基于組合賦權的青海省水資源承載力模糊物元分析

于倩雯,吳鳳平

(河海大學商學院,江蘇 南京 211100)

基于組合賦權的青海省水資源承載力模糊物元分析

于倩雯,吳鳳平

(河海大學商學院,江蘇 南京 211100)

以青海省為研究區域,以其所轄的8個行政分區作為研究單元,利用基于組合賦權的模糊物元分析法,從用水總量、用水效率、水質3個維度建立青海省水資源承載力的“三條紅線”評價指標體系。結果顯示:青海省水資源還具有較大的開發潛力,水資源承載能力較強。但是青海省水資源開發利用條件和程度呈現出區域性差異,西寧市和海東市水資源承載力已近飽和狀態,而其余地區水資源承載力相對較強,必須因地制宜采取相應的改善措施。

組合賦權;水資源承載力;模糊物元;青海省

隨著社會經濟的快速發展,各行各業對于水資源的需求量日益增加,區域水資源承載力的研究已經成為眾多專家學者的熱點課題。目前,水資源承載力的研究方法主要有模糊綜合評價法[1-3]、集對分析法[4-6]、主成分分析法[7-8]等,這些方法在水資源承載力的評價中得到了較好的運用,但是仍然存在一些不足。如評價過程中指標權重的確定偏于主觀,未曾考慮到指標數據信息的模糊性,最后計算出的評價結果也與實際存在一些偏差。而且在現有的水資源承載力研究文獻中,通常將水資源承載力看成一個社會、經濟、生態、資源的復雜系統[9-11],或者根據地區用水比例結合區域工農業人口承載量來考慮[12],未與國家及地區政府出臺的政策相結合。鑒于此,筆者在前人研究的基礎上,根據最嚴格水資源管理制度的要求,建立了基于“三條紅線”的水資源承載力量化指標體系,結合物元分析理論與模糊集、歐式貼近度的概念,構建水資源承載力模糊物元評價模型,并利用組合賦權法確定權重,對青海省及其8個行政分區的水資源承載力狀況進行實證分析。

1 材料與研究方法

1.1 研究區域概況

青海省位于青藏高原東北部,是我國西部重要省份之一,東西長約1 200 km,南北寬800 km,面積為72.10萬km2。其境內水資源豐富,涵蓋了長江、黃河、瀾滄江和黑河的源頭,是我國重要的水源地,素有“三江源”、“中華水塔”之稱。由于受海拔、地形、緯度、大氣環流等自然因素的影響,青海省擁有獨具特色的高原大陸性氣候,為我國干旱和半干旱氣候區,年降水量較少且時空分布不均。

1.2 “三條紅線”量化指標體系的確立

2012年1月,國務院發布了《關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》明確指出實施最嚴格水資源管理制度對于解決當今我國日益復雜的水資源問題具有重要意義。而現有水資源承載力研究文獻多采用水資源社會經濟復合系統指標,與實際政策脫鉤,且由于所選研究區域具有強烈外部性,在考慮確定量化指標體系時,筆者面向最嚴格管理制度的要求,結合國家水資源政策,更偏重于水資源視角的系統分析評估。根據相關文獻的研究成果[13],選取最嚴格水資源管理制度約束下影響水資源承載力的3個維度:用水總量控制、用水效率控制、水質控制。同時,考慮到數據的可得性及區域內不同地區的可比性,在3個維度下綜合選取12個評價指標,建立了基于“三條紅線”的水資源承載力評價量化指標體系(表1)。

表1 水資源承載力“三條紅線”量化指標體系

1.3 數據來源和計算方法

1.3.1 數據來源

以青海省8個行政分區:西寧市、海東市、海北州、海南州、黃南州、果洛州、玉樹州、海西州作為研究的基本單元,選取2013年為時間斷面,分析青海省各行政分區的水資源承載力差異,所用數據來源于《青海統計年鑒》、《青海水資源公報》、各縣市《水資源評價及優化配置》以及各行政分區的國民經濟和社會發展統計公報資料,對于部分地區缺失的相關數據,根據已有數據通過求加權平均值或線性插值法獲得。

1.3.2 數據規范化處理

越大越優型定量指標的規范化處理公式:

(1)

越小越優型定量指標的規范化處理公式:

(2)

1.3.3 組合賦權法確定指標權重

a. 變異系數法。變異系數法的核心思想是根據各評價指標所有樣本觀測值的變異程度大小來判斷各項指標對評價對象的影響程度,變異程度越大說明該項指標越能反映對評價對象影響的差距,賦予該指標的權重也越大,反之則越小。假設共有n個待評價對象(j=1,2,…,n)、m個評價指標(i=1,2,…,m),構成一個特征值矩陣X=[Xij]m×n(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n),其中Xij為第j個評價對象第i個指標的特征值。計算第i項指標的變異系數δi：

(3)

(4)

(5)

c. 組合賦權法。組合賦權法是將主觀權重與客觀權重相結合,從而使指標賦權更為合理的一種權重求解方法。為了使區域水資源承載力分析結果更為合理,筆者選取層次分析法作為主觀賦權方法,并運用層次分析法軟件yaahpV7.5求解主觀權重。信息熵法和變異系數法作為客觀賦權法,結合兩種方法的優缺點采用最小鑒別信息原理來確定綜合權重,以求主客觀因素的統一。假設主觀權重向量為w1(i),客觀組合權重向量為w2(i)=λwi變+(1-λ)wj熵,λ取值0.5，綜合權重為w(i),采用最小鑒別信息原理求出組合權重[7],計算公式如下:

(6)

1.3.4 模糊物元分析

a. 構造模糊復合物元。假設被描述的事物為M,它關于n個特征c1,c2,…,cn的模糊量值為v1,v2,…,vn,則稱R為n維模糊物元,簡記為R(m,c,v)。令v=u(x),若m個事物的n維模糊物元組合在一起,m個事物的n維模糊復合物元,記作Rmn,即

(7)

式中：Rmn為m個事物的n維模糊復合物元；ci為第j個特征(j=1,2,…,n)；Mj為第i個事物(i=1,2,…,m)；xij為第i個事物在第j個特征下對應的模糊量值。

b. 貼近度計算和綜合評價。貼近度指各個樣品與標準樣品之間的接近程度,反映接近程度的數值越大表示兩者越接近,反之則表示距離較遠。筆者采用先乘后加算法對水資源承載力的歐式貼近度進行計算:

(8)

根據ρHi構建歐式貼近度復合模糊物元RρH:

(9)

式中:ρHi(i=1,2,…,m) 為評價對象i與理想對象之間的歐式貼近度,根據ρHi值的大小來判斷區域水資源承載力的情況。

2 結果與分析

2.1 計算過程與結果

首先,根據式(1)、式(2)對青海省水資源承載力的12個量化指標進行數據規范化處理,得到規范化決策矩陣;其次根據式(3)～(6)計算各項指標的主客觀權重,得到綜合賦權。依據評價指標對區域水資源承載能力的影響程度將其劃分為4個等級。其中Ⅰ級表示該區域水資源開發尚處于初始階段,水資源仍有很大的承載潛力,其供給情況較為樂觀;Ⅱ級表示該區域水資源利用程度、發展規模都較小,水資源仍有較大的承載發展潛力;Ⅲ級表示該區域水資源承載能力較低,還有一定的發展潛力;Ⅳ級表示該區域水資源承載力已經達到飽和狀態,發展下去將發生水資源短缺,制約國民經濟的發展,這時應采取相應的對策。根據式(7)～(9),利用模糊物元分析法計算青海省及各行政分區水資源承載力的綜合評價值,見表2。

表2 青海省及各行政分區的綜合評價值

2.2 青海省水資源承載力綜合評價分析

從青海省的水資源承載力總體評價結果來看,青海省歐式貼近度值為0.497 3,目前處于Ⅱ級水資源承載力狀態,但有向Ⅲ級狀態過渡的趨勢,表明水資源仍然有較大開發容量,水資源承載能力的潛力相對較大。

2.3 各行政分區水資源承載力分析

從各行政分區的水資源承載力評價結果來看,8個行政分區的水資源承載力大小按照從小到大的順序排列,分別為:西寧市、海東市、海南州、海西州、黃南州、海北州、玉樹州、果洛州。其中8個行政分區內除西寧市和海東市外,其他地區水資源承載力較大,有一定開發潛力。綜合評價值中西寧市、海東市的歐式貼近度都大于0.4,說明水資源承載力達到飽和狀態,發展下去將發生水資源短缺,制約國民經濟的發展,應采取相應的對策;其他地區中海南州的歐式貼近度為0.353 1,水資源承載力等級為Ⅲ級,說明海南州的水資源承載能力較低,仍然有一定的發展潛力,需要通過工程性措施等對其進行開發;海北州、黃南州、海西州、玉樹州4個行政分區的歐式貼近度皆小于0.3,水資源承載力等級為Ⅱ級,說明這幾個地區的水資源利用程度以及發展規模都較小,地區水資源仍有較大的承載發展潛力;而果洛州為Ⅰ級的歐式貼近度,表明水資源開發尚處于初始階段,水資源仍有很大的承載潛力,其供給情況較為樂觀。

2.4 “三條紅線”維度水資源承載力分析

從影響水資源承載力的3個維度(用水總量控制、用水效率控制、水質控制)下的水資源承載力評價結果來看,用水總量控制下,水資源承載力處于Ⅳ級的地區有西寧市、海東市、海南州,這3個地區用水總量控制維度指標的歐式貼近度均大于0.7,說明該地區的水資源開發程度高,可供繼續開發的水資源量相對較少,水資源承載能力比較低;水資源承載力處于Ⅱ級的地區有海北州和黃南州,歐式貼近度在0.5～0.6之間,說明這2個地區的水資源量充足,可供開發的水資源較多,水資源承載能力較強;水資源承載力處于Ⅰ級的地區有果洛州、玉樹州、海西州,歐式貼近度均小于0.5,說明該地區的水資源開發程度較低,水資源承載能力高,水資源仍有較大的開發空間。用水效率控制下,水資源承載力處于Ⅳ級的地區為西寧市和海東市,用水效率控制維度指標的歐式貼近度大于0.7,說明西寧市和海東市社會經濟發展程度較高,工農業以及居民生活用水效率高;水資源承載力處于Ⅱ級的地區為海北州、黃南州、玉樹州、海西州,歐式貼近度在0.5～0.6之間,說明這4個地區的工農業及生活用水效率不高,水資源浪費現象時有發生;水資源承載力處于Ⅰ級的地區為海南州和果洛州,歐式貼近度小于0.5,說明海南州和果洛州的水資源用水效率比較低,工農業以及生活用水過程中的水資源浪費現象比較嚴重。水質控制下,水資源承載力處于Ⅳ級的地區為西寧市,水質控制維度指標的歐式貼近度大于0.7,說明西寧市水污染現象比較嚴重,可供開發利用的水資源量受到水質狀況的限制;水資源承載力處于Ⅲ級的地區為海東市、海北州、黃南州、海南州,歐式貼近度在0.6～0.7之間,說明這4個地區的水污染狀況不容樂觀,水資源承載能力較低;水資源承載力處于Ⅰ級的地區為果洛州、玉樹州、海西州,水質控制維度指標的歐式貼近度小于0.5,說明該地區的水資源污染現象比較少,水質狀況良好,水資源承載能力高。

3 討論

從青海省綜合分析來看,青海省是長江、黃河、瀾滄江、黑河的發源地,而且也是中國自然生態敏感地區。2012年出臺的《青海省人民政府辦公廳關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》明確了實行最嚴格水資源管理制度的總體要求和考核辦法,對青海省的水資源開發利用提出了新的要求。因此,加強節水灌溉技術的推廣,降低無效的水資源損耗,保障生態用水安全,是促進青海省水資源長遠發展的必要條件,青海省的水資源承載能力仍然具備較大的發展空間。

從各行政分區分析來看,青海省各地區的水資源開發利用條件和程度不平衡,水資源承載能力的分布呈現不規則狀態。西寧市、海東市位處青海省東部的湟水河流域,是青海省的政治、經濟、文化中心,社會經濟集中在狹小的湟水河流域,水資源承載力已近枯竭,進一步開發利用的潛力較小。海南州在地貌分區上屬柴達木—湟中海拔盆地大區,擁有眾多的灘地,雖然占據黃河之利,但是水資源開發困難,取用難度較大,這也與其評價結果比較吻合,水資源承載力較低,但仍然有一定發展潛力。海北州、黃南州、玉樹州、海西州以及果洛州地形復雜,地區國民經濟生產總值較低,以發展種植業、畜牧業為主,水資源開發尚處于初始階段,因此水資源的承載能力較強,評價結果符合現狀。

從“三條紅線”維度分析來看,青海省的用水總量、用水效率、水質仍然有待提高,用水總量控制方面西寧市、海東市水資源開發程度高,內陸河流域共和盆地和黃河一級支流湟水河流域水資源開發利用已達到極限水平,應嚴格實施國家最嚴格水資源管理制度,調整產業用水比例,實施水資源的合理分配,必要時可采取跨流域調水等工程性措施;而海南州應因地制宜,提高水資源開發技術,實現科學取水、合理取水;海北州、黃南州、玉樹州、果洛州和海西州的用水總量偏小,與地區的經濟發展程度有關,加快地方社會經濟的發展步伐,加大水資源的開發利用是今后的一個重點發展方向。用水效率方面,除西寧市和海東市外,其他地區的水資源利用效率還有待進一步提高,如海西州的柴達木盆地作為發展規劃中的重點開發地區,用水增長快,必須合理工農業布局,增加節水型設施,提高用水效率。水質方面,由于西寧市和海東市經濟的快速發展,當地水污染現象比較嚴重,需要控制污水排放口的廢污水排放量,提高廢污水處理率。其中水質維度下水資源承載力較高的地區中,海北州是青海湖水量平衡生態區,水質狀況優良;玉樹州和果洛州自古以來系長江、黃河、瀾滄江的發源地,為確保三江源生態平衡,水生態保護程度同樣較高。

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國家自然科學基金(41271537);國家社會科學基金重大項目(12&ZD214)

于倩雯 (1992—),女,博士研究生,主要從事區域水資源管理研究。E-mail:yuqianwen1992@163.com

10.3880/j.issn.1003-9511.2017.02.006

F407.9

A

1003-9511(2017)02-0026-05

2016-10-25 編輯：方宇彤)