基于熵權(quán)—云模型的流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)與關(guān)鍵脆弱性辨識(shí)
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2019-03-19 07:53:02馮亞中
資源開發(fā)與市場 2019年4期
陳 巖,馮亞中,王 蕾
(1.南京林業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,江蘇 南京 210037;2.南京信息工程大學(xué) 教師教學(xué)發(fā)展中心,江蘇 南京 210044)
1 引言
水資源是國家的基礎(chǔ)性自然資源,而我國人均水資源占有量只有世界人均水平的1/4,水資源短缺問題非常嚴(yán)重,且水資源時(shí)空分布極不均勻,夏季雨水多,冬季雨水少;北方河道干涸,地下水嚴(yán)重超采,南方旱澇災(zāi)害頻發(fā),水質(zhì)污染嚴(yán)重。流域水資源脆弱性研究是水資源研究領(lǐng)域的重要前沿課題,水資源脆弱性評(píng)價(jià)可量化水資源脆弱性的程度，客觀反映流域的水安全狀況,是水資源規(guī)劃管理和適應(yīng)性管理對(duì)策的基礎(chǔ)。流域水資源的脆弱性是由洪澇災(zāi)害、干旱災(zāi)害、水資源短缺、水質(zhì)污染等多方面因素引起的。水資源面臨的脆弱性問題不是均勻分布于全國,而是具有典型的流域和區(qū)域特點(diǎn),在時(shí)間尺度上具有季節(jié)性特征。如松花江、遼河、海河等北方江河多是由水資源短缺、水質(zhì)污染等引起的脆弱性;而長江流域、東南諸河等南方江河流域多是由洪澇災(zāi)害等引起的脆弱性。因此,我國流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)和關(guān)鍵脆弱性辨識(shí)是非常重要的和亟待解決的問題,對(duì)我國各流域水資源脆弱性的產(chǎn)生原因分析,針對(duì)性地改善流域水資源脆弱性，提高水資源系統(tǒng)的適應(yīng)能力具有重要的作用。
水資源脆弱性研究最早是針對(duì)地下水資源領(lǐng)域開展的,Albinet[1]于20世紀(jì)70年代初期提出了地下水資源脆弱性的概念,之后眾多學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)對(duì)地下水資源脆弱性概念和評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了深入研究。自20世紀(jì)90年代以來,地表水資源的脆弱性和水資源系統(tǒng)的脆弱性逐漸成為研究的熱點(diǎn),如Brouwer F[2]通過分析區(qū)域水資源的供需平衡狀況,根據(jù)影響因子的閾值來分析水資源的脆弱程度;Mirauda D[3]等采用完整性模型來評(píng)估地表水資源脆弱性,提供了決策支持系統(tǒng)。1996年IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)將氣候變化與水資源脆弱性相關(guān)聯(lián),提出水資源脆弱性是指水資源系統(tǒng)由于氣候變化等原因引起損害或不利的影響程度[4]。Jingbo Z[5]等從IPCC提出的脆弱性概念出發(fā),分析了我國城市在氣候變化下的水資源脆弱性問題;Farley K A[6]等通過耦合社會(huì)—自然系統(tǒng),探討了氣候變化對(duì)美國俄勒岡山脈地區(qū)的水資源脆弱性影響;夏軍等研究了氣候變化對(duì)我國東部季風(fēng)區(qū)水資源的脆弱性的影響[7]和海河流域水資源脆弱性及其適應(yīng)性調(diào)控[8];李昌彥、王慧敏[9]等以鄱陽湖流域?yàn)閷?duì)象研究了氣候變化下水資源適應(yīng)性系統(tǒng)的脆弱性評(píng)價(jià)。
目前,水資源脆弱性的定量評(píng)價(jià)方法主要包括函數(shù)模型法和評(píng)價(jià)指標(biāo)法兩種。其中,函數(shù)構(gòu)建法主要是夏軍等通過構(gòu)建物理機(jī)制分析的函數(shù)模型來進(jìn)行評(píng)估[10],提出水資源系統(tǒng)的脆弱性是受氣候變化、人類活動(dòng)等因子影響的敏感性和抗壓性的比值[11]。近幾年又對(duì)函數(shù)模型進(jìn)行了改進(jìn),將耦合暴露度、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)、敏感性與抗壓性作為脆弱性評(píng)估模型[7]。此外,其他學(xué)者從供給—需求水量平衡角度[12]和多尺度角度[13]構(gòu)建了脆弱性評(píng)價(jià)函數(shù)模型,而評(píng)價(jià)指標(biāo)法主要是基于水資源脆弱性的內(nèi)涵[14]、水資源脆弱性的影響因素[15]、PSR模型[16]和DPSIR概念模型[17]等構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。在評(píng)價(jià)模型研究方面,主要采用AHP[18]、熵權(quán)法[19]、主成分—因子分析法[20]等對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán),然后采用分形理論[21]、模糊物元評(píng)價(jià)模型[22]、相對(duì)偏差距離最小法[23]、粒子群投影尋蹤插值模型[17]、集對(duì)分析[24]等方法進(jìn)行指標(biāo)的評(píng)價(jià)合成,對(duì)一些流域和區(qū)域進(jìn)行了水資源脆弱性評(píng)價(jià)。
綜上所述,隨著對(duì)水資源脆弱性研究的不斷深入,研究對(duì)象從地下水脆弱性到地表水資源脆弱性,又?jǐn)U展到水資源系統(tǒng)的脆弱性研究;脆弱性的評(píng)價(jià)指標(biāo)也從單一的水質(zhì)研究逐漸向水量、水質(zhì)相結(jié)合;目前越來越多的學(xué)者關(guān)注水資源脆弱性受到人類活動(dòng)和氣候變化的影響問題。流域作為整個(gè)水資源系統(tǒng)的重要組成部分,同時(shí)又是我國水資源管理的行政主體單位,其水資源脆弱性評(píng)價(jià)對(duì)流域未來的水資源適應(yīng)性管理和規(guī)劃決策等方面都具有重要作用。流域水資源系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),各個(gè)流域受到降水量時(shí)空分布不均、流域產(chǎn)業(yè)布局和人口密度等原因影響導(dǎo)致流域的脆弱性產(chǎn)生原因和表現(xiàn)形式都各不相同,一般可分為水量短缺性脆弱、水質(zhì)污染性脆弱、洪澇旱災(zāi)性脆弱等幾種重要的脆弱性問題。對(duì)各個(gè)流域的關(guān)鍵脆弱性辨識(shí)、評(píng)價(jià)可幫助各個(gè)流域追溯其脆弱性的關(guān)鍵原因所在[25],并提出適應(yīng)性的治理方案,所以流域水資源的關(guān)鍵脆弱性辨識(shí)就成了流域治理亟待解決的問題。本文首先從水量短缺、水質(zhì)污染、災(zāi)害防御等三個(gè)方面構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,以便進(jìn)行流域的關(guān)鍵脆弱性辨識(shí)和原因分析;然后采用熵權(quán)和云模型相結(jié)合的方法對(duì)流域水資源的脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià),使評(píng)價(jià)過程更加客觀、公正和科學(xué),評(píng)價(jià)結(jié)果從流域的綜合脆弱性、水量脆弱性、水質(zhì)脆弱性、災(zāi)害脆弱性幾個(gè)方面分析,更有利于找出流域的脆弱性短板;最后以我國目前脆弱性問題較嚴(yán)重的海河流域?yàn)槔M(jìn)行實(shí)證研究,分析了海河流域2000—2015年的脆弱性趨勢和關(guān)鍵脆弱性,并對(duì)具體指標(biāo)原因進(jìn)行回溯分析。
2 脆弱性內(nèi)涵研究和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建
2.1 流域水資源脆弱性內(nèi)涵研究
流域是指由分水線所包圍的河流集水區(qū),包括一個(gè)水系的干流和支流所流經(jīng)的整個(gè)地區(qū),具有水資源開發(fā)利用復(fù)雜、承載人口眾多等社會(huì)經(jīng)濟(jì)特征,同時(shí)也具有氣候條件多樣、覆蓋面廣、地理環(huán)境構(gòu)成復(fù)雜等自然特征。本文認(rèn)為流域水資源脆弱性是指在社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素和自然環(huán)境因素的雙重作用下,流域水資源通過水量短缺、水質(zhì)污染和洪澇干旱災(zāi)害等三個(gè)方面表現(xiàn)出的受損程度[26]。具體內(nèi)涵主要包括[27]:①流域水資源脆弱性的成因和表現(xiàn)形式多樣化,可總結(jié)為水量短缺脆弱性、水質(zhì)污染脆弱性,由于極端氣候現(xiàn)象導(dǎo)致的洪澇干旱災(zāi)害防御脆弱性。②流域水資源脆弱性的影響因素不僅體現(xiàn)在受到氣候等自然環(huán)境變化和人類活動(dòng)因素導(dǎo)致的脆弱性,還體現(xiàn)在流域水資源系統(tǒng)本身是否具有承載這些變化和自我恢復(fù)的能力。③流域水資源脆弱性的受損程度需要從水資源安全的角度,對(duì)流域水資源系統(tǒng)的受損情況進(jìn)行量化和等級(jí)的劃分,并從時(shí)間和空間的維度上進(jìn)行時(shí)空動(dòng)態(tài)分析,為流域水資源規(guī)劃管理提供有效的衡量標(biāo)準(zhǔn)。
2.2 脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建
本文根據(jù)流域水資源脆弱性的內(nèi)涵構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。首先,根據(jù)水資源脆弱性的表現(xiàn)形式,設(shè)置水量短缺脆弱性(WSVI)、水質(zhì)污染脆弱性(WPVI)和災(zāi)害防御脆弱性(WDVI)三個(gè)一級(jí)指標(biāo);其次,根據(jù)水資源脆弱性的原因,在各一級(jí)指標(biāo)下設(shè)置自然脆弱性、人為脆弱性、承載脆弱性二級(jí)指標(biāo);每個(gè)二級(jí)指標(biāo)下又設(shè)計(jì)2個(gè)三級(jí)指標(biāo),共18個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。指標(biāo)體系WSPD-VI見表1。
表1 流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系
注:正向指標(biāo)表示評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)值越大,脆弱度等級(jí)越高;逆向指標(biāo)表示評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)值越小,脆弱度等級(jí)越低。
3 脆弱性評(píng)價(jià)模型研究
本文通過構(gòu)建熵權(quán)—云模型相結(jié)合的模型對(duì)流域水資源脆弱性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。首先采用熵權(quán)法進(jìn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定,然后采用云模型對(duì)研究區(qū)水資源進(jìn)行脆弱度等級(jí)評(píng)價(jià)。
3.1 基于熵權(quán)法的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定
在流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)模型構(gòu)建中,指標(biāo)權(quán)重是量化的關(guān)鍵因素之一,其大小直接影響到評(píng)價(jià)結(jié)果,本文擬采用熵權(quán)法來確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重。熵權(quán)法是根據(jù)信息論的基本原理,各指標(biāo)的實(shí)測數(shù)據(jù)傳遞給決策者的信息量大小,通過計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值和熵權(quán)來確定指標(biāo)權(quán)重。熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)的方法,通過對(duì)收集到的各評(píng)價(jià)指標(biāo)的樣本數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算出來的權(quán)重,只與樣本數(shù)據(jù)本身的特征相關(guān)聯(lián),客觀性較強(qiáng),避免了主觀因素帶來的偏差,確保了評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀和科學(xué)性。
評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化處理:標(biāo)準(zhǔn)化處理的主要目的是消除各評(píng)價(jià)指標(biāo)的量綱和正逆向不同帶來的影響。正向指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化處理為式(1),逆向指標(biāo)的處理為式(2)。設(shè)原始數(shù)據(jù)有n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),有m個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象,則評(píng)價(jià)矩陣為:X=(xij)m×n。式中,xij代表第i個(gè)指標(biāo)的第j個(gè)實(shí)測值。
(1)
(2)
式中,ximin為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)中的最小數(shù)值;ximax為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)中的最大數(shù)值。
評(píng)價(jià)指標(biāo)的信息熵計(jì)算:標(biāo)準(zhǔn)化后的矩陣Y=(yij)m×n,第i個(gè)指標(biāo)的熵定義為Hi,計(jì)算公式為:
(3)
評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)計(jì)算:根據(jù)上式可計(jì)算出各個(gè)指標(biāo)的信息熵,利用下式求出各個(gè)指標(biāo)的熵權(quán):
(4)
權(quán)重矩陣為：W=(w1,w2,…,wn)。
3.2 基于云模型的流域水資源脆弱性等級(jí)劃分
云模型是在傳統(tǒng)模糊數(shù)學(xué)和概率統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上,由李德毅院士提出的一種用于實(shí)現(xiàn)不確定性知識(shí)的定性、定量轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)模型[28]。目前云模型已經(jīng)成功應(yīng)用于智能控制、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘、系統(tǒng)安全評(píng)估、時(shí)間序列預(yù)測等多個(gè)領(lǐng)域。本文擬采用云模型進(jìn)行流域水資源脆弱性等級(jí)劃分與評(píng)價(jià)。
云和正態(tài)云:云模型是把模糊性和隨機(jī)性兩方面集成在一起來進(jìn)行定性和定量之間的轉(zhuǎn)換模型。本文的云空間可定義為流域水資源脆弱性的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,云空間是由若干云朵組成;將各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)看成是評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的云朵,代表定量數(shù)值與定性概念之間的對(duì)應(yīng),云朵由云滴組成;將各個(gè)指標(biāo)的實(shí)際數(shù)值x看成是云滴,云滴之間沒有次序性,云滴會(huì)落在定性概念C中。即存在一個(gè)穩(wěn)定傾向的隨機(jī)數(shù)u(x)∈[0,1],稱為x對(duì)C的確定度,每個(gè)云滴的產(chǎn)生過程就是映射這種定量和定性概念之間的不確定性關(guān)系[29]。正態(tài)云是云模型中最常見的一種,具有普遍適用性,主要是由于大量的社會(huì)和自然科學(xué)中云的期望曲線都近似服從正態(tài)或半正態(tài)分布。正態(tài)云的數(shù)字特征用Ex、熵En和超熵He三個(gè)數(shù)值表征。其中,期望Ex是云滴在定性語言論域概念的中心值,表示數(shù)據(jù)樣本定性概念量化的最典型樣本;熵En是定性概念的不確定性度量,反映特定指標(biāo)離散程度和取值范圍;超熵He是熵En的熵,是對(duì)熵的不確定程度的度量,反映云滴的離散程度,超熵表示指標(biāo)值在整個(gè)論域中的凝聚度,超熵越大,評(píng)價(jià)指標(biāo)值的離散程度越大,云層的厚度越大,見圖1。
圖1 正態(tài)云和數(shù)字特征
(5)
循環(huán)(1)—(3),生成足夠多的云滴,本文在實(shí)證過程中取3000個(gè)云滴。
云模型的特征參數(shù)確定:運(yùn)用云模型進(jìn)行流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)需要確定每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)字特征Ex,En,He。式中,Ex為脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)的期望,由式(6)確定:
(6)
云模型的熵En由式(7)計(jì)算得出:
(7)
超熵He=k,其中k為常數(shù),反映云模型的離散程度,根據(jù)變量的模糊閾值進(jìn)行調(diào)整,本文統(tǒng)一取0.01。
3.3 評(píng)價(jià)模型的評(píng)價(jià)步驟
本文采用熵權(quán)法和云模型相結(jié)合進(jìn)行流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建,其評(píng)價(jià)流程見圖2,步驟為:①構(gòu)建流域脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,本文從水量短缺脆弱性(WSVI)、水質(zhì)污染脆弱性(WPVI)和災(zāi)害防御脆弱性(WDVI)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系WSPD-VI,共18項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo),見表1。②運(yùn)用熵權(quán)法進(jìn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)體系權(quán)重的確定。首先根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)收集流域各個(gè)年份的數(shù)據(jù),然后對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)采用式(1)、式(2)進(jìn)行歸一化處理;然后采用式(3)和式(4)進(jìn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定,形成權(quán)重矩陣W。③對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)劃分為五個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí),分別為極度脆弱、重度脆弱、中度脆弱、輕度脆弱、不脆弱;然后根據(jù)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的國際、國內(nèi)和行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行五個(gè)等級(jí)閾值的確定。④根據(jù)各個(gè)指標(biāo)的等級(jí)閾值運(yùn)用式(6)、式(7)進(jìn)行云模型的特征參數(shù)的計(jì)算,然后采用Matlab編程云模型正向發(fā)生器進(jìn)行各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)確定度的確定,形成云模型的確定度矩陣Z。⑤運(yùn)用權(quán)重矩陣W和確定度矩陣Z進(jìn)行模糊轉(zhuǎn)換,得出流域各年份水資源脆弱性評(píng)價(jià)等級(jí)的綜合確定度。
圖2 基于熵權(quán)—云模型的流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)模型流程
4 實(shí)證研究
本文以海河流域?yàn)槔?運(yùn)用構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系WSPD-VI和熵權(quán)—云模型相結(jié)合的評(píng)價(jià)模型,對(duì)海河流域2000—2015年的水資源脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)等級(jí)確定、趨勢變化分析和關(guān)鍵脆弱性辨識(shí)。
4.1 研究區(qū)概況
海河流域位于112°—120°E、35°—43°N,屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候,多年平均氣溫在10℃左右,多年平均降水量為400—800mm。海河流域包括海河、灤河和徒駭馬頰河3大水系,行政區(qū)域涉及京、津、冀、遼、蒙、晉、魯、豫等8個(gè)省、自治區(qū)、直轄市,總面積31.82萬km2,流域人口密集。海河流域降水時(shí)空分布不均勻,汛期6—9月雨量占全年降雨量的75%—85%,局部地區(qū)暴雨增多,造成海河流域旱澇災(zāi)害頻繁發(fā)生。流域地表水資源的開發(fā)利用率達(dá)到98%,遠(yuǎn)超過40%開發(fā)利用率的國際警戒線,且每年超采地下水70億m3以上;流域水污染嚴(yán)重,60%的斷面已經(jīng)嚴(yán)重污染。海河流域人均水資源量290m3,屬于嚴(yán)重資源性缺水地區(qū),遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人均1000m3的國際水資源緊缺標(biāo)準(zhǔn),只有全國人均水資源占有量的1/7。流域的水資源短缺、水污染嚴(yán)重、旱澇災(zāi)害頻發(fā)已成為制約海河流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。
表2 流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)
4.2 海河流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)分析
評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重確定:根據(jù)構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系查找海河流域從2000—2015年的18個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)來源于2000—2015年的《海河流域水資源公報(bào)》、《中國環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒》和《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》。按照表1中評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的正向和逆向分別按照式(1)、式(2)進(jìn)行無量綱化處理;然后按照式(3)、式(4)計(jì)算海河流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重,18個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重為:W=(0.0368、0.0435、0.0756、0.0329、0.0824、0.0853、0.0378、0.0339、0.0639、0.0573、0.0604、0.0598、0.0378、0.0520、0.0537、0.0722、0.0655、0.0482)。
評(píng)價(jià)指標(biāo)的特征值和云模型計(jì)算:根據(jù)云模型的計(jì)算過程,需要確定18個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的脆弱度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn),本文針對(duì)18個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的國際、國內(nèi)和水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)確定各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn),具體結(jié)果見表2。
根據(jù)表2中的各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)閾值和云模型的特征值計(jì)算式(6)、式(7),可計(jì)算出各個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)各個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的特征值,鑒于篇幅有限不再單獨(dú)列出特征值數(shù)據(jù)。運(yùn)用Matlab軟件進(jìn)行編程,并根據(jù)式(5)計(jì)算各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的云模型的確定度。限于篇幅本文僅列出4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的云模型圖,見圖3。
圖3 評(píng)價(jià)指標(biāo)脆弱度等級(jí)的云模型
表3 2000—2015年海河流域水資源脆弱性等級(jí)確定度
海河流域水資源脆弱性等級(jí)確定度和趨勢分析:根據(jù)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定度和權(quán)重,以及2000—2015年的各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)據(jù)值,運(yùn)行Matlab云模型程序,計(jì)算3000次,取3000次運(yùn)行結(jié)果的平均值,可計(jì)算出海河流域各個(gè)年份的水資源脆弱性隸屬于各個(gè)等級(jí)的確定度,并根據(jù)確定度最大原則來進(jìn)行等級(jí)判斷;同樣,可分別按照上述方法計(jì)算出水量短缺脆弱性、水質(zhì)污染脆弱性和災(zāi)害防御脆弱性的確定度,判斷脆弱度等級(jí),計(jì)算結(jié)果見表3。根據(jù)海河流域水資源脆弱性的趨勢圖(圖4),分析2000—2015年海河流域水資源脆弱度的走勢。由圖4可見,2000—2015年海河流域的脆弱度等級(jí)是逐年上升的,說明這16年海河流域的水資源脆弱性狀況有所好轉(zhuǎn)。
圖4 2000—2015年海河流域水資源脆弱性趨勢
4.3 海河流域水資源的關(guān)鍵脆弱度辨識(shí)
我國水資源系統(tǒng)脆弱性在全國分布不均勻,具有典型的流域和區(qū)域特點(diǎn)。因此,只有對(duì)各個(gè)流域進(jìn)行關(guān)鍵的脆弱性辨識(shí),找到流域的短板所在,才能有效地進(jìn)一步進(jìn)行規(guī)劃和管理。本文從水量短缺、水質(zhì)污染和災(zāi)害防御三個(gè)方面構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,目的在于分析引起流域水資源脆弱性的重要因素,以便于進(jìn)行適應(yīng)性治理。由于各個(gè)年份的流域水資源脆弱性等級(jí)和水量、水質(zhì)、災(zāi)害的等級(jí)都在變化,為了全面分析關(guān)鍵脆弱性,本文計(jì)算了2000—2015年海河整個(gè)流域的水量、水質(zhì)、災(zāi)害脆弱性等級(jí)的均值,見表3和圖5。
圖5 海河流域的關(guān)鍵脆弱性雷達(dá)圖
從圖5可見,海河流域的水量脆弱性等級(jí)均值為1.88,水質(zhì)脆弱度等級(jí)均值為2.50,災(zāi)害脆弱度等級(jí)均值為2.69。根據(jù)我們對(duì)脆弱度等級(jí)的定義,等級(jí)數(shù)值越低越脆弱,可見海河流域的關(guān)鍵脆弱性是由水量短缺引起的脆弱性,其次是水質(zhì)污染和災(zāi)害防御。
海河流域水量短缺脆弱性分析:海河流域是嚴(yán)重的資源型缺水區(qū)域,人均、地均水資源占有量分為是全國的1/7和1/9,遠(yuǎn)低于國際公認(rèn)的嚴(yán)重缺水警戒線,地表水和地下水開發(fā)率達(dá)到90%以上,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過40%的國際警戒線。有研究表明,1962—2012年海河流域的年降水量呈現(xiàn)下降趨勢,年降水日數(shù)也呈減少趨勢,而海河流域的地表水和地下水主要靠降水補(bǔ)給,降水量減少必然會(huì)繼續(xù)造成海河流域的地下水補(bǔ)給不足、水位下降,導(dǎo)致自然資源型缺水[30]。2000—2015年海河流域的水量短缺脆弱性等級(jí)見圖6。從圖6可見,海河流域的水量短缺脆弱性多年處于極度脆弱和重度脆弱水平,2011年開始脆弱性趨于好轉(zhuǎn)。通過分析發(fā)現(xiàn),這幾年主要是受到引灤入津、引黃入冀、南水北調(diào)等水利工程調(diào)入水量等影響。但由于這幾年的時(shí)間較短,如果需要進(jìn)行水量短缺脆弱性的評(píng)價(jià),未來還需要進(jìn)行更長時(shí)間的觀察。
圖6 2000—2015年海河流域水量短缺脆弱性趨勢
為了進(jìn)一步分析海河流域水量短缺脆弱性的情況,我們挑選了幾個(gè)重要的指標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步的分析。首先分析地表水和地下水的開發(fā)利用率,多數(shù)年份都在70%以上。由于海河流域水資源自給不足,需要從外流域調(diào)入,所以水資源開發(fā)利用率多年都超過1,地表和地下水開采過量,且嚴(yán)重不足。農(nóng)田平均和人均用水量見圖7。
圖7 2000—2015年海河流域農(nóng)業(yè)和人均用水量
從圖7可見,研究期期間農(nóng)田平均用水量出現(xiàn)明顯下降趨勢,且有效灌溉面積比呈現(xiàn)上升趨勢,說明海河流域的農(nóng)田灌溉節(jié)水技術(shù)和能力在逐年增強(qiáng),在保證農(nóng)田有效灌溉的同時(shí),用水量還可降低。人均用水量雖然沒有明顯下降趨勢,但仍然遠(yuǎn)低于全國的平均用水量。
海河流域水質(zhì)污染脆弱性分析:海河流域是人為高度干擾的區(qū)域,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,鋼鐵化工等污染類行業(yè)的快速發(fā)展、排污加重,海河流域已成為我國水污染最為嚴(yán)重的流域。環(huán)保部發(fā)布了2016年上半年的全國地表水環(huán)境質(zhì)量狀況顯示,我國十大流域中海河流域的水質(zhì)污染為重度污染,主要污染指標(biāo)為總磷、化學(xué)需氧量和氨氮[31]。
通過對(duì)海河流域水質(zhì)污染脆弱性等級(jí)圖分析(圖8),在水質(zhì)污染脆弱性方面,從2006年開始海河流域呈現(xiàn)一定的好轉(zhuǎn)趨勢,特別是2012年我國實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理制度以來,海河流域的水質(zhì)污染的治理取得了一定的進(jìn)展。根據(jù)本文構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,主要是從水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、萬人COD和氨氮排放強(qiáng)度、萬元GDP排放強(qiáng)度和生態(tài)環(huán)境用水率等幾個(gè)方面來進(jìn)行評(píng)價(jià)。雖然海河流域在十大流域中的水質(zhì)污染最嚴(yán)重,屬于重度污染,但從縱向數(shù)據(jù)顯示,研究期內(nèi)海河流域的水質(zhì)污染情況有一定的緩解。
圖8 2000—2015年海河流域水質(zhì)污染脆弱性趨勢
為了進(jìn)一步分析海河流域水質(zhì)污染脆弱性的情況,本文挑選了幾個(gè)重要的指標(biāo)進(jìn)行趨勢分析。分析發(fā)現(xiàn)萬人COD排放強(qiáng)度和萬元GDP廢水排放量都呈現(xiàn)明顯的下降趨勢,而生態(tài)環(huán)境用水率呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(圖9、圖10)。生態(tài)環(huán)境用水率數(shù)值的高低有兩種理解:首先為了保證水功能區(qū)的水質(zhì)達(dá)標(biāo)率,當(dāng)廢水排放量過高時(shí)為了保證水質(zhì)達(dá)標(biāo)率而使用生態(tài)環(huán)境用水,這種情況下生態(tài)環(huán)境用水率越高說明流域在主觀上更重視水環(huán)境的治理;其次,生態(tài)環(huán)境用水率高也說明水質(zhì)自身存在污染。由于海河流域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和2012年開始執(zhí)行的最嚴(yán)格水資源管理制度,萬元GDP廢水排放量呈現(xiàn)逐年下降趨勢。從這幾個(gè)角度分析,海河流域水質(zhì)污染脆弱性在2000—2015年有轉(zhuǎn)好的趨勢,但從污染指數(shù)和與其他流域橫向?qū)Ρ?海河流域的水質(zhì)污染問題仍非常嚴(yán)重。
圖9 2000—2015年海河流域生態(tài)環(huán)境用水率(%)
圖10 2000—2015年海河流域萬元GDP廢水排放量
海河流域?yàn)?zāi)害防御脆弱性分析:降雨是干旱和洪水發(fā)生的關(guān)鍵影響因素,由于水資源缺乏,海河流域干旱頻發(fā),歷史上有“十年九旱”之稱。流域的年降雨量主要集中在夏季,6—9月雨量占全年降雨量的75%—85%,局部地區(qū)暴雨增多,極端天氣事件發(fā)生范圍、頻率和強(qiáng)度在不斷增加,造成海河流域旱澇災(zāi)害頻繁發(fā)生。海河流域?yàn)?zāi)害防御脆弱性的等級(jí)見圖11。由于災(zāi)害防御脆弱性受降水等自然因素影響較大,且近年受到極端降雨事件和極端干旱事件的影響,所以波動(dòng)性較強(qiáng)。從單向指標(biāo)上可見,近幾年洪澇災(zāi)害等受災(zāi)面積比逐年降低、農(nóng)田有效灌溉面積比逐年上升,呈好轉(zhuǎn)趨勢;但近幾年堤防保護(hù)人口率和水利調(diào)蓄能力等災(zāi)害防御能力有逐年下降的趨勢,所以在流域的規(guī)劃治理中,需要在規(guī)劃和建設(shè)方面重點(diǎn)加強(qiáng)災(zāi)害的防御抵抗能力。
圖11 2000—2015年海河流域?yàn)?zāi)害防御脆弱性趨勢
5 結(jié)論
流域水資源系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),各個(gè)流域的脆弱性產(chǎn)生原因和表現(xiàn)形式具有典型的流域區(qū)域特點(diǎn)。流域水資源的關(guān)鍵脆弱性辨識(shí)有利于采用相適應(yīng)的規(guī)劃和管理方案進(jìn)行治理,但目前缺乏流域關(guān)鍵脆弱性的辨識(shí)標(biāo)準(zhǔn)。因此,本文根據(jù)總結(jié)出的流域水資源脆弱性的三種成因和表現(xiàn)形式,構(gòu)建了有利于原因追溯和關(guān)鍵脆弱性辨識(shí)的流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系WSPD-VI。
本文構(gòu)建了熵權(quán)—云模型評(píng)價(jià)方法進(jìn)行流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)。首先采用熵權(quán)法進(jìn)行流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算,通過實(shí)測數(shù)據(jù)本身傳遞給決策者信息量的大小進(jìn)行賦權(quán),具有較強(qiáng)的客觀性。采用將傳統(tǒng)模糊數(shù)學(xué)和概率統(tǒng)計(jì)方法相結(jié)合的云模型應(yīng)用于流域水資源的脆弱性評(píng)價(jià)等級(jí)劃分,實(shí)現(xiàn)流域各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的定量數(shù)值向定性評(píng)價(jià)等級(jí)的不確定性映射,使流域水資源脆弱性的評(píng)價(jià)可同時(shí)考慮環(huán)境的模糊性和隨機(jī)性等不確定性因素。因此,基于熵權(quán)—云模型的流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)是一種客觀、科學(xué)的綜合評(píng)價(jià)方法,可實(shí)現(xiàn)流域關(guān)鍵脆弱性評(píng)價(jià)等級(jí)的辨識(shí)。
本文采用構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)模型對(duì)海河流域水資源脆弱性趨勢和關(guān)鍵脆弱性辨識(shí)進(jìn)行了實(shí)證分析。結(jié)果表明,海河流域水資源的脆弱度等級(jí)2000—2015年為逐年上升,特別是2012年實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理制度實(shí)施以來,海河流域水資源的脆弱性狀況有所好轉(zhuǎn)。從2000—2015年海河流域水資源關(guān)鍵脆弱度等級(jí)的均值可見,流域的水量脆弱度等級(jí)均值為1.88,水質(zhì)脆弱度等級(jí)均值為2.50,災(zāi)害脆弱度等級(jí)均值為2.69。根據(jù)我們對(duì)脆弱度等級(jí)的定義,等級(jí)數(shù)值越低越脆弱,可見海河流域水資源的關(guān)鍵脆弱性是由水量短缺引起的,其次是水質(zhì)污染和災(zāi)害防御。
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陳 巖,馮亞中,王 蕾
(1.南京林業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,江蘇 南京 210037;2.南京信息工程大學(xué) 教師教學(xué)發(fā)展中心,江蘇 南京 210044)
1 引言
水資源是國家的基礎(chǔ)性自然資源,而我國人均水資源占有量只有世界人均水平的1/4,水資源短缺問題非常嚴(yán)重,且水資源時(shí)空分布極不均勻,夏季雨水多,冬季雨水少;北方河道干涸,地下水嚴(yán)重超采,南方旱澇災(zāi)害頻發(fā),水質(zhì)污染嚴(yán)重。流域水資源脆弱性研究是水資源研究領(lǐng)域的重要前沿課題,水資源脆弱性評(píng)價(jià)可量化水資源脆弱性的程度，客觀反映流域的水安全狀況,是水資源規(guī)劃管理和適應(yīng)性管理對(duì)策的基礎(chǔ)。流域水資源的脆弱性是由洪澇災(zāi)害、干旱災(zāi)害、水資源短缺、水質(zhì)污染等多方面因素引起的。水資源面臨的脆弱性問題不是均勻分布于全國,而是具有典型的流域和區(qū)域特點(diǎn),在時(shí)間尺度上具有季節(jié)性特征。如松花江、遼河、海河等北方江河多是由水資源短缺、水質(zhì)污染等引起的脆弱性;而長江流域、東南諸河等南方江河流域多是由洪澇災(zāi)害等引起的脆弱性。因此,我國流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)和關(guān)鍵脆弱性辨識(shí)是非常重要的和亟待解決的問題,對(duì)我國各流域水資源脆弱性的產(chǎn)生原因分析,針對(duì)性地改善流域水資源脆弱性，提高水資源系統(tǒng)的適應(yīng)能力具有重要的作用。
水資源脆弱性研究最早是針對(duì)地下水資源領(lǐng)域開展的,Albinet[1]于20世紀(jì)70年代初期提出了地下水資源脆弱性的概念,之后眾多學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)對(duì)地下水資源脆弱性概念和評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了深入研究。自20世紀(jì)90年代以來,地表水資源的脆弱性和水資源系統(tǒng)的脆弱性逐漸成為研究的熱點(diǎn),如Brouwer F[2]通過分析區(qū)域水資源的供需平衡狀況,根據(jù)影響因子的閾值來分析水資源的脆弱程度;Mirauda D[3]等采用完整性模型來評(píng)估地表水資源脆弱性,提供了決策支持系統(tǒng)。1996年IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)將氣候變化與水資源脆弱性相關(guān)聯(lián),提出水資源脆弱性是指水資源系統(tǒng)由于氣候變化等原因引起損害或不利的影響程度[4]。Jingbo Z[5]等從IPCC提出的脆弱性概念出發(fā),分析了我國城市在氣候變化下的水資源脆弱性問題;Farley K A[6]等通過耦合社會(huì)—自然系統(tǒng),探討了氣候變化對(duì)美國俄勒岡山脈地區(qū)的水資源脆弱性影響;夏軍等研究了氣候變化對(duì)我國東部季風(fēng)區(qū)水資源的脆弱性的影響[7]和海河流域水資源脆弱性及其適應(yīng)性調(diào)控[8];李昌彥、王慧敏[9]等以鄱陽湖流域?yàn)閷?duì)象研究了氣候變化下水資源適應(yīng)性系統(tǒng)的脆弱性評(píng)價(jià)。
目前,水資源脆弱性的定量評(píng)價(jià)方法主要包括函數(shù)模型法和評(píng)價(jià)指標(biāo)法兩種。其中,函數(shù)構(gòu)建法主要是夏軍等通過構(gòu)建物理機(jī)制分析的函數(shù)模型來進(jìn)行評(píng)估[10],提出水資源系統(tǒng)的脆弱性是受氣候變化、人類活動(dòng)等因子影響的敏感性和抗壓性的比值[11]。近幾年又對(duì)函數(shù)模型進(jìn)行了改進(jìn),將耦合暴露度、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)、敏感性與抗壓性作為脆弱性評(píng)估模型[7]。此外,其他學(xué)者從供給—需求水量平衡角度[12]和多尺度角度[13]構(gòu)建了脆弱性評(píng)價(jià)函數(shù)模型,而評(píng)價(jià)指標(biāo)法主要是基于水資源脆弱性的內(nèi)涵[14]、水資源脆弱性的影響因素[15]、PSR模型[16]和DPSIR概念模型[17]等構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。在評(píng)價(jià)模型研究方面,主要采用AHP[18]、熵權(quán)法[19]、主成分—因子分析法[20]等對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán),然后采用分形理論[21]、模糊物元評(píng)價(jià)模型[22]、相對(duì)偏差距離最小法[23]、粒子群投影尋蹤插值模型[17]、集對(duì)分析[24]等方法進(jìn)行指標(biāo)的評(píng)價(jià)合成,對(duì)一些流域和區(qū)域進(jìn)行了水資源脆弱性評(píng)價(jià)。
綜上所述,隨著對(duì)水資源脆弱性研究的不斷深入,研究對(duì)象從地下水脆弱性到地表水資源脆弱性,又?jǐn)U展到水資源系統(tǒng)的脆弱性研究;脆弱性的評(píng)價(jià)指標(biāo)也從單一的水質(zhì)研究逐漸向水量、水質(zhì)相結(jié)合;目前越來越多的學(xué)者關(guān)注水資源脆弱性受到人類活動(dòng)和氣候變化的影響問題。流域作為整個(gè)水資源系統(tǒng)的重要組成部分,同時(shí)又是我國水資源管理的行政主體單位,其水資源脆弱性評(píng)價(jià)對(duì)流域未來的水資源適應(yīng)性管理和規(guī)劃決策等方面都具有重要作用。流域水資源系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),各個(gè)流域受到降水量時(shí)空分布不均、流域產(chǎn)業(yè)布局和人口密度等原因影響導(dǎo)致流域的脆弱性產(chǎn)生原因和表現(xiàn)形式都各不相同,一般可分為水量短缺性脆弱、水質(zhì)污染性脆弱、洪澇旱災(zāi)性脆弱等幾種重要的脆弱性問題。對(duì)各個(gè)流域的關(guān)鍵脆弱性辨識(shí)、評(píng)價(jià)可幫助各個(gè)流域追溯其脆弱性的關(guān)鍵原因所在[25],并提出適應(yīng)性的治理方案,所以流域水資源的關(guān)鍵脆弱性辨識(shí)就成了流域治理亟待解決的問題。本文首先從水量短缺、水質(zhì)污染、災(zāi)害防御等三個(gè)方面構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,以便進(jìn)行流域的關(guān)鍵脆弱性辨識(shí)和原因分析;然后采用熵權(quán)和云模型相結(jié)合的方法對(duì)流域水資源的脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià),使評(píng)價(jià)過程更加客觀、公正和科學(xué),評(píng)價(jià)結(jié)果從流域的綜合脆弱性、水量脆弱性、水質(zhì)脆弱性、災(zāi)害脆弱性幾個(gè)方面分析,更有利于找出流域的脆弱性短板;最后以我國目前脆弱性問題較嚴(yán)重的海河流域?yàn)槔M(jìn)行實(shí)證研究,分析了海河流域2000—2015年的脆弱性趨勢和關(guān)鍵脆弱性,并對(duì)具體指標(biāo)原因進(jìn)行回溯分析。
2 脆弱性內(nèi)涵研究和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建
2.1 流域水資源脆弱性內(nèi)涵研究
流域是指由分水線所包圍的河流集水區(qū),包括一個(gè)水系的干流和支流所流經(jīng)的整個(gè)地區(qū),具有水資源開發(fā)利用復(fù)雜、承載人口眾多等社會(huì)經(jīng)濟(jì)特征,同時(shí)也具有氣候條件多樣、覆蓋面廣、地理環(huán)境構(gòu)成復(fù)雜等自然特征。本文認(rèn)為流域水資源脆弱性是指在社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素和自然環(huán)境因素的雙重作用下,流域水資源通過水量短缺、水質(zhì)污染和洪澇干旱災(zāi)害等三個(gè)方面表現(xiàn)出的受損程度[26]。具體內(nèi)涵主要包括[27]:①流域水資源脆弱性的成因和表現(xiàn)形式多樣化,可總結(jié)為水量短缺脆弱性、水質(zhì)污染脆弱性,由于極端氣候現(xiàn)象導(dǎo)致的洪澇干旱災(zāi)害防御脆弱性。②流域水資源脆弱性的影響因素不僅體現(xiàn)在受到氣候等自然環(huán)境變化和人類活動(dòng)因素導(dǎo)致的脆弱性,還體現(xiàn)在流域水資源系統(tǒng)本身是否具有承載這些變化和自我恢復(fù)的能力。③流域水資源脆弱性的受損程度需要從水資源安全的角度,對(duì)流域水資源系統(tǒng)的受損情況進(jìn)行量化和等級(jí)的劃分,并從時(shí)間和空間的維度上進(jìn)行時(shí)空動(dòng)態(tài)分析,為流域水資源規(guī)劃管理提供有效的衡量標(biāo)準(zhǔn)。
2.2 脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建
本文根據(jù)流域水資源脆弱性的內(nèi)涵構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。首先,根據(jù)水資源脆弱性的表現(xiàn)形式,設(shè)置水量短缺脆弱性(WSVI)、水質(zhì)污染脆弱性(WPVI)和災(zāi)害防御脆弱性(WDVI)三個(gè)一級(jí)指標(biāo);其次,根據(jù)水資源脆弱性的原因,在各一級(jí)指標(biāo)下設(shè)置自然脆弱性、人為脆弱性、承載脆弱性二級(jí)指標(biāo);每個(gè)二級(jí)指標(biāo)下又設(shè)計(jì)2個(gè)三級(jí)指標(biāo),共18個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。指標(biāo)體系WSPD-VI見表1。
表1 流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系
注:正向指標(biāo)表示評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)值越大,脆弱度等級(jí)越高;逆向指標(biāo)表示評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)值越小,脆弱度等級(jí)越低。
3 脆弱性評(píng)價(jià)模型研究
本文通過構(gòu)建熵權(quán)—云模型相結(jié)合的模型對(duì)流域水資源脆弱性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。首先采用熵權(quán)法進(jìn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定,然后采用云模型對(duì)研究區(qū)水資源進(jìn)行脆弱度等級(jí)評(píng)價(jià)。
3.1 基于熵權(quán)法的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定
在流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)模型構(gòu)建中,指標(biāo)權(quán)重是量化的關(guān)鍵因素之一,其大小直接影響到評(píng)價(jià)結(jié)果,本文擬采用熵權(quán)法來確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重。熵權(quán)法是根據(jù)信息論的基本原理,各指標(biāo)的實(shí)測數(shù)據(jù)傳遞給決策者的信息量大小,通過計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值和熵權(quán)來確定指標(biāo)權(quán)重。熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)的方法,通過對(duì)收集到的各評(píng)價(jià)指標(biāo)的樣本數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算出來的權(quán)重,只與樣本數(shù)據(jù)本身的特征相關(guān)聯(lián),客觀性較強(qiáng),避免了主觀因素帶來的偏差,確保了評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀和科學(xué)性。
評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化處理:標(biāo)準(zhǔn)化處理的主要目的是消除各評(píng)價(jià)指標(biāo)的量綱和正逆向不同帶來的影響。正向指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化處理為式(1),逆向指標(biāo)的處理為式(2)。設(shè)原始數(shù)據(jù)有n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),有m個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象,則評(píng)價(jià)矩陣為:X=(xij)m×n。式中,xij代表第i個(gè)指標(biāo)的第j個(gè)實(shí)測值。
(1)
(2)
式中,ximin為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)中的最小數(shù)值;ximax為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)中的最大數(shù)值。
評(píng)價(jià)指標(biāo)的信息熵計(jì)算:標(biāo)準(zhǔn)化后的矩陣Y=(yij)m×n,第i個(gè)指標(biāo)的熵定義為Hi,計(jì)算公式為:
(3)
評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)計(jì)算:根據(jù)上式可計(jì)算出各個(gè)指標(biāo)的信息熵,利用下式求出各個(gè)指標(biāo)的熵權(quán):
(4)
權(quán)重矩陣為：W=(w1,w2,…,wn)。
3.2 基于云模型的流域水資源脆弱性等級(jí)劃分
云模型是在傳統(tǒng)模糊數(shù)學(xué)和概率統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上,由李德毅院士提出的一種用于實(shí)現(xiàn)不確定性知識(shí)的定性、定量轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)模型[28]。目前云模型已經(jīng)成功應(yīng)用于智能控制、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘、系統(tǒng)安全評(píng)估、時(shí)間序列預(yù)測等多個(gè)領(lǐng)域。本文擬采用云模型進(jìn)行流域水資源脆弱性等級(jí)劃分與評(píng)價(jià)。
云和正態(tài)云:云模型是把模糊性和隨機(jī)性兩方面集成在一起來進(jìn)行定性和定量之間的轉(zhuǎn)換模型。本文的云空間可定義為流域水資源脆弱性的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,云空間是由若干云朵組成;將各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)看成是評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的云朵,代表定量數(shù)值與定性概念之間的對(duì)應(yīng),云朵由云滴組成;將各個(gè)指標(biāo)的實(shí)際數(shù)值x看成是云滴,云滴之間沒有次序性,云滴會(huì)落在定性概念C中。即存在一個(gè)穩(wěn)定傾向的隨機(jī)數(shù)u(x)∈[0,1],稱為x對(duì)C的確定度,每個(gè)云滴的產(chǎn)生過程就是映射這種定量和定性概念之間的不確定性關(guān)系[29]。正態(tài)云是云模型中最常見的一種,具有普遍適用性,主要是由于大量的社會(huì)和自然科學(xué)中云的期望曲線都近似服從正態(tài)或半正態(tài)分布。正態(tài)云的數(shù)字特征用Ex、熵En和超熵He三個(gè)數(shù)值表征。其中,期望Ex是云滴在定性語言論域概念的中心值,表示數(shù)據(jù)樣本定性概念量化的最典型樣本;熵En是定性概念的不確定性度量,反映特定指標(biāo)離散程度和取值范圍;超熵He是熵En的熵,是對(duì)熵的不確定程度的度量,反映云滴的離散程度,超熵表示指標(biāo)值在整個(gè)論域中的凝聚度,超熵越大,評(píng)價(jià)指標(biāo)值的離散程度越大,云層的厚度越大,見圖1。
圖1 正態(tài)云和數(shù)字特征
(5)
循環(huán)(1)—(3),生成足夠多的云滴,本文在實(shí)證過程中取3000個(gè)云滴。
云模型的特征參數(shù)確定:運(yùn)用云模型進(jìn)行流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)需要確定每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)字特征Ex,En,He。式中,Ex為脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)的期望,由式(6)確定:
(6)
云模型的熵En由式(7)計(jì)算得出:
(7)
超熵He=k,其中k為常數(shù),反映云模型的離散程度,根據(jù)變量的模糊閾值進(jìn)行調(diào)整,本文統(tǒng)一取0.01。
3.3 評(píng)價(jià)模型的評(píng)價(jià)步驟
本文采用熵權(quán)法和云模型相結(jié)合進(jìn)行流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建,其評(píng)價(jià)流程見圖2,步驟為:①構(gòu)建流域脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,本文從水量短缺脆弱性(WSVI)、水質(zhì)污染脆弱性(WPVI)和災(zāi)害防御脆弱性(WDVI)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系WSPD-VI,共18項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo),見表1。②運(yùn)用熵權(quán)法進(jìn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)體系權(quán)重的確定。首先根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)收集流域各個(gè)年份的數(shù)據(jù),然后對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)采用式(1)、式(2)進(jìn)行歸一化處理;然后采用式(3)和式(4)進(jìn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定,形成權(quán)重矩陣W。③對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)劃分為五個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí),分別為極度脆弱、重度脆弱、中度脆弱、輕度脆弱、不脆弱;然后根據(jù)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的國際、國內(nèi)和行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行五個(gè)等級(jí)閾值的確定。④根據(jù)各個(gè)指標(biāo)的等級(jí)閾值運(yùn)用式(6)、式(7)進(jìn)行云模型的特征參數(shù)的計(jì)算,然后采用Matlab編程云模型正向發(fā)生器進(jìn)行各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)確定度的確定,形成云模型的確定度矩陣Z。⑤運(yùn)用權(quán)重矩陣W和確定度矩陣Z進(jìn)行模糊轉(zhuǎn)換,得出流域各年份水資源脆弱性評(píng)價(jià)等級(jí)的綜合確定度。
圖2 基于熵權(quán)—云模型的流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)模型流程
4 實(shí)證研究
本文以海河流域?yàn)槔?運(yùn)用構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系WSPD-VI和熵權(quán)—云模型相結(jié)合的評(píng)價(jià)模型,對(duì)海河流域2000—2015年的水資源脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)等級(jí)確定、趨勢變化分析和關(guān)鍵脆弱性辨識(shí)。
4.1 研究區(qū)概況
海河流域位于112°—120°E、35°—43°N,屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候,多年平均氣溫在10℃左右,多年平均降水量為400—800mm。海河流域包括海河、灤河和徒駭馬頰河3大水系,行政區(qū)域涉及京、津、冀、遼、蒙、晉、魯、豫等8個(gè)省、自治區(qū)、直轄市,總面積31.82萬km2,流域人口密集。海河流域降水時(shí)空分布不均勻,汛期6—9月雨量占全年降雨量的75%—85%,局部地區(qū)暴雨增多,造成海河流域旱澇災(zāi)害頻繁發(fā)生。流域地表水資源的開發(fā)利用率達(dá)到98%,遠(yuǎn)超過40%開發(fā)利用率的國際警戒線,且每年超采地下水70億m3以上;流域水污染嚴(yán)重,60%的斷面已經(jīng)嚴(yán)重污染。海河流域人均水資源量290m3,屬于嚴(yán)重資源性缺水地區(qū),遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人均1000m3的國際水資源緊缺標(biāo)準(zhǔn),只有全國人均水資源占有量的1/7。流域的水資源短缺、水污染嚴(yán)重、旱澇災(zāi)害頻發(fā)已成為制約海河流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。
表2 流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)
4.2 海河流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)分析
評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重確定:根據(jù)構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系查找海河流域從2000—2015年的18個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)來源于2000—2015年的《海河流域水資源公報(bào)》、《中國環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒》和《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》。按照表1中評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的正向和逆向分別按照式(1)、式(2)進(jìn)行無量綱化處理;然后按照式(3)、式(4)計(jì)算海河流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重,18個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重為:W=(0.0368、0.0435、0.0756、0.0329、0.0824、0.0853、0.0378、0.0339、0.0639、0.0573、0.0604、0.0598、0.0378、0.0520、0.0537、0.0722、0.0655、0.0482)。
評(píng)價(jià)指標(biāo)的特征值和云模型計(jì)算:根據(jù)云模型的計(jì)算過程,需要確定18個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的脆弱度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn),本文針對(duì)18個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的國際、國內(nèi)和水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)確定各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn),具體結(jié)果見表2。
根據(jù)表2中的各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)閾值和云模型的特征值計(jì)算式(6)、式(7),可計(jì)算出各個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)各個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的特征值,鑒于篇幅有限不再單獨(dú)列出特征值數(shù)據(jù)。運(yùn)用Matlab軟件進(jìn)行編程,并根據(jù)式(5)計(jì)算各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的云模型的確定度。限于篇幅本文僅列出4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的云模型圖,見圖3。
圖3 評(píng)價(jià)指標(biāo)脆弱度等級(jí)的云模型
表3 2000—2015年海河流域水資源脆弱性等級(jí)確定度
海河流域水資源脆弱性等級(jí)確定度和趨勢分析:根據(jù)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定度和權(quán)重,以及2000—2015年的各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)據(jù)值,運(yùn)行Matlab云模型程序,計(jì)算3000次,取3000次運(yùn)行結(jié)果的平均值,可計(jì)算出海河流域各個(gè)年份的水資源脆弱性隸屬于各個(gè)等級(jí)的確定度,并根據(jù)確定度最大原則來進(jìn)行等級(jí)判斷;同樣,可分別按照上述方法計(jì)算出水量短缺脆弱性、水質(zhì)污染脆弱性和災(zāi)害防御脆弱性的確定度,判斷脆弱度等級(jí),計(jì)算結(jié)果見表3。根據(jù)海河流域水資源脆弱性的趨勢圖(圖4),分析2000—2015年海河流域水資源脆弱度的走勢。由圖4可見,2000—2015年海河流域的脆弱度等級(jí)是逐年上升的,說明這16年海河流域的水資源脆弱性狀況有所好轉(zhuǎn)。
圖4 2000—2015年海河流域水資源脆弱性趨勢
4.3 海河流域水資源的關(guān)鍵脆弱度辨識(shí)
我國水資源系統(tǒng)脆弱性在全國分布不均勻,具有典型的流域和區(qū)域特點(diǎn)。因此,只有對(duì)各個(gè)流域進(jìn)行關(guān)鍵的脆弱性辨識(shí),找到流域的短板所在,才能有效地進(jìn)一步進(jìn)行規(guī)劃和管理。本文從水量短缺、水質(zhì)污染和災(zāi)害防御三個(gè)方面構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,目的在于分析引起流域水資源脆弱性的重要因素,以便于進(jìn)行適應(yīng)性治理。由于各個(gè)年份的流域水資源脆弱性等級(jí)和水量、水質(zhì)、災(zāi)害的等級(jí)都在變化,為了全面分析關(guān)鍵脆弱性,本文計(jì)算了2000—2015年海河整個(gè)流域的水量、水質(zhì)、災(zāi)害脆弱性等級(jí)的均值,見表3和圖5。
圖5 海河流域的關(guān)鍵脆弱性雷達(dá)圖
從圖5可見,海河流域的水量脆弱性等級(jí)均值為1.88,水質(zhì)脆弱度等級(jí)均值為2.50,災(zāi)害脆弱度等級(jí)均值為2.69。根據(jù)我們對(duì)脆弱度等級(jí)的定義,等級(jí)數(shù)值越低越脆弱,可見海河流域的關(guān)鍵脆弱性是由水量短缺引起的脆弱性,其次是水質(zhì)污染和災(zāi)害防御。
海河流域水量短缺脆弱性分析:海河流域是嚴(yán)重的資源型缺水區(qū)域,人均、地均水資源占有量分為是全國的1/7和1/9,遠(yuǎn)低于國際公認(rèn)的嚴(yán)重缺水警戒線,地表水和地下水開發(fā)率達(dá)到90%以上,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過40%的國際警戒線。有研究表明,1962—2012年海河流域的年降水量呈現(xiàn)下降趨勢,年降水日數(shù)也呈減少趨勢,而海河流域的地表水和地下水主要靠降水補(bǔ)給,降水量減少必然會(huì)繼續(xù)造成海河流域的地下水補(bǔ)給不足、水位下降,導(dǎo)致自然資源型缺水[30]。2000—2015年海河流域的水量短缺脆弱性等級(jí)見圖6。從圖6可見,海河流域的水量短缺脆弱性多年處于極度脆弱和重度脆弱水平,2011年開始脆弱性趨于好轉(zhuǎn)。通過分析發(fā)現(xiàn),這幾年主要是受到引灤入津、引黃入冀、南水北調(diào)等水利工程調(diào)入水量等影響。但由于這幾年的時(shí)間較短,如果需要進(jìn)行水量短缺脆弱性的評(píng)價(jià),未來還需要進(jìn)行更長時(shí)間的觀察。
圖6 2000—2015年海河流域水量短缺脆弱性趨勢
為了進(jìn)一步分析海河流域水量短缺脆弱性的情況,我們挑選了幾個(gè)重要的指標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步的分析。首先分析地表水和地下水的開發(fā)利用率,多數(shù)年份都在70%以上。由于海河流域水資源自給不足,需要從外流域調(diào)入,所以水資源開發(fā)利用率多年都超過1,地表和地下水開采過量,且嚴(yán)重不足。農(nóng)田平均和人均用水量見圖7。
圖7 2000—2015年海河流域農(nóng)業(yè)和人均用水量
從圖7可見,研究期期間農(nóng)田平均用水量出現(xiàn)明顯下降趨勢,且有效灌溉面積比呈現(xiàn)上升趨勢,說明海河流域的農(nóng)田灌溉節(jié)水技術(shù)和能力在逐年增強(qiáng),在保證農(nóng)田有效灌溉的同時(shí),用水量還可降低。人均用水量雖然沒有明顯下降趨勢,但仍然遠(yuǎn)低于全國的平均用水量。
海河流域水質(zhì)污染脆弱性分析:海河流域是人為高度干擾的區(qū)域,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,鋼鐵化工等污染類行業(yè)的快速發(fā)展、排污加重,海河流域已成為我國水污染最為嚴(yán)重的流域。環(huán)保部發(fā)布了2016年上半年的全國地表水環(huán)境質(zhì)量狀況顯示,我國十大流域中海河流域的水質(zhì)污染為重度污染,主要污染指標(biāo)為總磷、化學(xué)需氧量和氨氮[31]。
通過對(duì)海河流域水質(zhì)污染脆弱性等級(jí)圖分析(圖8),在水質(zhì)污染脆弱性方面,從2006年開始海河流域呈現(xiàn)一定的好轉(zhuǎn)趨勢,特別是2012年我國實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理制度以來,海河流域的水質(zhì)污染的治理取得了一定的進(jìn)展。根據(jù)本文構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,主要是從水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、萬人COD和氨氮排放強(qiáng)度、萬元GDP排放強(qiáng)度和生態(tài)環(huán)境用水率等幾個(gè)方面來進(jìn)行評(píng)價(jià)。雖然海河流域在十大流域中的水質(zhì)污染最嚴(yán)重,屬于重度污染,但從縱向數(shù)據(jù)顯示,研究期內(nèi)海河流域的水質(zhì)污染情況有一定的緩解。
圖8 2000—2015年海河流域水質(zhì)污染脆弱性趨勢
為了進(jìn)一步分析海河流域水質(zhì)污染脆弱性的情況,本文挑選了幾個(gè)重要的指標(biāo)進(jìn)行趨勢分析。分析發(fā)現(xiàn)萬人COD排放強(qiáng)度和萬元GDP廢水排放量都呈現(xiàn)明顯的下降趨勢,而生態(tài)環(huán)境用水率呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(圖9、圖10)。生態(tài)環(huán)境用水率數(shù)值的高低有兩種理解:首先為了保證水功能區(qū)的水質(zhì)達(dá)標(biāo)率,當(dāng)廢水排放量過高時(shí)為了保證水質(zhì)達(dá)標(biāo)率而使用生態(tài)環(huán)境用水,這種情況下生態(tài)環(huán)境用水率越高說明流域在主觀上更重視水環(huán)境的治理;其次,生態(tài)環(huán)境用水率高也說明水質(zhì)自身存在污染。由于海河流域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和2012年開始執(zhí)行的最嚴(yán)格水資源管理制度,萬元GDP廢水排放量呈現(xiàn)逐年下降趨勢。從這幾個(gè)角度分析,海河流域水質(zhì)污染脆弱性在2000—2015年有轉(zhuǎn)好的趨勢,但從污染指數(shù)和與其他流域橫向?qū)Ρ?海河流域的水質(zhì)污染問題仍非常嚴(yán)重。
圖9 2000—2015年海河流域生態(tài)環(huán)境用水率(%)
圖10 2000—2015年海河流域萬元GDP廢水排放量
海河流域?yàn)?zāi)害防御脆弱性分析:降雨是干旱和洪水發(fā)生的關(guān)鍵影響因素,由于水資源缺乏,海河流域干旱頻發(fā),歷史上有“十年九旱”之稱。流域的年降雨量主要集中在夏季,6—9月雨量占全年降雨量的75%—85%,局部地區(qū)暴雨增多,極端天氣事件發(fā)生范圍、頻率和強(qiáng)度在不斷增加,造成海河流域旱澇災(zāi)害頻繁發(fā)生。海河流域?yàn)?zāi)害防御脆弱性的等級(jí)見圖11。由于災(zāi)害防御脆弱性受降水等自然因素影響較大,且近年受到極端降雨事件和極端干旱事件的影響,所以波動(dòng)性較強(qiáng)。從單向指標(biāo)上可見,近幾年洪澇災(zāi)害等受災(zāi)面積比逐年降低、農(nóng)田有效灌溉面積比逐年上升,呈好轉(zhuǎn)趨勢;但近幾年堤防保護(hù)人口率和水利調(diào)蓄能力等災(zāi)害防御能力有逐年下降的趨勢,所以在流域的規(guī)劃治理中,需要在規(guī)劃和建設(shè)方面重點(diǎn)加強(qiáng)災(zāi)害的防御抵抗能力。
圖11 2000—2015年海河流域?yàn)?zāi)害防御脆弱性趨勢
5 結(jié)論
流域水資源系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),各個(gè)流域的脆弱性產(chǎn)生原因和表現(xiàn)形式具有典型的流域區(qū)域特點(diǎn)。流域水資源的關(guān)鍵脆弱性辨識(shí)有利于采用相適應(yīng)的規(guī)劃和管理方案進(jìn)行治理,但目前缺乏流域關(guān)鍵脆弱性的辨識(shí)標(biāo)準(zhǔn)。因此,本文根據(jù)總結(jié)出的流域水資源脆弱性的三種成因和表現(xiàn)形式,構(gòu)建了有利于原因追溯和關(guān)鍵脆弱性辨識(shí)的流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系WSPD-VI。
本文構(gòu)建了熵權(quán)—云模型評(píng)價(jià)方法進(jìn)行流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)。首先采用熵權(quán)法進(jìn)行流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算,通過實(shí)測數(shù)據(jù)本身傳遞給決策者信息量的大小進(jìn)行賦權(quán),具有較強(qiáng)的客觀性。采用將傳統(tǒng)模糊數(shù)學(xué)和概率統(tǒng)計(jì)方法相結(jié)合的云模型應(yīng)用于流域水資源的脆弱性評(píng)價(jià)等級(jí)劃分,實(shí)現(xiàn)流域各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的定量數(shù)值向定性評(píng)價(jià)等級(jí)的不確定性映射,使流域水資源脆弱性的評(píng)價(jià)可同時(shí)考慮環(huán)境的模糊性和隨機(jī)性等不確定性因素。因此,基于熵權(quán)—云模型的流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)是一種客觀、科學(xué)的綜合評(píng)價(jià)方法,可實(shí)現(xiàn)流域關(guān)鍵脆弱性評(píng)價(jià)等級(jí)的辨識(shí)。
本文采用構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)模型對(duì)海河流域水資源脆弱性趨勢和關(guān)鍵脆弱性辨識(shí)進(jìn)行了實(shí)證分析。結(jié)果表明,海河流域水資源的脆弱度等級(jí)2000—2015年為逐年上升,特別是2012年實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理制度實(shí)施以來,海河流域水資源的脆弱性狀況有所好轉(zhuǎn)。從2000—2015年海河流域水資源關(guān)鍵脆弱度等級(jí)的均值可見,流域的水量脆弱度等級(jí)均值為1.88,水質(zhì)脆弱度等級(jí)均值為2.50,災(zāi)害脆弱度等級(jí)均值為2.69。根據(jù)我們對(duì)脆弱度等級(jí)的定義,等級(jí)數(shù)值越低越脆弱,可見海河流域水資源的關(guān)鍵脆弱性是由水量短缺引起的,其次是水質(zhì)污染和災(zāi)害防御。
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