江蘇省水資源開發(fā)利用程度評價

李治軍，汪 超，陳海楓，王旻憶

(黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，黑龍江大學(xué)寒區(qū)地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150086)

水資源是一個國家的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性重要資源與能源。水資源系統(tǒng)則是一個包含有大量不確定性信息的復(fù)雜系統(tǒng)[1]，其開發(fā)利用程度隨著社會需求的增長和經(jīng)濟技術(shù)水平的提高而不斷增加，在一定的社會經(jīng)濟技術(shù)水平和自然條件下，區(qū)域水資源的開發(fā)總是被限制進(jìn)行[2]。對于研究一個地區(qū)的水資源開發(fā)利用程度，不但可以反映當(dāng)?shù)氐纳鐣?jīng)濟水平，還可以量化當(dāng)?shù)厮Y源可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Α?/p>

對區(qū)域性水資源開發(fā)利用程度進(jìn)行評價時，目前常用的方法有投影尋蹤法[3]、灰色關(guān)聯(lián)分析法[4]、模糊綜合評價法[5]、屬性識別理論[6]、集對分析法[7]等，由于水資源具有自然屬性、社會屬性、經(jīng)濟屬性、生態(tài)屬性和環(huán)境屬性[8]，水資源系統(tǒng)與社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)之間存在極其復(fù)雜的交互耦合關(guān)系，單一使用上述方法，不能體現(xiàn)水資源開發(fā)利用系統(tǒng)的全面性、復(fù)雜性、客觀性。本文在灰色關(guān)聯(lián)分析法的基礎(chǔ)上，利用熵權(quán)法與AHP相結(jié)合的方法確定了最終指標(biāo)權(quán)重，消除AHP的主觀性影響，以此構(gòu)建AHP-熵權(quán)法-灰色關(guān)聯(lián)分析綜合評價模型，對江蘇省13個市州的水資源開發(fā)利用程度進(jìn)行評價。

1 研究區(qū)概況

江蘇省地處亞熱帶向暖溫帶過度區(qū)，氣候溫和，雨量適中，四季分明，自然條件優(yōu)越，經(jīng)濟基礎(chǔ)較好。境內(nèi)多年平均水資源量436.57億m3，多年平均水資源供水量493.29億m3。2010—2020年江蘇省水資源供水量與水資源總量對比圖如圖1所示，圖中顯示江蘇省過去幾年水資源供水量占水資源總量的比例基本在80%以上，且大多年份水資源供水量大于總量。

圖1 2010—2020年江蘇省水資源供水量與水資源總量對比圖

2 研究方法

2.1 確定指標(biāo)

對于指標(biāo)的選擇，目前比較廣泛應(yīng)用的指標(biāo)篩選方法有專家咨詢法、主成分分析法、粗糙集理論、聚類分析法、相關(guān)分析法和灰色關(guān)聯(lián)分析法等，本文使用灰色關(guān)聯(lián)分析法來選取與水資源開發(fā)利用率相關(guān)度比較高的指標(biāo)。

2.1.1指定參考數(shù)列

選擇需判斷關(guān)聯(lián)度的各個變量中的一個作為參考數(shù)列，記為x0(k)，k=1，2，3…n，n為地區(qū)個數(shù)，其它指標(biāo)記為xi(k)，k=1，2，3…m，m為待選指標(biāo)個數(shù)。

2.1.2數(shù)據(jù)無量綱化處理

利用均值化法，即

(1)

2.1.3計算關(guān)聯(lián)系數(shù)

對于一個參考數(shù)列x0，有幾個比較數(shù)列x1，x2，…，xn的情況，可以用下述關(guān)系表示各比較曲線與參考曲線在各點的差：

(2)

式中，ξi(k)—第k個時刻比較曲線xi與參考曲線x0的相對差值，即關(guān)聯(lián)系數(shù)，ζ—分辨率，一般在0與1之間選取，本文取0.5.

2.1.4計算關(guān)聯(lián)度

(3)

式中，ri—第i個指標(biāo)對參考指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度。

2.1.5選擇評價指標(biāo)體系

列出關(guān)聯(lián)序，根據(jù)ri的大小選擇出評價指標(biāo)體系。

2.2 確定權(quán)重

目前常用的確定權(quán)重的方法是層次分析法(AHP，analytic hierarchy process)，適用于解決包含大量不能定量計算只能定性描述的相互關(guān)聯(lián)和制約因素的問題，其判斷矩陣的構(gòu)造具有一定的主觀性，缺乏客觀性的評價，然而熵權(quán)法可以彌補這樣的缺點，所以本文應(yīng)用基于熵權(quán)法與AHP的組合權(quán)重來確定最終權(quán)重。

2.2.1AHP確定主觀權(quán)重[9]

(1)構(gòu)建判斷矩陣

根據(jù)表1構(gòu)建m階判斷矩陣T：

表1 指標(biāo)之間比較量化值規(guī)定

(4)

計算判斷矩陣各行元素的積Ti:

(5)

計算Ti的n次方根βi，得到向量β：

(6)

對βi進(jìn)行歸一化處理，則指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)：

(7)

最后計算判斷矩陣的最大特征值：

(8)

②一致性檢驗：

CR=CI/RI

(9)

(10)

式中，CR=CI/RI—判斷矩陣B的一致性指標(biāo)，CR<0.1即為通過檢驗，RI—同價的平均隨機一致性指標(biāo)，由查表2所得。

表2 平均隨機一致性指標(biāo)

2.2.2熵權(quán)法確定客觀權(quán)重[10]

熵權(quán)法是根據(jù)各個指標(biāo)提供的信息量大小確定權(quán)重的方法，指標(biāo)的信息熵越小，表明指標(biāo)值離散程度越大，對綜合評價的影響(即權(quán)重)就越大[11]。文獻(xiàn)[10-11]已經(jīng)給出了熵權(quán)法的具體計算步驟，在此不再贅述。

2.2.3確定最終權(quán)重

(11)

式中，w′—AHP法得到的權(quán)重；w″—熵權(quán)法得到的權(quán)重；評價指標(biāo)的個數(shù)計為i(i=1，2，3…n)。

3 江蘇省水資源開發(fā)利用程度評價

3.1 評價指標(biāo)的選取

對于水資源開發(fā)利用程度的評價，應(yīng)充分考慮水資源的各種屬性，在此基礎(chǔ)上，本文在水資源生態(tài)系統(tǒng)、水資源開發(fā)利用系統(tǒng)、社會經(jīng)濟這3大系統(tǒng)中選取出可以較好評價江蘇省水資源開發(fā)利用程度的20個評價指標(biāo)。在這20個評價指標(biāo)中，我們根據(jù)江蘇省2010—2020年相關(guān)數(shù)據(jù)，以水資源開發(fā)利用率作為參考序列并進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析，從而選取出10個最優(yōu)指標(biāo)作為評價指標(biāo)，評價指標(biāo)選取具體情況見表3。

表3 灰色關(guān)聯(lián)分析及其選擇結(jié)果

3.2 構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)

為了更系統(tǒng)地評價江蘇省水資源的開發(fā)利用程度，根據(jù)上述通過關(guān)聯(lián)度選擇出的10個評價指標(biāo)構(gòu)建了如圖2所示的遞階層次結(jié)構(gòu)模型。同時江蘇省各市州的評價指標(biāo)值見表4。

表4 江蘇省各市州的評價指標(biāo)值

圖2 水資源開發(fā)利用程度綜合評價指標(biāo)體系的遞階層次結(jié)構(gòu)模型

3.3 確定權(quán)重

根據(jù)熵權(quán)法與AHP得到的最終權(quán)重見表5。

表5 綜合權(quán)重計算結(jié)果

3.4 評價模型構(gòu)建

谷紅梅、李國良等在區(qū)域水資源開發(fā)利用程度綜合評價中[12-13]對影響因素進(jìn)行了分級，但根據(jù)江蘇省水資源公報，江蘇省屬于豐水地區(qū)，對其水資源的分析評價才剛剛開始，并未對等級劃分界定標(biāo)準(zhǔn)，因此在本次評價中，我們通過按下式(11)計算水資源開發(fā)利用程度綜合評價指數(shù)，且楊奇勇[4]和孫芳玲[14]通過計算綜合評價指數(shù)來作為評價水資源開發(fā)利用程度的依據(jù)都是具有非常大的適用性和可靠性。

ai=∑cijwcj

(12)

式中，ai—第i個市州水資源綜合開發(fā)利用程度評價的綜合指數(shù)，cij—第i個市州水資源綜合開發(fā)利用程度評價參評指標(biāo)的量化值，wcj—各參評指標(biāo)的權(quán)重。

江蘇省水資源開發(fā)利用程度綜合評價指數(shù)見表6。

表6 江蘇省水資源開發(fā)利用程度綜合評價指數(shù)

3.5 結(jié)果分析

結(jié)果表明江蘇省南京市水資源開發(fā)利用程度最高，徐州市水資源開發(fā)利用程度最低，為了使對江蘇省各市州的開發(fā)利用程度與其地理分布規(guī)律有更加直觀的感受，對該地區(qū)的水資源開發(fā)利用綜合指數(shù)通過ArcGIS進(jìn)行可視化的分析，如圖3所示。

圖3 江蘇省各市州水資源開發(fā)利用利用程度綜合評價指數(shù)

可以看出江蘇省南部相對于北部開發(fā)利用程度稍高，開發(fā)利用潛力稍低些，尤其是南京市周邊，主要原因還是因為南京市經(jīng)濟社會發(fā)展水平高，對周邊起到了一定的輻射作用，表明經(jīng)濟發(fā)展和水資源利用有著非常大的聯(lián)系[15]，這也是為什么南京市周邊幾個市州比北部幾個市州開發(fā)利用程度相對較高的原因之一。

4 結(jié)論

(1)由于對于水資源的開發(fā)利用程度評價本身就是一個系統(tǒng)的、復(fù)雜的多層次綜合決策問題，所以本文在對江蘇省進(jìn)行水資源開發(fā)利用程度評價時，首先根據(jù)《江蘇省水資源公報》(2010—2020年)和《江蘇省統(tǒng)計年鑒》(2010—2020年)的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過灰色關(guān)聯(lián)分析計算出關(guān)聯(lián)度，依據(jù)其大小選擇出最優(yōu)指標(biāo)，使所選評價指標(biāo)更加具有可靠性。

(2)根據(jù)AHP-熵權(quán)法確定綜合權(quán)重，避免了AHP的主觀性，使得評價結(jié)果與實際更相符，在此基礎(chǔ)上本文構(gòu)建了AHP-熵權(quán)法-灰色關(guān)聯(lián)法綜合評價指標(biāo)體系。

(3)開發(fā)利用程度評價結(jié)果顯示江蘇省水資源開發(fā)利用程度的綜合指數(shù)平均值為0.4919，江蘇省整體開發(fā)利用程度處于中等水平，水資源開發(fā)利用潛力較高。