魏繼蓮, 王啟見

(1.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽 合肥 231603;2.安徽華邦工程設(shè)計(jì)有限公司,安徽 合肥 230002)

水資源是區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性和控制性要素,也是維系人類社會(huì)供水安全、飲水安全、糧食安全等方面的重要紐帶[1]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,水資源供需矛盾日益突出,水資源短缺已成為世界各國(guó)共同面臨的重要環(huán)境問題之一[2]。安徽省淮北市地處蘇魯豫皖四省交界、淮海經(jīng)濟(jì)區(qū)中心,全市總國(guó)土面積2 741 km2,人口217萬(wàn),人均水資源占有量為398 m3,僅為全國(guó)人均水平的1/6[3]。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,各行業(yè)內(nèi)用水需求的增加,缺水形勢(shì)將會(huì)進(jìn)一步加劇[4]。本文從水資源、社會(huì)狀態(tài)及用水管理3個(gè)方面構(gòu)建淮北市水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系,構(gòu)建集對(duì)分析與熵權(quán)法耦合模型,對(duì)淮北市水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估分析,利于規(guī)避或降低水資源短缺風(fēng)險(xiǎn),可為合理制定淮北市發(fā)展規(guī)劃和科學(xué)實(shí)施水資源管理方案提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)較多,依據(jù)安徽省水資源公報(bào)(2011-2018)、淮北市統(tǒng)計(jì)年鑒(2011-2018)中主要的用水指標(biāo),結(jié)合自然地理、水資源概況以及數(shù)據(jù)資料收集難易程度,本文構(gòu)建了水資源、社會(huì)狀態(tài)、用水管理3個(gè)子系統(tǒng)、12個(gè)指標(biāo)組成的水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系[5]。利用熵權(quán)法分別計(jì)算3個(gè)子系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重,各子系統(tǒng)內(nèi)指標(biāo)權(quán)重求和后再經(jīng)歸一化處理得到各子系統(tǒng)權(quán)重。評(píng)估指標(biāo)等級(jí)化是水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)、水資源承載力等綜合評(píng)估研究的基礎(chǔ)。本文將水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)分為3個(gè)等級(jí):I級(jí)(說明該指標(biāo)表征的水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)程度較小)、II級(jí)(說明該指標(biāo)表征的水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)程度一般)、III級(jí)(說明該指標(biāo)表征的水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)程度較大),水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系,如表1所列。

表1 水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

1.2 集對(duì)分析聯(lián)系數(shù)

集對(duì)分析理論是一種揭示復(fù)雜系統(tǒng)不確定性演變特征的理論方法[6],基本原理是構(gòu)建一個(gè)集對(duì),通過同、異、反聯(lián)系數(shù)對(duì)兩個(gè)集合在確定性與不確定性方面的關(guān)系進(jìn)行定量表達(dá)。在解決具體問題時(shí),設(shè)兩個(gè)有聯(lián)系的集合A、B分別由n項(xiàng)要素組成,表示為A=(a1,a2,a3,…,an)、B=(b1,b2,b3,…,bn),則集對(duì)H(A,B)的聯(lián)系數(shù)可表示如下:

(1)

其中,s為相同要素個(gè)數(shù);f為相差異要素個(gè)數(shù);p為相對(duì)立要素個(gè)數(shù);i為差異度系數(shù),在[-1, 1]內(nèi)取值;j為對(duì)立度系數(shù),取-1。若記a=s/n、b=f/n、c=p/n,則式(1)可進(jìn)一步表示為

μA～B=a+bi+cj

(2)

其中,a、b、c分別為集對(duì)H(A,B)的同一度、差異度和對(duì)立度,a、b、c的取值范圍均為[-1, 1],滿足a+b+c=1。

1.3 障礙度模型

根據(jù)水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型構(gòu)建的原理分析可知,可以通過提高子系統(tǒng)中指標(biāo)的水平來(lái)緩解水資源短缺風(fēng)險(xiǎn),因此,論文引入障礙度模型用于識(shí)別水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的主要障礙因子。一般采用因子貢獻(xiàn)度、指標(biāo)偏離度和障礙度等概念進(jìn)行建模[7]。障礙度模型具體計(jì)算方法見式(3)及式(4):

指標(biāo)偏離度:

Jij=1-Cij

(3)

障礙度:

(4)

其中,Jij表示第i年第j項(xiàng)指標(biāo)偏離度,即指標(biāo)實(shí)際值與理想值的差距;Cij表示指標(biāo)樣本標(biāo)準(zhǔn)化后的標(biāo)準(zhǔn)值;wj表示第j項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重,即為指標(biāo)的貢獻(xiàn)度。

1.4 區(qū)域水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型構(gòu)建

本文構(gòu)建基于聯(lián)系數(shù)及熵權(quán)法的區(qū)域水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型并開展水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的主要障礙因子診斷。步驟如下:

步驟1:三元聯(lián)系數(shù)μijdf的計(jì)算。設(shè)第d個(gè)子系統(tǒng)中第j項(xiàng)指標(biāo)的第i個(gè)樣本的樣本值為xijd,其隸屬于水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)f的隸屬度為μijdf。本研究分別從水資源、社會(huì)狀態(tài)及用水管理3個(gè)子系統(tǒng)挖掘評(píng)估指標(biāo),將水資源短缺程度劃分為I級(jí)、II級(jí)、III級(jí)3個(gè)等級(jí),分別代表水資源短缺程度較小、一般和較大。據(jù)此評(píng)估標(biāo)準(zhǔn),分別計(jì)算樣本值xijd和3個(gè)等級(jí)之間的三元聯(lián)系數(shù)[8]。

(5)

(6)

(7)

式(5)～式(7)中:i=1,2,…,8(淮北市2011-2018年不同年份為不同的樣本);d=1,2,3(1為水資源子系統(tǒng),2為社會(huì)狀態(tài)子系統(tǒng),3為用水管理子系統(tǒng));j=1,2,…,md(md為系統(tǒng)d中指標(biāo)個(gè)數(shù),m1=m2=m3=4);sjd為Ⅰ級(jí)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)的另一端點(diǎn)值;s1jd為Ⅰ級(jí)與Ⅱ級(jí)間的閾值;s2jd為Ⅱ級(jí)與Ⅲ級(jí)間的閾值;s3jd為Ⅲ級(jí)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)的另一端點(diǎn)值。

步驟2:單指標(biāo)聯(lián)系數(shù)vijdf的計(jì)算。樣本xijd隸屬于“標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)f”的相對(duì)隸屬度計(jì)算過程見式(8),式(9)是對(duì)式(8)進(jìn)行歸一化處理的結(jié)果。

uijdf=0.5+0.5μijdf

(8)

(9)

步驟3:計(jì)算第i個(gè)年份第d個(gè)子系統(tǒng)隸屬于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)f的隸屬度,式(11)是對(duì)式(10)進(jìn)行歸一化處理的結(jié)果。

(10)

(11)

步驟4:計(jì)算第i個(gè)年份樣本i隸屬于水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)f的綜合隸屬度。

(12)

步驟5:水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)判。為進(jìn)一步挖掘聯(lián)系數(shù)信息,采用級(jí)別特征值法計(jì)算區(qū)域水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估樣本的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)值,作為區(qū)域水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估結(jié)果。

(13)

步驟6:水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)障礙因子識(shí)別。應(yīng)用障礙度模型計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)區(qū)域水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的阻礙程度,識(shí)別水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的主要障礙因子。

2 結(jié)果與分析

2.1 淮北市水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)演變分析

圖1 水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)特征值

由圖1可知,2011-2018年淮北市水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)各子系統(tǒng)及綜合等級(jí)均呈下降趨勢(shì),風(fēng)險(xiǎn)水平整體向良好方向發(fā)展,等級(jí)特征值均降到2.5以下(II級(jí)以上水平),其中,社會(huì)狀態(tài)子系統(tǒng)的等級(jí)特征值降到1.42,達(dá)到I級(jí)水平。水資源子系統(tǒng)、社會(huì)狀態(tài)子系統(tǒng)、用水管理子系統(tǒng)和綜合等級(jí)特征值分別從2011年的2.56、2.47、2.69和2.58降到2018年的2.15、1.42、1.74及1.82,在2017年以后,出現(xiàn)明顯降幅,主要原因是2017年以后,各子系統(tǒng)中的指標(biāo)值均有不同程度改善,即正向指標(biāo)樣本值增加、逆向指標(biāo)樣本值減小,因此,水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)各子系統(tǒng)和綜合等級(jí)值減小,水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)程度降低。例如:由于2017年以后淮北市采取了節(jié)水灌溉技術(shù)和科學(xué)的水資源管理措施等,社會(huì)狀態(tài)子系統(tǒng)中的逆向指標(biāo)農(nóng)田灌溉定額大幅減小。

2.2 淮北市水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)障礙因子診斷

根據(jù)障礙度計(jì)算公式式(3)～(4),分別計(jì)算了2011-2018年各指標(biāo)對(duì)水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的障礙度值,選出前5項(xiàng)且障礙度大于10%的指標(biāo),結(jié)果如表2所列。

表2 水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)障礙因子計(jì)算結(jié)果

由表2可以看出:2011-2016年,在水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的障礙因素中,徑流系數(shù)W3是主要障礙因子,其次是農(nóng)田灌溉定額S3,年產(chǎn)水模數(shù)W2、其他水源供水量M3及生態(tài)用水率M2對(duì)水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的阻礙程度基本相當(dāng)(障礙度為10%-14%);2017年,徑流系數(shù)W3是主要障礙因子、其次是年產(chǎn)水模數(shù)W2和人均供水量W4;2018年,人均供水量W4為主要障礙因子,其次是年產(chǎn)水模數(shù)W2,其他因子對(duì)水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的阻礙程度均低于10%,未羅列在表2中。可見,2011-2018年排在首位的影響因素均為天然水資源稟賦條件,這與淮北市的氣候條件、地形地貌、土壤特性、地表植被等因素有關(guān)。由于2011-2016年農(nóng)田灌溉定額比較大,因此,農(nóng)田灌溉定額對(duì)水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的阻礙程度較大;2017年以后農(nóng)田灌溉定額減小,不再是水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的主要障礙因子,社會(huì)狀態(tài)子系統(tǒng)及用水管理子系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)逐漸向良好態(tài)勢(shì)發(fā)展,對(duì)水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的障礙程度逐漸減弱。

3 結(jié)束語(yǔ)

淮北市近年來(lái)水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)雖向低風(fēng)險(xiǎn)方向轉(zhuǎn)化,但仍為I～I(xiàn)I級(jí)風(fēng)險(xiǎn),仍具有轉(zhuǎn)化為III級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)的可能性。因此,要確保淮北市水資源可持續(xù)開發(fā)利用,降低水資源短缺風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)積極實(shí)施相應(yīng)的改進(jìn)措施,具體包括:實(shí)施調(diào)水工程,加快推進(jìn)淮水北調(diào)配套工程建設(shè),加大非常規(guī)水工程的實(shí)施;大力發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù);建設(shè)生態(tài)保護(hù)工程,提高生態(tài)用水率;注重調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì),提升現(xiàn)代化水平,提高用水效率。