基于多層次模糊評(píng)價(jià)模型的水資源承載力研究

肖 瑜，王方圓

(濟(jì)南市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 濟(jì)南 250014)

1 研究區(qū)概況

青海省海西蒙古族藏族自治州(簡(jiǎn)稱海西州)位于青藏高原的北部，青海省的西部。全州東西長(zhǎng)837km，南北寬486km。海西州轄德令哈、格爾木及茫崖市，天峻、都蘭及烏蘭縣和大柴旦行委，總面積32.58萬(wàn)km2。州域主體為中國(guó)四大盆地之一的柴達(dá)木盆地，具有典型高寒干燥大陸性氣候特征，盆地中心為干旱荒漠區(qū)，多年平均年降水深115.4mm，多年平均水面蒸發(fā)量高達(dá)1600mm左右。近年來(lái)，海西州發(fā)揮區(qū)域資源優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)建柴達(dá)木國(guó)家級(jí)循環(huán)工業(yè)園區(qū)，國(guó)民經(jīng)濟(jì)取得快速發(fā)展的同時(shí)，水資源量需求逐年攀升，國(guó)民經(jīng)濟(jì)需水與水生態(tài)環(huán)境之間的矛盾初現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)海西州水資源合理開(kāi)發(fā)利用，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，對(duì)海西州進(jìn)行水資源承載力評(píng)價(jià)，將為區(qū)域水資源可持續(xù)利用提供參考。

2 評(píng)價(jià)模型建立和指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 研究方法及數(shù)據(jù)來(lái)源

水資源是社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)資源，水資源的合理利用能夠促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境持續(xù)向好，反之，水資源對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起限制作用。水資源對(duì)區(qū)域社會(huì)系統(tǒng)發(fā)展的支撐力度或程度可用水資源承載力表示，水資源承載力的定義方法眾多，目前尚未形成一致成果[1]。承載力的定義可歸納為3類(lèi)，一是水資源可開(kāi)發(fā)利用的上限，二是水資源可支撐的社會(huì)系統(tǒng)能夠良性循環(huán)的規(guī)模，三是將兩者或更多的因素綜合評(píng)價(jià)，得到一個(gè)較為合理可行的指標(biāo)。關(guān)于水資源承載力的研究方法較多，有主成分分析法[2]、常規(guī)趨勢(shì)法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[3]、綜合評(píng)價(jià)法和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法[4]等。由于我國(guó)地域遼闊，水資源時(shí)空分布差異巨大，加之人口規(guī)模、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技水平等因素，水資源承載力評(píng)價(jià)方法在各地區(qū)的應(yīng)用存在差異。總體來(lái)看，由于水資源承載力具有隨機(jī)性、模糊性等特點(diǎn)[5]，模糊綜合評(píng)價(jià)法與熵權(quán)法[6]在解決水資源承載力方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，模糊綜合評(píng)價(jià)模型得到較為廣泛的應(yīng)用，其結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性得到驗(yàn)證[7- 8]。本文通過(guò)構(gòu)建多層次模糊綜合評(píng)價(jià)模型，將隸屬度矩陣與因素的權(quán)向量進(jìn)行模糊化運(yùn)算，對(duì)海西州水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)。指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算尚未有公認(rèn)的最佳方法[8]，確定方法主要包括兩類(lèi)：一類(lèi)為主觀賦權(quán)法，包括層次分析法、專家調(diào)查法、環(huán)比評(píng)分法，其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于難以量化的評(píng)價(jià)指標(biāo)，可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)賦權(quán)值，得到貼近實(shí)際的結(jié)果，缺點(diǎn)是權(quán)值易受人為主觀因素影響；另一類(lèi)為客觀賦值法，有熵權(quán)法、多目標(biāo)分析法等，優(yōu)點(diǎn)是權(quán)值的確定可以有效避免主觀因素影響，但對(duì)于不同決策目標(biāo)，難以反應(yīng)指標(biāo)對(duì)目標(biāo)的優(yōu)先級(jí)。本次采用層次分析法和熵權(quán)法對(duì)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，力求做到主客觀結(jié)合，權(quán)重適宜。

2.2 模糊綜合評(píng)價(jià)模型

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論，模糊評(píng)判可用W⊙R=B模式描述。其中W為輸入，即參評(píng)因子權(quán)重集，是一個(gè)1×m階行矩陣；R為模糊變換器，即由單因子評(píng)價(jià)行矩陣組成m×n階模糊關(guān)系矩陣；B為輸出，即為綜合評(píng)判結(jié)果，稱為評(píng)價(jià)矩陣，為一個(gè)1×n階行矩陣[9]。模糊評(píng)判就是對(duì)擬評(píng)判對(duì)象選定一些主要因素，先進(jìn)行單因素評(píng)判，評(píng)價(jià)結(jié)果構(gòu)成模糊關(guān)系矩陣R[10]，再考慮諸因素在總綜合評(píng)判中的地位，求取R和W的過(guò)程。

(1)

其中“⊙”為模糊合成算子。常用的模糊算子有4種[11]，分別為M(∧，∨)算子、M(·，∨)算子、M(∧，⊕)算子和M(·，⊕)算子。對(duì)同一因素集用不同的模糊算子會(huì)使評(píng)價(jià)的結(jié)果產(chǎn)生差異，M(·，⊕)算子比較適用于多因素起作用的情況[12]，本文采用M(·，⊕)算子進(jìn)行模糊綜合計(jì)算。

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立

水資源承載力系統(tǒng)并非一個(gè)獨(dú)立存在的系統(tǒng)，而是由水資源、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)環(huán)境4個(gè)與人類(lèi)密切相關(guān)的子系統(tǒng)組合起來(lái)的一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的耦合系統(tǒng)。對(duì)于其評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取，不僅要覆蓋范圍廣，且需要有代表性[13]，選擇能夠反映研究區(qū)域特征的獨(dú)特性指標(biāo)對(duì)研究結(jié)果的準(zhǔn)確性有較大影響。為能夠全面真實(shí)地反映研究區(qū)水資源承載力情況，考慮柴達(dá)木盆地植被覆蓋度低、土壤組成松散，水土保持對(duì)水資源承載力影響[14]作用，綜合選取包括水土流失率在內(nèi)的14個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建包含水資源、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)4個(gè)子系統(tǒng)的水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。將指標(biāo)強(qiáng)弱分為5個(gè)檔，從低到高依次為弱、較弱、一般、較強(qiáng)和強(qiáng)。指標(biāo)強(qiáng)弱分級(jí)主要參考青海省和西北地區(qū)先進(jìn)水平。模糊綜合評(píng)價(jià)模型及指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

3 權(quán)重確定

綜合層次分析法與熵權(quán)法，得到綜合主客觀因素的指標(biāo)權(quán)重W。

W=(Wi)1×n

(2)

(3)

表1 模糊綜合評(píng)價(jià)模型及指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表

層次分析法的基礎(chǔ)是比較判斷矩陣。由于每個(gè)準(zhǔn)則都支配下一層若干個(gè)因素，這樣對(duì)于每一個(gè)準(zhǔn)則及他所支配的因素都可以得到一個(gè)比較判斷矩陣。判斷矩陣的構(gòu)建應(yīng)得到一致性檢驗(yàn)通過(guò)，若一致性比例CR=CI/RI<0.1，則認(rèn)為矩陣一致性檢驗(yàn)通過(guò)。RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，CI為一致性指標(biāo)。

(4)

式中，λmax—判斷矩陣的最大特征值；n—判斷矩陣階數(shù)。計(jì)算結(jié)果一致性指標(biāo)均小于0.1，見(jiàn)表2，矩陣一致性檢驗(yàn)通過(guò)。

表2 層次分析法權(quán)重計(jì)算結(jié)果

熵值在信息論中表示信息無(wú)序化程度的度量[15]。采用2004—2015年之間15年數(shù)據(jù)應(yīng)用熵權(quán)法進(jìn)行權(quán)重分析，將所得權(quán)重Wi′按式(3)進(jìn)行計(jì)算，得到最終綜合指標(biāo)權(quán)重，結(jié)果見(jiàn)表3。

4 結(jié)果分析

所得綜合權(quán)重W與評(píng)價(jià)矩陣R進(jìn)行模糊運(yùn)算，得到評(píng)判結(jié)果B(表4)。為能更加直觀評(píng)價(jià)水資源綜合承載力，令評(píng)語(yǔ)等級(jí)集合為各等級(jí)賦值為V={0.1，0.3，0.5，0.7，0.9}，進(jìn)行運(yùn)算后，可以得到海西州水資源承載力綜合得分。

(1)海西州水資源承載力綜合得分為0.4，水資源承載力介于較弱與一般狀態(tài)之間。說(shuō)明海西州水資源開(kāi)發(fā)利用存在不可持續(xù)問(wèn)題，國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源承載力的矛盾尚未得到重視，水資源承載力正在轉(zhuǎn)變?yōu)樯鐣?huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、生態(tài)環(huán)境優(yōu)化的限制因素。

表3 水資源承載力各級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合權(quán)重

(2)海西州水資源承載力水資源系統(tǒng)評(píng)價(jià)等級(jí)為一般，這與海西州地廣人稀，人均水資源量高、水資源開(kāi)發(fā)利用率低，但產(chǎn)水模數(shù)較低的實(shí)際相吻合；經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)評(píng)價(jià)等級(jí)為一般，海西州工業(yè)用水水平較高，但區(qū)內(nèi)都蘭縣、天峻縣為農(nóng)業(yè)、牧業(yè)大縣，萬(wàn)元GDP用水水平偏低；社會(huì)系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)等級(jí)為弱，是水資源承載力提高的主要壓力源。

(3)社會(huì)系統(tǒng)中的畝均灌溉用水量和生態(tài)系統(tǒng)中的水土流失率是水資源承載力提高的主要限制因素。海西州現(xiàn)狀灌溉水利用系數(shù)0.48，遠(yuǎn)低于西北先進(jìn)地區(qū)，未來(lái)海西州應(yīng)加快推進(jìn)灌區(qū)節(jié)水改造、優(yōu)化作物種植結(jié)構(gòu)，提高灌溉水利用系數(shù)，減少農(nóng)田畝均灌溉用水量。同時(shí)，推進(jìn)水土保持治理和小流域生態(tài)環(huán)境綜合治理，逐步降低水土流失率。

評(píng)價(jià)結(jié)果表明，海西州因國(guó)土面積廣闊，人均水資源量、人口密度、單位面積廢污水排放量等指標(biāo)評(píng)分領(lǐng)先，但由于自然生態(tài)系統(tǒng)脆弱、用水效率不高等因素，總體水資源承載力較弱。海西州應(yīng)立足“三個(gè)最大”省情定位，走資源可持續(xù)發(fā)展道路，建議進(jìn)一步深入開(kāi)展水資源承載力研究，挖掘、提升區(qū)域發(fā)展?jié)摿Α?/p>

表4 海西州水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)篩選切合海西州實(shí)際的評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立起水資源系統(tǒng)-經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)-社會(huì)系統(tǒng)-生態(tài)系統(tǒng)耦合的多層次模糊評(píng)價(jià)模型，對(duì)海西州水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)，取得了較好效果，文章對(duì)高寒地區(qū)水資源承載力評(píng)價(jià)具有一定的指導(dǎo)意義。由于水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法眾多，從眾多指標(biāo)和方法中構(gòu)建適合評(píng)價(jià)區(qū)域?qū)嶋H的模型是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，進(jìn)一步開(kāi)展評(píng)價(jià)機(jī)理研究和評(píng)價(jià)方法篩選將是下一步高寒地區(qū)水資源承載力評(píng)價(jià)的重要工作。