(新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒 841000)

水資源可持續(xù)利用評價是可持續(xù)利用研究的主要方式，它在建立水資源可持續(xù)利用評價指標體系(Indicators System for Sustainability Assessment of Water Resources Use,簡稱ISSAWRU)及評價標準的基礎上，通過描述指標與標準間復雜關系的方法或模型，實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用程度在時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、經(jīng)濟和環(huán)境等之間的關系提供科學依據(jù)[1-2]。受人口、社會、經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境等眾多因素的綜合影響，加之復雜的“可持續(xù)”概念，水資源可持續(xù)利用的定量評價成為交互耦合的非線性復雜系統(tǒng)，其相關評價研究的方法眾多，大致可歸納為：數(shù)理統(tǒng)計方法、運籌決策方法、灰色系統(tǒng)理論法、模糊數(shù)學方法、機器學習方法等[3-5]。為進一步揭示水資源可持續(xù)利用評價方法的特點與應用效果，本文以2010—2014年全國水資源利用統(tǒng)計數(shù)據(jù)為評價對象，進行研究區(qū)水資源可持續(xù)利用評價，從而對各方法的特點及其評價結果進行比較研究。

1 評價方法簡介

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

1.1 PCA法

水資源可持續(xù)利用評價是一個多指標多因素綜合的研究問題，但變量太多會增加評價過程的復雜性，并且眾多指標間易存在信息的重復和干擾，從而影響評價結果的精確程度。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法獲取指標權重的主要內(nèi)容包括建立相關系數(shù)矩陣，求取特征值、特征向量和方差貢獻率，提取特征值大于1或累計貢獻率大于85%的前n項主成分，以及計算指標權重等，最終指標權重的計算模型為

式中Wi——第i項指標的權重；

gq——第q個主成分的方差貢獻率；

aiq——特征向量分量，即第q個主成分第i項指標的系數(shù)；

m——主成分個數(shù)。

1.2 模糊綜合評判法

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

2 評價體系構建

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)狀與響應之間的關系。應用PSR模型構建指標體系，計算某一時間點的水資源可持續(xù)利用程度，在此計算結果的基礎上，結合上述方法計算不同時間點之間的水資源可持續(xù)利用程度與等級。本文基于PSR框架構建了全國ISSAWRU(見表1)。

表1 水資源可持續(xù)利用綜合評價指標體系

將指標數(shù)據(jù)進行無量綱處理，得到各評價指標值。將12個指標劃分為4個等級，其中Ⅰ級為水資源可持續(xù)利用強等級，Ⅱ級為水資源可持續(xù)利用較強等級，Ⅲ級為水資源可持續(xù)利用中等級，Ⅳ級為水資源可持續(xù)利用較弱等級。各指標等級劃分如表2所示。

表2 全國水資源可持續(xù)利用評價指標等級劃分

續(xù)表

3 模型應用

本文結合PSR的框架內(nèi)容構建全國水資源可持續(xù)利用評價指標體系。在指標體系不變的條件下，分別采用上述2種方法對全國2010—2014年水資源可持續(xù)利用情況進行評價。

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。

本文指標數(shù)據(jù)主要來自2010—2014年水利部水資源公報和國家統(tǒng)計局國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報(評價指標值見表3)。

表3 水資源可持續(xù)利用評價指標值

3.2 評價結果

模糊綜合評判法中涉及各指標的權重采用前期PCA法權重系數(shù)。2種方法所得評價結果分為綜合指數(shù)和等級分類兩種類型，最終得到綜合評價結果見表4。

3.3 分析與討論

表4中的評價結果表明，由于2種評價方法的視角不同，所依賴的理論基礎也不同，對于相同的ISSAWRU，評價所得結果存在一定差異，主要表現(xiàn)在綜合值大小和綜合等級的差異上。在評價指標體系不變的條件下，對2種評價方法的特點及其評價結果的差異進行對比分析，以探求一些潛在規(guī)律。

PCA法依據(jù)數(shù)據(jù)結構和特征客觀地確定指標權重，不受主觀判斷影響。從評價過程的復雜性來看，PCA法是個兩次加權的過程，第一次以特征值對應的單位特征向量分量為權，對標準化指標值求和合成各主成分，第二次以方差貢獻率為權，對主成分求合成單值化的綜合評價值。從該方法的優(yōu)缺點可知，PCA法的特點是客觀賦權，不受主觀判斷影響，但未從指標的物理意義融入評價者的價值判斷。

表4 2種方法評價結果對比

模糊綜合評判法基于傳統(tǒng)的評價思想和原理，其特點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，基于已有的指標等級分類標準，通過最大隸屬度及其補充原則來判斷評價對象所屬水資源可持續(xù)利用程度的最大可能性。然而，雖然模糊綜合評判是個綜合評價過程，但其缺點也明顯，即當評價對象數(shù)量大時，需要構造大量的評價決策矩陣，計算工作量較大，同時評價結果受指標等級分類標準的影響大。

4 結 論

a.在相同的評價指標體系下，兩種不同方法所得評價結果有一定差別，從而在一定程度上表明評價方法對評價指標體系的依賴性。

b. PCA方法的綜合評價指數(shù)分布范圍小、區(qū)域間分辨間隔較小。對于模糊綜合評判法，其綜合值評價結果分布大，區(qū)域間分辨間隔較大。

c.從評價過程的復雜性來看，PCA和模糊綜合評判法的評價過程相對穩(wěn)定，且PCA的賦權是基礎性的。

[1] 金菊良,張禮兵,魏一鳴.水資源可持續(xù)利用評價的改進層次分析法[J].水科學進展,2004,15(2):227-232.

[2] 宋松柏,蔡煥杰.區(qū)域水資源可持續(xù)利用評價的人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2004,20(6):89-92.

[3] 王軍璽,劉嚴如,李月嬌.基于區(qū)域發(fā)展目標的蘭州市水資源可持續(xù)承載能力預測研究[J].水利建設與管理,2013(3):81-86.

[4] 王娟.菏澤市水資源可持續(xù)利用的管理對策探討[J].水利建設與管理,2013(9):82-83,58.

[5] 崔兆東.黃河水資源可持續(xù)利用探討[J].水資源開發(fā)與管理,2015(2):33-34,43.

[6] 劉梅冰,陳興偉.福建省水資源可持續(xù)利用的模糊綜合評判[J].福建師范大學學報:自然科學版,2006,22(1):107-111.

[7] 周豐,郭懷成,劉永.濕潤區(qū)湖泊流域水資源可持續(xù)發(fā)展評價方法[J].自然資源學報,2007,22(2):290-301.