于艷青，歐陽蔚，金菊良，徐勇俊，湯瑞琪

(1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽合肥 230009;2.合肥工業(yè)大學(xué)水資源與環(huán)境系統(tǒng)工程研究所，安徽合肥 230009)

抗旱能力是指被研究區(qū)域內(nèi)防御、抵抗和減輕干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等人類活動(dòng)的綜合能力，主要包括水利工程、生產(chǎn)技術(shù)、組織管理和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等方面的能力［1-4］。綜合評價(jià)區(qū)域抗旱能力可為區(qū)域旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)管理、抗旱決策、抗旱應(yīng)急方案制定等提供支撐和重要依據(jù)。當(dāng)前國內(nèi)外關(guān)于抗旱能力評價(jià)的研究尚處于初步發(fā)展階段［5］，且多集中于農(nóng)牧業(yè)方面，如鄧建偉等［1］采用單目標(biāo)分析法對甘肅省農(nóng)業(yè)抗旱能力進(jìn)行評價(jià)，顧穎等［2］采用模糊聚類方法對中國31個(gè)省的農(nóng)業(yè)抗旱能力進(jìn)行等級評定，云小林［3］應(yīng)用模糊決策方法對內(nèi)蒙古牧區(qū)抗旱能力進(jìn)行研究，伊吉美［6］應(yīng)用模糊綜合評價(jià)方法對大連市的農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性進(jìn)行整體評價(jià)，張歡［7］采用多層次多指標(biāo)模糊綜合評判方法對河北省農(nóng)業(yè)抗旱能力進(jìn)行綜合評價(jià);美國聯(lián)邦緊急事務(wù)所聯(lián)合國家建筑科學(xué)研究所等科研機(jī)構(gòu)共同研制了一套自然災(zāi)害損失評估系統(tǒng)——HAZUS系統(tǒng)［8］，澳大利亞緊急事務(wù)部門和氣象部門共同開發(fā)了一套對直接經(jīng)濟(jì)損失和間接經(jīng)濟(jì)損失進(jìn)行評估的災(zāi)害評估工具——EMA［9］。但是對于區(qū)域的整體抗旱能力進(jìn)行評價(jià)，并據(jù)此提出具體提高抗旱能力措施方面的研究尚少涉及。為此，筆者以淮北平原宿州市為例，在分析影響區(qū)域抗旱能力主要因素的基礎(chǔ)上，建立區(qū)域抗旱能力評價(jià)指標(biāo)體系［10-13］，采用可變模糊集方法［11-12］，建立可變模糊集模型［14-15］，應(yīng)用該模型對宿州市抗旱能力進(jìn)行了綜合評價(jià)，對于提高宿州市抗旱能力提出了具體的政策建議。

1 可變模糊集評價(jià)模型的建立

在確定識(shí)別抗旱能力樣本數(shù)目的基礎(chǔ)上，以可變模糊集理論為基礎(chǔ)，建立可變模糊集模型，該模型的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不是點(diǎn)值形式而是區(qū)間形式［11］，可很好地解決評價(jià)等級標(biāo)準(zhǔn)為區(qū)間形式的評價(jià)識(shí)別問題。模型建立的具體步驟如下:

步驟1:確定對抗旱能力作識(shí)別的樣本數(shù)目以及影響樣本抗旱能力的指標(biāo)體系，確立樣本集矩陣、指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值矩陣［14］。設(shè)對抗旱能力作識(shí)別的樣本共有 n個(gè)樣本集合 X={x1，x2，…，xn}，第 j個(gè)樣本的特性用 m個(gè)指標(biāo)特征值 xj=(x1j，x2j，…，xmj)T表示，則樣本集矩陣可表示為 X=(xij)m×n，其中 xij為樣本 j指標(biāo) i的特征值;i=1，2，…，m;j=1，2，…，n。樣本集依據(jù)m個(gè)指標(biāo)按c個(gè)級別的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值進(jìn)行識(shí)別，則有m×c階指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值矩陣Y=(yih)m×c，其中yih為級別h指標(biāo)i的標(biāo)準(zhǔn)特征值，h=1，2，…，c。

步驟2:參照指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值矩陣和待評價(jià)區(qū)域的實(shí)際情況，確定抗旱能力可變集合的吸引(為主)域矩陣與范圍域矩陣［15］:

式中，吸引(為主)域矩陣表示實(shí)軸上模糊可變集合的吸引域，即0＜DA～(xij)h≤1區(qū)間，范圍域矩陣為包含xij的某一上、下界范圍域區(qū)間。

步驟3:根據(jù)抗旱能力分為c個(gè)級別的實(shí)際情況確定吸引(為主)域［aih，bih］中 DA～(xij)h=1 的點(diǎn)值Mih的矩陣

步驟4:依據(jù)式(1)～(3)判斷樣本特征值xij在Mih點(diǎn)的左側(cè)還是右側(cè)，計(jì)算差異度DA～(xij)h，由于

由式(4)計(jì)算指標(biāo)對 h級的相對隸屬度μA～(xij)h矩陣［Uh］=(μA～(xij)h)。其中，x 落入 M點(diǎn)左側(cè)時(shí)的相對差異函數(shù)模型［15］可為

x落入M點(diǎn)右側(cè)時(shí)的相對差異函數(shù)模型［15］為

式中，β為非負(fù)指數(shù)，通常可取β=1。

步驟5:應(yīng)用文獻(xiàn)［10］中提出的模糊評價(jià)模型進(jìn)行綜合評價(jià)。

式中:u'jh為非歸一化的綜合相對隸屬度;α為模型優(yōu)化準(zhǔn)則參數(shù);wi為指標(biāo)權(quán)重;m為識(shí)別指標(biāo)數(shù);p為距離參數(shù)(p=1為海明距離，p=2為歐氏距離)。

由式(8)可得到非歸一化的綜合相對隸屬度矩陣

將式(9)歸一化處理，得綜合相對隸屬度矩陣

步驟6:根據(jù)模糊概念在分級條件下最大隸屬度原則的不適用性，應(yīng)用級別特征值［16-18］對樣本進(jìn)行級別評價(jià)。

2 宿州市抗旱能力綜合評價(jià)

2.1 評價(jià)指標(biāo)體系的建立

宿州市位于淮河以北、安徽省最北部，屬北溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，四季分明，呈現(xiàn)出較為明顯的南北方過渡型氣候。宿州市境內(nèi)多年平均降水量為904 mm，市轄區(qū)年平均氣溫為14.4℃，市境年平均蒸發(fā)量為1159.7 mm［19］。近年來，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)年均用水量達(dá)1000萬m3。由于近十年來水環(huán)境狀況明顯惡化，水資源十分緊缺，旱災(zāi)一直是制約宿州市國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的主要因素之一［20］。

筆者在分析宿州市抗旱能力影響因素的基礎(chǔ)上，建立了宿州市抗旱能力評價(jià)指標(biāo)體系、等級標(biāo)準(zhǔn)［10，16］及2007 年各指標(biāo)值，如表1 所示。

表1 宿州市抗旱能力評價(jià)指標(biāo)體系、等級標(biāo)準(zhǔn)及2007年各指標(biāo)值

2.2 抗旱能力評價(jià)

該評價(jià)實(shí)例中只有宿州市1個(gè)樣本，即j=1;有20個(gè)指標(biāo)，即i=1，2，…，20;有5個(gè)評價(jià)等級，即 h=1，2，…，5。根據(jù)指標(biāo)特征值與評價(jià)等級標(biāo)準(zhǔn)確定宿州市抗旱能力可變集合的吸引(為主)域矩陣Iab、范圍域矩陣Icd和點(diǎn)值Mih的矩陣M(按照各指標(biāo)2級和4級標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間的長度，從1、2和4、5指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)間分界點(diǎn)開始分別進(jìn)行外延，得到指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值的下限和上限)分別為

根據(jù)矩陣Iab、Icd與M 判斷樣本特征值 xi在Mih點(diǎn)的左側(cè)還是右側(cè)，據(jù)此選用式(5)～(7)中的一種算法計(jì)算差異度，再由式(4)計(jì)算指標(biāo)對h級的相對隸屬度 μA～(xi)h［11-12］?，F(xiàn)以人均水資源量(i=2)指標(biāo)分別對1～5級(h=1～5)的相對隸屬度μA～(x2)h為例對這一求解過程作一說明。

由指標(biāo)特征值x2，再由吸引(為主)域矩陣Iab、范圍域矩陣Icd和矩陣M得h=1～5的吸引(為主)域向量、范圍域向量與點(diǎn)值M2h向量分別為

x2=1 045.7，a21=0，b21=1 000，c21=0，d21=2000，m21=0;由此判斷 x2位于 b21與 d21之間－ 0.046;同理得到;由式(4)得到 i=2對 1～5級的相對隸屬度向量為

［Uh］ [= 0.478，0.977，0.023，0， ]0采用基于加速遺傳算法的層次分析法［10，16］計(jì)算得到20個(gè)指標(biāo)的權(quán)向量為

W=(0.072，0.065，0.063，0.049，0.086，0.091，0.077，0.051，0.062，0.037，0.033，0.038，0.046，0.033，0.033，0.032，0.039，0.030，0.030，0.032)T代入式(8)，這里取 α =2，p=1，即

得到相對隸屬度矩陣

U'=(0.876，0.704，0.786，0.781，0.789)T歸一化后得到隸屬度矩陣為

U=(0.222，0.179，0.200，0.198，0.201)T由式(10)可計(jì)算級別特征值H。

保持本文計(jì)算得到的權(quán)重值不變，改變模型參數(shù)，分別采用 α =1，p=1;α =1，p=2;α =2，p=1;α=2，p=2等4種參數(shù)變換模型［14］，分別計(jì)算宿州市抗旱能力的評價(jià)等級，結(jié)果見表2。

表2 參數(shù)變化情況下評價(jià)結(jié)果

由表2可見，當(dāng)參數(shù)模型變化時(shí)，抗旱能力評價(jià)等級的特征值有些許微動(dòng)，但各評價(jià)區(qū)域水資源承載能力的級別特征值基本穩(wěn)定在一個(gè)較小的級別范圍內(nèi)，說明本文采用的計(jì)算方法較為可信。

3 政策建議

宿州市位于安徽省淮河以北的平原上，水資源貧乏而需求量大，且存在長期大規(guī)模集中超采地下水的現(xiàn)象。城市發(fā)展與農(nóng)業(yè)灌溉之間爭水矛盾非常突出，但又缺乏有效的解決措施，工程與非工程抗旱措施的落實(shí)因受當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平制約而相對落后，導(dǎo)致宿州市抗旱能力評價(jià)結(jié)果為較弱等級。為有效地提高宿州市的抗旱能力，必須對影響抗旱能力水平的指標(biāo)進(jìn)行改善，例如，改善種植結(jié)構(gòu)，合理調(diào)整糧食作物與綠化作物的種植比例;提高耕地灌溉率，擴(kuò)大有效灌溉面積，減少水資源的浪費(fèi);通過合理調(diào)度提高水庫水位標(biāo)準(zhǔn)，增大水庫總庫容，有效攔蓄洪水，在干旱時(shí)期增加水庫泄水量［20］;擴(kuò)大第二產(chǎn)業(yè)規(guī)模，招商引資，提高人均GDP;增加水的循環(huán)利用;增加地下水、墑情、蒸發(fā)站的測量站點(diǎn)數(shù)目［21］;保證應(yīng)急供應(yīng)水源的水質(zhì)等方面。另外還可以加大投入，對現(xiàn)有河道進(jìn)行治理，維修和興建節(jié)制閘，進(jìn)行階梯式攔蓄地表徑流，增加蓄水量［22］。目前，該市有的縣區(qū)機(jī)井分布不合理，有的地方不但地表水缺乏，甚至連機(jī)井都沒有，因此，應(yīng)加大力度加快機(jī)井建設(shè)，擴(kuò)大井灌面積，提高抗大旱能力。采用地表防滲渠、噴灌、低壓管道灌溉可使農(nóng)作物增產(chǎn)、節(jié)水、節(jié)能、節(jié)地。

4 結(jié)論

應(yīng)用可變模糊集模型進(jìn)行宿州市抗旱能力評價(jià)，詳細(xì)論述了模型的建立、計(jì)算步驟，評價(jià)結(jié)果表明，宿州市抗旱能力等級為2級、抗旱能力較弱。最后，主要從工程措施和非工程措施兩方面提出提高宿州市抗旱能力水平的政策建議，認(rèn)為按照宿州市目前的發(fā)展?fàn)顩r以及自然概況，提出的措施還是簡單、易行、可靠的。

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