基于集對分析的黃河三角洲東營市水資源承載力評價

張 欣，陳華偉，仕玉治，劉海嬌，范明元

(1.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250013； 2.山東省水資源與水環(huán)境重點實驗室，山東 濟(jì)南 250013)

水資源是決定一個地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模以及能否實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，進(jìn)行水資源承載力評價，度量區(qū)域水資源承載狀態(tài)如何，對于制定有效的水資源調(diào)控規(guī)劃和保護(hù)措施、實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。我國學(xué)者自20世紀(jì)80年代就開始對水資源承載力進(jìn)行研究，但至今對水資源承載力沒有一個通用的定義。這些定義可歸納為兩種觀點：①水資源承載力是在一定區(qū)域、一定物質(zhì)生活水平下，水資源能持續(xù)供給當(dāng)代和后代人需求的規(guī)模和能力[1]；②水資源承載力是在某一歷史發(fā)展階段，以可預(yù)見的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展水平為依據(jù)，以可持續(xù)發(fā)展為原則，以維護(hù)生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展為條件，在水資源得到合理的開發(fā)利用下，該地區(qū)人口增長與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最大容量[2]。

目前常用的水資源承載力評價方法有很多，如背景分析法、多目標(biāo)分析法、系統(tǒng)動力學(xué)方法、模糊綜合評判法、主成分分析法等，這些方法各有特點，但在具體分析過程中都存在一定的局限性。如背景分析法多局限于靜態(tài)的歷史背景，割裂了資源、社會、環(huán)境之間的聯(lián)系[3]；主成分分析法由于主成分是單純原始變量的線性組合，很難分析其具體含義，不利于水資源承載力的理解和控制[4]。鑒于此，筆者在建立研究區(qū)水資源承載力評價指標(biāo)體系和分級標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，引入集對分析理論，建立基于三標(biāo)度層次分析法的水資源承載力集對分析評價模型，通過計算聯(lián)系度對黃河三角洲水資源承載力進(jìn)行評價。

1 研究區(qū)概況

黃河三角洲位于渤海南部的黃河入海口沿岸地區(qū)，在環(huán)渤海地區(qū)發(fā)展中具有重要的戰(zhàn)略地位。東營市作為黃河三角洲的中心城市，資源優(yōu)勢明顯，開發(fā)潛力巨大。但由于受自然條件限制，當(dāng)?shù)厮Y源十分匱乏，水資源緊缺已嚴(yán)重制約社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，故本文水資源承載力研究區(qū)定為東營市。

東營市北臨渤海灣，東靠萊州灣，西與濱州市毗鄰，南與淄博市和濰坊市接壤。南北最大縱距123km，東西最大橫距74km，總面積7923km2。轄廣饒、利津、墾利三縣和東營、河口兩區(qū)。

東營市屬暖溫帶半濕潤半干旱大陸性氣候區(qū)，多年平均氣溫12.8℃，多年平均降雨量554.5mm，多年平均當(dāng)?shù)厮Y源為61596萬m3。黃河水為研究區(qū)主要的客水資源，但近年來黃河來水呈逐年減少趨勢，且年內(nèi)分配不均。

2 基于三標(biāo)度層次分析法的水資源承載力集對分析評價模型

2.1 集對分析的原理

集對分析法(set pair analysis，以下簡稱SPA)由我國學(xué)者趙克勤于1989年提出的一種處理不確定問題的系統(tǒng)分析方法[5]，目前已經(jīng)應(yīng)用到現(xiàn)代科學(xué)管理、人工智能、信息工程和氣象等很多領(lǐng)域。其核心思想是對不確定性系統(tǒng)中的兩個有關(guān)聯(lián)的集合構(gòu)造為集對，對集對的某特性做同一性、差異性、對立性分析，然后建立集對的同異反聯(lián)系度，即給定集合A和B，并構(gòu)成集對H(A，B)，建立兩個集合的聯(lián)系度表達(dá)式：

(1)

式中：μ為聯(lián)系度，N為特征總數(shù)，S為集對中兩個集合共有的特性個數(shù)，F(xiàn)為兩個集合既不共同也不相互對立的特性個數(shù)，P為集對中對立特征的個數(shù)。S/N為集合A和B的同一度，簡記為a，F(xiàn)/N為差異度，簡記為b，P/N為對立度，簡記為c。i為差異度系數(shù)，i∈[0，1]，有時僅起差異標(biāo)記作用，j為對立度系數(shù)，其值為-1，有時起對立標(biāo)記作用。

2.2 基于三標(biāo)度層次分析法的集對分析評價模型[6-7]

基于三標(biāo)度層次分析法的集對分析模型進(jìn)行水資源承載力評價的步驟如下。

a. 聯(lián)系度的確定。假定有N個評價指標(biāo)，其中有S個評價指標(biāo)優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)，P個評價指標(biāo)劣于標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)個指標(biāo)介于優(yōu)劣之間。根據(jù)公式(1)可以計算出樣本的聯(lián)系度μm，初步得到承載力情況。不同地區(qū)的水資源承載能力即使處于同一級別，也會因評價指標(biāo)數(shù)值的差異而有所不同，因此，對于分級標(biāo)準(zhǔn)還要做同一、差異、對立的集對分析。

水資源承載力評價指標(biāo)一般包括越大越優(yōu)型指標(biāo)和越小越優(yōu)型指標(biāo)。

越大越優(yōu)型指標(biāo)聯(lián)系度計算公式為：

(2)

越小越優(yōu)型指標(biāo)聯(lián)系度計算公式為：

(3)

式中：S1、S2、S3分別為評價指標(biāo)的門限值，x為各評價區(qū)水資源承載力狀況的實際值，m為第m個評價區(qū)水資源承載力樣本，n為評價指標(biāo)。

b. 權(quán)重的確定。確定各評價指標(biāo)權(quán)重時采用三標(biāo)度層次分析法。三標(biāo)度層次分析法避免采用九標(biāo)度法構(gòu)造判斷矩陣，不僅降低了判斷難度，使專家易于接受和操作，而且可以保證易于得到具有足夠一致性的判斷矩陣。

三標(biāo)度層次分析法依據(jù)評價指標(biāo)的重要性進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造判斷矩陣A=(aij)n×m，

(4)

采用擬優(yōu)傳遞矩陣的概念對矩陣A變換為

表1 黃河三角洲水資源承載力評價指標(biāo)體系

①：1畝=1/15hm2。

A*，計算矩陣A*的最大特征值λmax及其對應(yīng)的特征向量ω=(ω1，ω2，…，ωn)，對ω進(jìn)行歸一化處理后，即為對應(yīng)元素的權(quán)重值，如公式(5)所示。

(5)

c. 建立集對分析水資源承載力評價模型。

(6)

3 黃河三角洲水資源承載力評價

3.1 黃河三角洲水資源承載力評價指標(biāo)體系[8]

綜合考慮自然、經(jīng)濟(jì)社會和生態(tài)環(huán)境等水資源承載能力影響因素，建立黃河三角洲水資源承載力評價指標(biāo)體系。該體系由三個層次構(gòu)成，分別為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層。目標(biāo)層(A)表達(dá)的是水資源承載力；準(zhǔn)則層(B)包括5個方面指標(biāo)：水資源及其開發(fā)利用狀況、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r、生活用水情況、生產(chǎn)用水情況和生態(tài)環(huán)境狀況；指標(biāo)層(C)包括25個指標(biāo)。各評價指標(biāo)分為正向指標(biāo)(越大越優(yōu))、逆向指標(biāo)(越小越優(yōu))和適度指標(biāo)(優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的按越小越優(yōu)、劣于標(biāo)準(zhǔn)的按越大越優(yōu))三類(表1)。表1中，C1為人均水資源量，多年平均當(dāng)?shù)厮Y源量/總?cè)丝冢籆2為單位土地面積水資源量，多年平均當(dāng)?shù)厮Y源量/總土地面積；C3為客水利用量占總供水量的比率，客水供水量/實際供水量；C4為供水模數(shù)，供水量/土地面積；C5為缺水率，(75%保證率下可供水量-75%保證率下的需水量)/75%保證率下的需水量；C6為水資源開發(fā)利用率，(實際供水量-調(diào)入水量-再生水等其他供水量)/多年平均當(dāng)?shù)厮Y源量；C7為人口密度，人口總數(shù)/土地面積；C8為人口自然增長率，年內(nèi)凈增人口數(shù)/年平均人口數(shù)；C9為城鎮(zhèn)化率，城鎮(zhèn)人口數(shù)/總?cè)丝跀?shù)；C10為人均GDP，GDP總量/總?cè)丝跀?shù)；C11為GDP增長率，本年度GDP增長額/上年度GDP總量；C12為第一產(chǎn)業(yè)比例，第一產(chǎn)業(yè)GDP/GDP總量；C13為城鎮(zhèn)居民生活用水定額，城鎮(zhèn)生活用水量/城鎮(zhèn)人口數(shù)；C14為農(nóng)村居民生活用水定額，農(nóng)村生活用水量/農(nóng)村人口數(shù)；C15為城鎮(zhèn)生活污水處理率，城鎮(zhèn)生活污水達(dá)標(biāo)排放量/城鎮(zhèn)生活污水排放量；C16為農(nóng)村飲水安全人口比例，農(nóng)村飲水安全達(dá)標(biāo)人口/農(nóng)村人口數(shù)；C17為單方水總產(chǎn)值，GDP總量/總用水量；C18為萬元工業(yè)增加值用水量，工業(yè)用水量/萬元工業(yè)增加值；C19為工業(yè)用水重復(fù)利用率，工業(yè)重復(fù)利用的水量/工業(yè)用水量；C20為農(nóng)田灌溉用水定額，農(nóng)田灌溉用水量/有效灌溉面積；C21為有效灌溉率，有效灌溉面積/耕地面積；C22為用水結(jié)構(gòu)指數(shù)，第一產(chǎn)業(yè)用水量/總用水量；C23為生態(tài)環(huán)境用水率，目前生態(tài)環(huán)境用水量/多年平均水資源量為；C24為萬元GDP廢污水排放量，廢污水排放量/GDP總量；C25為咸水區(qū)面積率，咸水區(qū)面積/土地面積。

3.2 黃河三角洲水資源承載力評價指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)

為了描述水資源承載力狀態(tài)，將評價指標(biāo)對水資源承載力的影響程度劃分為3個等級。Ⅰ級表示水資源承載能力較強(qiáng)，開發(fā)利用潛力較大；Ⅱ級表示水資源承載力中等，水資源仍有進(jìn)一步開發(fā)的潛力；Ⅲ級表示水資源承載力較差，開發(fā)利用已經(jīng)接近飽和(表1)。

3.3 評價結(jié)果及分析

以黃河三角洲水資源承載力評價指標(biāo)體系各指標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn)值作為集對分析聯(lián)系度表達(dá)式中的同一度、差異度和對立度的取值依據(jù)，利用式(1)計算各評價區(qū)域的聯(lián)系度。

比較5個評價區(qū)域的聯(lián)系度，承載力相對較強(qiáng)的是墾利縣，其次是東營區(qū)和河口區(qū)，相對較弱的是利津縣和廣饒縣。為進(jìn)一步分析評價指標(biāo)的數(shù)值與指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系，需要繼續(xù)對各評價區(qū)域做同一、差異、對立的集對分析。

以東營區(qū)為例，由式(2)、(3)可計算出25項評價因子相對于分級標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)系度，μC1=0+0i+1j，…，μC24=1+0i+0j，μC25=0+0i+1j。根據(jù)公式(4)～(5)計算出各評價指標(biāo)的權(quán)重，見表2。

表2 各評價指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)最終的平均聯(lián)系度得到各評價區(qū)域的水資源承載力等級。評價結(jié)果如下：東營區(qū)Ⅱ級，河口區(qū)Ⅲ級，墾利縣Ⅱ級，利津縣Ⅲ級，廣饒縣Ⅲ級，水資源承載力分區(qū)見圖1。

由圖1可看出，東營區(qū)和墾利縣水資源承載力屬于中等，河口區(qū)、利津縣和廣饒縣水資源承載力較弱，整體上研究區(qū)水資源承載力處于較低的水平，在現(xiàn)有的條件下水資源繼續(xù)開發(fā)的潛力相對較小，水資源供需矛盾非常突出。

從實例分析看，研究區(qū)水資源承載力整體水平較低，這是因為研究區(qū)特有的水資源狀況造成的。受自然條件限制，東營市當(dāng)?shù)厮Y源十分匱乏，當(dāng)?shù)氐乇硭Y源可利用量少，且僅能用于農(nóng)業(yè)灌溉和河道生態(tài)用水，供水主要依靠黃河水，由于地處黃河最下游，季節(jié)性缺水問題仍然十分突出。東營市地下淡水資源也非常有限，可供開采的地下水資源主要集中在廣饒縣小清河以南的少部分區(qū)域，面積約占東營市面積的10%，小清河以北的大部分區(qū)域，由于礦化度太高，地下水難以利用。在小清河以南的井灌區(qū)，由于1975年以后多年干旱，致使地下水資源局部超采嚴(yán)重，尤其是部分相對富水區(qū)，工農(nóng)、城鄉(xiāng)競相開采，井的密度、深度不斷加大，地下水位大幅度下降，形成了地下水超采漏斗區(qū)。近幾年地下水位下降趨勢已得到有效遏制，但是要恢復(fù)到合理的地下水位，仍需加大治理、管理工作力度。

針對研究區(qū)的水資源承載力現(xiàn)狀，水資源開發(fā)利用應(yīng)以可持續(xù)發(fā)展為基礎(chǔ)，大力實行最嚴(yán)格的水資源管理制度，全面推進(jìn)節(jié)水型社會建設(shè)，提高水資源的利用效率和效益；增加外調(diào)水量，積極拓展非常規(guī)水資源利用，增加“開源”途徑；調(diào)整用水結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)水資源的合理配置；做好城市水資源綜合規(guī)劃，合理確定城市發(fā)展規(guī)模；做好農(nóng)村供水工作，保障農(nóng)村飲用安全；加強(qiáng)水污染治理，防止水環(huán)境惡化；不斷提高水資源承載能力，以更好地保證研究區(qū)社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié) 語

a. 確定了研究區(qū)水資源承載力影響因素，構(gòu)建了由25個指標(biāo)組成的水資源承載力評價指標(biāo)體系，該指標(biāo)體系能夠較為準(zhǔn)確的反映研究區(qū)的水資源承載力狀況，為了描述水資源承載力狀態(tài)，按較強(qiáng)、中等、較弱三個級別劃分，擬定了25個評價指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)，為評價區(qū)域水資源承載力狀態(tài)提供了標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 研究區(qū)水資源承載力評價結(jié)果分區(qū)示意圖

b. 利用集對分析理論構(gòu)建了基于三標(biāo)度層次分析法的水資源承載力集對分析評價模型，運用三標(biāo)度法確定各評價指標(biāo)的權(quán)重，通過計算各評價對象對評價標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)系度，得出了研究區(qū)各評價區(qū)域的水資源承載力分級結(jié)果。該模型計算簡便，有效可行，評價結(jié)果與客觀實際基本符合。針對評價結(jié)果，提出了提高水資源承載力，實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用的建議。

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