沈陽(yáng)市水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

彭 博

(遼寧省撫順?biāo)木?遼寧 撫順 113015)

供給和需求是影響水資源是否短缺的兩個(gè)主要因素,若供給無(wú)法滿足用水需求就會(huì)產(chǎn)生水資源短缺風(fēng)險(xiǎn),而供水和需水受徑流、降雨及其它隨機(jī)因素影響也存在許多不確定因素[1]。因此,我國(guó)很多地區(qū)都存在不同程度的水資源短缺風(fēng)險(xiǎn),隨著環(huán)境的變化和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,水資源短缺問(wèn)題逐漸成為制約城市可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與資源的協(xié)調(diào)發(fā)展,必須全面分析水資源短缺程度,在此基礎(chǔ)上制定科學(xué)的調(diào)控措施與管理方案,以保證水資源安全。

水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是科學(xué)管理水資源的重要依據(jù),許多學(xué)者利用不同方法開(kāi)展了廣泛研究,常用的評(píng)價(jià)方法有多目標(biāo)決策法、主成分法、投影尋蹤法、模糊綜合法、聚類(lèi)分析法、蟻群算法、遺傳算法和集對(duì)分析法等[2-6]。由于水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)因子具有不確定性和模糊性,不同因素之間存在相互影響、互相作用的復(fù)雜關(guān)系,很難鎖定風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng),加之風(fēng)險(xiǎn)的形成是一個(gè)復(fù)雜的變化過(guò)程,也很難精確量化影響風(fēng)險(xiǎn)的各類(lèi)模糊因素[7]。另外,受限于人類(lèi)社會(huì)發(fā)展水平尚未厘清風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)內(nèi)部的因果機(jī)理,由于觀測(cè)到的風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)信息不全可能存在未預(yù)見(jiàn)或未知的風(fēng)險(xiǎn)因素,水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)信息的不完備性也是風(fēng)險(xiǎn)精準(zhǔn)評(píng)價(jià)的瓶頸。因此,文章結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)相關(guān)成果和方法,采用組合賦權(quán)法計(jì)算參評(píng)因子權(quán)重,通過(guò)灰關(guān)聯(lián)法和模糊綜合法評(píng)價(jià)沈陽(yáng)市2008～2021年水資源短缺風(fēng)險(xiǎn),旨在為沈陽(yáng)市水資源管理規(guī)劃和合理開(kāi)發(fā)利用提供決策依據(jù)。

1 評(píng)價(jià)方法

1.1 組合權(quán)重計(jì)算

參評(píng)因子權(quán)重是決定水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)科學(xué)合理性的關(guān)鍵環(huán)節(jié),其中主觀賦權(quán)法主要是考慮專(zhuān)家知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)等計(jì)算參評(píng)因子權(quán)重,實(shí)際計(jì)算時(shí)往往未考慮參評(píng)因子的信息量值;客觀賦權(quán)法是參評(píng)因子所攜帶的數(shù)據(jù)信息為依據(jù),通過(guò)計(jì)算離散差異度確定因子權(quán)重,該方法具有較強(qiáng)的客觀性,往往會(huì)引起因子權(quán)重與重要性偏差較高的現(xiàn)象[8-9]。因此,文章綜合利用主、客觀賦權(quán)法計(jì)算參評(píng)因子組合權(quán)重,組合公式如下:

(1)

式中:ωm、θm為參評(píng)因子m的客觀與主觀權(quán)重。

目前,比較常用的客觀賦權(quán)法是熵權(quán)法。在信息論中熵值能夠反映信息量的大小,衡量信息的無(wú)序化程度,參評(píng)因子包含的信息越多則其發(fā)揮的決策作用越大,相應(yīng)的熵值就越小。參照熵的定義,利用公式(2)～(4)計(jì)算參評(píng)因子m的熵Em、權(quán)重ωm,即:

(2)

(3)

(4)

對(duì)于無(wú)法完全量化影響因素模糊賦值的情況,比較常用的主觀賦權(quán)法是G1法,經(jīng)專(zhuān)家決策將參評(píng)因子集R={u1,u2,…,um}按照重要程度進(jìn)行排序,從而構(gòu)造唯一序關(guān)系:u1>u2>…>uM。然后考慮相鄰指標(biāo)的重要程度計(jì)算參評(píng)因子權(quán)重δM,計(jì)算公式為:

δm=θm-1θm-1;m=M,M-1,…,2

(5)

(6)

式中:θk-1=δkθk。

1.2 灰關(guān)聯(lián)分析法

灰關(guān)聯(lián)法是以決策樣本的具體情況為基礎(chǔ),通過(guò)計(jì)算分析若干個(gè)比較序列與最優(yōu)序列的差異程度判定是否存在緊密聯(lián)系[10]。灰關(guān)聯(lián)分析相比于其它多因素分析法,評(píng)定結(jié)果較為客觀,計(jì)算量小且對(duì)原始數(shù)據(jù)要求低,其主要流程如下:

1)步驟1:根據(jù)待決策樣本的實(shí)際情況,確定影響系統(tǒng)行為的比較序列以及反映系統(tǒng)行為特征的參考序列。為準(zhǔn)確評(píng)定區(qū)域水資源短缺風(fēng)險(xiǎn),定義水資源需求量與供給量的比值Y為參考序列Y={y(n)|y=1,2,…,N},各影響因子值為比較序列,由n個(gè)決策樣本和m個(gè)因子構(gòu)成矩陣U:U=(umn)M×N。

2)步驟2:采用歸一化公式對(duì)極大型和極小型因子進(jìn)行預(yù)處理,將變量序列U=(umn)M×N轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)矩陣V=(vmn)M×N,處理公式為:

(7)

式中:ummin、ummax為n個(gè)決策樣本中第m項(xiàng)參評(píng)因子的最小和最大值。

根據(jù)最優(yōu)序列X0計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)ξmn,其中△mn=|X0-vmn|為兩序列絕對(duì)差,分辨系數(shù)ρ取0.5,計(jì)算公式為:

(8)

3)步驟3:結(jié)合上述計(jì)算數(shù)據(jù)和權(quán)重計(jì)算結(jié)果ωm,采用下式計(jì)算水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Rn,并判定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),即:

(9)

1.3 模糊綜合法

模糊綜合法是一種利用模糊數(shù)學(xué)隸屬度原理評(píng)價(jià)受多因素制約對(duì)象的常用方法,可以將定性分析轉(zhuǎn)化成定量計(jì)算[11-12],其計(jì)算流程如下:

1)步驟1:采用函數(shù)式R={u1,u2,…,um}表示水資源短缺風(fēng)險(xiǎn),其中u1、u2、…、um代表參評(píng)因子。考慮區(qū)域水資源特點(diǎn)和開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀,將短缺風(fēng)險(xiǎn)劃分成低(可忽略)、較低(可接受)、臨界、較高(較嚴(yán)重)和高(無(wú)法承受)5個(gè)等級(jí),并建立等級(jí)集R′={1,2,3,4,5}。

2)步驟2:采用公式(2)～(3)計(jì)算各參評(píng)因子隸屬于不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的程度rm(j-1),根據(jù)隸屬度函數(shù)(1)確定極大型和極小性因子隸屬度函數(shù),即:

(10)

(11)

(12)

式中:m、n為參評(píng)因子和對(duì)象;umn為參評(píng)對(duì)象n的第m個(gè)因子值;j為風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)j;βmj、βm(j-1)為參評(píng)因子m隸屬于風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)j和(j-1)的臨界值。根據(jù)各因子隸屬度構(gòu)造模糊判斷矩陣B,然后將模糊矩陣B與權(quán)向量W進(jìn)行乘積運(yùn)算獲取評(píng)價(jià)水資源承載力風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)向量,并按照最大隸屬度原則判定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),具體如下:

(13)

(14)

式中:ω1,ω2,…,ωM為參評(píng)因子權(quán)重。

2 水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.1 組合權(quán)重值

充分考慮沈陽(yáng)市水資源特點(diǎn)和開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀,從工程技術(shù)、社會(huì)和自然3個(gè)方面選擇降雨量、污水處理率、萬(wàn)元GDP耗水量、環(huán)境用水量、農(nóng)業(yè)用水量等8個(gè)因子評(píng)價(jià)水資源短缺風(fēng)險(xiǎn),各因子數(shù)據(jù)來(lái)源于沈陽(yáng)市水資源公報(bào)、統(tǒng)計(jì)年鑒和國(guó)民經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料等[13-15]。將各因子劃分成低、較低、臨界、較高和高5個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),然后利用G1法和熵權(quán)法計(jì)算參評(píng)因子權(quán)重如表1,綜合利用灰關(guān)聯(lián)法和模糊綜合法評(píng)價(jià)2008—2021年沈陽(yáng)市水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)。

表1 水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)因子權(quán)重

2.2 模糊綜合評(píng)價(jià)分析

參考序列為需水量與供水量之比,采用模糊綜合法評(píng)價(jià)沈陽(yáng)市2008—2021年水資源短缺風(fēng)險(xiǎn),并按照最大隸屬度原則確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及其變化趨勢(shì)如圖1所示。結(jié)果表明,沈陽(yáng)市水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)總體表現(xiàn)出下降趨勢(shì),2008年短缺風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到5級(jí)(無(wú)法承受)水平,2009年和2010年短缺風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到4級(jí)(較嚴(yán)重)水平,除2016年達(dá)到3級(jí)臨界狀態(tài)外,從2013之后整體處于1級(jí)(可忽略)和2級(jí)(可接受)水平。

圖1 模糊綜合法評(píng)價(jià)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

2.3 灰關(guān)聯(lián)分析

采用灰關(guān)聯(lián)法評(píng)價(jià)分析沈陽(yáng)市2008—2021年水資源短缺風(fēng)險(xiǎn),并進(jìn)一步揭示其變化趨勢(shì)如圖2所示。結(jié)果表明,沈陽(yáng)市水資源系統(tǒng)面臨著一定的短缺風(fēng)險(xiǎn),2008—2021年達(dá)到臨界風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)以上的年份所占比例為71.4%,并以2008年的風(fēng)險(xiǎn)值最高,風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)接近于高級(jí)(無(wú)法承受)水平;隨后沈陽(yáng)市水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)呈波動(dòng)下降趨勢(shì),波動(dòng)下降到臨界或較高等級(jí)后逐漸穩(wěn)定,2019年之后短缺風(fēng)險(xiǎn)有所上升,于2021年又達(dá)到臨界等級(jí)以上水平。

圖2 灰關(guān)聯(lián)法評(píng)價(jià)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

2.4 結(jié)果對(duì)比

通過(guò)對(duì)比灰關(guān)聯(lián)法和模糊綜合法評(píng)價(jià)結(jié)果可知,2008—2016年期間的評(píng)價(jià)結(jié)果基本相同,兩種方法評(píng)價(jià)結(jié)果均表明沈陽(yáng)市水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)呈下降趨勢(shì),特別是2013—2014年風(fēng)險(xiǎn)水平下降到較低等級(jí)以下,這與沈陽(yáng)市水資源系統(tǒng)狀況高度相符,該期間沈陽(yáng)市降水量較為充沛,外調(diào)水量也有所增加,在一定程度上緩解了城市供水壓力。2015—2019年,沈陽(yáng)市水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)基本穩(wěn)定,雖然人口規(guī)模有所增大,但人均水資源占有量和水資源利用總量也不斷增大,沈陽(yáng)市水資源供給壓力逐年減小,這表明城市水資源管理逐漸發(fā)揮成效。灰關(guān)聯(lián)計(jì)算結(jié)果顯示,2020—2021年沈陽(yáng)市水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)呈上升趨勢(shì),從較低逐漸上升到臨界風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),而模糊綜合法表明該時(shí)段為低風(fēng)險(xiǎn)水平。通過(guò)分析源數(shù)據(jù)可知,2020年和2021年沈陽(yáng)市生活用量明顯增加,降水量相對(duì)減小,所以灰關(guān)聯(lián)分析結(jié)果更加符合實(shí)際情況,能夠更客觀真實(shí)地反映城市水資源變化情況。

從水資源總量上,當(dāng)前沈陽(yáng)市人均水資源量還低于全國(guó)平均水平,按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)屬?lài)?yán)重缺水城市。隨著人口的增加和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)沈陽(yáng)市將依然存在水資源短缺風(fēng)險(xiǎn),并且外調(diào)水通道單一使得沈陽(yáng)市供用水面臨著較大的風(fēng)險(xiǎn)。因此,為保障沈陽(yáng)市供水安全,還要從鼓勵(lì)全民節(jié)水、減少水環(huán)境污染和提高水資源利用率等方面采取措施,以保證水資源的高效持續(xù)利用和水系統(tǒng)良性循環(huán)。

3 結(jié) 論

文章利用灰關(guān)聯(lián)法和模糊綜合法評(píng)價(jià)2008—2021年沈陽(yáng)市水資源短缺風(fēng)險(xiǎn),結(jié)果表明2008—2016年期間兩者的評(píng)價(jià)結(jié)果基本相同,均表明沈陽(yáng)市水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)呈下降趨勢(shì)。但個(gè)別年份兩種方法評(píng)價(jià)結(jié)果存在一定差異,特別是2019年后灰關(guān)聯(lián)法認(rèn)為沈陽(yáng)市水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)呈上升趨勢(shì),從較低逐漸上升到臨界風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),而模糊綜合法表明該時(shí)段為低風(fēng)險(xiǎn)水平,結(jié)合源數(shù)據(jù)可知灰關(guān)聯(lián)分析結(jié)果更加符合實(shí)際情況。文章綜合利用主、客觀賦權(quán)法有效避免了單一賦權(quán)法存在的不足,保證了各參評(píng)因子權(quán)重計(jì)算和評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)合理性,但不同方法對(duì)參評(píng)因子權(quán)重仍有一定影響。為更加準(zhǔn)確地揭示水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)變化特征,未來(lái)應(yīng)進(jìn)一步研究隸屬度函數(shù)的合理構(gòu)造和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的科學(xué)分類(lèi)等內(nèi)容。