fā)利用量少、邊界效益低、開發(fā)難度大和開采成本高等特點，加之局部地區(qū)地下水開發(fā)過度與水環(huán)境保護意識薄弱，使得境內(nèi)干旱災害頻繁，為全省歷年抗旱工作的重點區(qū)域。當前關(guān)于該區(qū)域的干旱研究較少，抗旱技術(shù)和理論方法為限制此易旱地區(qū)抗旱減災工作的主要因素。各易旱地區(qū)抗旱能力的綜合評價作為遼寧省旱災風險管理的重要基礎(chǔ)，可為抗旱應急方案制定、旱災風險管理和抗旱決策等科學的指導作用。

1.2 影響因素

城市抗旱和農(nóng)業(yè)抗旱為區(qū)域抗旱能力的兩個主要方面，其中農(nóng)業(yè)抗旱是指通過人類自身活動抵御、抗拒及減輕農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)受干旱災害或人為因素引起干旱缺水的影響能力，主要包括自然因素和人類活動因素。自然因素有農(nóng)作物品種的抗旱性能、農(nóng)田土壤蓄水保墑性能、干旱影響范圍、強度及其頻次，而人類活動因素有抗旱資金投入樁、組織管理能力、當?shù)匕l(fā)展情況、農(nóng)業(yè)水利設(shè)施建設(shè)、農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平等。城市抗旱是指通過人類自身活動抵御和抗拒人類日常生活及從事農(nóng)業(yè)以外區(qū)域，城市運轉(zhuǎn)、社會發(fā)展受人為因素引起或自然干旱的能力，主要包括抗旱組織管理、社會經(jīng)濟發(fā)展、地區(qū)供水管網(wǎng)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、生態(tài)層次、人口密度及分布、抗旱應急水源工程建設(shè)等因素。由此表明，人類活動、地域條件、自然環(huán)境等因素均可對區(qū)域抗旱能力產(chǎn)生影響，綜合評價易旱區(qū)抗旱能力的研究還要結(jié)合不同地區(qū)的實際情況，按照求同存異、因地制宜的原則科學合理的確定經(jīng)濟社會、技術(shù)條件、自然環(huán)境等主次因素，為選取不同區(qū)域抗旱能力影響因子提供可靠的支撐。

1.3 選取評價指標

抗旱能力評價涉及到的因素多、范圍廣，各地區(qū)的水資源短缺程度不同，且城市和農(nóng)業(yè)抗旱水平存在較大差異。為了能夠系統(tǒng)、全面的反映區(qū)域抗旱能力就要求從復雜的評價信息中選擇獨立性強、可行性好且存在主導作用的指標，選取的評價指標不僅要滿足易獲取性要求，而且能夠客觀、科學的反映區(qū)域抗旱特征。在指標選取過程中應遵循如下原則：①實用性、代表性原則，評價指標物理概念明確且能夠系統(tǒng)、全面的反映抗旱能力；②可量化性原則，指標數(shù)據(jù)要容易獲取、便于計算；③獨立性原則，為避免冗余計算各指標之間要彼此獨立、互不干擾；④動態(tài)性原則，各項指標在某一時間段內(nèi)應保持連續(xù)性變化，對于不同發(fā)展階段的區(qū)域抗旱能力均能夠有效的反映。所以，文章通過分析各地區(qū)抗旱能力影響因子，經(jīng)充分的論證、比較和分析，從需水量、供水能力、抗旱組織管理及供需不平衡程度3個子系統(tǒng)中選擇17項典型指標，遵循以上原則構(gòu)建較為全面的抗旱能力評價體系。根據(jù)各地區(qū)實際情況，將農(nóng)業(yè)和城市抗旱能力關(guān)鍵性影響因子采用3個子系統(tǒng)實現(xiàn)有機的結(jié)合，同時考慮了區(qū)域抗旱能力受特大、大、中干旱程度，所建立的評價體系具有較強的可行性與有效性，評價體系與各因子內(nèi)涵如表1所示。

表1 遼寧省易旱地區(qū)抗旱能力評價體系

2 改進的AHP法計算權(quán)重

為提高抗旱能力評價各指標權(quán)重的精準度和穩(wěn)定性，將傳統(tǒng)的AHP層次分析法利用加速遺傳算法加以改進，即AGA-AHP法計算指標權(quán)重，其基本流程如下：

步驟一：將兩兩指標之間的相對重要性依據(jù)專家經(jīng)驗和知識結(jié)構(gòu)確定，為定量反映不同指標的貢獻率引入1-9數(shù)值標度法，從而構(gòu)造判斷矩陣如下：

(1)

步驟二：在判斷矩陣建立過程中，由于不同專家知識水平和主觀認識的差異性，往往出現(xiàn)結(jié)果不一致和權(quán)重相差較大的現(xiàn)象，對此采用如下優(yōu)化函數(shù)處理矩陣A的一致性和單排序問題，即：

(2)

步驟三：關(guān)于上式非線性優(yōu)化問題，采用常規(guī)的求解方法存在較大的困難，而AGA加速遺傳算法是一種模擬生物優(yōu)勝劣汰規(guī)則的全局優(yōu)化法，將式(2)利用AGA法可有效、簡便的進行求解。設(shè)定矩陣A滿足一致性檢驗的條件為CIF(nb)小于某一臨界值，由此確定可被接受的抗旱能力各評價因子的單排序權(quán)值ωk；否則，需要對A進行反復調(diào)整，直至滿足設(shè)定的檢驗條件。

按照以上計算流程，對評價體系中17項指標權(quán)重利用AGA-AHP法進行求解，結(jié)果見表2。

表2 抗旱能力評價等級標準與各指標權(quán)重計算結(jié)果

采用加速遺傳算法檢驗，結(jié)果顯示抗旱能力各評價矩陣的一致性函數(shù)值均<0.1，滿足科學合理性要求。根據(jù)表2結(jié)算結(jié)果，抗旱組織管理及水供需不平衡程度、供水能力、需水量3個子系統(tǒng)的權(quán)重之和分別為0.1432、0.5710、0.2858，可見抗旱能力評價中供水能力子系統(tǒng)的貢獻率最大，其次為需水量子系統(tǒng)，抗旱組織管理及水供需不平衡程度對抗旱能力評價的貢獻率最低。

3 綜合評價

3.1 構(gòu)建評價等級

根據(jù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟社會發(fā)展受各評價指標的影響程度，參考堤防政府頒布的抗旱標準和相關(guān)行業(yè)規(guī)范，將抗旱能力評價標準劃分為弱、較弱、中、較強、強5個等級，不同等級下各指標取值如表2所示。

為提高抗旱能力評價的客觀性和精確度，將不同等級間各單指標與評價指標樣本值之間的聯(lián)系數(shù)利用SPA集對分析法進行計算。所以，不同評價等級下各易旱地區(qū)的隸屬度利用SPA構(gòu)造的隸屬度函數(shù)確定，實現(xiàn)流程如下：

1)針對抗旱能力評價等級k與樣本i關(guān)于指標j的單因子聯(lián)系數(shù)Uijk，考慮選用集對分析法求解，其中k=1,2,…,5；j=1,2,…,m；i=1,2,…,n。若評價等級與評價指標值Xij呈正相關(guān)性，則利用下式計算確定Uijk值，即：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：s1j-s5j為抗旱能力評價1-5級標準的界限值；s0j為評價標準為1級的另一界限值；

若評價等級與評價指標值Xij呈負相關(guān)性，則利用下式計算確定Uijk值，則按以上公式取相反符號計算確定。

(8)

3)關(guān)于評價等級k樣本i的隸屬度Uik計算公式如下：

(9)

將不同評價等級下各易旱地區(qū)的相對隸屬度歸一化值，按照以上流程進行計算，結(jié)果見表3。

表3 經(jīng)歸一化處理的各評價等級相對隸屬度

3.2 抗旱能力評價

依據(jù)最大隸屬度原則法、屬性識別法和表3計算結(jié)果，對遼寧省各易旱地區(qū)的抗旱水平進行綜合評價，如表4所示。根據(jù)表4可知，各易旱地區(qū)均處于偏弱的抗旱水平，抗旱能力達到較強等級的僅有遼陽市、北漂市，參與評價的其他地區(qū)均為中等及以下水平抗旱水平。

表4 遼寧省易旱地區(qū)抗旱能力評價

4 結(jié) 論

1)對遼寧省易旱地區(qū)抗旱能力利用集對分析法和改進的層次分析法進行評價，結(jié)果表明各易旱地區(qū)現(xiàn)狀水平年下的抗旱能力整體偏弱，不同地區(qū)的抗旱能力存在較大差異。根據(jù)抗旱減災工作中存在的問題，為提高各地區(qū)抗旱水平應從政策法規(guī)、生產(chǎn)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、財政投入、工程建設(shè)、組織管理等方面收入，通過不斷的優(yōu)化改進保證區(qū)域抗旱工作的進行。

2)評價指標體系具有較強的適用性和系統(tǒng)概括性，可為其他地區(qū)抗旱能力評價提供一定參考和依據(jù)，具有較好的推廣和使用價值。