趙海安

(遼寧省本溪水文局,遼寧 本溪 117000)

0 引 言

水資源脆弱性是反映水系統(tǒng)演變趨勢(shì)的重要參數(shù),對(duì)其科學(xué)評(píng)價(jià)有利于促進(jìn)水系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展、水資源保護(hù)以及水資源利用效率的提升[1]。隨著城市化水平的提升和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,各行業(yè)用水量快速增大,水資源供需矛盾日趨突出,水資源短缺對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約更加明顯。為有效解決水資源問(wèn)題,從水系統(tǒng)構(gòu)成的角度上開展脆弱性評(píng)價(jià)研究越來(lái)越引起廣大學(xué)者的重點(diǎn)關(guān)注,如Pan等以安徽省為例,結(jié)合水資源脆弱性連接熵評(píng)價(jià)結(jié)果提出改善脆弱性的對(duì)策建議;Cen等將盲刪除粗糙集(IBDRS)與隨機(jī)森林模型(RF)相耦合,通過(guò)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系預(yù)測(cè)分析了黃海流域水資源脆弱性;汪瑩等等基于GIS及RS技術(shù),采用改進(jìn)的降雨-覆蓋層-徑流模型評(píng)價(jià)水城盆地的巖溶地下水脆弱性[2-4]。然而,以往研究大多未考慮不同指標(biāo)間的連續(xù)反饋關(guān)系,評(píng)價(jià)結(jié)果也難以全面反映水資源系統(tǒng)的整體狀況。因此,本研究以本溪市為例,應(yīng)用熵權(quán)-模糊集對(duì)法評(píng)價(jià)2015—2021年各轄區(qū)水資源脆弱性,針對(duì)現(xiàn)存問(wèn)題提出恢復(fù)植被、優(yōu)化水資源配置、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和提高污廢水回收利用率等對(duì)策,旨在為城市水資源智能與高效管理提供一定支持。

1 研究區(qū)概況

據(jù)統(tǒng)計(jì),2021年全市平均降水1119.9mm,折合水量為94.23億m3,比多年平均值偏多31.2%,屬于偏豐年份。2021年地表水資源量46.90億m3,地下水資源量8.78億m3,重復(fù)計(jì)算量8.73億m3,依據(jù)全市5座大中型水庫(kù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),水庫(kù)年末蓄水總量35.98億m3。雖然水源條件較為豐富,但受限于特殊的地形環(huán)境和氣候條件,本溪市水資源開發(fā)存在攔蓄工程建設(shè)滯后、農(nóng)業(yè)用水效率低、用水憂患意識(shí)薄弱、缺乏水資源經(jīng)濟(jì)意識(shí)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源時(shí)空分配不協(xié)調(diào)等諸多問(wèn)題,有必要科學(xué)評(píng)價(jià)其水資源脆弱性程度,為本溪市水資源宏觀調(diào)控及合理開發(fā)利用提供決策依據(jù)。

2 研究方法

2.1 評(píng)價(jià)體系及等級(jí)劃分

文章遵循數(shù)據(jù)可獲取性、可比性、主導(dǎo)型以及科學(xué)性等原則,從承載力、人為和自然3個(gè)方面選擇8項(xiàng)典型指標(biāo)構(gòu)建本溪市水資源脆弱性評(píng)價(jià)體系,相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)源于2016—2021年本溪市水資源公報(bào),如表1所示。其中,正、負(fù)向指標(biāo)代表對(duì)水資源脆弱性有改善和劣化作用的因素。

表1 水資源脆弱性評(píng)價(jià)體系及等級(jí)劃分

充分考慮水資源脆弱性受各評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響作用,并結(jié)合區(qū)域水資源實(shí)際情況,將參評(píng)指標(biāo)初始數(shù)據(jù)劃分成Ⅰ～Ⅴ五個(gè)等級(jí),依次代表水資源系統(tǒng)不脆弱、輕度脆弱、中度脆弱、比較脆弱和嚴(yán)重脆弱,不同數(shù)據(jù)的等級(jí)劃分如表1所示。

2.2 熵權(quán)法計(jì)算權(quán)重

熵權(quán)法是一種通過(guò)計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)值的無(wú)序程度來(lái)確定相應(yīng)權(quán)值的客觀賦權(quán)法,該方法能夠避免決策者認(rèn)識(shí)度差異或主觀因素的干擾,采用熵權(quán)法計(jì)算權(quán)重流程如下:

步驟1:由于各項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)量級(jí)或單位不同無(wú)法直接參與計(jì)算,必須先對(duì)初始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,即:

(1)

式中:qij、xij為研究對(duì)象i中參評(píng)指標(biāo)j的標(biāo)準(zhǔn)值和初始數(shù)據(jù);min(xj)、max(xj)為所有研究對(duì)象中參評(píng)指標(biāo)j的最小、最大值。經(jīng)過(guò)以上處理可以將初始矩陣X=(xij)m×n轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)矩陣Q=(qij)m×n,其中m、n代表研究對(duì)象數(shù)和參評(píng)指標(biāo)數(shù),文中m=7,n=8。

步驟2:采用以下公式計(jì)算參評(píng)指標(biāo)j的熵值Hj,即:

(2)

(3)

步驟3:根據(jù)信息熵Hj計(jì)算結(jié)果和公式(4)計(jì)算參評(píng)指標(biāo)的權(quán)重ωj,即:

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2.3 模糊集對(duì)評(píng)價(jià)流程

將水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)集A與等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)集B組成一個(gè)集對(duì)H(A,B),若集對(duì)存在N個(gè)特性,其中包含P個(gè)對(duì)立性、F個(gè)差異性和S個(gè)同一性,則該集對(duì)的聯(lián)系度μA-B計(jì)算公式如下:

(5)

式中:μA-B為聯(lián)系度,一般情況下等于特定問(wèn)題分析過(guò)程中一個(gè)系統(tǒng)或有關(guān)兩個(gè)集合所確定的對(duì)立度、差異度、同一度的代數(shù)和,實(shí)際計(jì)算時(shí)這是一個(gè)數(shù)值;I、J為差異度和對(duì)立度,取值區(qū)間均為-1～1;a、b、c為指標(biāo)值xij與第k級(jí)(k=1,2,…,5)標(biāo)準(zhǔn)的同一度、差異度和對(duì)立度,并符合a+b+c=1的歸一化要求。

實(shí)際上,計(jì)算等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與研究對(duì)象在單一指標(biāo)下的聯(lián)系度并不具備實(shí)際意義,可以利用模糊集理論計(jì)算相對(duì)隸屬度,然后按照置信度準(zhǔn)則和級(jí)別特征值加權(quán)求和的方法評(píng)定水資源脆弱性等級(jí),具體流程如下:

1)計(jì)算水資源脆弱性等級(jí)k與研究對(duì)象i參評(píng)指標(biāo)j的單因子聯(lián)系度μijk,對(duì)于正向、負(fù)向指標(biāo)其計(jì)算方法如下:

(6)

(7)

式中:sk,j為等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)界限值,將水資源脆弱性等級(jí)劃分成5個(gè)區(qū)間,通過(guò)定量計(jì)算評(píng)價(jià)等級(jí)k與研究對(duì)象i的單因子關(guān)聯(lián)度直接做出同、異、反特征分析,即接近同一等級(jí)、前后相鄰等級(jí)和相隔等級(jí),從而直觀地反映出5個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)下各項(xiàng)指標(biāo)的3種隸屬關(guān)系。若沒(méi)有界限值或存在不合理的結(jié)果應(yīng)將其舍去,如果s5,j是最大的界限值即參評(píng)指標(biāo)xi,j>s5,j,這也不符合實(shí)際情況應(yīng)舍去。因此,結(jié)合單因子關(guān)聯(lián)度計(jì)算值,可以實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)間對(duì)立性、差異性和同一性等關(guān)系的定量分析。

(8)

(9)

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3)確定脆弱性等級(jí)。為了提高評(píng)價(jià)等級(jí)精度以及避免模糊識(shí)別時(shí)按照最大隸屬度準(zhǔn)則可能引起的信息缺失,保證水資源脆弱性評(píng)價(jià)的穩(wěn)妥性和可靠性,遵循置信度準(zhǔn)則確定評(píng)價(jià)等級(jí)hi,即:

(11)

式中:γ為置信度,其取值范圍為0.5～0.7,γ值越大則水資源脆弱性評(píng)價(jià)越可靠,γ值越小則水資源脆弱性評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)越大,結(jié)合本溪市水資源開發(fā)具體情況γ值取0.7;K為評(píng)價(jià)等級(jí)數(shù),文中取K=5。

3 水資源脆弱性評(píng)價(jià)及對(duì)策

3.1 結(jié)果與分析

采用熵權(quán)法和模糊集對(duì)法計(jì)算確定2015—2021年本溪市水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重及等級(jí),為檢驗(yàn)?zāi)：瘜?duì)法的適用性與可靠性,應(yīng)用灰關(guān)聯(lián)分析法和模糊綜合法評(píng)價(jià)2021年水資源脆弱性,結(jié)果見表2～3。

表2 水資源脆弱性參評(píng)指標(biāo)權(quán)重

1)從表3可以看出,2015—2021年本溪市水資源脆弱性總體表現(xiàn)出好轉(zhuǎn)趨勢(shì),2021年整體處于輕度脆弱等級(jí),其中本溪縣處于中度脆弱等級(jí)。

表3 水資源脆弱性評(píng)價(jià)等級(jí)

2)2017年本溪市最嚴(yán)格水資源管理制度開始實(shí)施,在一定程度上緩解了水環(huán)境惡化和水資源短缺的局面,各轄區(qū)水資源脆弱性自2017年逐漸改善。2021年,在強(qiáng)化水資源管理和補(bǔ)短板、強(qiáng)監(jiān)管的新形勢(shì)下,以及降水量和人均水資源量明顯增加的情況下,本溪市水生態(tài)環(huán)境明顯好轉(zhuǎn),研究成果與區(qū)域水資源演變趨勢(shì)基本一致。

3)采用模糊集對(duì)法、灰關(guān)聯(lián)法和模糊綜合法評(píng)價(jià)結(jié)果不完全相同,如2021年南芬區(qū)利用模糊集對(duì)法評(píng)價(jià)的水資源脆弱性達(dá)到輕度脆弱,而灰關(guān)聯(lián)法和模糊綜合法評(píng)價(jià)為不脆弱等級(jí)。實(shí)際上,本溪市依然面臨著一定的水資源問(wèn)題,具體表現(xiàn)以下幾點(diǎn):①雖然過(guò)境水量和上游入境水量較多,但受各種因素限制無(wú)法保障水質(zhì)和水量穩(wěn)定,并且整體用水效率偏低,水資源浪費(fèi)嚴(yán)重;②局部地下水超采,為滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水需求地下水被不斷開采,從而使得地下水位持續(xù)降低。因此,本溪市水資源應(yīng)處于輕度脆弱等級(jí),而非不脆弱,所以模糊集對(duì)法評(píng)價(jià)更加準(zhǔn)確合理,這也是該方法可以辯證地反映研究對(duì)象對(duì)立性、差異性和同一性的主要體現(xiàn)。

3.2 對(duì)策建議

1)提高用水效率。通過(guò)對(duì)比分析權(quán)重計(jì)算值可知,水資源脆弱性受年降水量影響較大,年降水量多少直接關(guān)系著區(qū)域水資源脆弱性程度。本溪市水資源時(shí)空分配與經(jīng)濟(jì)發(fā)展不協(xié)調(diào),攔蓄工程建設(shè)滯后,為保障各行業(yè)用水需求必須提高水資源利用率,因時(shí)制宜地發(fā)展畜牧業(yè)、林業(yè)或修建水利工程攔蓄夏季雨水,也可以考慮各地區(qū)條件種植耐旱農(nóng)作物,通過(guò)建設(shè)快捷、智慧管理系統(tǒng)提高用水效率。

2)加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整。本溪市各轄區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平以及自然地理?xiàng)l件存在一定差異,從而使得各區(qū)域的用水結(jié)構(gòu)也不盡相同。所以,應(yīng)加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,加快促進(jìn)冶金、電力、煤炭等重工業(yè)向科技創(chuàng)新制造業(yè)的轉(zhuǎn)變,逐步減小水資源脆弱性。

3)嚴(yán)格控制地下水超采。受地理環(huán)境和地形地貌限制,本溪市地表水開采表現(xiàn)出邊際效益低、開發(fā)難度大、開采成本高、可利用總量少等特點(diǎn),地下水在農(nóng)業(yè)灌溉和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)重要地位。所以,在大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)還要加強(qiáng)本溪市水資源優(yōu)化配置,合理利用太子河、渾江、愛河等地表水資源。

4 結(jié) 論

文章利用熵權(quán)-模糊集對(duì)法科學(xué)評(píng)價(jià)本溪市2015—2021年水資源脆弱性,將評(píng)價(jià)結(jié)果與灰關(guān)聯(lián)分析法、模糊綜合法相比較驗(yàn)證該方法的可行性。結(jié)果表明,2015—2021年本溪市水資源脆弱性總體表現(xiàn)出好轉(zhuǎn)趨勢(shì),2021年整體處于輕度脆弱等級(jí),其中本溪縣處于中度脆弱等級(jí)。模糊集對(duì)法評(píng)價(jià)更加準(zhǔn)確合理,這也是該方法可以辯證地反映研究對(duì)象對(duì)立性、差異性和同一性的主要體現(xiàn)。針對(duì)本溪市水資源開發(fā)利用存在的問(wèn)題,提出提高用水效率、加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和嚴(yán)格控制地下水超采等對(duì)策建議。