李慶昕

(遼寧省沈陽(yáng)水文局，遼寧 沈陽(yáng) 110094)

近年來(lái)，水資源系統(tǒng)的不穩(wěn)定性隨水資源的過(guò)度開(kāi)采利用以及氣候環(huán)境的變化而日益顯現(xiàn)，對(duì)其脆弱性進(jìn)行研究評(píng)價(jià)已成為水資源領(lǐng)域的主要研究方向和熱點(diǎn)之一[1]。自20世紀(jì)90年代我國(guó)針對(duì)水資源脆弱性就開(kāi)始了大量的研究和分析，并在脆弱性評(píng)價(jià)、含義以及內(nèi)涵方面形成了一定的理論體系和研究成果，但整體仍屬于水資源脆弱性研究的初始階段[2]。流域水資源系統(tǒng)外部不僅受到壓力驅(qū)動(dòng)因素的作用影響，而且由于內(nèi)部存在多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)系統(tǒng)同時(shí)受到許多不確定性因素的作用[3]。所以，應(yīng)同時(shí)考慮外部與內(nèi)部因素對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的綜合作用影響從而更加精確、客觀的確定各頂級(jí)的閥值，然而當(dāng)前對(duì)水資源脆弱性研究中涉及到的相關(guān)內(nèi)容相對(duì)較少，所建立的評(píng)價(jià)等級(jí)往往未考慮不同評(píng)價(jià)級(jí)別內(nèi)各指標(biāo)之間的同異反聯(lián)系的影響作用[4- 6]。SPA集對(duì)分析理論可針對(duì)評(píng)價(jià)級(jí)別中不確定信息問(wèn)題進(jìn)行很好的分析和處理，據(jù)此本文在考慮了外部驅(qū)動(dòng)與內(nèi)部自然承載影響因素的條件下對(duì)聯(lián)系度計(jì)算公式利用灰色三角白化權(quán)函數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，并基于SPA基本理論構(gòu)建改進(jìn)的評(píng)價(jià)模型，以渾河流域?yàn)槔龑?duì)改進(jìn)模型的有效性和合理性進(jìn)行驗(yàn)證，以期為該流域水資源的規(guī)劃建設(shè)和科學(xué)管理提供一定的理論支持和決策依據(jù)[7]。

1 構(gòu)建水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

本研究結(jié)合渾河流域水資源脆弱性實(shí)際狀況在充分考慮了系統(tǒng)外部壓力驅(qū)動(dòng)和內(nèi)部自然承載能力的基礎(chǔ)之上構(gòu)建了三層次指標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見(jiàn)表1。其中B1～B2分別代表內(nèi)部自然承載因素和外部壓力驅(qū)動(dòng)因素；C1～C7分別代表評(píng)價(jià)指標(biāo)人均水資源占有量、降水量、流域產(chǎn)水模數(shù)、徑流系數(shù)、干旱系數(shù)、生態(tài)環(huán)境需水比例以及水質(zhì)等級(jí)；C8～C14分別代表評(píng)價(jià)指標(biāo)人均GDP值、萬(wàn)元工業(yè)增值用水量、灌溉率、農(nóng)業(yè)用水比例、水資源利用率和耗水率。

本研究依據(jù)水資源脆弱性等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)數(shù)據(jù)資料和參考文獻(xiàn)將脆弱性等級(jí)劃分為非常脆弱、比較脆弱、中等脆弱、較不脆弱以及不脆弱5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合研究流域?qū)嶋H狀況經(jīng)多次合理分析和修正不同評(píng)價(jià)等級(jí)的閥值范圍見(jiàn)表2。

2 建立灰色三角白化權(quán)SPA模型

2.1 集對(duì)分析理論

由中國(guó)學(xué)者在1989年提出的對(duì)于不確定性問(wèn)題處理的方法即集對(duì)分析理論，其基本原理和過(guò)程是先在不確定性系統(tǒng)中構(gòu)建兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)集合的集對(duì)，并將集對(duì)進(jìn)行異同性和差異性分析，然后采用合理的計(jì)算方法將集對(duì)進(jìn)行“亦同亦反”聯(lián)系度計(jì)算，構(gòu)建集對(duì)以及對(duì)聯(lián)系度計(jì)算是是集對(duì)分析法的基礎(chǔ)和關(guān)鍵工作[8- 11]。SPA模型的核心理論是利用計(jì)算公式對(duì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和樣本兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的集合進(jìn)行各指標(biāo)的聯(lián)系度計(jì)算分析，并定性的對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，然后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系框架進(jìn)行綜合性的評(píng)價(jià)。可利用下述公式進(jìn)行聯(lián)系數(shù)的求解：

表1 渾河流域水資源脆弱性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

μk=ak+b1ki1+b2ki2+b3ki3+ckj;k=1，2，，m

(1)

ak+b1k+b2k+b3k+ck=1;bik，ck∈[0，1]，i∈[-1，1]

式中，ak—指標(biāo)同一度，代表樣本對(duì)應(yīng)于k評(píng)價(jià)指標(biāo)的不脆弱等級(jí)水平；b1k、b2k、b3k—分別代表樣本在不脆弱、中等脆弱以及較脆弱等級(jí)的水平；ck—對(duì)立度，代表樣本在非常脆弱等級(jí)的水平。

按照均分原則對(duì)聯(lián)系數(shù)隸屬范圍進(jìn)行閥值空間的平均分割，從左至右可將其劃分為四份并以i1、i2、i3、j分別代表四個(gè)節(jié)點(diǎn)值。同樣可將空間平均劃分為5個(gè)子空間，各子空間的取值范圍為-1～-0.5、-0.5～-0.1、-0.1～0.3、0.3～0.5、0.5～1.0，各子空間范圍所對(duì)應(yīng)的水資源脆弱性評(píng)價(jià)等級(jí)依次為非常脆弱、較脆弱、中等脆弱、較不脆弱以及不脆弱。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的m個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)等級(jí)過(guò)程如下。

(1)利用式(1)對(duì)樣本值x可求得各個(gè)等級(jí)的分量和五元聯(lián)系數(shù)μk值，從而可評(píng)估各個(gè)分量并求得各指標(biāo)值對(duì)應(yīng)于樣本的隸屬等級(jí)。

(2)對(duì)各個(gè)樣本的五元聯(lián)系數(shù)μ值進(jìn)行求解并得到不同指標(biāo)的權(quán)重ωk，然后可對(duì)脆弱性進(jìn)行定性的表述，計(jì)算公式如下：

表2 渾河流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)等級(jí)及分類標(biāo)準(zhǔn)

(2)

對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算求解應(yīng)綜合考慮各種主、客觀因素的作用影響，從而更加準(zhǔn)確、全面的對(duì)研究區(qū)域的水資源脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

2.2 改進(jìn)的SPA模型

對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中的不確定性問(wèn)題利用傳統(tǒng)的SPA模型不能較好的進(jìn)行處理解決，從而對(duì)水資源脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果可造成顯著的偏差。據(jù)此，對(duì)未知信息進(jìn)行淡化處理的有效方法為灰色白化權(quán)函數(shù)聚類分析法，它可對(duì)系統(tǒng)本質(zhì)的不確定性、模糊性信息進(jìn)行客觀、準(zhǔn)確的表征[12]。所以，本文利用三角聯(lián)系函數(shù)并結(jié)合灰色聚類與SPA基本理論構(gòu)建了評(píng)價(jià)指標(biāo)的5個(gè)分級(jí)系統(tǒng)，對(duì)各分量利用聚類系數(shù)進(jìn)行類比分析，其表達(dá)式如下所示：

(3)

式中，μjk—在j等級(jí)下對(duì)應(yīng)于k評(píng)價(jià)指標(biāo)的樣本聯(lián)系度分量。

將系統(tǒng)閥值利用不同評(píng)價(jià)等級(jí)可劃分為[fj，fj+1]，引入λj=(fj+fj+1)/2，由此可對(duì)樣本各指標(biāo)在不同等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)下的灰色聚類技術(shù)vjk進(jìn)行求解，公式如下：

(4)

式中，xik—評(píng)價(jià)指標(biāo)k在區(qū)域i中的樣本值；

對(duì)各樣本指標(biāo)的灰色聚類系數(shù)vjk進(jìn)行歸一化統(tǒng)一處理，計(jì)算公式如下：

(5)

各指標(biāo)的聯(lián)系度分量可在求解μjk后進(jìn)行計(jì)算，由此可對(duì)各指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行分析和研究。

2.3 指標(biāo)綜合權(quán)重的確定

客觀賦權(quán)法通常會(huì)忽略不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性程度的差異，以此可引起重要信息的丟失；而主觀賦權(quán)法通常依據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和理論認(rèn)知對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，該方法受個(gè)人因素和主觀判斷的作用影響其評(píng)價(jià)結(jié)果可能出現(xiàn)極端偏離真實(shí)結(jié)果的情況[13]。據(jù)此，綜合集成賦權(quán)法是充分考慮了主、客觀賦權(quán)法不足之處的基礎(chǔ)之上，通過(guò)將二者有效的結(jié)合對(duì)水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重ω進(jìn)行綜合計(jì)算的方法。假定評(píng)價(jià)指標(biāo)利用AHP法計(jì)算的權(quán)重為ω′，利用熵值法求得的權(quán)重為ω″，并利用距離函數(shù)d(ω′，ω″)表示兩種方法計(jì)算的差異程度其表達(dá)式為：

(6)

可利用下式進(jìn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合權(quán)重的求解：

ω=αω′+βω″

(7)

式中，α、β—分別為AHP法和熵值法的權(quán)重分配系數(shù)。

確保兩種方法計(jì)算結(jié)果的一致性為組合賦權(quán)法理論的核心內(nèi)容，所以上述公式需滿足以下要求：

d(ω′，ω″)=(α-β)2

(8)

α+β=1

(9)

利用上述綜合賦權(quán)法不僅可體現(xiàn)評(píng)價(jià)者的主觀能動(dòng)性，而且各指標(biāo)數(shù)值為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可反映區(qū)域的真實(shí)狀況。

2.4 綜合評(píng)價(jià)步驟

(1)首先采用式(4)并依據(jù)不同等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的取值范圍和實(shí)測(cè)值xik可各指標(biāo)的vij進(jìn)行求解，然后利用式(5)對(duì)各指標(biāo)的vij計(jì)算結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化歸一處理，并求得樣本在不用級(jí)別j條件下的μjk值。

(2)利用相關(guān)公式對(duì)各ak、b1k、b2k、b3k、ck值進(jìn)行求解。

(3)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的無(wú)元聯(lián)系數(shù)μk利用公式(1)進(jìn)行求解，然后依據(jù)判定準(zhǔn)則對(duì)各計(jì)算結(jié)果的合理性進(jìn)行分析判別。

(4)在求得各指標(biāo)ω′和ω″主、客觀權(quán)重系數(shù)之后可利用式(7)～(9)進(jìn)行各評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重系數(shù)ω的計(jì)算。

(5)對(duì)水資源脆弱性利用式(2)所求得的總體五元聯(lián)系數(shù)μ進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析，并針對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果給出響應(yīng)的建議和對(duì)策。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 研究區(qū)域概況

渾河發(fā)源于清原縣，全長(zhǎng)415km，流域總面積11481km2，年平均降水量約718.3mm，年蒸發(fā)量約為1805.4mm，年平均徑流量為30.52億m3。流域內(nèi)屬于不對(duì)稱水系，東部坡陡谷深支流密集，而西部支流較少水量較低，其降雨規(guī)律為自東至西逐級(jí)遞減，徑流洪水受降雨量影響顯著，降雨集中在7月和8月。氣候?yàn)闇嘏瘞Ъ撅L(fēng)氣候，溫差變化較；渾河流域內(nèi)農(nóng)業(yè)人口數(shù)量增長(zhǎng)過(guò)快并導(dǎo)致對(duì)耕地需求量明顯增大，且土地被過(guò)度的開(kāi)墾，農(nóng)田灌溉用水急劇加大，水資源供需矛盾突出，水質(zhì)污染和浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重，區(qū)域水資源脆弱性問(wèn)題日益嚴(yán)重，不僅對(duì)人們的正常生活產(chǎn)生嚴(yán)重影響而且嚴(yán)重制約著區(qū)域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，開(kāi)展脆弱性評(píng)估十分必要[14]。

3.2 評(píng)價(jià)分析

結(jié)合渾河流域現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)年鑒以及水利部門提供的相關(guān)資料，對(duì)渾河流域2016年水資源系統(tǒng)的聯(lián)系度分量利用灰色三角白化權(quán)集對(duì)分析模型進(jìn)行計(jì)算和分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3和如圖1所示。由表3計(jì)算結(jié)果和圖1可知，各評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的對(duì)立度ck計(jì)算結(jié)果值均為0，由此表明渾河流域水資源接近于非常脆弱評(píng)價(jià)等級(jí)的程度為0，水資源應(yīng)用整體狀況良好，評(píng)價(jià)指標(biāo)C5、C6、C8、C9、C12、C14的μk值均在0.6以上，由此表明渾河流域在該6項(xiàng)指標(biāo)表現(xiàn)為不脆弱性，水資源利用現(xiàn)狀良好；然而在水質(zhì)、水資源量以及人均占有量方面的評(píng)價(jià)結(jié)果值為-0.2以下，由此表明該項(xiàng)指標(biāo)應(yīng)用現(xiàn)狀不容樂(lè)觀，水資源的不合理開(kāi)采利用以及節(jié)水技術(shù)相對(duì)滯后，水體應(yīng)用環(huán)境、污染、供需矛盾突出等呈顯著脆弱性。該流域相關(guān)部門應(yīng)加大對(duì)水資源的開(kāi)采利用管制力度，加強(qiáng)對(duì)河流水體污染的治理強(qiáng)度并改善當(dāng)前水質(zhì)現(xiàn)狀，促進(jìn)水生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)和發(fā)展。

表3 渾河流域水資源脆弱性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

圖1 各評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果

利用式(4)～(6)并結(jié)合五元聯(lián)系數(shù)評(píng)價(jià)和分析結(jié)果可求綜合權(quán)重ω進(jìn)行求解，其計(jì)算結(jié)果為ω=0.125 0.080 0.078 0.069 0.060 0.42 0.088 0.050 0.058 0.119，0.047)，其中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部自然承載評(píng)價(jià)字表和外部壓力驅(qū)動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的分權(quán)重計(jì)算結(jié)果分別為：

(0.225，0.152，0.146，0.126，0.108，0.078，0.166)

(0.107，0.130，0.261，0.1025，0.112，0.120，0.168)

總體評(píng)價(jià)結(jié)果μ值；利用式(2)進(jìn)行求解為0.262，其中內(nèi)部和外部作用因素的評(píng)價(jià)結(jié)果分別為0.148和0.402其分別處于中等和不脆弱評(píng)價(jià)等級(jí)，評(píng)估結(jié)果詳細(xì)見(jiàn)圖2。據(jù)圖2可以知道，渾河流域水資源脆弱性在自然承載方面較為明顯，而在內(nèi)部評(píng)價(jià)方面較差，此研究成果研究流域?qū)嶋H狀況保持良好的一致性。

圖2 μk綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié)論

(1)針對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)中的不確定性因素和模糊性信息利用灰色三角白化權(quán)函數(shù)的SPA模型可進(jìn)行很好的處理和分析，其評(píng)價(jià)結(jié)果能較好的反映水資源的實(shí)際狀況，利用該模型其評(píng)價(jià)結(jié)果更加合理可靠。

(2)利用主客觀相結(jié)合的方法對(duì)ω進(jìn)行求解能夠更加貼近研究流域的實(shí)際狀況，然而本研究在指標(biāo)權(quán)重改進(jìn)計(jì)算方面只是進(jìn)行簡(jiǎn)單的疊加處理并未做更加深入的理論分析和研究探討，故仍需要進(jìn)一步深入研究。