魏光輝

(1.新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫(kù)爾勒　841000；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊　830052)

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基于熵權(quán)理想解法的中國(guó)水資源承載力動(dòng)態(tài)變化研究

魏光輝1,2

(1.新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫(kù)爾勒841000；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830052)

摘要：以2010—2014年全國(guó)水資源公報(bào)數(shù)據(jù)為依據(jù)，建立了涵蓋水資源、社會(huì)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的水資源承載力評(píng)價(jià)體系，并采用熵權(quán)理想解法進(jìn)行評(píng)價(jià)，認(rèn)為2010～2014年，我國(guó)水資源承載力綜合值呈波動(dòng)變化，無(wú)明顯增加或減小趨勢(shì)，同時(shí)評(píng)價(jià)結(jié)果還表明：人均用水量、城鎮(zhèn)人均生活用水量、耗水率、廢污水排放率、單位灌溉面積用水量、水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率與生態(tài)環(huán)境用水率這7項(xiàng)指標(biāo)是影響承載力的主要因素.

關(guān)鍵詞：水資源承載力；熵權(quán)；評(píng)價(jià)體系；評(píng)價(jià)要素

0引言

水資源是基礎(chǔ)性的自然資源和戰(zhàn)略性的經(jīng)濟(jì)資源，是一個(gè)國(guó)家和區(qū)域生存和發(fā)展的基本保障[1].目前，水資源承載力(water resources carrying capacity，簡(jiǎn)稱WRCC)研究已成為21世紀(jì)區(qū)域水資源安全研究的基礎(chǔ)課題之一，且水資源承載力已經(jīng)是衡量區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要指標(biāo)[2].因此，正確地評(píng)價(jià)區(qū)域水資源承載力，對(duì)合理、充分利用水資源以及促進(jìn)區(qū)域社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[3-5].本文以水利部2010—2014年發(fā)布的水資源公報(bào)數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過(guò)TOPSIS模型構(gòu)建全國(guó)水資源承載力評(píng)價(jià)模型，利用組合權(quán)重對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)，為提高全國(guó)水資源承載力水平提供參考借鑒.

1水資源承載力評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

根據(jù)水利部發(fā)布的2010—2014年水資源公報(bào)數(shù)據(jù)，建立全國(guó)水資源承載力評(píng)價(jià)體系.該體系涵蓋水資源、社會(huì)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境4個(gè)方面.其中水資源包括年降水量、水資源總量、人均水資源量、年總用水量、地表水開(kāi)發(fā)利用率與地下水開(kāi)發(fā)利用率6項(xiàng)指標(biāo)；社會(huì)發(fā)展包括人均用水量、城鎮(zhèn)人均生活用水量與農(nóng)村居民人均生活用水量3項(xiàng)指標(biāo)；經(jīng)濟(jì)發(fā)展包括耗水率、廢污水排放率、萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量及單位灌溉面積用水量4項(xiàng)指標(biāo)；生態(tài)環(huán)境包括水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率與生態(tài)環(huán)境用水率2項(xiàng)指標(biāo).水資源承載力評(píng)價(jià)體系及指標(biāo)性質(zhì)(見(jiàn)表1).

表1　全國(guó)水資源承載力評(píng)價(jià)體系

表1中，所謂正指標(biāo)，是指該指標(biāo)值越大則表明相應(yīng)的水資源承載力值越大；反之，所謂負(fù)指標(biāo)，是指該指標(biāo)值越小則表明相應(yīng)的水資源承載力值越大.

2熵值模型

2.1熵權(quán)計(jì)算[6,7]

設(shè)評(píng)價(jià)方案為m個(gè)，評(píng)價(jià)指標(biāo)為n個(gè)，可構(gòu)成評(píng)價(jià)矩陣X=(xij)m×n，按下式進(jìn)行歸一化處理，形成判斷矩陣B=(bij)m×n：

(1)

式中：i—評(píng)價(jià)方案；j—評(píng)價(jià)指標(biāo)；

xmax、xmin—分別為第j個(gè)指標(biāo)在方案中的最大與最小值.

第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值Hj計(jì)算如下：

(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)

(2)

(3)

則第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)βj，得權(quán)重向量β=(β1，β2，βj，…，βn)，即：

(4)

2.2貼進(jìn)度值計(jì)算[8-10]

(1)構(gòu)建加權(quán)決策矩陣

將判斷矩陣B=(bij)m×n與指標(biāo)權(quán)重相乘，得加權(quán)決策矩陣：R=(rij)m×n

rij=βj·bij(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)

(5)

(2)計(jì)算理想解和負(fù)理想解

根據(jù)加權(quán)決策矩陣,確定方案理想解S+與負(fù)理想解S-：

(6)

(7)

(3)計(jì)算歐式距離

采用歐氏距離計(jì)算與理想解和負(fù)理想解的距離，計(jì)算式如下：

(8)

(9)

(4)貼近度計(jì)算

根據(jù)式(10)計(jì)算接近度值ξi，其值越大則方案越優(yōu)，反之越劣：

(10)

3研究區(qū)水資源概況

2014年，我國(guó)平均降水量622.3mm，地表水資源量26 263.9億m3，折合年徑流深277.4mm，礦化度小于等于2g/L地區(qū)的地下水資源量7 745.0億m3，水資源總量為27 266.9億m3，地下水與地表水資源不重復(fù)量為1 003.0億m3，占地下水資源量的12.9%，占降水總量的45.2%，平均單位面積產(chǎn)水量為28.8萬(wàn)m3/km2.

2014年，全國(guó)總用水量6 095億m3.其中，生活用水占12.6%；工業(yè)用水占22.2%；農(nóng)業(yè)用水占63.5%；生態(tài)環(huán)境補(bǔ)水(僅包括人為措施供給的城鎮(zhèn)環(huán)境用水和部分河湖、濕地補(bǔ)水)占1.7%.同期全國(guó)用水消耗總量為3 222億m3，耗水率為53%，其中農(nóng)業(yè)耗水率為65%，工業(yè)為23%，生活為43%，生態(tài)環(huán)境補(bǔ)水為81%.全國(guó)人均綜合用水量447m3，萬(wàn)元國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值用水量96m3.耕地實(shí)際灌溉用水量為6 030m3/hm2，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)0.530，萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量59.5m3，城鎮(zhèn)人均生活用水量(含公共用水)213L/d，農(nóng)村居民人均生活用水量81L/d.

4模型應(yīng)用

4.1基本情況

根據(jù)水利部發(fā)布的2010—2014年水資源公報(bào)數(shù)據(jù)，對(duì)研究區(qū)水資源承載力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)指標(biāo)(見(jiàn)表2).

4.2方案評(píng)價(jià)

(1)評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化.根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)性質(zhì)，利用式(1)對(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，結(jié)果(見(jiàn)表3).

表2　水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)

表3　水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值

(2)確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重.根據(jù)表3數(shù)據(jù)，利用式(2)～式(4)計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，得到βj=(0.055 0，0.050 2，0.052 3，0.060 9，0.048 7，0.051 9，0.075 0，0.083 5，0.062 0，0.092 0，0.070 1，0.053 1，0.074 2，0.085 7，0.085 3).

(3)構(gòu)建加權(quán)決策矩陣.將判斷矩陣B=(bij)m×n與指標(biāo)權(quán)重相乘，得加權(quán)決策矩陣(見(jiàn)表4)：

(4)貼近度計(jì)算.根據(jù)表4數(shù)據(jù)，利用式(6)～式(10)計(jì)算各年份的水資源承載力貼近度值ξi，結(jié)果(見(jiàn)表5).

表4　加權(quán)決策矩陣

表5　不同年份水資源承載力貼進(jìn)度及排序

4.3結(jié)果分析

由表5計(jì)算結(jié)果可知：(1)2010—2014年我國(guó)水資源承載力綜合值呈現(xiàn)波動(dòng)變化，無(wú)明顯的增加或減小趨勢(shì)，其主要原因是受水資源系統(tǒng)與社會(huì)發(fā)展系統(tǒng)構(gòu)成因子的波動(dòng)性變化造成的；(2)2014年的水資源承載力值最大(貼進(jìn)度值為0.546 1)，2011年的水資源承載力值最小(貼進(jìn)度值為0.337 4)，不同年份的承載力值大小排序?yàn)?014年>2010年2012年>2013年>2011年(“>”表示“優(yōu)于”).

5結(jié)論與討論

(1)熵權(quán)法計(jì)算結(jié)果表明：人均用水量、城鎮(zhèn)人均生活用水量、耗水率、廢污水排放率、單位灌溉面積用水量、水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率與生態(tài)環(huán)境用水率這7項(xiàng)指標(biāo)是影響我國(guó)水資源承載力的主要因素.

(2)2010—2014年我國(guó)水資源承載力綜合值呈現(xiàn)波動(dòng)變化，無(wú)明顯增加或減小趨勢(shì)，其中2014年承載力值最高，其貼進(jìn)度為0.546 1，2011年承載力值最低，貼進(jìn)度為0.337 4.不同年份全國(guó)水資源承載力排序結(jié)果為：2014年>2010年2012年>2013年>2011年(“>”表示“優(yōu)于”).

(3)目前，我國(guó)尚未建立統(tǒng)一的水資源承載力評(píng)價(jià)體系(含承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)量化標(biāo)準(zhǔn)).承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)量化標(biāo)準(zhǔn)的建立，對(duì)于準(zhǔn)確判定區(qū)域水資源承載力階段從而進(jìn)行改進(jìn)提高具有重要作用.因此，下一步應(yīng)從國(guó)內(nèi)外研究成果出發(fā)，建立具有普適性、科學(xué)性、全面性與合理性的水資源承載力綜合評(píng)價(jià)體系.

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Study on Dynamic Changes of China Water Resources Carrying Capacity Based on Entropy and TOPSIS Method

WEI Guang-hui1,2

(1.Xinjiang Tarim River Basin Management Bureau, Korla 841000, China; 2.School of Water Resources and Civil Engineering, Xinjiang Agriculture University, Urumqi 830052, China)

Abstract:Correct evaluation of regional water resources carrying capacity has important practical significance for the water resources efficient and rational use and helps to promote the sustainable development of regional social economy. According to the data from 2010 to 2014, the evaluation system of water resources carrying capacity, containing water resources, social development, economic development and ecological environment system (15 indicators), is established. The results show that the main factors affecting WRCC are: per capita water consumption, urban domestic water consumption, water consumption rate, waste water discharge rate, water consumption per unit irrigation area, water function area standard rate and ecological environment water consumption. From 2010 to 2014, the comprehensive value of water resources carrying capacity in our country has no obvious increase or decrease trend. The results of different years are 2014>2012>2011>2013>2010.

Key words:water resources carrying capacity; entropy weight; evaluation system; evaluative feature

中圖分類號(hào)：TV213.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-536X(2016)02-0028-04

作者簡(jiǎn)介：魏光輝(1981-)男，新疆石河子人，高級(jí)工程師，博士，主要從事干旱區(qū)水資源利用研究.

基金項(xiàng)目：水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)資助(201301102)；新疆水文學(xué)及水資源重點(diǎn)學(xué)科資助(XJSWSZYZDXK20101202).

收稿日期：2015-11-12