董忠龍

(鞍山市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 鞍山 114002)

0 引 言

抗旱能力是指被研究區(qū)域內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、組織管理、生產(chǎn)技術(shù)、水利工程等人類(lèi)活動(dòng)，能夠減輕、抵抗和防御干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的綜合能力。干旱災(zāi)害具有影響范圍廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、危害程度高、發(fā)生較為頻繁等特點(diǎn)，對(duì)區(qū)域抗旱能力的綜合評(píng)價(jià)可為抗旱應(yīng)急方案制定、抗旱決策以及旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)管理等提供重要的支撐[1]。目前，針對(duì)抗旱能力的評(píng)價(jià)多集中于農(nóng)牧業(yè)方面，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究還處于初始階段。例如，顧穎等對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)抗旱能力等級(jí)運(yùn)用模糊聚類(lèi)方法進(jìn)行評(píng)判；鄧建偉等對(duì)甘肅省農(nóng)業(yè)抗旱能力利用單目標(biāo)分析法進(jìn)行了系統(tǒng)分析；云小林等對(duì)內(nèi)蒙古牧區(qū)的抗旱等級(jí)采用模糊決策方法進(jìn)行了評(píng)價(jià)；張歡等對(duì)河北省農(nóng)業(yè)抗旱能力運(yùn)用多指標(biāo)多層次模糊評(píng)判法進(jìn)行了科學(xué)分析；伊吉美等對(duì)大連市農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性程度選用模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行系統(tǒng)分析；美國(guó)國(guó)家建筑科學(xué)研究所和聯(lián)邦緊急事務(wù)所研制了能夠評(píng)估自然災(zāi)害損失的HAZUS系統(tǒng)，為了評(píng)估氣象災(zāi)害造成的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失澳大利亞氣象部門(mén)和緊急事務(wù)所開(kāi)發(fā)了一套EMA工具。然而，針對(duì)區(qū)域抗旱能力整體評(píng)價(jià)及提高抗旱能力的研究還鮮有報(bào)道[2-6]。鑒于此，文章以遼寧省鞍山市為例，通過(guò)分析區(qū)域抗旱能力關(guān)鍵性影響因子，從多個(gè)不同方面建立能夠系統(tǒng)反映抗旱水平的指標(biāo)體系，對(duì)鞍山市抗旱能力運(yùn)用可變模糊集模型進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合區(qū)域發(fā)展情況和自然特征提出有效的政策建議。

1 可變模糊集評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建

根據(jù)可變模糊集理論和識(shí)別的抗旱能力樣本數(shù)目，建立基于區(qū)間形式評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的可變模糊集模型，在識(shí)別處理區(qū)間形式的評(píng)價(jià)等級(jí)問(wèn)題時(shí)具有較強(qiáng)的適用性和科學(xué)性。詳細(xì)的建模流程如下：

1)依據(jù)樣本抗旱能力影響因子和識(shí)別的評(píng)價(jià)樣本數(shù)目，構(gòu)造抗旱標(biāo)準(zhǔn)特征值矩陣和樣本集矩陣。引入X={x1,x2,…,n}為識(shí)別的抗旱評(píng)價(jià)樣本集合，選用m個(gè)指標(biāo)特征值xj={x1j,x2j,…,xmj}T描述樣本j的特性，由此可構(gòu)造樣本集矩陣為X=(xij)m×n，指標(biāo)i關(guān)于樣本j的特征值為xij，其中i=1,2,…,m；j=1,2，…,n。按照c個(gè)級(jí)別特征值識(shí)別樣本集的m個(gè)指標(biāo)，指標(biāo)i關(guān)于h級(jí)別的標(biāo)準(zhǔn)特征值為yij，由此構(gòu)造m×c階特征矩陣Y=(yih)m×c，其中h=1,2,…,c。

2)結(jié)合待評(píng)價(jià)區(qū)域的實(shí)際狀況和指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值矩陣，建立可變集合的抗旱能力范圍矩陣和吸引域矩陣，即：

Icd=([cih,dih])

(1)

Iad=([aih,bih])

(12)

其中，范圍域矩陣、吸引域矩陣分別為包含xij的某一上下界范圍域區(qū)間和實(shí)軸上模糊可變集合的吸引域，其中0

3)吸引域[aih,bih]中DA(xih)h=1的點(diǎn)值Mih的矩陣依據(jù)抗旱能力分為c個(gè)級(jí)別的實(shí)際狀況來(lái)確定，即：

M=(Mij)

(3)

4)關(guān)于Mij點(diǎn)樣本特征值xij位于左側(cè)或右側(cè)的判別依據(jù)為公式(1)-(3)，差異度DA(xij)h的計(jì)算式如下：

(4)

(5)

(6)

μA(xij)h=(1+DA(xij)h)/2

(7)

區(qū)域抗旱h等級(jí)下指標(biāo)的相對(duì)隸屬度μA(xij)h矩陣為[Dh]=μA(xij)h，相對(duì)差異函數(shù)模型在x落入M點(diǎn)左側(cè)、右側(cè)時(shí)分別如下：

(8)

(9)

式中：DA(u)=-1;x(c,d)；β為非負(fù)指數(shù)，一般取1。

5)區(qū)域抗旱能力綜合評(píng)價(jià)模型選用文獻(xiàn)資料提出的方法，其表達(dá)式為：

(10)

6)根據(jù)最大隸屬度原則在模糊概念分級(jí)條件下的不適用性，對(duì)樣本抗旱能力運(yùn)用級(jí)別特征值分析，即H=(1,2,…,c)×U。

2 鞍山市抗旱能力綜合評(píng)價(jià)

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

鞍山市地處環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)區(qū)腹地，為遼東半島開(kāi)發(fā)區(qū)和遼寧中部城市群的連接紐帶，沈秦新電氣化鐵路、哈大鐵路、京沈及沈大高速公路橫貫鞍山，地理位置優(yōu)越，交通條件發(fā)達(dá)。屬于溫帶季風(fēng)氣候，冬冷干燥、夏熱多雨、四季分明、光照豐富，降水充沛，年均降水量703.7mm。境內(nèi)氣候環(huán)境優(yōu)美，平均日照時(shí)數(shù)2540h，平均氣溫9.4℃，相對(duì)濕度60%，年均蒸發(fā)量1750.2mm，最大凍土深1.18m，多年平均風(fēng)速3.5m/s。鞍山市有太子河、渾河、遼河、哨子河、大洋河、饒陽(yáng)河、海城河等支流，統(tǒng)計(jì)資料顯示全市地表水總量25.22億m3，境內(nèi)供水量2.38億m3，地下水可開(kāi)采量6.41億m3，可開(kāi)發(fā)利用率108%，局部地區(qū)地下水超采現(xiàn)象嚴(yán)重。雖然該區(qū)域徑流量大、水系發(fā)達(dá)、水資源量較豐富，由于復(fù)雜的地貌特征和獨(dú)特的氣候條件，水資源存在邊際效益低、可開(kāi)采量少、開(kāi)發(fā)成本高和開(kāi)采難度大等特征，加之水環(huán)境保護(hù)意識(shí)薄弱和地下水過(guò)度開(kāi)采，境內(nèi)水資源功能退化和干旱災(zāi)害問(wèn)題突出，旱災(zāi)已成為制約當(dāng)?shù)厣鐣?huì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的關(guān)鍵因素之一[7-9]。

文章結(jié)合數(shù)據(jù)資料的可獲取性和可靠性，提取鞍山市2018年抗旱能力評(píng)價(jià)各參數(shù)值，充分考慮抗旱能力影響因子和當(dāng)?shù)厮Y源利用現(xiàn)狀構(gòu)建評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

灌溉水利用系數(shù)為水源渠首處總引進(jìn)水量中農(nóng)作物一次灌溉期間利用凈水量的占比；城市化率為總?cè)丝谥谐擎?zhèn)人口的占比；種植結(jié)構(gòu)=(1-水稻播種面積/總播種面積)×100%。

2.2 抗旱能力評(píng)價(jià)

區(qū)域抗旱能力參評(píng)指標(biāo)有20個(gè)，即i=1,2,…,20；待評(píng)價(jià)樣本為鞍山市，即j=1；抗旱評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)由5級(jí)，即h=1,2,…,5。根據(jù)評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)特征值確定鞍山市抗旱能力點(diǎn)值Mih的矩陣M、可變集合范圍域矩陣Icd、吸引域矩陣Iab，其中指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值的上、下限通過(guò)外延1、2和4、5指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)間分界點(diǎn)確定，其外延依據(jù)為2級(jí)和4級(jí)區(qū)間的長(zhǎng)度，如表2-表4所示。

表1 鞍山市抗旱能力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及參數(shù)值

表2 可變集合的吸引域矩陣Iab

表3 范圍域Icd

表4 范圍域Icd

關(guān)于Mij點(diǎn)樣本特征值xij位于左側(cè)或右側(cè)的判別依據(jù)為矩陣Iab、Icd和M，然后運(yùn)用式(8)、(9)計(jì)算確定差異度，區(qū)域抗旱h級(jí)標(biāo)準(zhǔn)下指標(biāo)的相對(duì)隸屬度μA(xi)hμA(xi)h利用公式(7)計(jì)算確定。為詳細(xì)說(shuō)明該求解過(guò)程，在1-5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)下計(jì)算確定人均水資源量指標(biāo)的相對(duì)隸屬度μA(x2)h。

根據(jù)矩陣M、范圍域矩陣Icd、吸引域矩陣Iab以及指標(biāo)特征值x2，計(jì)算確定h=1-5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)下的點(diǎn)值M2h、范圍域向量和吸引域向量為:

[a2h,b2h]=[[0,1000],[1000,2000],[2000,3000],[3000,4000],[4000,5000]]

[c2h,d2h]=[[0,2000],[0,3000],[1000,4000],[2000,5000],[3000,5000]]

M2h=[0,1000,2500,4000,5000]

根據(jù)x2=1042.8，a21、b21、c21、d21、m21值分別為0、1000、0、2000、0，判斷指標(biāo)x2的位置，確定其隸屬于各抗旱等級(jí)的隸屬度向量為[Uh]=[0.482,0.978,0.022,0,0]。然后對(duì)20個(gè)指標(biāo)的權(quán)重利用加速遺傳算法中的AHP法計(jì)算確定，結(jié)果如下：

W=(0.071,0.064,0.062,0.050,0.087,0.092,0.078,0.052,0.061,0.036,0.032,0.037,0.046,0.032,0.032,0.034,0.038,0.031,0.031,0.030)T，其中α=2、p=1，代入公式(10)計(jì)算確定相對(duì)隸屬度為：U″=(0.877,0.705，0.782，0.780，0.789)，經(jīng)歸一化處理得到標(biāo)準(zhǔn)矩陣如下：

U=(0.221，0.180，0.200，0.197，0.202)T

保持各特征指標(biāo)的權(quán)重不變，改變模型參數(shù)分別計(jì)算鞍山市抗旱能力等級(jí)，即變換模型參數(shù)為α=2、p=2；α=2、p=1；α=1、p=2；α=2、p=2的4種情況，抗旱等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果如表5所示。

表5 基于不同參數(shù)的抗旱能力等級(jí)評(píng)價(jià)

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知，區(qū)域抗旱評(píng)價(jià)指標(biāo)特征值受模型參數(shù)改變的影響較小，抗旱評(píng)價(jià)等級(jí)基本保持不變，由此表明文中所用方法具有較好的可行性和準(zhǔn)確性。

2.3 建議措施

鞍山市位于環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)區(qū)腹地，各行業(yè)用水量大且地下水長(zhǎng)期處于超采現(xiàn)象。農(nóng)業(yè)灌溉和城市發(fā)展之間的用水矛盾突出，受當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平限制工程與非工程抗旱措施落后，從而使得鞍山市抗旱能力較弱。為改善當(dāng)?shù)乜购的芰λ胶吞岣咚Y源承載力，可采取的有效措施有：優(yōu)化調(diào)整綠化作物、糧食作物的種植比例，改善種植結(jié)構(gòu)；擴(kuò)大有效灌溉面積和提高耕地灌溉率，節(jié)約用水提高用水效率；有效攔蓄洪水增大水庫(kù)總庫(kù)容，通過(guò)提高水庫(kù)水位標(biāo)準(zhǔn)增大干旱時(shí)期水庫(kù)雪水量；提高人均GDP和擴(kuò)大第二產(chǎn)業(yè)規(guī)模；增大蒸發(fā)站、墑情、地下水測(cè)量站數(shù)，保證應(yīng)急水源水質(zhì)等。另外，還可采取興建和維修節(jié)制閘、河道綜合治理和地表徑流攔蓄等工程措施。目前，鞍山市地表水比較缺乏，部分地區(qū)的機(jī)井缺乏且分布不合理，為擴(kuò)大井灌面積要加快機(jī)井建設(shè)力度，提升抗大旱能力；為實(shí)現(xiàn)節(jié)地、節(jié)能、節(jié)水和農(nóng)作物增產(chǎn)目標(biāo)還采用低壓管道灌溉、噴灌、地表防滲渠等措施。

3 結(jié) 論

對(duì)鞍山市抗旱能力運(yùn)用可變模糊集模型進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)，對(duì)建模流程、計(jì)算方法開(kāi)展詳細(xì)的論述，結(jié)果表明該區(qū)域抗旱能力較弱，處于2級(jí)評(píng)定等級(jí)。為提高區(qū)域抗旱能力從工程和非工程措施兩個(gè)方面提出了有效的建議，基于鞍山市自然概況和發(fā)展?fàn)钐岢龅拇胧┖?jiǎn)單易行。