黃 艷

(鐵嶺市南城子水庫(kù)有限公司,遼寧 鐵嶺 112300)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及人口規(guī)模的擴(kuò)大,工業(yè)、農(nóng)業(yè)、日常生活及生態(tài)環(huán)境用水需求量明顯加大,加之各種極端氣候事件頻發(fā),區(qū)域水資源短缺、地下水超采、時(shí)空分布不均衡等問(wèn)題日趨突出。水資源承載力是指在保證水環(huán)境子系統(tǒng)生態(tài)功能及一定生活生產(chǎn)水平的條件下,通過(guò)科學(xué)合理分配特定區(qū)域范圍內(nèi)的水資源所能維持生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會(huì)和人口需求的最大支撐能力[1-3]。水資源承載力評(píng)價(jià)可以為水資源優(yōu)化配置及宏觀調(diào)控提供科學(xué)依據(jù),這也是區(qū)域水資源、生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的重要體現(xiàn),對(duì)促進(jìn)水資源高效可持續(xù)開(kāi)發(fā)意義重大。

目前,比較常用評(píng)價(jià)方法有主成分分析法(PCA)、妥協(xié)解排序法(VIKOR)、逼近理想解法(TOPSIS)、模糊綜合法(PCE)及多目標(biāo)情景分析法等,并以模糊綜合法的應(yīng)用最為廣泛。鑒于此,文章綜合利用層次分析法和變異系數(shù)法計(jì)算參評(píng)指標(biāo)組合權(quán)重,用灰關(guān)聯(lián)系數(shù)替代模糊關(guān)系矩陣改進(jìn)的模糊綜合法評(píng)價(jià)鐵嶺市水資源承載力,通過(guò)與傳統(tǒng)模糊評(píng)價(jià)結(jié)果的對(duì)比分析驗(yàn)證改進(jìn)后模型的適用性及可行性。

1 研究方法

1.1 傳統(tǒng)方法

傳統(tǒng)的模糊綜合法主要是對(duì)受多重因素制約的對(duì)象利用模糊數(shù)學(xué)隸屬度原理進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),從而實(shí)現(xiàn)定性分析的定量轉(zhuǎn)化,其評(píng)價(jià)流程如下:

步驟1:按照一定的順序?qū)⑺xn個(gè)評(píng)價(jià)因子排列構(gòu)成評(píng)價(jià)元素集U={u1,u2,…,un},依據(jù)所分的m個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)構(gòu)建水資源承載力評(píng)價(jià)集V={v1,v2,…,vm}。

步驟2:通過(guò)權(quán)重計(jì)算確定集合U內(nèi)各個(gè)因素的權(quán)重及權(quán)向量W={w1,w2,…,wn},一般有AHP法、加權(quán)法等權(quán)重計(jì)算法。

步驟3:構(gòu)造隸屬度函數(shù)計(jì)算各參評(píng)指標(biāo)關(guān)于不同評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬程度,結(jié)合計(jì)算結(jié)果構(gòu)造模糊關(guān)系矩陣R:

(1)

式中:rij為關(guān)于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)j參評(píng)指標(biāo)i的隸屬程度;行元素(ri1,ri2,…,rim)、列元素(r1j,r2j,…,rnj)代表參評(píng)指標(biāo)i對(duì)各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度以及各參評(píng)因子對(duì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)j的隸屬度。

步驟4:采用合適的合成算子對(duì)模糊關(guān)系矩陣R與評(píng)價(jià)元素的權(quán)重向量集W進(jìn)行模糊運(yùn)算,經(jīng)歸一化處理確定模糊評(píng)價(jià)結(jié)果。采用先乘后加的模糊算子M(·⊕)進(jìn)行模糊運(yùn)算,可以確定綜合評(píng)判矩陣B=W·R。

1.2 改進(jìn)的模糊綜合法

1)層次分析法。該方法的核心是利用1～9比率標(biāo)度定量判斷每個(gè)層次中各指標(biāo)的相對(duì)重要性,雖然可以全面考慮不同指標(biāo)的相互關(guān)系,但在構(gòu)造權(quán)重判斷矩陣時(shí)分級(jí)定量賦值法會(huì)導(dǎo)致不同因素的權(quán)重相差過(guò)大問(wèn)題,并且具有較強(qiáng)的主觀性,難以保證賦值的客觀性。

2)變異系數(shù)法。該方法是利用計(jì)算公式和各指標(biāo)直觀反映的信息來(lái)確定其客觀權(quán)重,參評(píng)指標(biāo)取值差異越大則實(shí)現(xiàn)該指標(biāo)的難度就越高,反映評(píng)價(jià)對(duì)象的差距更準(zhǔn)確、更明顯?？紤]到各參評(píng)指標(biāo)的量綱或數(shù)量級(jí)不盡相同,為消除這種不可通透性可以利用變異系數(shù)衡量其取值差異程度,計(jì)算方法如下:

(2)

(3)

3)組合權(quán)重。在保留原有數(shù)據(jù)的情況下參照專(zhuān)家給定的重要度評(píng)分,采用集成賦權(quán)法和變異系數(shù)法、層次分析法計(jì)算結(jié)果確定各指標(biāo)的組合權(quán)重,即:

(4)

式中:pi、qi為層次分析法和變異系數(shù)法權(quán)重計(jì)算值;wi為組合權(quán)重。

1.3 灰關(guān)聯(lián)法計(jì)算隸屬度

灰關(guān)聯(lián)法是一種全面比較并定量描述系統(tǒng)發(fā)展變化態(tài)勢(shì)的綜合分析方法,而標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象與評(píng)價(jià)對(duì)象的接近程度一般用關(guān)聯(lián)系數(shù)來(lái)反映,關(guān)聯(lián)系數(shù)越大越接近于標(biāo)準(zhǔn),其主要計(jì)算流程如下:

步驟1:確定比較序列xi(k)、參考序列x0(k)為評(píng)價(jià)階段各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值和評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)各指標(biāo)值。

步驟2:無(wú)量綱化。為了消除不同參評(píng)指標(biāo)單位和量綱差異所帶來(lái)的不可通透性,必須無(wú)量綱化處理初始序列,即:

(5)

(6)

式中:Yi(k)、Y0(k)為無(wú)量綱化的序列值。

步驟3:采用下列公式計(jì)算絕對(duì)差序列△0i(k)和關(guān)聯(lián)系數(shù)ζ0i(k):

△0i(k)=|Yi(k)-Y0(k)|

(7)

(8)

式中:ρ為分辨系數(shù),通常取0.5。經(jīng)上述處理可以構(gòu)造關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣E,即:

(9)

將傳統(tǒng)模糊評(píng)價(jià)法中的隸屬度利用灰關(guān)聯(lián)系數(shù)替代,即模糊關(guān)系矩陣R中的隸屬度rij取比較序列xi(k)與參考序列x0(k)的關(guān)聯(lián)系數(shù),以此作為指標(biāo)xi(k)隸屬于各等級(jí)的程度。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 研究區(qū)概況

鐵嶺市地處遼寧省北部,境內(nèi)河流眾多,其中有39條流域面積超過(guò)100km2,隨著人口數(shù)量的增多及工農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)發(fā)展,區(qū)域水資源供需矛盾日益突出,水資源短缺對(duì)生態(tài)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和人們生活質(zhì)量提升等構(gòu)成極大制約。在西伯利亞寒流與太平洋暖流的雙重作用下形成大陸性半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,年均降水量616～725mm,降雨時(shí)空分布極不均衡,其中6-9月(汛期)占全年降水量的65%以上,自西北向東南降水逐漸增多,有效攔截利用地表徑流比率只有22.8%。調(diào)查顯示,鐵嶺市每年生活用水量0.47億m3,年均總用水量12.54億m3,城鎮(zhèn)人均用水量426m3遠(yuǎn)低于全國(guó)的平均值;地下水資源以工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)灌溉用水為主,工、農(nóng)業(yè)用水0.78億m3和11.5億m3。歷史上鐵嶺市曾多次出現(xiàn)供水緊張的情況,對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)不利影響,加之工業(yè)污水及生活垃圾產(chǎn)生的二次污染,打破了水生態(tài)和水資源系統(tǒng)的平衡[15-16]。

2.2 構(gòu)建評(píng)價(jià)體系

文章充分考慮鐵嶺市生態(tài)環(huán)境保護(hù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況和水資源狀況等內(nèi)容,遵循數(shù)據(jù)可獲取性、獨(dú)立性、系統(tǒng)性、層次性和科學(xué)性原則合理選擇8個(gè)指標(biāo),構(gòu)建多層次梯階評(píng)價(jià)體系如表1。參考2020年《鐵嶺市水資源公報(bào)》、《統(tǒng)計(jì)年鑒》相關(guān)資料選取2020年(基準(zhǔn)水平年)各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù),結(jié)合《鐵嶺市水資源綜合規(guī)劃》獲取2025年和2030年各指標(biāo)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。

表1 鐵嶺市各指標(biāo)數(shù)據(jù)

結(jié)合水資源承載力受不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響程度,將評(píng)價(jià)等級(jí)劃分成v1(Ⅰ級(jí))、v2(Ⅱ級(jí))、v3(Ⅲ級(jí)),具體見(jiàn)表1所示。其中,Ⅰ級(jí)代表區(qū)域具有較大水資源開(kāi)發(fā)利用潛力,較強(qiáng)的水資源承載力,對(duì)于區(qū)域可持續(xù)發(fā)展不會(huì)造成制約;Ⅱ級(jí)代表區(qū)域仍具有一定的水資源開(kāi)發(fā)利用潛力,但現(xiàn)階段已經(jīng)達(dá)到一定規(guī)模,水資源承載力適中有可能成為制約發(fā)展因素;Ⅲ級(jí)代表區(qū)域進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用水資源的空間有限,水資源承載力較弱,對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展已構(gòu)成明顯制約。

考慮到v1、v2、v3等級(jí)之間的遞減關(guān)系,將評(píng)判集等級(jí)利用A=0.95v1+0.50v2+0.05v3進(jìn)行量化,A值越大則水資源承載力等級(jí)越高,評(píng)分也就越高。因此,可以用A值定量反映區(qū)域水資源狀況,即A<0.4、0.4≤A<0.7和A≥0.7時(shí),所對(duì)應(yīng)的水資源承載力依次屬于Ⅲ級(jí)、Ⅱ級(jí)和Ⅰ級(jí)。

2.3 權(quán)重計(jì)算

采用層次分析法計(jì)算水資源承載力各指標(biāo)主觀權(quán)重時(shí),必須檢驗(yàn)總層次與各單層次的一致性,結(jié)果顯示檢驗(yàn)值<0.1符合一致性要求。

然后利用變異系數(shù)法計(jì)算各指標(biāo)客觀權(quán)重,并利用公式(4)計(jì)算組合權(quán)重,如表2所示。

表2 權(quán)重計(jì)算值

2.4 關(guān)聯(lián)系數(shù)

根據(jù)已構(gòu)建的評(píng)判集V={v1,v2,v3}和元素集U={u1,u2,…,u8},利用線性隸屬度函數(shù)計(jì)算并構(gòu)造模糊關(guān)系矩陣,即:

2.5 結(jié)果與分析

采用改進(jìn)的模糊綜合法和傳統(tǒng)模糊數(shù)學(xué)法評(píng)價(jià)各水平年鐵嶺市水資源承載力,綜合評(píng)分值A(chǔ)和評(píng)判結(jié)果矩陣B見(jiàn)表3所示。

表3 水資源承載力評(píng)價(jià)值

然后采用公式(5)～(9)計(jì)算的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)替代隸屬度構(gòu)造關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣,結(jié)果如下:

將綜合評(píng)分值A(chǔ)按照最大隸屬度原則進(jìn)行等級(jí)劃分,并進(jìn)一步分析區(qū)域水資源承載力。傳統(tǒng)模糊評(píng)價(jià)結(jié)果表明,2020年、2025年和2030年鐵嶺市水資源承載力隸屬于v2級(jí)程度最高,綜合評(píng)分值處于0.4～0.7范圍,這說(shuō)明鐵嶺市仍具有一定的水資源開(kāi)發(fā)利用潛力,但現(xiàn)階段已經(jīng)達(dá)到一定規(guī)模,水資源承載力適中有可能成為制約發(fā)展因素。改進(jìn)模糊評(píng)價(jià)結(jié)果表明,2020年、2025年和2030年鐵嶺市水資源承載力隸屬于v1、v2、v3級(jí)程度相差大不,其隸屬于v2級(jí)的程度略高于其他等級(jí),相較于傳統(tǒng)模糊評(píng)價(jià)法其評(píng)分值有所增大,但仍屬于v2級(jí)水平。

3 結(jié) 論

1)將主觀、客觀賦權(quán)法相結(jié)合計(jì)算水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)組合權(quán)重,相較于單一方法能夠降低評(píng)價(jià)結(jié)果受主觀因素的干擾;然后用灰關(guān)聯(lián)系數(shù)替代模糊關(guān)系矩陣改進(jìn)的模糊綜合法評(píng)價(jià)水資源承載力,改進(jìn)后的方法可以有效避免單一方法存在的不足,保證水資源承載力評(píng)價(jià)的客觀合理性。

2)改進(jìn)后的模糊綜合法相較于傳統(tǒng)方法評(píng)價(jià)的水資源承載力相同,但改進(jìn)后的方法可以減小計(jì)算結(jié)果隸屬于不同等級(jí)的程度差異,降低主觀因素的干擾,對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)域水資源承載力表現(xiàn)出較強(qiáng)的適用性與可靠性。

3)2020年、2025年和2030年鐵嶺市水資源承載力隸屬于v2級(jí),這說(shuō)明鐵嶺市仍具有一定的水資源開(kāi)發(fā)利用潛力,但現(xiàn)階段已經(jīng)達(dá)到一定規(guī)模,水資源承載力適中有可能成為制約發(fā)展因素。