基于熵權(quán)—模糊評價模型的雞西市水資源承載力評價與研究

王姊怡,王立權(quán),董 鶴,楊建武,郭洪聰

(1.黑龍江大學水利電力學院,哈爾濱 150080;2.黑龍江省水利科學研究院,哈爾濱 150080)

1 研究背景

水資源對于當今區(qū)域經(jīng)濟經(jīng)濟社會發(fā)展來說,是不可缺少的重要資源。目前水資源短缺的問題對人類社會生產(chǎn)生活都有著嚴重而深遠的影響,因此對區(qū)域水資源狀況進行評價,并有針對性地進行水資源保護是十分有意義的[1]。水資源承載力是當前水資源匱乏城市得以可持續(xù)發(fā)展的基本指標和前提條件[2-3]。

承載力概念來源于物理力學,指物體在保持自身狀態(tài)時所能承受的最大荷載,隨著發(fā)展逐漸將其概念拓寬為描述事物發(fā)展限制的程度[4]。在中國,水資源承載力的首次提出來自于對新疆地區(qū)水資源承載力的評價,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,我國學者多領(lǐng)域多角度積極探索研究,水資源承載力的評價理論體系日趨完善[5]。石曉昕[6]等對河北省進行了水資源承載力評價。徐政華[7]等對長春市進行了水資源承載力評價。吳明艷[8]等對甘肅省、青海省等西北五省區(qū)進行了水資源承載力評價。

2 區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

2.1 區(qū)域概況

雞西市位于黑龍江省東南部(E130°24′24″～133°56′30″,N44°51′12″～46°36′55″),屬于黑龍江省三江平原之一。氣候?qū)儆谥袦貛Т箨懶约撅L氣候,春季多大風易干旱,夏熱雨水集中短促,秋季寒潮較多降溫明顯,冬季干燥寒冷漫長,區(qū)域年平均降水量位于500～560mm。雞西市別稱煤城、石墨之都,是十分典型的礦業(yè)城市。近年來,礦業(yè)城市資源開發(fā)與經(jīng)濟社會發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護之間不平衡、不協(xié)調(diào)的矛盾已日漸突出[9],因此雞西市水資源承載力分析是必行之舉。

2.2 數(shù)據(jù)來源

文章所使用的數(shù)據(jù)均來源于2015—2020年雞西市水資源公報、雞西市統(tǒng)計年鑒。

3 研究方法

3.1 構(gòu)建評價指標體系

水資源承載力的影響因素是多方面的,構(gòu)建合理的評價指標體系是對雞西市水資源承載力評價的基礎(chǔ)。文章分別從水資源、社會、環(huán)境、生態(tài)等四個子系統(tǒng)中選取9個指標,共分成3個等級。雞西市水資源承載力評價指標體系,見表1。其中正向指標表示:數(shù)值越大,承載力越強;負向指標表示:數(shù)值越大,承載力越弱。雞西市水資源承載力評價指標數(shù)據(jù),見表2。

表1 雞西市水資源承載力評價指標體系

表2 雞西市水資源承載力評價指標數(shù)據(jù)

3.2 熵權(quán)法確定指標體系

通過熵權(quán)法確定指標權(quán)重,是因為熵值可以表達出信息的有序性和有效性,從而減少指標權(quán)重確定中的人為因素干擾,使結(jié)果更加公正、客觀[10]。

1)構(gòu)建判斷矩陣P,計算公式為:

P=(pij)nm,i=1,2,…,n;j=1,2,…,m

(1)

式中:m為評價對象的總數(shù);n為評價指標的總數(shù);pij為第i個評價對象的第j個評價指標。

2)對判斷矩陣P中的數(shù)據(jù)進行標準化,得到標準化矩陣B。數(shù)據(jù)的標準化處理有2種方法:

對于正向指標,計算公式為:

(2)

對于負向指標,計算公式為:

(3)

式中:Pmax、Pmin分別代表所計算指標的最大值、最小值。

3)對各評價指標求信息熵,計算公式為:

(4)

(5)

當Pij=0時,lnPij無意義,故Pij=0時,定義limPijlnPij=0。

4)計算各評價指標的權(quán)重,計算公式為:

(6)

通過以上公式可以計算出評價指標體系中各指標所占權(quán)重,水資源承載力各評價指標權(quán)重,見表3。

表3 水資源承載力各評價指標權(quán)重

3.3 模糊綜合評價方法

3.3.1 構(gòu)建評價對象及評價等級集合

構(gòu)建評價對象集合:Y={y1,y2,…,yn},其中y1,y2,…,yn為評價對象的n種評價指標。

構(gòu)建評價等級集合:V={v1,v2,…,vm},其中v1,v2,…,vm為評價對象的m種評價等級。

3.3.2 構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣

得到指標所占權(quán)重后,通過計算在評價等級集合中確定每個評價對象不同評價等級的程度,以rij表示,稱為隸屬度,從而得到隸屬度矩陣R,稱為模糊關(guān)系矩陣。計算公式為:

(7)

(8)

(9)

(10)

式中:K1為v1和v2的臨界值;K3為v2和v3的臨界值;K2取v2的中間值,即K2=(K1+K3)/2。

合成綜合評價矩陣,計算公式為:

B={b1,b2,…,bm}=W·R

(11)

式中:W為評價指標的權(quán)重系數(shù)集,W={W1,W2,…,Wn}。

將v1、v2、v3分別賦值0.95、0.5、0.05,并計算出綜合評價值,計算公式為:

(12)

式中:k為各等級指標對目標層的影響程度,計算中取1。

綜上,經(jīng)過計算,2015—2020年雞西市水資源承載力評價結(jié)果,2015—2020年雞西市水資源承載力評價結(jié)果,見表4。

表4 2015—2020年雞西市水資源承載力評價結(jié)果

綜上,可以看出雞西市2015—2020年水資源承載力評價值從0.424變?yōu)?.502,整體呈上升趨勢。最低值是0.424分別發(fā)生在2015和2017年;最高值0.502發(fā)生在2020年。

可以看出2015—2016評價值呈上升趨勢,但在2017年又降至2015年的水平,通過表2分析,可能是引進大型企業(yè)導致工業(yè)需水量增加造成。2018年恢復至2016年水平后,2019—2020年是雞西市水資源評價值的“增長期”,原因可能是黑龍江省積極落實《國家節(jié)水行動》[11],雞西市認真響應(yīng)在人均GDP年年攀升的情況下,萬元GDP用水量逐年下降、生態(tài)環(huán)境用水率逐年升高,在發(fā)展經(jīng)濟的同時很好地兼顧了節(jié)水相關(guān)政策的落實。

3 結(jié) 論

1)文章結(jié)合雞西市實際情況選取9個指標構(gòu)建評價指標體系,并用熵權(quán)法對各個指標賦權(quán),以最大可能的避免主觀因素對評價結(jié)果的影響。評價指標中人均GDP、產(chǎn)水模數(shù)、生態(tài)環(huán)境用水率、萬元GDP耗水量所占權(quán)重較大,對水資源承載力評價結(jié)果有較大的影響。

2)文章采用模糊綜合評價方法對雞西市2015—2020年水資源承載力進行計算、評價。經(jīng)過計算、分析,雞西市水資源承載力整體呈上升趨勢,未來可從合理調(diào)整用水結(jié)構(gòu)、增加生態(tài)環(huán)境用水等方向來促進水資源的可持續(xù)發(fā)展,另外考慮到雞西市內(nèi)密山、虎林等地區(qū)仍以農(nóng)業(yè)灌溉為主要“用水大戶”,推進灌區(qū)節(jié)水工程改造、推廣節(jié)水灌溉模式和需水量少的節(jié)水作物亦是保證雞西市水資源可持續(xù)發(fā)展的方向。