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        遼陽(yáng)市水資源承載力評(píng)估

        2019-08-01 08:54:38
        水資源開(kāi)發(fā)與管理 2019年7期
        關(guān)鍵詞:遼陽(yáng)市正態(tài)承載力

        (遼寧省遼陽(yáng)水文局,遼寧 遼陽(yáng) 111000)

        在人類(lèi)活動(dòng)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(xué)、合理的水資源承載力評(píng)價(jià)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(píng)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(xué)利用水資源的條件下,利用現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)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(guān)研究是水資源領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)問(wèn)題之一,承載力的大小不僅是確保水資源管理工作順利開(kāi)展的重要內(nèi)容,而且與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展密切相關(guān)[1]。許多學(xué)者對(duì)此開(kāi)展了大量研究,如:Ngana等[2]通過(guò)分析水資源綜合管理戰(zhàn)略,認(rèn)為引起流域水資源不可持續(xù)利用的主要因素是對(duì)承載力現(xiàn)狀的認(rèn)識(shí)不足和缺乏有效的流域管理方式;段青春等[3]對(duì)水資源承載力利用可支撐模型進(jìn)行描述,從復(fù)合系統(tǒng)的角度探討了節(jié)水設(shè)施的影響作用;劉秀美[4]以富陽(yáng)市為例,通過(guò)建立基于多層次、主成分分析的線(xiàn)性回歸模型,從可持續(xù)發(fā)展的角度系統(tǒng)評(píng)價(jià)了承載力狀況。因此,通過(guò)科學(xué)有效的方法評(píng)價(jià)區(qū)域水資源狀況,對(duì)于提升承載力水平和科學(xué)管理規(guī)劃、促進(jìn)人水和諧的協(xié)調(diào)均衡發(fā)展具有重要意義。

        生態(tài)、環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等客體壓力系統(tǒng)是影響水資源承載力主體的關(guān)鍵因素,若主體承載力界限值無(wú)法滿(mǎn)足客體壓力要求,則水系統(tǒng)就會(huì)失去平衡。另外,用水結(jié)構(gòu)、區(qū)域水資源供水保證率等調(diào)控作用,也可對(duì)承載力狀況造成影響。水資源承載力是一個(gè)涉及多個(gè)子系統(tǒng)的復(fù)雜、龐大的綜合系統(tǒng),評(píng)價(jià)指標(biāo)較多且相互影響。據(jù)此,本文基于遼陽(yáng)市水資源狀況,利用正態(tài)云模型理論和熵權(quán)法,對(duì)該區(qū)域水資源狀況進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià),以期為促進(jìn)該區(qū)域人水協(xié)調(diào)發(fā)展、水環(huán)境治理以及水資源科學(xué)配置提供一定參考依據(jù)。

        1 云模型理論

        1.1 云模型簡(jiǎn)介

        1.2 正向云發(fā)生器

        通過(guò)正向云發(fā)生器,可實(shí)現(xiàn)定量數(shù)據(jù)與定性概念之間的數(shù)字特征轉(zhuǎn)換,可按照下述過(guò)程利用正向云發(fā)生器對(duì)區(qū)域承載力水平進(jìn)行評(píng)價(jià):

        b.利用上述過(guò)程生成的正態(tài)隨機(jī)數(shù),并取絕對(duì)值|E′n|和期望Ex作為標(biāo)準(zhǔn)差,對(duì)正態(tài)隨機(jī)數(shù)x利用平臺(tái)軟件進(jìn)行確定。

        c.根據(jù)上述過(guò)程求解的x、E′n結(jié)果,對(duì)確定度μ進(jìn)行計(jì)算,公式如下:

        (1)

        d.迭代運(yùn)算上述過(guò)程,直至符合相關(guān)要求。

        2 水資源承載力評(píng)估模型

        2.1 熵權(quán)法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

        為避免專(zhuān)家打分法確定指標(biāo)權(quán)重可能造成的不確定性影響和權(quán)重偏差,本文考慮引入熵權(quán)法確定權(quán)重,主要步驟如下:

        a.首先設(shè)定評(píng)價(jià)樣本有m個(gè),評(píng)價(jià)體系中包含的指標(biāo)個(gè)數(shù)為n,表達(dá)式為X=(xij)m×n(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)。在承載力評(píng)價(jià)之前,需要對(duì)各指標(biāo)初始數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理,構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化矩陣:

        R=(rij)m×n(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

        正向指標(biāo)即評(píng)價(jià)值越大則承載力水平越優(yōu)型指標(biāo),其規(guī)范化處理公式為

        (2)

        負(fù)向指標(biāo)即評(píng)價(jià)值越小則承載力水平越優(yōu)型指標(biāo),其規(guī)范化處理公式為

        (3)

        式中:rij為第j個(gè)評(píng)價(jià)方案中的第i項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值;(xij)max、(xij)min為在不同樣本中同一評(píng)價(jià)指標(biāo)xij的最大值和最小值。

        b.根據(jù)指標(biāo)熵值的具體含義,承載力各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)熵值,可按下式計(jì)算:

        (4)

        (5)

        式中:Hi為評(píng)價(jià)樣本中第i項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值;fij為第j個(gè)評(píng)價(jià)樣本的第i項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重占評(píng)價(jià)的權(quán)重值。

        根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果,可對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)W進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算公式如下:

        W=(ωi)1×m

        (6)

        (7)

        式中:ωi為評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán),取值范圍為0~1,所有評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)之和為1;W為熵權(quán)特征向量。

        2.2 構(gòu)建承載力評(píng)估模型

        按照下述過(guò)程和計(jì)算方法,建立基于熵權(quán)法和正態(tài)云模型的承載力評(píng)價(jià)模型,主要步驟如下:

        a.構(gòu)建承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)域和標(biāo)準(zhǔn)域,即C={c1,c2,…,cn};S={s1,s2,…,sn}。本文結(jié)合全國(guó)水資源供需分析指標(biāo)體系,分別從承載力壓力、調(diào)控力和支撐力3個(gè)層次選取評(píng)價(jià)指標(biāo),然后根據(jù)遼陽(yáng)市水資源狀況確定承載力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為:1級(jí)可承載狀態(tài)、2級(jí)臨界狀態(tài)、3級(jí)不可承載狀態(tài),所對(duì)應(yīng)的承載力狀況分別為較強(qiáng)、一般、較弱。對(duì)承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重矩陣W利用式(6)進(jìn)行計(jì)算。

        (8)

        (9)

        對(duì)上述公式進(jìn)行求解和轉(zhuǎn)換,可表示為

        c.云滴之間的離散程度可通過(guò)超熵Heij,即熵的熵進(jìn)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(shí),則轉(zhuǎn)化為正態(tài)云曲線(xiàn),按照經(jīng)驗(yàn)對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行取值。

        d.確定各參數(shù)后,可采用正向云發(fā)生器對(duì)各指標(biāo)值求解,并綜合評(píng)價(jià)承載力水平。對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)中各指標(biāo)的隸屬度向量矩陣Z=(zij)n×m進(jìn)行求解,考慮到隸屬度矩陣具有一定隨機(jī)性并避免極端情況的發(fā)生,本文采用加權(quán)平均法對(duì)隸屬度進(jìn)行N=100次的重復(fù)計(jì)算,從而確定最終的平均綜合隸屬度,公式如下:

        (10)

        e.利用權(quán)重矩陣W和隸屬度矩陣Z計(jì)算結(jié)果,可對(duì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)域S上的模糊子集F進(jìn)行求解,公式如下:

        F=WZ=(f1,f2,…,fm)

        (11)

        式中:fj為承載力評(píng)價(jià)結(jié)果隸屬于第j個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度。

        通過(guò)上述計(jì)算確定各標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)下的承載力隸屬度,本文采用隸屬度最大的評(píng)價(jià)等級(jí)作為承載力最終的評(píng)價(jià)結(jié)果。

        3 實(shí)例應(yīng)用

        3.1 遼陽(yáng)市水資源概括

        遼陽(yáng)市位于遼寧省中部,受地形地貌、地勢(shì)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(zhǎng),夏熱干燥,季節(jié)性溫差較大。遼陽(yáng)市境內(nèi)大小河流縱橫交錯(cuò),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(yáng)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(shì),并以地表水供應(yīng)量降低最為顯著,而對(duì)地下水的開(kāi)采和利用有一定程度的上升,生態(tài)自然用水量增長(zhǎng)緩慢。2015年遼陽(yáng)市水資源總儲(chǔ)蓄量約10.35億m3,人均占有量為350m3,不足我國(guó)平均水平的1/4和遼寧省平均水平的1/8,該區(qū)域?qū)儆谒Y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(kāi)展遼陽(yáng)市水資源承載力評(píng)價(jià),對(duì)于指導(dǎo)該區(qū)域水資源管理規(guī)劃、實(shí)現(xiàn)人水協(xié)調(diào)發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[5]。

        3.2 構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

        本文依據(jù)全國(guó)水資源供需分析指標(biāo)體系,分別從水資源承載調(diào)控力、生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)壓力以及水資源支撐力3個(gè)方面選取了15項(xiàng)典型評(píng)價(jià)指標(biāo),結(jié)合遼陽(yáng)市水資源狀況確定了承載力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),見(jiàn)表1。

        表1 遼陽(yáng)市水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與權(quán)重計(jì)算

        利用式(8)~式(9),將不同分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)下各指標(biāo)取值區(qū)間輸入模型,可得到水資源承載力評(píng)價(jià)的正態(tài)云模型參數(shù)特征值,結(jié)果見(jiàn)表2。

        續(xù)表

        3.3 承載力等級(jí)計(jì)算

        對(duì)正態(tài)云模型參數(shù)進(jìn)行N=100次的迭代計(jì)算,在不同評(píng)價(jià)等級(jí)下利用Matlab軟件分別對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的正態(tài)云參數(shù)進(jìn)行隸屬度的求解,得到相應(yīng)的權(quán)重,結(jié)果見(jiàn)表1,其中各子系統(tǒng)承載壓力、調(diào)控力和支撐力的權(quán)重分別為0.45、0.32、0.23;然后利用式(10)~式(11)對(duì)遼陽(yáng)市2008—2016年的承載力綜合隸屬度進(jìn)行計(jì)算,見(jiàn)表3。

        表3 遼陽(yáng)市2008—2016年承載力綜合評(píng)價(jià)

        根據(jù)表3計(jì)算結(jié)果可知,遼陽(yáng)市2008—2016年水資源承載力整體呈現(xiàn)出上升趨勢(shì),相對(duì)于其他年份,2013年承載力較低并處于Ⅲ級(jí),其原因可能與降水量下降有關(guān)。遼陽(yáng)市水資源綜合評(píng)價(jià)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(mǎn)足各行業(yè)發(fā)展對(duì)水資源的需求。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)與工農(nóng)業(yè)的發(fā)展,各行各業(yè)對(duì)水資源的需求及其質(zhì)量的要求逐漸嚴(yán)格,僅利用當(dāng)?shù)厮Y源已無(wú)法滿(mǎn)足生態(tài)、經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域的用水需求,因此可通過(guò)采取工程措施提高對(duì)洪水的調(diào)蓄能力,提高洪水資源的再利用水平。

        4 結(jié) 語(yǔ)

        本文基于正態(tài)云模型,實(shí)現(xiàn)了評(píng)價(jià)指標(biāo)定量數(shù)據(jù)與定性概念之間的數(shù)字特征轉(zhuǎn)換,并綜合考慮了隨機(jī)性與模糊性評(píng)價(jià)指標(biāo)特征,構(gòu)建了指標(biāo)體系和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)遼陽(yáng)市2008—2016年的水資源狀況進(jìn)行了科學(xué)評(píng)價(jià),得出的結(jié)論可為該區(qū)域水資源的科學(xué)開(kāi)采和規(guī)劃管理提供一定的決策依據(jù)。

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