(遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 111000)

在人類活動及氣候環(huán)境變化等多種因素的綜合影響下，區(qū)域水資源供需矛盾日趨突出，科學、合理的水資源承載力評價不僅有利于提高區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展，而且可為水資源管理規(guī)劃提供評判依據(jù)。為保證生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)良性循環(huán)，在科學利用水資源的條件下，利用現(xiàn)有的經(jīng)濟、技術水平，能夠持續(xù)支撐某地區(qū)歷史發(fā)展階段最大規(guī)模的能力和限度即為承載力的內(nèi)涵。目前，承載力相關研究是水資源領域研究的熱點和重點問題之一，承載力的大小不僅是確保水資源管理工作順利開展的重要內(nèi)容，而且與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展密切相關[1]。許多學者對此開展了大量研究，如：Ngana等[2]通過分析水資源綜合管理戰(zhàn)略，認為引起流域水資源不可持續(xù)利用的主要因素是對承載力現(xiàn)狀的認識不足和缺乏有效的流域管理方式；段青春等[3]對水資源承載力利用可支撐模型進行描述，從復合系統(tǒng)的角度探討了節(jié)水設施的影響作用；劉秀美[4]以富陽市為例，通過建立基于多層次、主成分分析的線性回歸模型，從可持續(xù)發(fā)展的角度系統(tǒng)評價了承載力狀況。因此，通過科學有效的方法評價區(qū)域水資源狀況，對于提升承載力水平和科學管理規(guī)劃、促進人水和諧的協(xié)調均衡發(fā)展具有重要意義。

生態(tài)、環(huán)境、社會經(jīng)濟等客體壓力系統(tǒng)是影響水資源承載力主體的關鍵因素，若主體承載力界限值無法滿足客體壓力要求，則水系統(tǒng)就會失去平衡。另外，用水結構、區(qū)域水資源供水保證率等調控作用，也可對承載力狀況造成影響。水資源承載力是一個涉及多個子系統(tǒng)的復雜、龐大的綜合系統(tǒng)，評價指標較多且相互影響。據(jù)此，本文基于遼陽市水資源狀況，利用正態(tài)云模型理論和熵權法，對該區(qū)域水資源狀況進行了綜合評價，以期為促進該區(qū)域人水協(xié)調發(fā)展、水環(huán)境治理以及水資源科學配置提供一定參考依據(jù)。

1 云模型理論

1.1 云模型簡介

1.2 正向云發(fā)生器

通過正向云發(fā)生器，可實現(xiàn)定量數(shù)據(jù)與定性概念之間的數(shù)字特征轉換，可按照下述過程利用正向云發(fā)生器對區(qū)域承載力水平進行評價：

b.利用上述過程生成的正態(tài)隨機數(shù)，并取絕對值|E′n|和期望Ex作為標準差，對正態(tài)隨機數(shù)x利用平臺軟件進行確定。

c.根據(jù)上述過程求解的x、E′n結果，對確定度μ進行計算，公式如下：

(1)

d.迭代運算上述過程，直至符合相關要求。

2 水資源承載力評估模型

2.1 熵權法計算指標權重

為避免專家打分法確定指標權重可能造成的不確定性影響和權重偏差，本文考慮引入熵權法確定權重，主要步驟如下：

a.首先設定評價樣本有m個，評價體系中包含的指標個數(shù)為n，表達式為X=(xij)m×n(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)。在承載力評價之前，需要對各指標初始數(shù)據(jù)進行規(guī)范化處理，構建標準化矩陣：

R=(rij)m×n(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

正向指標即評價值越大則承載力水平越優(yōu)型指標，其規(guī)范化處理公式為

(2)

負向指標即評價值越小則承載力水平越優(yōu)型指標，其規(guī)范化處理公式為

(3)

式中：rij為第j個評價方案中的第i項評價指標的標準值；(xij)max、(xij)min為在不同樣本中同一評價指標xij的最大值和最小值。

b.根據(jù)指標熵值的具體含義，承載力各項評價指標熵值，可按下式計算：

(4)

(5)

式中：Hi為評價樣本中第i項評價指標的熵值；fij為第j個評價樣本的第i項指標權重占評價的權重值。

根據(jù)上述計算結果，可對各評價指標的熵權W進行計算，計算公式如下：

W=(ωi)1×m

(6)

(7)

式中：ωi為評價指標的熵權，取值范圍為0～1，所有評價指標的熵權之和為1；W為熵權特征向量。

2.2 構建承載力評估模型

按照下述過程和計算方法，建立基于熵權法和正態(tài)云模型的承載力評價模型，主要步驟如下：

a.構建承載力評價指標域和標準域，即C={c1,c2,…,cn}；S={s1,s2,…,sn}。本文結合全國水資源供需分析指標體系，分別從承載力壓力、調控力和支撐力3個層次選取評價指標，然后根據(jù)遼陽市水資源狀況確定承載力分級標準為：1級可承載狀態(tài)、2級臨界狀態(tài)、3級不可承載狀態(tài)，所對應的承載力狀況分別為較強、一般、較弱。對承載力評價指標的權重矩陣W利用式(6)進行計算。

(8)

(9)

對上述公式進行求解和轉換，可表示為

c.云滴之間的離散程度可通過超熵Heij，即熵的熵進行表征，云滴之間的凝聚性隨超熵值的增大而提高，正態(tài)云模型在超熵值降低為0時，則轉化為正態(tài)云曲線，按照經(jīng)驗對相關參數(shù)進行取值。

d.確定各參數(shù)后，可采用正向云發(fā)生器對各指標值求解，并綜合評價承載力水平。對每個評價等級中各指標的隸屬度向量矩陣Z=(zij)n×m進行求解，考慮到隸屬度矩陣具有一定隨機性并避免極端情況的發(fā)生，本文采用加權平均法對隸屬度進行N=100次的重復計算，從而確定最終的平均綜合隸屬度，公式如下：

(10)

e.利用權重矩陣W和隸屬度矩陣Z計算結果，可對評價標準域S上的模糊子集F進行求解，公式如下：

F=WZ=(f1,f2,…,fm)

(11)

式中：fj為承載力評價結果隸屬于第j個評價等級的隸屬度。

通過上述計算確定各標準等級下的承載力隸屬度，本文采用隸屬度最大的評價等級作為承載力最終的評價結果。

3 實例應用

3.1 遼陽市水資源概括

遼陽市位于遼寧省中部，受地形地貌、地勢特征等條件影響，各區(qū)域氣候條件存在一定差異，東部的低山丘陵區(qū)為年降水量較為集中的區(qū)域，年均降水量在500～800mm之間，主要發(fā)生在汛期(6—9月)；北部的丘陵平原區(qū)年降水量約420～650mm，氣候特征為冬冷漫長，夏熱干燥，季節(jié)性溫差較大。遼陽市境內(nèi)大小河流縱橫交錯，5km以上的河流及支流百余條，并組成遼寧省內(nèi)的兩大水系。區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)用水以漫灌模式為主，占總用水量的62%以上，生態(tài)環(huán)境用水僅占3.5%。2010—2015年遼陽市供水量與用水量大致持平，但自2013年起其供水量逐漸表現(xiàn)出降低趨勢，并以地表水供應量降低最為顯著，而對地下水的開采和利用有一定程度的上升，生態(tài)自然用水量增長緩慢。2015年遼陽市水資源總儲蓄量約10.35億m3，人均占有量為350m3，不足我國平均水平的1/4和遼寧省平均水平的1/8，該區(qū)域屬于水資源極度匱乏區(qū)域。各行業(yè)水資源需求量的急劇增加使得供需矛盾逐漸凸顯，開展遼陽市水資源承載力評價，對于指導該區(qū)域水資源管理規(guī)劃、實現(xiàn)人水協(xié)調發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境保護具有重要的現(xiàn)實意義[5]。

3.2 構建評價指標體系

本文依據(jù)全國水資源供需分析指標體系，分別從水資源承載調控力、生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟壓力以及水資源支撐力3個方面選取了15項典型評價指標，結合遼陽市水資源狀況確定了承載力分級標準，見表1。

表1 遼陽市水資源承載力評價指標體系、分級標準與權重計算

利用式(8)～式(9)，將不同分級標準下各指標取值區(qū)間輸入模型，可得到水資源承載力評價的正態(tài)云模型參數(shù)特征值，結果見表2。

續(xù)表

3.3 承載力等級計算

對正態(tài)云模型參數(shù)進行N=100次的迭代計算，在不同評價等級下利用Matlab軟件分別對評價指標的正態(tài)云參數(shù)進行隸屬度的求解，得到相應的權重，結果見表1，其中各子系統(tǒng)承載壓力、調控力和支撐力的權重分別為0.45、0.32、0.23；然后利用式(10)～式(11)對遼陽市2008—2016年的承載力綜合隸屬度進行計算，見表3。

表3 遼陽市2008—2016年承載力綜合評價

根據(jù)表3計算結果可知，遼陽市2008—2016年水資源承載力整體呈現(xiàn)出上升趨勢，相對于其他年份，2013年承載力較低并處于Ⅲ級，其原因可能與降水量下降有關。遼陽市水資源綜合評價值處于0.4～0.6區(qū)間，即位于可承載與超載狀態(tài)的中間水平，由此表明該區(qū)域水資源在一定程度上可滿足各行業(yè)發(fā)展對水資源的需求。隨著社會經(jīng)濟與工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，各行各業(yè)對水資源的需求及其質量的要求逐漸嚴格，僅利用當?shù)厮Y源已無法滿足生態(tài)、經(jīng)濟等領域的用水需求，因此可通過采取工程措施提高對洪水的調蓄能力，提高洪水資源的再利用水平。

4 結 語

本文基于正態(tài)云模型，實現(xiàn)了評價指標定量數(shù)據(jù)與定性概念之間的數(shù)字特征轉換，并綜合考慮了隨機性與模糊性評價指標特征，構建了指標體系和分級標準，對遼陽市2008—2016年的水資源狀況進行了科學評價，得出的結論可為該區(qū)域水資源的科學開采和規(guī)劃管理提供一定的決策依據(jù)。