任永泰，李 麗

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，哈爾濱 150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

水資源的合理利用是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重要問(wèn)題，水資源短缺問(wèn)題是亟待解決的問(wèn)題之一。本文參考預(yù)警系統(tǒng)指標(biāo)體系的構(gòu)建原則，構(gòu)建了哈爾濱市水資源可持續(xù)利用包括警源和警兆指標(biāo)的預(yù)警指標(biāo)體系，利用時(shí)差相關(guān)分析法對(duì)警兆指標(biāo)進(jìn)行先行、同步、滯后性質(zhì)的分類，完成了預(yù)警指標(biāo)體系的篩選。研究如何科學(xué)地對(duì)水資源進(jìn)行管理、模擬預(yù)測(cè)及決策，對(duì)水資源進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警，最終建立區(qū)域水資源可持續(xù)利用預(yù)警系統(tǒng)具有重要意義。

1 研究區(qū)域自然地理環(huán)境

哈爾濱市區(qū)地處中國(guó)東北部、黑龍江省中南部，松花江兩岸。市域地理位置東經(jīng)125°42′～130°10′，北緯 44°04′～46°40′之間，在我國(guó)省會(huì)城市中所處緯度最高，位居最東端。地貌特征受松花江水系控制，地形稍有起伏，從整體地形上看是東高西低，但松花江河谷平原區(qū)是西高東低，海拔最高可達(dá)140 m，最低為92 m。除河谷平原外，尚有三個(gè)面積比較大的平坦地形，即高平原。哈爾濱市地處中溫帶，屬半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)型氣候，四季分明。春季風(fēng)大干旱，夏季短暫多雨，秋季冷涼早霜，冬季漫長(zhǎng)寒冷。

2 研究區(qū)域水開(kāi)發(fā)利用概況

哈爾濱江段有機(jī)污染嚴(yán)重，表征有機(jī)物污染的重要指標(biāo)如高錳酸鹽指數(shù)、溶解氧、氨氮常年超標(biāo)，生化需氧量及揮發(fā)酚也時(shí)有超標(biāo)，還存在嚴(yán)重的汞污染。流經(jīng)市區(qū)內(nèi)的阿什河接納大量城市污水，目前已受到嚴(yán)重污染，市內(nèi)“三溝”除汛期排泄洪水外，大部分時(shí)間成為市區(qū)的污水排放溝，水質(zhì)差。

據(jù)市環(huán)保局2010年環(huán)境質(zhì)量報(bào)告，對(duì)哈爾濱市地表水的評(píng)價(jià)為：①地表水呈現(xiàn)有機(jī)污染特征。各斷面有機(jī)污染物超標(biāo)率高，有機(jī)污染物分擔(dān)率均在90%以上，其中以阿什河河內(nèi)有機(jī)污染分擔(dān)率最高為99.8%。②按水體功能要求進(jìn)行評(píng)價(jià)，松花江干流及一級(jí)支流的水體使用功能均不能保證。③對(duì)監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，在松花江干流哈爾濱江段66 km監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度中，有4.6%河流長(zhǎng)度水質(zhì)屬IV類水體，有6.76%河流長(zhǎng)度的水質(zhì)屬V類水體。2010年市區(qū)污水排放總量為3.86億t，全部經(jīng)“三溝十三口”排入松花江。其中工業(yè)廢水排放量為2.32億t，占市區(qū)污水排放總量的60%；城鎮(zhèn)生活污水排放量為1.54億t，占市區(qū)日污水排放總量的40%。入河污染物主要是有機(jī)污染物，主要污染物因子為高猛酸鹽指數(shù)、生化需氧量、揮發(fā)酚、懸浮物等。

依據(jù)諸多數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)哈爾濱市水資源開(kāi)發(fā)利用中的主要問(wèn)題是：水資源供需矛盾突出；生態(tài)環(huán)境惡化；缺水與用水浪費(fèi)并存，水資源利用效率不高；節(jié)水管理體制和運(yùn)行機(jī)制有待改革；水資源管理水平整體不高。

3 區(qū)域水資源可持續(xù)利用預(yù)警指標(biāo)體系構(gòu)建

預(yù)警指標(biāo)體系的構(gòu)建是建立預(yù)警模型的基礎(chǔ)和前提，為使區(qū)域水資源可持續(xù)利用，預(yù)警模型能夠發(fā)揮科學(xué)有效的管理作用，其首要條件就是構(gòu)建科學(xué)合理的可持續(xù)利用預(yù)警指標(biāo)體系。

3.1 一般評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

目前，合理衡量區(qū)域水資源可持續(xù)利用的狀況還未形成一套成熟的、公認(rèn)的對(duì)我國(guó)不同?。ㄊ小⒌貐^(qū)）、不同流域都能夠適用的、統(tǒng)一的水資源可持續(xù)利用預(yù)警指標(biāo)體系。為此，其預(yù)警指標(biāo)體系的構(gòu)建可以參考水資源持續(xù)利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。構(gòu)建時(shí)一方面要參照可持續(xù)發(fā)展的一般性原則，另一方面還要充分考慮區(qū)域水資源復(fù)合系統(tǒng)自身的特點(diǎn)。常見(jiàn)的區(qū)域水資源可持續(xù)利用預(yù)警指標(biāo)體系不僅包括描述區(qū)域的指標(biāo)，還包括區(qū)域社會(huì)、經(jīng)濟(jì)及生態(tài)環(huán)境指標(biāo)。在充分參考諸多文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，本文將用水資源狀況、經(jīng)濟(jì)及社會(huì)三類指標(biāo)來(lái)體現(xiàn)該區(qū)域水資源本身特征、開(kāi)發(fā)利用及管理狀況，最終衡量區(qū)域水資源可持續(xù)利用的狀態(tài)（見(jiàn)表1）。對(duì)于以下的指標(biāo)，哪些是有效的，可以充分反映水資源可持續(xù)利用的警情，哪些是無(wú)效的，不能或是不能全面反映警情，下面內(nèi)容將進(jìn)行篩選工作[1-6]。

3.2 水資源可持續(xù)利用預(yù)警指標(biāo)的篩選

預(yù)警指標(biāo)體系中各指標(biāo)所代表的意義對(duì)區(qū)域水資源可持續(xù)利用產(chǎn)生的影響在時(shí)間上并不是一致的，有些指標(biāo)會(huì)對(duì)當(dāng)前的水資源利用產(chǎn)生影響，而有些則需經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后才會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。因此在已選擇的33個(gè)指標(biāo)基礎(chǔ)上，要進(jìn)一步區(qū)分指標(biāo)對(duì)水資源可持續(xù)利用產(chǎn)生影響的先后順序?？梢园阎笜?biāo)分為先行指標(biāo)、同步指標(biāo)、滯后指標(biāo)三類，本文依據(jù)指標(biāo)類型的劃分對(duì)水資源可持續(xù)利用預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行篩選[7-9]。

3.2.1 時(shí)差相關(guān)分析法

時(shí)差相關(guān)分析法，是利用時(shí)差相關(guān)系數(shù)來(lái)確定整個(gè)時(shí)間序列內(nèi)兩個(gè)或更多個(gè)序列之間的平均關(guān)系的一種方法。相關(guān)系數(shù)的取值范圍介于-1到1之間，其中0表示不相關(guān)，-1表示完全負(fù)相關(guān)，1表示完全正相關(guān)。相關(guān)系數(shù)可以反映兩個(gè)時(shí)間序列之間的線性關(guān)系程度。通過(guò)對(duì)時(shí)間關(guān)系的量化，判斷一個(gè)序列相對(duì)于另一個(gè)序列是先行還是滯后[10]。應(yīng)用時(shí)差相關(guān)分析法進(jìn)行指標(biāo)分類的過(guò)程是：首先確定一個(gè)能夠綜合反映當(dāng)前水資源可持續(xù)利用程度的警情指標(biāo)作為基準(zhǔn)指標(biāo)Y，規(guī)定該基準(zhǔn)指標(biāo)是固定的，其他被選指標(biāo)X在時(shí)間上相對(duì)于基準(zhǔn)指標(biāo)向前或者向后移動(dòng)若干年，然后對(duì)移動(dòng)后的序列和基準(zhǔn)指標(biāo)求相關(guān)系數(shù)。最終所得的最大相關(guān)系數(shù)相對(duì)應(yīng)的移動(dòng)年數(shù)就是該指標(biāo)的超前或是延遲年數(shù)，同時(shí)以此為依據(jù)對(duì)被選指標(biāo)進(jìn)行先行、滯后期的指標(biāo)劃分。時(shí)差相關(guān)分析法具有定量計(jì)算，精確性高、數(shù)據(jù)的序列長(zhǎng)度要求較低、簡(jiǎn)單易懂等特點(diǎn)。具體計(jì)算方法如下：

表1 區(qū)域水資源可持續(xù)利用預(yù)警一般指標(biāo)Table 1 Warning general indexes of regional water resources sustainable utilization

假設(shè)基準(zhǔn)指標(biāo)為 Y=（y1，y2，…，yn），被選指標(biāo)為X=（x1，x2，…，xn），時(shí)差相關(guān)系數(shù)為 R，

這里l=0時(shí)表示不移動(dòng)，代表同步；l取負(fù)值時(shí)表示向前移動(dòng)，代表先行；相反l取正值時(shí)表示滯后，其中l(wèi)被稱為時(shí)差數(shù)或延遲數(shù)。MB表示移動(dòng)的年數(shù)，nl表示X和Y指標(biāo)取齊后的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。在對(duì)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，一般計(jì)算幾個(gè)不同延遲數(shù)下的時(shí)差相關(guān)系數(shù)，在這些Rl值中，選擇取絕對(duì)值后的最大值R′l，其相對(duì)應(yīng)的延遲數(shù)l’則表示超前或是滯后期。在檢驗(yàn)的過(guò)程中，R′l越接近1越理想，說(shuō)明X與Y的波動(dòng)越接近。若Rl在l=0時(shí)最大，說(shuō)明指標(biāo)X是基準(zhǔn)指標(biāo)Y的同步指標(biāo)；若Rl在l＜0時(shí)最大，則說(shuō)明X是基準(zhǔn)指標(biāo)Y的滯后指標(biāo)。

3.2.2 警兆指標(biāo)先行、同步、滯后性質(zhì)的確定

本文利用Matlab7.1依據(jù)上述時(shí)差相關(guān)分析計(jì)算方法，計(jì)算出警情指標(biāo)水資源開(kāi)發(fā)利用程度與先行或滯后若干時(shí)段的上述33個(gè)警兆指標(biāo)之間的時(shí)差相關(guān)系數(shù)。然后根據(jù)計(jì)算出的時(shí)差相關(guān)系數(shù)決定指標(biāo)的取舍，并對(duì)最終選出的指標(biāo)進(jìn)行分類。相關(guān)系數(shù)大小不受符號(hào)的限制，即取指標(biāo)對(duì)應(yīng)的絕對(duì)值最大的相關(guān)系數(shù)；各指標(biāo)的有效時(shí)差相關(guān)系數(shù)一般應(yīng)大于0.5；先行和滯后指標(biāo)的時(shí)差通常在三年以上。指標(biāo)分類依據(jù)：若指標(biāo)對(duì)應(yīng)的最大相關(guān)系數(shù)在指標(biāo)超前期得出，那么該指標(biāo)就劃分為先行指標(biāo)；相反指標(biāo)對(duì)應(yīng)的最大相關(guān)系數(shù)在指標(biāo)延遲期得出，那么該指標(biāo)就劃分為滯后指標(biāo)。對(duì)于影響哈爾濱市水資源可持續(xù)利用的警兆指標(biāo)，計(jì)算其全市各指標(biāo)值與警情指標(biāo)前后3年的時(shí)差相關(guān)系數(shù)，在計(jì)算出所得結(jié)果的7個(gè)相關(guān)系數(shù)中，找出每個(gè)指標(biāo)與水資源可利用程度指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值最大值，最終確定出各指標(biāo)的性質(zhì)類別。應(yīng)用時(shí)差相關(guān)分析法計(jì)算得出的結(jié)果見(jiàn)表2～3。表2中相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值最大的為－0.5930，相對(duì)應(yīng)的先導(dǎo)長(zhǎng)度為0年，因此劃分為同步指標(biāo)，同理，表3中相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值最大的為0.8469，相對(duì)應(yīng)的先行年份為2年，因此確定為先行指標(biāo)[11]。

表2 水資源可利用程度與環(huán)境用水比重相關(guān)系數(shù)分析Table 2 Correlation coefficient analysis of water resources available degree and environment water proportion

表3 水資源可利用程度與區(qū)域總?cè)丝谙嚓P(guān)系數(shù)分析Table 3 Correlation coefficient analysis of water resources available degree and regional population

在具體的計(jì)算過(guò)程當(dāng)中，如果遇到次大時(shí)差相關(guān)系數(shù)與最大時(shí)差相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值較接近的情況，則可依據(jù)實(shí)際情況和已有研究基礎(chǔ)上對(duì)超前、滯后期做出合理的調(diào)整。具體指標(biāo)分類結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 哈爾濱市水資源可持續(xù)利用的先行指標(biāo)、同步指標(biāo)與滯后指標(biāo)Table 4 Forward-looking,synchronous and lagging indexes of Harbin water resources sustainable utilization

續(xù)表

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可以看出，相對(duì)于警情指標(biāo)，其33個(gè)警兆指標(biāo)中共有24個(gè)指標(biāo)確定為先行指標(biāo)類型，同步指標(biāo)共有3個(gè)，剩余6個(gè)為滯后指標(biāo)。

3.3 區(qū)域水資源可持續(xù)利用預(yù)警指標(biāo)體系的構(gòu)建

依據(jù)3.2.2的計(jì)算結(jié)果，結(jié)合不同指標(biāo)類型的功能和作用，因此本文研究將忽略同步指標(biāo)和滯后指標(biāo)對(duì)于水資源可持續(xù)利用的影響，把上述24個(gè)先行警兆構(gòu)建成為水資源可持續(xù)利用預(yù)警指標(biāo)體系?；谏鲜龇治?，本次研究根據(jù)專家學(xué)者以往構(gòu)建指標(biāo)體系的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合專家咨詢法，同時(shí)針對(duì)區(qū)域水資源可持續(xù)利用預(yù)警的特征及相關(guān)數(shù)據(jù)獲取的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出一般預(yù)警指標(biāo)體系遞階層次結(jié)構(gòu)，由目標(biāo)層（A）、準(zhǔn)則層（S）、指標(biāo)層（R）三個(gè)層次所構(gòu)成，基本框架圖見(jiàn)圖1。

圖1 區(qū)域水資源可持續(xù)利用的遞階層次結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Recursive class times structure model of regional water resources sustainable utilization

在全面分析水資源可持續(xù)利用的各影響因素基礎(chǔ)上，參照已有水資源評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的成果，建立具有遞階結(jié)構(gòu)的區(qū)域水資源可持續(xù)利用預(yù)警一般指標(biāo)體系（見(jiàn)表5）。

表5 哈爾濱市水資源可持續(xù)利用預(yù)警指標(biāo)的構(gòu)建Table 5 Construction of early-warning indices about Harbin water resources sustainable utilization

4 討論與結(jié)論

研究區(qū)域水資源可持續(xù)利用預(yù)警指標(biāo)體系構(gòu)建完成之后，才能進(jìn)而提出并確定水資源可持續(xù)利用預(yù)警指標(biāo)的警度，即無(wú)警、輕警、中警、重警。本研究后期將引入反饋法，并結(jié)合已有研究成果，確定預(yù)警指標(biāo)的警限，對(duì)其預(yù)警有效性進(jìn)行檢驗(yàn)，從而設(shè)計(jì)預(yù)警信號(hào)燈系統(tǒng)，并對(duì)哈爾濱市水資源可持續(xù)利用進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警；運(yùn)用支持向量機(jī)的方法預(yù)警指標(biāo)值進(jìn)行預(yù)測(cè)，在預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，對(duì)哈爾濱市水資源可持續(xù)利用進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)警，包括單指標(biāo)趨勢(shì)預(yù)警和多指標(biāo)趨勢(shì)預(yù)警，從而獲得趨勢(shì)預(yù)警的結(jié)果；在模型預(yù)警中，將引入基于效用函數(shù)綜合評(píng)價(jià)模型，提出層次分析法和組合賦權(quán)確定權(quán)重，在指標(biāo)值預(yù)測(cè)基礎(chǔ)上，利用基于效用函數(shù)綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)區(qū)域水資源可持續(xù)利用程度進(jìn)行預(yù)警，得出區(qū)域水資源可持續(xù)利用的短期預(yù)警結(jié)果[12－15]。

從水資源可持續(xù)利用指標(biāo)體系角度分析，應(yīng)用監(jiān)測(cè)預(yù)警法對(duì)哈爾濱市不同區(qū)域水資源可持續(xù)利用程度進(jìn)行預(yù)警，2003～2009年間，市區(qū)、賓縣、方正、依蘭、雙城、尚志、五常以及通河的水資源可持續(xù)利用程度的警燈燈色始終為黃燈，處于中警的年限為7年；巴彥的水資源可持續(xù)利用警情在2004年為重警，處于中警的年限為6年；木蘭在2003年、2004年水資源可持續(xù)利用的警情為重警，在2005～2009年間，警情處于中警；延壽在2003～2005年間為中警，在這之后的4年發(fā)展到重警。通過(guò)上述分析可以看出哈爾濱市的11個(gè)區(qū)域在2003～2009年間，水資源開(kāi)發(fā)利用一直處于有警狀態(tài)，對(duì)于哈爾濱市整體水資源的可持續(xù)利用極為不利，同時(shí)有可能對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展造成極大破壞，因此在“十二五”期間，哈爾濱市的水資源開(kāi)發(fā)利用策略必須進(jìn)行適度調(diào)整，采取科學(xué)對(duì)策，以對(duì)不可持續(xù)利用的態(tài)勢(shì)進(jìn)行扭轉(zhuǎn)。

[1]徐良芳,馮國(guó)章,劉俊民.區(qū)域水資源可持續(xù)利用及其評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào),2002,30(2)：119－122.

[2]劉恒,耿雷華,陳曉燕.區(qū)域水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立[J].水科學(xué)進(jìn)展,2003,14(3)：266－270.

[3]鄧紹云,文俊.區(qū)域水資源可持續(xù)利用預(yù)警模型的初步研究[J].云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,19(3)：345－348.

[4]鄧紹云,文俊.區(qū)域水資源可持續(xù)利用預(yù)警指標(biāo)體系構(gòu)建的探討[J].云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,19(5)：607－610.

[5]葛慧玲,焦揚(yáng),任永泰.哈爾濱市地下水水位預(yù)警模型[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010,41(12)：77－83.

[6]董志穎,王娟,李兵.水質(zhì)預(yù)警理論初探[J].水土保持研究,2002,9(3)：224－226.

[7]Loucks.Sustainable water resources management[J].Water International,2000,25(1)：46－59.

[8]FauresM.Indicatorsforsustainablewaterresourcesdevelopment[R].Rome：LandandWaterDevelopmentDivision,FAO,1998：41－54.

[9]Gerhardt A,Clostermann M.A new system based on magnetic inductivity for fresh water and marine environments[J].Environmental International,1998,24(7)：699－701.

[10]柏繼云.黑龍江省大豆生產(chǎn)預(yù)測(cè)預(yù)警研究與實(shí)證分析[D].哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué),2006：32－34.

[11]金菊良,丁晶,魏一鳴,等.區(qū)域水資源可持續(xù)利用系統(tǒng)評(píng)價(jià)的插值模型[J].自然資源學(xué)報(bào),2002,17(5)：610－615.

[12]劉仁濤,付強(qiáng),蓋兆梅,等.三江平原地下水脆弱性評(píng)價(jià)的投影尋蹤模型[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008(2):184－190.

[13]付強(qiáng),趙曉勇.投影尋蹤模型原理及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社,2006：47－49.

[14]劉善存.極大熵方法求解雙層多目標(biāo)決策問(wèn)題[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐,2000：24－30.

[15]牟廉明.統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)與支持向量機(jī)[J].內(nèi)江師范學(xué)院學(xué)報(bào),2002,17（6）：3－7.