(新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒 841000)

水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)是可持續(xù)利用研究的主要方式，它在建立水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(Indicators System for Sustainability Assessment of Water Resources Use,簡稱ISSAWRU)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，通過描述指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)間復(fù)雜關(guān)系的方法或模型，實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用程度在時(shí)間或空間上的分類或排序，從而為協(xié)調(diào)區(qū)域水資源開發(fā)利用及其與人口、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等之間的關(guān)系提供科學(xué)依據(jù)[1-2]。受人口、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境等眾多因素的綜合影響，加之復(fù)雜的“可持續(xù)”概念，水資源可持續(xù)利用的定量評(píng)價(jià)成為交互耦合的非線性復(fù)雜系統(tǒng)，其相關(guān)評(píng)價(jià)研究的方法眾多，大致可歸納為：數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法、運(yùn)籌決策方法、灰色系統(tǒng)理論法、模糊數(shù)學(xué)方法、機(jī)器學(xué)習(xí)方法等[3-5]。為進(jìn)一步揭示水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)方法的特點(diǎn)與應(yīng)用效果，本文以2010—2014年全國水資源利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為評(píng)價(jià)對(duì)象，進(jìn)行研究區(qū)水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)，從而對(duì)各方法的特點(diǎn)及其評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行比較研究。

1 評(píng)價(jià)方法簡介

從方法的性質(zhì)和理論基礎(chǔ)考慮，本文選取了兩類2種評(píng)價(jià)方法，即綜合指數(shù)型的主成分分析(Principal Component Analysis,簡稱PCA)法、等級(jí)分類型的模糊綜合評(píng)判法。各模型的基本原理簡述如下。

1.1 PCA法

水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)是一個(gè)多指標(biāo)多因素綜合的研究問題，但變量太多會(huì)增加評(píng)價(jià)過程的復(fù)雜性，并且眾多指標(biāo)間易存在信息的重復(fù)和干擾，從而影響評(píng)價(jià)結(jié)果的精確程度。PCA法的基本思想就是在數(shù)據(jù)信息損失最小的前提下，通過線性變換實(shí)現(xiàn)高維變量空間的降維，用少數(shù)綜合的主成分代替原多維變量。采用PCA法獲取指標(biāo)權(quán)重的主要內(nèi)容包括建立相關(guān)系數(shù)矩陣，求取特征值、特征向量和方差貢獻(xiàn)率，提取特征值大于1或累計(jì)貢獻(xiàn)率大于85%的前n項(xiàng)主成分，以及計(jì)算指標(biāo)權(quán)重等，最終指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算模型為

式中Wi——第i項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重；

gq——第q個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率；

aiq——特征向量分量，即第q個(gè)主成分第i項(xiàng)指標(biāo)的系數(shù)；

m——主成分個(gè)數(shù)。

1.2 模糊綜合評(píng)判法

模糊綜合評(píng)判法是基于模糊數(shù)學(xué)理論的綜合評(píng)價(jià)方法，有單層次和多層次兩類模糊綜合評(píng)判模型。該方法根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度函數(shù)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，并依據(jù)最大隸屬度及其補(bǔ)充原則得到評(píng)價(jià)目標(biāo)的分類等級(jí)，適合于各種非確定性問題的評(píng)價(jià)研究。水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)是多層次、多因素評(píng)價(jià)問題，因此應(yīng)采用多層次模糊綜合評(píng)判模型，這不僅可以反映評(píng)判因素的不同層次，而且有效減少了由于因素過多而難于分配權(quán)重的困難，從而最終依據(jù)決策評(píng)判矩陣確定各評(píng)價(jià)對(duì)象所對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)。本文擬采用的隸屬度函數(shù)及評(píng)價(jià)方法的詳細(xì)過程可參考劉梅冰等的研究成果[8]。

2 評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

PSR(Pressure-State-Response)概念模型最初由Tony Friend和David Rapport提出[7]，用于分析環(huán)境壓力、現(xiàn)狀與響應(yīng)之間的關(guān)系。應(yīng)用PSR模型構(gòu)建指標(biāo)體系，計(jì)算某一時(shí)間點(diǎn)的水資源可持續(xù)利用程度，在此計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合上述方法計(jì)算不同時(shí)間點(diǎn)之間的水資源可持續(xù)利用程度與等級(jí)。本文基于PSR框架構(gòu)建了全國ISSAWRU(見表1)。

表1 水資源可持續(xù)利用綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

將指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱處理，得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)值。將12個(gè)指標(biāo)劃分為4個(gè)等級(jí)，其中Ⅰ級(jí)為水資源可持續(xù)利用強(qiáng)等級(jí)，Ⅱ級(jí)為水資源可持續(xù)利用較強(qiáng)等級(jí)，Ⅲ級(jí)為水資源可持續(xù)利用中等級(jí)，Ⅳ級(jí)為水資源可持續(xù)利用較弱等級(jí)。各指標(biāo)等級(jí)劃分如表2所示。

表2 全國水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)劃分

續(xù)表

3 模型應(yīng)用

本文結(jié)合PSR的框架內(nèi)容構(gòu)建全國水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。在指標(biāo)體系不變的條件下，分別采用上述2種方法對(duì)全國2010—2014年水資源可持續(xù)利用情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

2014年全國平均降水量622.3mm，地表水資源量26263.9億m3，礦化度不大于2g/L地區(qū)的地下水資源量7745.0億m3，水資源總量27266.9億m3，地下水與地表水資源不重復(fù)量1003.0億m3。水資源總量占降水總量45.2%，單位面積產(chǎn)水量28.8萬m3/km2。

2014年全國總供水量6095億m3，占當(dāng)年水資源總量的22.4%。其中，地表水源供水量4921億m3，占總供水量的80.8%；地下水源供水量1117億m3，占總供水量的18.3%；其他水源供水量57億m3，占總供水量的0.9%。全國總用水量中，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)水占1.7%。

全國人均綜合用水量447m3，萬元國內(nèi)生產(chǎn)總值用水量96m3。耕地實(shí)際灌溉畝均用水量402m3，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)0.530，萬元工業(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。

本文指標(biāo)數(shù)據(jù)主要來自2010—2014年水利部水資源公報(bào)和國家統(tǒng)計(jì)局國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)(評(píng)價(jià)指標(biāo)值見表3)。

表3 水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)指標(biāo)值

3.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

模糊綜合評(píng)判法中涉及各指標(biāo)的權(quán)重采用前期PCA法權(quán)重系數(shù)。2種方法所得評(píng)價(jià)結(jié)果分為綜合指數(shù)和等級(jí)分類兩種類型，最終得到綜合評(píng)價(jià)結(jié)果見表4。

3.3 分析與討論

表4中的評(píng)價(jià)結(jié)果表明，由于2種評(píng)價(jià)方法的視角不同，所依賴的理論基礎(chǔ)也不同，對(duì)于相同的ISSAWRU，評(píng)價(jià)所得結(jié)果存在一定差異，主要表現(xiàn)在綜合值大小和綜合等級(jí)的差異上。在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系不變的條件下，對(duì)2種評(píng)價(jià)方法的特點(diǎn)及其評(píng)價(jià)結(jié)果的差異進(jìn)行對(duì)比分析，以探求一些潛在規(guī)律。

PCA法依據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和特征客觀地確定指標(biāo)權(quán)重，不受主觀判斷影響。從評(píng)價(jià)過程的復(fù)雜性來看，PCA法是個(gè)兩次加權(quán)的過程，第一次以特征值對(duì)應(yīng)的單位特征向量分量為權(quán)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)值求和合成各主成分，第二次以方差貢獻(xiàn)率為權(quán)，對(duì)主成分求合成單值化的綜合評(píng)價(jià)值。從該方法的優(yōu)缺點(diǎn)可知，PCA法的特點(diǎn)是客觀賦權(quán)，不受主觀判斷影響，但未從指標(biāo)的物理意義融入評(píng)價(jià)者的價(jià)值判斷。

表4 2種方法評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

模糊綜合評(píng)判法基于傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)思想和原理，其特點(diǎn)是能夠考慮到水資源可持續(xù)利用程度分類界限的模糊性，基于已有的指標(biāo)等級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)，通過最大隸屬度及其補(bǔ)充原則來判斷評(píng)價(jià)對(duì)象所屬水資源可持續(xù)利用程度的最大可能性。然而，雖然模糊綜合評(píng)判是個(gè)綜合評(píng)價(jià)過程，但其缺點(diǎn)也明顯，即當(dāng)評(píng)價(jià)對(duì)象數(shù)量大時(shí)，需要構(gòu)造大量的評(píng)價(jià)決策矩陣，計(jì)算工作量較大，同時(shí)評(píng)價(jià)結(jié)果受指標(biāo)等級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)的影響大。

4 結(jié) 論

a.在相同的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系下，兩種不同方法所得評(píng)價(jià)結(jié)果有一定差別，從而在一定程度上表明評(píng)價(jià)方法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的依賴性。

b. PCA方法的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)分布范圍小、區(qū)域間分辨間隔較小。對(duì)于模糊綜合評(píng)判法，其綜合值評(píng)價(jià)結(jié)果分布大，區(qū)域間分辨間隔較大。

c.從評(píng)價(jià)過程的復(fù)雜性來看，PCA和模糊綜合評(píng)判法的評(píng)價(jià)過程相對(duì)穩(wěn)定，且PCA的賦權(quán)是基礎(chǔ)性的。

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