郝光玲，王 烜，羅 陽，李春暉

(1.海河流域水資源保護局， 天津 300170；2.北京師范大學環(huán)境學院水沙科學教育部重點實驗室， 北京 100875；3.北京師范大學環(huán)境學院水環(huán)境模擬國家重點實驗室， 北京 100875)

基于改進的綜合評價模型的北京市水資源短缺風險評價

郝光玲1，王 烜2, 3，羅 陽1，李春暉2

(1.海河流域水資源保護局， 天津 300170；2.北京師范大學環(huán)境學院水沙科學教育部重點實驗室， 北京 100875；3.北京師范大學環(huán)境學院水環(huán)境模擬國家重點實驗室， 北京 100875)

運用改進的模糊綜合評價模型和灰關聯(lián)分析模型對南水北調(diào)受水區(qū)——北京市的水資源短缺風險進行評價，運用組合權重方法確定評價指標的權重。結果表明：從2001—2014年，北京市水資源短缺風險總體呈下降趨勢并趨于穩(wěn)定，水資源短缺狀況從較高風險降低為臨界風險和較低風險，反映出近年來北京市政府對水資源的管理和調(diào)控已顯現(xiàn)出成效；2012年以后，水資源短缺風險又呈升高趨勢，應當對未來幾年的水資源短缺風險進行密切關注并盡快采取措施，以降低北京市的水資源短缺風險，保障北京地區(qū)供用水安全。

水資源短缺風險；模糊綜合評價；灰關聯(lián)評價；組合權重；北京市

北京市2013年人均水資源占有量約為 119 m3，為我國人均水資源占有量的5. 8%，屬于重度缺水城市[1]。隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展和人口規(guī)模的不斷擴大，水資源短缺已經(jīng)成為影響和制約城市社會和經(jīng)濟發(fā)展的重要因素[2-3]。北京市作為南水北調(diào)的重要受水區(qū)，近年來調(diào)水量逐年增多，在一定程度上緩解了水資源短缺的狀況，但缺水風險仍然存在。對北京市水資源短缺風險進行評價，不僅有利于規(guī)避水資源短缺風險，合理制定區(qū)域發(fā)展規(guī)劃和進行水資源管理，更可為整個南水北調(diào)受水區(qū)的水資源合理配置提供依據(jù)[4]。

水資源短缺風險評價方法有主成分分析法[5]、模糊綜合評價法[6]、集對分析法[7]、遺傳算法[8]、投影尋蹤法[9-10]、蟻群算法[11]、聚類分析法[12]、多目標決策[13]等，由于影響水資源短缺風險的因素眾多[14]，且評價因子具有模糊性和不確定性，所以不同的方法和研究者的評價結果差異很大。南水北調(diào)工程作為優(yōu)化水資源配置、促進區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展的基礎性工程，其水資源的合理配置依賴于對受水區(qū)水資源短缺狀況的準確判斷，所以受水區(qū)水資源短缺風險評價的結果非常重要。筆者綜合運用模糊綜合評價方法和灰關聯(lián)分析方法，對南水北調(diào)工程受水區(qū)——北京市的水資源短缺風險進行評價，引入組合權重方法來確定權重，有效避免了主客觀權重單獨使用時，對評價結果的影響[15]。

1 水資源短缺風險評價方法

1.1 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法是應用十分廣泛的多因素綜合評價模型。其具體步驟如下：

a. 將水資源短缺風險用一個函數(shù)表示：

R=R(u1,u2,…,uM)

(1)

式中:R為水資源短缺風險；u1，u2，…，uM為水資源短缺風險評價指標。

將風險劃分為5個等級，確定集合為R′={1,2,3,4,5}；其中，1表示低風險，指可忽略的風險；2表示較低風險，指可接受的風險；3表示臨界風險；4表示較高風險，指較為嚴重的風險；5表示高風險，指系統(tǒng)無法承受的風險。

b. 建立模糊關系矩陣Amj(M×5)，并根據(jù)式(3)～(5)求出各評價因子對各風險等級的隸屬度rm(j-1)。

(2)

根據(jù)隸屬度函數(shù)的定義

(3)

極大型指標：

(4)

極小型指標：

(5)

式中:n為第n個評價對象;m為第m個評價指標;j為第j個風險等級；umn為第m個指標、第n個評價對象的m個評價指標值；βmj和βmj-1分別為第m個評價指標的對應的第j個和第(j-1)個風險等級的臨界值。

由各因子的隸屬度，得到隸屬度模糊矩陣B，將權重W與模糊矩陣B作矩陣乘法，即可得到評價結果向量，取最大值所對應的等級即為風險等級評價結果[16]。

(6)

(b1,b2,…,bM)

(7)

式中：w1,w2,…,wM為各因子的權重。

1.2 灰關聯(lián)分析法

灰關聯(lián)分析法是根據(jù)問題的實際情況確定出理想的最優(yōu)序列，然后和若干個比較序列比較來判斷其聯(lián)系是否緊密。與其他多因素分析方法相比，灰色關聯(lián)分析對數(shù)據(jù)要求較低且計算量小，結果比較客觀[17-18]?；谊P聯(lián)分析法的具體步驟如下：

a. 確定分析序列。分析序列分為參考數(shù)列(反映系統(tǒng)行為特征)和比較數(shù)列(影響系統(tǒng)行為)。

為計算水資源短缺風險，本文將參考序列定為需水量與供給量的比值Y來反映水資源短缺風險；比較序列為各可能為影響因子的值，將其表示為m個指標和n個評價對象組成的矩陣U。

Y={y(n)|y=1,2,…,N}

(8)

U=(umn)M×N

(9)

b. 對變量序列和矩陣(umn)M×N，根據(jù)式(10)和式(11)進行歸一化處理得到矩陣V=(vmn)M×N。

極大型指標：

(10)

極小型指標：

(11)

式中：um max和um min分別為第m個評價指標的n個評價對象中的最大值和最小值。

c. 計算關聯(lián)系數(shù)。確定最優(yōu)序列X0，并令兩個序列的絕對差Δmn=|X0-vmn|，則關聯(lián)系數(shù)：

此次教學實踐中，教師在課程實施、設計以及學生課堂管理上仍舊存在一些問題，還需要在課程實施過程中有效設置任務點督促學生學習，在設計課堂環(huán)節(jié)促進學生主動舉手、搶答的積極性，以及減少學生在使用手機過程中出現(xiàn)的走神、分散學習精力等情況。同時，學生記錄的分析也只是應用師星學堂不久的時間段內(nèi)的分析，無法提供可靠依據(jù)。但是，本次課程是本校智能手機應用于課堂的初探，提出了基于智能手機的課堂互動應用系統(tǒng)的具體應用流程，對于今后的課程實踐有一定的指導意義?！?/p>

式中：ρ為分辨系數(shù)，通常取0.5。

d. 計算關聯(lián)度，確定風險等級Rn。

(12)

e. 與風險等級指數(shù)比較，確定各評價對象的風險等級[18]。

1.3 組合權重的確定

權重的確定是影響評價結果的重要因素。主觀權重常常根據(jù)經(jīng)驗、知識等確定評價因子的權重，但卻忽視了因子權重的具體定量；客觀賦權法主要根據(jù)原始數(shù)據(jù)之間的關系確定權重，客觀性較強，但有可能出現(xiàn)因子重要性與權重偏差很大的情況[19]?；诖?，本文建立主、客觀權重相結合，定義組合權重的方法確定目標權重。組合權重可以表示為

(13)

式中：ωm和θm分別為第m個指標的客觀權重和主觀權重。

根據(jù)熵的定義，第m個指標的熵Em為

(14)

其中:

(15)

則第m個指標的權重即為

(16)

G1法是一種主觀權重賦值法，適用于影響因素不能完全量化的模糊賦值。對于評價指標集R=R(u1,u2,u3,…,uM)，經(jīng)過專家決策，根據(jù)因子重要程度得到唯一序關系，記為：u1gt;u2gt;u3gt;…gt;uM。

為確定權重系數(shù)，需要確定相鄰指標的重要程度δn[21]：

(17)

由此可得到權重系數(shù)：

(18)

θk-1=δkθk

(19)

2 評價結果與分析

水資源短缺風險因子包括自然因子、社會因子和工程技術因子3個方面[22]。本文結合參考文獻和北京市實際情況，確定了農(nóng)業(yè)用水量、環(huán)境用水量、萬元GDP耗水量、污水處理率、降雨量等8個指標進行分析評價，并將評價指標劃分為5個等級：高風險、較高風險、臨界風險、較低風險和低風險。文中所用數(shù)據(jù)來自《北京市統(tǒng)計年鑒》和《北京市水資源公報》等。分別運用模糊綜合評價法和灰關聯(lián)分析法對北京市水資源短缺風險進行評價，并改進了權重的確定方法，綜合運用熵權法和G1方法確定各指標的權重(表1)。

2.1 模糊綜合評價結果

運用模糊綜合評價法對2001—2014年北京市水資源短缺風險進行分析，以需水量與供水量的比值為參考序列，得到評價結果向量，依次取最大值所對應風險等級分類結果，得到北京市水資源短缺風險等級變化趨勢(圖1)。由圖1可見，北京市水資源短缺風險整體上呈現(xiàn)減小的趨勢。2001年為高風險，2002年和2003年為較高風險，2006年以后，除2009年以外均為較低風險和低風險。

圖1 2001—2014年水資源短缺風險模糊綜合評價結果

評價指標農(nóng)業(yè)用水工業(yè)用水生活用水環(huán)境用水萬元GDP耗水降水量人均水資源占有量污水處理率合計熵 權0.0960.1710.0650.1520.1410.1050.0920.1781G1法權重0.2420.2020.1260.1150.1040.0870.0720.0521組合權重0.0780.1370.0930.0630.0970.1980.2210.1131

2.2 灰關聯(lián)分析結果

運用灰關聯(lián)分析法對同期水資源短缺風險進行評價，結果見圖2。從圖1可見，北京市面臨著水資源短缺風險，所研究的14年間共有79%的年份處于臨界風險之上，其中2001年水資源短缺最為嚴重，接近于最高風險；之后的幾年中，北京市水資源短缺風險呈減小趨勢，逐漸降低到較高風險和臨界風險并趨于穩(wěn)定；2012年以后，水資源短缺風險又呈升高趨勢，逐漸上升到臨界風險以上。

圖2 2001—2014年水資源短缺風險灰關聯(lián)分析法評價結果

2.3 結果比較與分析

從兩種方法的評價結果來看，2001—2009年，兩種方法的評價結果較為一致，都反映出北京市水資源短缺的風險降低的趨勢。尤其是2006—2008年，水資源短缺風險降低到較低風險以下，這與廖強等[22]對北京市水資源評價中的結果一致。這期間，除北京市降雨量較多外，北京市每年應急供水約2.5億～3.2億t，應急供水量的增加有效地緩解了供水壓力。2009—2012 年，水資源短缺風險保持穩(wěn)定，在人口規(guī)模繼續(xù)增加的情況下，水資源利用總量保持穩(wěn)定，且水資源人均占有量持續(xù)增加，反映了北京市水資源短缺狀況呈好轉(zhuǎn)趨勢，也說明北京市的水資源管理卓有成效。從灰關聯(lián)分析結果來看，2013年和2014年，水資源短缺風險又有所增加，由較低風險升高到臨界風險以上。模糊綜合評價方法的結果則表現(xiàn)為低風險。綜合源數(shù)據(jù)來看，2013年和2014年的降水量較少，生活用水量大量增加，灰關聯(lián)分析的結果應該更為可靠。

近幾年，作為南水北調(diào)中線工程的重要受水區(qū)，北京市接受南水北調(diào)來水量持續(xù)增加，一定程度上緩解了北京市的缺水狀況，中線工程于2014年12月份正式通水，截至2016年12月27日，兩年為北京供水19.4億m3，對降低北京市水資源短缺風險發(fā)揮了十分顯著的作用。北京市70%的南水北調(diào)來水都用于城市生活用水，但是從總量上來說，現(xiàn)在人均水資源量還遠低于國際標準，是一個極度缺水的城市[22]。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和人口的繼續(xù)增加，北京市水資源短缺狀況將在一段時間內(nèi)持續(xù)存在。而且，單一外調(diào)水通道使城市供水安全存在較大的風險，所以進一步提高北京市供水安全，除依靠外調(diào)水之外，還應采取措施，如提高水資源利用率、控制人口、減少水環(huán)境污染和鼓勵全民節(jié)水等，減少水資源的需求量，以保證水資源系統(tǒng)的良性循環(huán)和水資源的可持續(xù)利用。

3 結 語

本文兩種評價方法的結果一致性較好，尤其是在2009年以前，都反映了北京市水資源短缺風險降低的趨勢，但各年份的風險等級評價結果并不完全一致，尤其在2012年以后，灰關聯(lián)分析結果顯示，北京市水資源短缺風險又有升高趨勢，這在模糊綜合評價中沒有很好的體現(xiàn)。本文在權重確定時，綜合運用主客觀權重來確定組合權重，有效地避免了單一權重對評價結果的影響，然而方法因素對評價結果的影響仍不可避免。在以后的分析評價中，風險等級的科學分類和合理有效的隸屬度函數(shù)構建應該作為研究的重點。

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AssessmentofwatershortageriskinBeijingbasedonimprovedcomprehensiveevaluationmodel

HAOGuangling1,WANGXuan2, 3,LUOYang1,LIChunhui2

(1.WaterResourcesProtectionBureauofHaiheRiverBasin,Tianjin300170,China; 2.KeyLaboratoryforWaterandSedimentSciencesofMinistryofEducation,SchoolofEnvironment,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China; 3.StateKeyLaboratoryforWaterEnvironmentSimulation,SchoolofEnvironment,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China)

By using improved fuzzy synthetic evaluation and grey relational analysis models, water shortage risk of Beijing City that is one of water intake areas of South to North Water Diversion Project were evaluated. To determine evaluation index weights, the combined weight method was adopted. The results indicated that the risk of water shortage in Beijing was generally on the downward trend and tended to be stable during the year 2001—2014, and the shortage of water resources was reduced from higher risk to critical risk and lower risk, which indicated in recent years, the management and regulation of water resources by the Beijing municipal government have shown remarkable results. However, water shortage risk showed an upward trend after the year 2012, therefore close attention should be paid to the risk of water shortage in the coming years and measures should be taken as soon as possible so as to reduce the risk of water shortage in Beijing city and ensure water supply security in Beijing area.

water resource shortage risk; fuzzy synthetic evaluation; grey relational analysis; combined weight; Beijing City

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.06.04

國家重點研發(fā)計劃課題(2016YFC0401302);創(chuàng)新研究群體科學基金(51421065)；國家國際科技合作專項(2013DFA71340)

郝光玲(1990—)，女，碩士研究生，研究方向為流域水資源安全評價與管理。E-mail: hgl370@163.com

王烜，教授。E-mail：wangx@bnu.edu.cn

TV213.4

A

1004-6933(2017)06-0027-05

2017-05-09 編輯：徐 娟)