基于模糊綜合評(píng)判的鶴壁市水資源承載力評(píng)價(jià)

周振民，劉 朔

(華北水利水電大學(xué)，鄭州 450011)

0 引 言

水資源是人們賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。水資源承載力是權(quán)衡區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要指標(biāo)，是當(dāng)前水科學(xué)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)[1]。水資源承載力雖迄今為止沒有形成系統(tǒng)、科學(xué)的理論體系，但國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)水資源承載力概念提出了不同的觀點(diǎn)和方法。現(xiàn)在較普遍認(rèn)同的水資源承載力概念是：“某一具體的歷史發(fā)展條件下，以可預(yù)見的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)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，經(jīng)過合理優(yōu)化配置，水資源對(duì)該地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最大支撐能力”[2]。水資源承載力具有自然屬性和社會(huì)屬性，而水資源承載力綜合評(píng)價(jià)就是基于這兩種屬性之上，是指對(duì)區(qū)域水資源特點(diǎn)、開發(fā)利用情況及生態(tài)環(huán)境、工農(nóng)業(yè)發(fā)展和居民生活所需水資源的供需關(guān)系等方面用合適的方法綜合分析得出的結(jié)論，它的目的是揭示自然、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)三者協(xié)調(diào)發(fā)展的內(nèi)在關(guān)系，給水資源的可持續(xù)開發(fā)利用和配置提供決策依據(jù)。

鶴壁市屬于缺水城市，目前，鶴壁市水資源承載力研究成果不多。因此，采用科學(xué)方法，構(gòu)建鶴壁市水資源承載力模型，評(píng)判鶴壁市水資源承載力，提出緩解水資源供需矛盾途徑，是實(shí)現(xiàn)鶴壁市社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容。因此本文構(gòu)建了模糊綜合評(píng)價(jià)模型并給出了具體計(jì)算方法，針對(duì)鶴壁市水資源條件和社會(huì)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀與未來發(fā)展趨勢，計(jì)算了鶴壁市水資源承載力，研究成果為鶴壁市社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 研究方法與步驟

1.1 水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取和分級(jí)

水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)的建立和選取是水資源承載力研究中很關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。基于它的影響因素可達(dá)到幾十種，所以在選取主要因素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，可以從以下三點(diǎn)著重考慮：①評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)該充分考慮當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式及水資源情勢特點(diǎn)從而做出合理選擇；②水資源承載力是動(dòng)態(tài)變化的，故選擇的指標(biāo)應(yīng)該較為靈敏貼切地反應(yīng)水資源承載力變化；③優(yōu)先選取能反映問題本質(zhì)及主要矛盾且指標(biāo)值易量化的評(píng)價(jià)指標(biāo)，數(shù)量7～9個(gè)為宜[4]。綜合考慮以上因素，參照全國水資源供需分析中指標(biāo)體系及其他相關(guān)資料，參考專家意見及惠泱河[3]、陳洋波[4]、王友貞[5]等學(xué)者的研究成果，權(quán)衡抉擇后選取人均供水量u1、產(chǎn)水模數(shù)u2、萬元GDP用水量u3、供水模數(shù)u4、需水模數(shù)u5、耕地灌溉率u6、生態(tài)用水率u7共計(jì)7個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

將上述7個(gè)指標(biāo)按對(duì)水資源承載能力影響程度劃分為3個(gè)等級(jí)，其中V1級(jí)代表該地水資源承載力處于較弱水平，潛力不足，進(jìn)一步開發(fā)將不利于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展；V3級(jí)代表該地水資源承載力處于較強(qiáng)水平，水資源量供給樂觀，進(jìn)一步開發(fā)潛力較大，而V2則介于V1與V3之間，表示該地水資源開發(fā)已具有一定規(guī)模，對(duì)水資源的供給能提供一定保障，仍有開發(fā)潛力。各指標(biāo)的定義及分級(jí)值標(biāo)準(zhǔn)詳見表1。

表1 各評(píng)價(jià)指標(biāo)定義及分級(jí)值標(biāo)準(zhǔn)

1.2 模糊綜合評(píng)判方法

模糊綜合評(píng)判法是對(duì)受多種因素影響的事物做出全面評(píng)價(jià)的一種十分有效的多元素決策方法，能夠較全面地分析區(qū)域水資源承載能力狀況。

1.2.1 確定評(píng)估對(duì)象的因素論域U及評(píng)語等級(jí)論域V

令U={u1,u2,…,um}，因素論域由上述所選取的7個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)所構(gòu)成，即U={u1,u2,…,u7}。

令V={v1,v2,…,vn}，即等級(jí)集合。評(píng)語等級(jí)論域由3個(gè)等級(jí)構(gòu)成，即v={v1,v2,v3}，每一個(gè)等級(jí)可對(duì)應(yīng)一個(gè)模糊子集。

1.2.2 評(píng)判矩陣R的構(gòu)建與計(jì)算方法

構(gòu)建了等級(jí)模糊子集后，逐個(gè)對(duì)被評(píng)事物從每個(gè)因素ui(i=1,2,…,m)上進(jìn)行量化，即確定從單因素來看被評(píng)事物對(duì)等級(jí)模糊子集的隸屬度(R|ui)，進(jìn)而得到模糊關(guān)系矩陣：

矩陣R中第i行第j列元素rij，表示被評(píng)事物從因素ui來看對(duì)Vj等級(jí)模糊矩陣子集的隸屬度。一個(gè)被評(píng)事物在某個(gè)因素ui方面的表現(xiàn)，就是通過模糊向量(R|ui)=(ri1,ri2,…,rin)來刻畫的。

推求R值時(shí)，因?yàn)镽中rij即為指標(biāo)ui對(duì)應(yīng)等級(jí)Vj的隸屬函數(shù)，故可將各評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)際數(shù)值與分級(jí)值表(表1)中的值進(jìn)行對(duì)照后分析求解。為消除V1，V2，V3,等級(jí)之間數(shù)值相差不大而評(píng)價(jià)等級(jí)相差一級(jí)的跳躍現(xiàn)象，需進(jìn)行模糊化處理[6]。

處理后構(gòu)建了評(píng)價(jià)指標(biāo)u3、u4、u5、u6各評(píng)語等級(jí)隸屬函數(shù)計(jì)算式如下：

(3)

對(duì)于u1、u2、u7計(jì)算式如下：

(6)

式中：k1表示評(píng)價(jià)指標(biāo)V1與V2的等級(jí)臨界值；k3表示V2與V3的等級(jí)臨界值；V2等級(jí)區(qū)間中點(diǎn)值為k2。其中k1,k2,k3的關(guān)系可表示為k2=(k1+k3)/2。

1.2.3 AHP定權(quán)重矩陣W

1.2.4 綜合評(píng)價(jià)

確定了評(píng)判矩陣R與權(quán)重矩陣W,在模糊綜合評(píng)判中，最后選擇合適的算子將W,R合成。因本次研究選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)為7個(gè)，勢必會(huì)導(dǎo)致每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)所分得的權(quán)重 較小，用max-min合成運(yùn)算必定會(huì)丟掉R=(rij)的許多信息，為避免這種情況發(fā)生，故而選擇加權(quán)平均模型M(·,+)算子進(jìn)行計(jì)算，此模型對(duì)所有指標(biāo)依權(quán)重大小均衡兼顧，很適用于考慮各因素起作用的情況[8]。故而合成后可得綜合評(píng)判結(jié)果：

B=(b1,b2,…,bj)=W·R

(7)

實(shí)際上，為了更貼切地反映各級(jí)水資源承載力情況，可將評(píng)判等級(jí)采用1分制，即對(duì)V1～V3三個(gè)等級(jí)在0～1區(qū)間對(duì)應(yīng)取c1=0.05,c2=0.5,c3=0.95,評(píng)分綜合評(píng)定最終按公式(8)計(jì)算:

(8)

式中：k僅為突出占優(yōu)勢等級(jí)的作用，本研究中取值為1。

2 研究區(qū)概況

鶴壁市地處河南省北部，東經(jīng)113°59′～114°45，北緯35°26′～36°02′，東與安陽市的內(nèi)黃、滑縣連接，西鄰安陽市的林州市，南與新鄉(xiāng)市的延津縣、衛(wèi)輝市毗鄰，北接安陽市的安陽、湯陰二縣。該市土地總面積2 182 km2。

鶴壁市屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，多年平均氣溫14.1 ℃左右。全市多年平均降水量617.8 mm，降水量年際相差懸殊，年內(nèi)分配不均，主要集中在6-9月，占全年降水量的72.5%，多年平均陸地水面蒸發(fā)量1 124.3 mm，蒸發(fā)大于降水，屬偏干旱區(qū)。鶴壁人均水資源量為272 m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于全國人均水資源量，水資源量相對(duì)匱乏。全市多年平均地表水資源量19 449 萬m3/a，折合徑流深89.1 mm，多年平均淺層地下水資源量為29 879 萬m3/a。地表水體主要由盤石頭水庫、奪豐水庫等大小水庫40余個(gè)以及衛(wèi)河、共產(chǎn)主義渠、淇河、思德河、湯河、羑河等10余條主要河流組成。鶴壁市河流水系分布情況見圖1。

圖1 鶴壁市河流水系圖

近年來鶴壁市已經(jīng)發(fā)展成為以煤電化材、汽車零部件、食品加工等主導(dǎo)工業(yè)綜合發(fā)展的新興工業(yè)城市，目前鶴壁市正處于快速推進(jìn)工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的關(guān)鍵時(shí)期，工業(yè)需水急劇增長，伴隨而來的地下水超采、水環(huán)境污染等現(xiàn)象也開始出現(xiàn)，城市不斷增長的用水需求與匱乏的水資源之間形成了尖銳的矛盾，因此通過必要的措施使水資源最大限度地滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的用水需求是鶴壁市亟須解決的問題。

3 鶴壁市水資源承載力綜合評(píng)價(jià)

3.1 鶴壁市多年評(píng)價(jià)指標(biāo)的指標(biāo)數(shù)值

根據(jù)鶴壁市自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)及水資源變化情況，對(duì)2009-2015年各評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)際值所涉及的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行了收集，整理計(jì)算后得到了不同年評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)際值如表2所示。

3.2 權(quán)重矩陣W與評(píng)判矩陣R的計(jì)算

權(quán)重矩陣W的確定：對(duì)7個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)重要性進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造了判斷矩陣，然后計(jì)算一致性指標(biāo)CI和平均隨機(jī)一致性指標(biāo)CR,對(duì)判斷矩陣進(jìn)行了檢驗(yàn)，確定了權(quán)系數(shù)分配的合理性。最終得到W=(02,0.1,0.2,0.15,0.15,0.1,0.1)。可以看出影響水資源承載力較大的因素為人均供水量及萬元GDP用水量。

評(píng)價(jià)矩陣R的計(jì)算：根據(jù)表2中的數(shù)值，對(duì)照表1中的分級(jí)規(guī)定，利用公式(1)～(6)可計(jì)算出各年份每個(gè)評(píng)價(jià)因素對(duì)應(yīng)于各個(gè)等級(jí)的相對(duì)隸屬度rij的值。各指標(biāo)隸屬于V1，V2，V3的值分別為ri1,ri2,ri3,具體計(jì)算結(jié)果見表3。

3.3 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果及分析

上述已算出指標(biāo)權(quán)重W與評(píng)判矩陣R的值，根據(jù)式(7)可以求得2009-2015年鶴壁市水資源承載力的評(píng)價(jià)結(jié)果B，再根據(jù)式(8)可以計(jì)算出鶴壁市水資源承載力的綜合評(píng)分值C。計(jì)算成果見表4。

表2 鶴壁市2009-2015年評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)際值

由表4分析知鶴壁市2009-2015年水資源承載力多年綜合平均評(píng)分為0.422 4，屬弱承載。水資源承載力綜合評(píng)價(jià)結(jié)果中bj的值對(duì)V2級(jí)的隸屬度較大，明顯高于對(duì)V1與V3級(jí)的隸屬度，且V1級(jí)的隸屬度都要高于V3級(jí)隸屬度，表明鶴壁市水資源開發(fā)利用已經(jīng)具有了一定的規(guī)模，對(duì)本地經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展有了一定的水資源保障，雖然還可以開發(fā)，但潛力較小；2009-2013年鶴壁市綜合評(píng)分值呈增加趨勢并且趨向平穩(wěn)，而2014-2015年呈下降趨勢，表明鶴壁市水資源的開采已經(jīng)接近其開發(fā)容量，本地水資源很難承受將來經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)水資源的需求，如果不采取措施，地下水的超采及水資源供需矛盾都會(huì)加劇，將嚴(yán)重制約鶴壁市社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展；2015的評(píng)分值相對(duì)2014年有所增加，因?yàn)?2015年南水北調(diào)水在鶴壁市已經(jīng)部分投入使用，在一定程度上緩解了該市水資源用水緊張情況，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，需水量也將快速增加，故應(yīng)增快南水北調(diào)水全面投入使用，進(jìn)而提高該市水資源承載能力。

4 結(jié) 語

本研究通過構(gòu)建模糊綜合評(píng)判模型，對(duì)鶴壁市水資源承載能力進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。

(1)從鶴壁市的實(shí)際情況出發(fā)，綜合考慮多方面因素權(quán)衡抉擇后選取了7個(gè)影響鶴壁市水資源承載力的評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過層次分析法確定了各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)該市進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。

(2)2009-2015年間，鶴壁市水資源承載能力多年綜合平均評(píng)分為0.422 4，屬弱承載。評(píng)價(jià)結(jié)果中bj的值對(duì)V2級(jí)的隸屬度較大，明顯高于對(duì)V1與V3級(jí)的隸屬度，且V1級(jí)的隸屬度都要高于V3級(jí)隸屬度，表明鶴壁市水資源開發(fā)利用已具有一定規(guī)模，進(jìn)一步開發(fā)潛力較小。

(3)依照鶴壁市目前經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展及人口增長迅速的情勢來看，未來對(duì)水資源承載能力將提出更高的要求，南水北調(diào)投入使用后，該市水資源承載能力有所增強(qiáng)，但是從整體上來看，水資源供需矛盾仍是制約當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要瓶頸，因此落實(shí)水資源優(yōu)化配置，實(shí)行水資源合理開發(fā)利用仍是今后一個(gè)時(shí)期內(nèi)的重要工作目標(biāo)。

(4 )解決當(dāng)?shù)厮Y源供需矛盾的主要出路是建立節(jié)水型社會(huì)，提高各行業(yè)節(jié)水水平，加強(qiáng)水資源統(tǒng)一管理，運(yùn)用經(jīng)濟(jì)杠桿促進(jìn)水資源節(jié)約與保護(hù)，從而達(dá)到提高水資源利用效率，提高水資源承載能力，實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)開發(fā)利用之目的。

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[1] 汪嘉楊,李祚泳,余 靜. 水資源承載力評(píng)價(jià)的升半Г型分布指數(shù)公式[J]. 自然資源學(xué)報(bào),2014,(5):868-874.

[2] 閔慶文,余衛(wèi)東,張建新. 區(qū)域水資源承載力的模糊綜合評(píng)價(jià)分析方法及應(yīng)用[J]. 水土保持研究,2004,(3):14-16,129.

[3] 惠泱河,蔣曉輝,黃 強(qiáng),等. 二元模式下水資源承載力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型研究[J]. 地理研究,2001,(2):191-198.

[4] 陳洋波,陳俊合,李長興,等. 基于DPSIR模型的深圳市水資源承載能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[J]. 水利學(xué)報(bào),2004,(7):98-103.

[5] 王友貞,施國慶,王德勝. 區(qū)域水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的研究[J]. 自然資源學(xué)報(bào),2005,(4):597-604.

[6] 秦莉云,金忠青.淮河流域水資源承載能力的評(píng)價(jià)分析[J].水文,2001,(3):14-17.

[7] 金菊良,魏一鳴,丁 晶. 基于改進(jìn)層次分析法的模糊綜合評(píng)價(jià)模型[J]. 水利學(xué)報(bào),2004,(3):65-70.

[8] 謝季堅(jiān)，劉承平.模糊數(shù)學(xué)方法及其應(yīng)用[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2012.