鐵嶺市水資源承載力評價

黃 艷

(鐵嶺市南城子水庫有限公司,遼寧 鐵嶺 112300)

隨著經濟的快速發展及人口規模的擴大,工業、農業、日常生活及生態環境用水需求量明顯加大,加之各種極端氣候事件頻發,區域水資源短缺、地下水超采、時空分布不均衡等問題日趨突出。水資源承載力是指在保證水環境子系統生態功能及一定生活生產水平的條件下,通過科學合理分配特定區域范圍內的水資源所能維持生態環境、經濟社會和人口需求的最大支撐能力[1-3]。水資源承載力評價可以為水資源優化配置及宏觀調控提供科學依據,這也是區域水資源、生態環境與經濟協調發展的重要體現,對促進水資源高效可持續開發意義重大。

目前,比較常用評價方法有主成分分析法(PCA)、妥協解排序法(VIKOR)、逼近理想解法(TOPSIS)、模糊綜合法(PCE)及多目標情景分析法等,并以模糊綜合法的應用最為廣泛。鑒于此,文章綜合利用層次分析法和變異系數法計算參評指標組合權重,用灰關聯系數替代模糊關系矩陣改進的模糊綜合法評價鐵嶺市水資源承載力,通過與傳統模糊評價結果的對比分析驗證改進后模型的適用性及可行性。

1 研究方法

1.1 傳統方法

傳統的模糊綜合法主要是對受多重因素制約的對象利用模糊數學隸屬度原理進行綜合評價,從而實現定性分析的定量轉化,其評價流程如下:

步驟1:按照一定的順序將所選n個評價因子排列構成評價元素集U={u1,u2,…,un},依據所分的m個評價等級構建水資源承載力評價集V={v1,v2,…,vm}。

步驟2:通過權重計算確定集合U內各個因素的權重及權向量W={w1,w2,…,wn},一般有AHP法、加權法等權重計算法。

步驟3:構造隸屬度函數計算各參評指標關于不同評價標準的隸屬程度,結合計算結果構造模糊關系矩陣R:

(1)

式中:rij為關于評價標準j參評指標i的隸屬程度;行元素(ri1,ri2,…,rim)、列元素(r1j,r2j,…,rnj)代表參評指標i對各級標準的隸屬度以及各參評因子對評價標準j的隸屬度。

步驟4:采用合適的合成算子對模糊關系矩陣R與評價元素的權重向量集W進行模糊運算,經歸一化處理確定模糊評價結果。采用先乘后加的模糊算子M(·⊕)進行模糊運算,可以確定綜合評判矩陣B=W·R。

1.2 改進的模糊綜合法

1)層次分析法。該方法的核心是利用1～9比率標度定量判斷每個層次中各指標的相對重要性,雖然可以全面考慮不同指標的相互關系,但在構造權重判斷矩陣時分級定量賦值法會導致不同因素的權重相差過大問題,并且具有較強的主觀性,難以保證賦值的客觀性。

2)變異系數法。該方法是利用計算公式和各指標直觀反映的信息來確定其客觀權重,參評指標取值差異越大則實現該指標的難度就越高,反映評價對象的差距更準確、更明顯。考慮到各參評指標的量綱或數量級不盡相同,為消除這種不可通透性可以利用變異系數衡量其取值差異程度,計算方法如下:

(2)

(3)

3)組合權重。在保留原有數據的情況下參照專家給定的重要度評分,采用集成賦權法和變異系數法、層次分析法計算結果確定各指標的組合權重,即:

(4)

式中:pi、qi為層次分析法和變異系數法權重計算值;wi為組合權重。

1.3 灰關聯法計算隸屬度

灰關聯法是一種全面比較并定量描述系統發展變化態勢的綜合分析方法,而標準對象與評價對象的接近程度一般用關聯系數來反映,關聯系數越大越接近于標準,其主要計算流程如下:

步驟1:確定比較序列xi(k)、參考序列x0(k)為評價階段各指標的標準值和評價區域內各指標值。

步驟2:無量綱化。為了消除不同參評指標單位和量綱差異所帶來的不可通透性,必須無量綱化處理初始序列,即:

(5)

(6)

式中:Yi(k)、Y0(k)為無量綱化的序列值。

步驟3:采用下列公式計算絕對差序列△0i(k)和關聯系數ζ0i(k):

△0i(k)=|Yi(k)-Y0(k)|

(7)

(8)

式中:ρ為分辨系數,通常取0.5。經上述處理可以構造關聯系數矩陣E,即:

(9)

將傳統模糊評價法中的隸屬度利用灰關聯系數替代,即模糊關系矩陣R中的隸屬度rij取比較序列xi(k)與參考序列x0(k)的關聯系數,以此作為指標xi(k)隸屬于各等級的程度。

2 實例應用

2.1 研究區概況

鐵嶺市地處遼寧省北部,境內河流眾多,其中有39條流域面積超過100km2,隨著人口數量的增多及工農業的生產發展,區域水資源供需矛盾日益突出,水資源短缺對生態經濟的持續發展和人們生活質量提升等構成極大制約。在西伯利亞寒流與太平洋暖流的雙重作用下形成大陸性半濕潤季風氣候,年均降水量616～725mm,降雨時空分布極不均衡,其中6-9月(汛期)占全年降水量的65%以上,自西北向東南降水逐漸增多,有效攔截利用地表徑流比率只有22.8%。調查顯示,鐵嶺市每年生活用水量0.47億m3,年均總用水量12.54億m3,城鎮人均用水量426m3遠低于全國的平均值;地下水資源以工業用水、農業灌溉用水為主,工、農業用水0.78億m3和11.5億m3。歷史上鐵嶺市曾多次出現供水緊張的情況,對當地經濟發展帶來不利影響,加之工業污水及生活垃圾產生的二次污染,打破了水生態和水資源系統的平衡[15-16]。

2.2 構建評價體系

文章充分考慮鐵嶺市生態環境保護、社會經濟發展情況和水資源狀況等內容,遵循數據可獲取性、獨立性、系統性、層次性和科學性原則合理選擇8個指標,構建多層次梯階評價體系如表1。參考2020年《鐵嶺市水資源公報》、《統計年鑒》相關資料選取2020年(基準水平年)各項指標數據,結合《鐵嶺市水資源綜合規劃》獲取2025年和2030年各指標預測數據。

表1 鐵嶺市各指標數據

結合水資源承載力受不同評價指標的影響程度,將評價等級劃分成v1(Ⅰ級)、v2(Ⅱ級)、v3(Ⅲ級),具體見表1所示。其中,Ⅰ級代表區域具有較大水資源開發利用潛力,較強的水資源承載力,對于區域可持續發展不會造成制約;Ⅱ級代表區域仍具有一定的水資源開發利用潛力,但現階段已經達到一定規模,水資源承載力適中有可能成為制約發展因素;Ⅲ級代表區域進一步開發利用水資源的空間有限,水資源承載力較弱,對區域經濟發展已構成明顯制約。

考慮到v1、v2、v3等級之間的遞減關系,將評判集等級利用A=0.95v1+0.50v2+0.05v3進行量化,A值越大則水資源承載力等級越高,評分也就越高。因此,可以用A值定量反映區域水資源狀況,即A<0.4、0.4≤A<0.7和A≥0.7時,所對應的水資源承載力依次屬于Ⅲ級、Ⅱ級和Ⅰ級。

2.3 權重計算

采用層次分析法計算水資源承載力各指標主觀權重時,必須檢驗總層次與各單層次的一致性,結果顯示檢驗值<0.1符合一致性要求。

然后利用變異系數法計算各指標客觀權重,并利用公式(4)計算組合權重,如表2所示。

表2 權重計算值

2.4 關聯系數

根據已構建的評判集V={v1,v2,v3}和元素集U={u1,u2,…,u8},利用線性隸屬度函數計算并構造模糊關系矩陣,即:

2.5 結果與分析

采用改進的模糊綜合法和傳統模糊數學法評價各水平年鐵嶺市水資源承載力,綜合評分值A和評判結果矩陣B見表3所示。

表3 水資源承載力評價值

然后采用公式(5)～(9)計算的灰關聯系數替代隸屬度構造關聯系數矩陣,結果如下:

將綜合評分值A按照最大隸屬度原則進行等級劃分,并進一步分析區域水資源承載力。傳統模糊評價結果表明,2020年、2025年和2030年鐵嶺市水資源承載力隸屬于v2級程度最高,綜合評分值處于0.4～0.7范圍,這說明鐵嶺市仍具有一定的水資源開發利用潛力,但現階段已經達到一定規模,水資源承載力適中有可能成為制約發展因素。改進模糊評價結果表明,2020年、2025年和2030年鐵嶺市水資源承載力隸屬于v1、v2、v3級程度相差大不,其隸屬于v2級的程度略高于其他等級,相較于傳統模糊評價法其評分值有所增大,但仍屬于v2級水平。

3 結 論

1)將主觀、客觀賦權法相結合計算水資源承載力評價指標組合權重,相較于單一方法能夠降低評價結果受主觀因素的干擾;然后用灰關聯系數替代模糊關系矩陣改進的模糊綜合法評價水資源承載力,改進后的方法可以有效避免單一方法存在的不足,保證水資源承載力評價的客觀合理性。

2)改進后的模糊綜合法相較于傳統方法評價的水資源承載力相同,但改進后的方法可以減小計算結果隸屬于不同等級的程度差異,降低主觀因素的干擾,對評價區域水資源承載力表現出較強的適用性與可靠性。

3)2020年、2025年和2030年鐵嶺市水資源承載力隸屬于v2級,這說明鐵嶺市仍具有一定的水資源開發利用潛力,但現階段已經達到一定規模,水資源承載力適中有可能成為制約發展因素。