基于灰色關聯分析法的白城市洪水資源利用效益分析

王 倩， 豐 飛

(1.吉林省水利水電勘測設計研究院, 吉林 長春 130021; 2.國家開發銀行吉林省分行, 吉林 長春 130000)

水資源是人類社會與經濟發展過程中賴以生存的基礎性資源之一，是維護人類生存、發展必不可少的支撐性因素[1]。隨著人類社會經濟的飛速發展和對生態環境保護的愈發重視，水資源需求相比以往也有了較大變化。因此，不同時期水資源面臨的問題與認知定位直接影響著水資源的開發利用方式、功能發揮、用水結構和用水效益等。洪水是一種常見且造成巨大損失的自然災害，其威脅之大，嚴重影響著人類生命財產安全[2]。然而對于中、小洪水來說，我們可以采取及時有效的工程及非工程措施積蓄洪水，并在缺水時實現蓄存洪水分配、調度和高效利用，維持地區水資源可持續發展。

洪水資源是干旱缺水地區十分富貴的水資源。在生態環境建設被納入我國“五位一體”總體布局，全國環境保護大會順利召開和習近平總書記就環境保護發表重要講話等諸多背景下，生態水利工程、地下超采等問題已倍受關注。洪水資源的合理利用不但會創造直接的經濟、生態效益，更在社會效益的創造中扮演者重要的角色[3]。然而，由于洪水的非常規性、復雜性和不穩定性，使得洪水資源利用的效益和風險并存，洪水資源的利用并未大范圍展開。如何評價洪水資源、界定洪水資源以及在不同產業合理配置洪水資源的也都存在著爭議，故評價洪水資源利用效益需要建立一套完整的評價體系。

本文界定了洪水資源利用的直接經濟效益、生態環境效益及間接經濟社會效益，并將白城市近些年來主要產業模式、門類及領域的效益納入其中，基于灰色關聯分析法進行關聯分析，確定洪水資源在不同類效益及各產業中所占比重，實現合理配置當地洪水資源，使得白城地區在對生態和社會干擾最小的基礎上獲取洪水資源的最大效益。

1 區域概況

白城市是“全國節水型井灌區建設試點城市”[4]，位于吉林省西北部(121°38′—124°22′E，44°13′—46°18′N)，嫩江平原以西，科爾沁草原以東地區。全市東西寬211 km，南北長230 km，總面積25 685 km2。地形多為平原，只在西北地區有低山丘陵，海拔120～280 m，土質多為黑土、草甸土和沙壤土。白城是以糧食生產為主的農牧業地區，是國家級大型商品糧基地[5-7]。白城地處我國干旱的內陸過渡帶和濕潤東部季風區，氣候屬北溫帶大陸季風氣候，年均降水分布不均，夏季降水占全年降水總量的70%以上，然而大多農作物在春、秋季需水量多，降水與農作物需水時間不一致，加劇了農業缺水及干旱情況，形成了以地下水利用為主的用水現狀。隨著對地下水資源的嚴重依賴，白城市地下水位相對于10余年前下降了2 m以上，局部地區地下水位甚至達到了7 m以上，并且地下水污染日益劇烈，水資源浪費極其嚴重[6]，故而白城市急需尋求其他有效的水利資源。白城境內有一江七河，汛期洪峰高，流量大，非汛期河道清水流量小，行洪期一般在每年的8—10月份，行洪期正值農作物生產發育的需水期，因此特殊的地理條件更有利于進行洪水資源利用，對洪水資源的優化配置也愈顯重要，并且白城市現有水庫亦可為白城提供了現成的蓄洪資源[7]。

2 灰色關聯分析

2.1 灰色關聯分析法

灰色關聯分析法(GRA)是灰色系統理論的一個重要方法，它以評價中各個因素的樣本數據為依據，利用關聯度來描述各因素之間關系的強弱、大小和順序。灰色關聯分析法與傳統評價方法相比，對數據的要求較低，計算量少，可同時對多個對象進行評價，并向被評價對象反饋有效的信息。灰色關聯分析法亦可直觀的建立分析模型，使關系量化、序化、顯化，實現有參考，有測度的整體化比較[8]。

2.2 建立指標體系

洪水資源利用效益的衡量依賴于經濟發展、社會進步和生態環境改善等變化，換言之合理利用洪水資源，不但可以增加第一、第二產業收入，更可以改善生態環境，發展第三產業。本文基于灰色關聯分析法，結合白城市的實際情況，分別從洪水資源利用所帶來的直接經濟效益、生態環境效益和間接社會效益確定洪水資源效益，從農業、工業、生活及生態用水等多角度出發選定效益來源，建立效益指標體系，具體詳見表1。

表1 洪水資源效益分類

2.3 研究方法

采用灰色關聯分析法對白城市洪水資源區域綜合效益進行分析，確定洪水資源在各因素經濟增長效益的比重，進而對當地洪水資源配置提出有效方案。

2.3.1 數據及整理 根據所確定指標體系，從《白城市年鑒》《白城市水資源公報》及相關資料文獻中獲取相關數據。采用市場價值法[9-10]、生產函數法[11]、替代費用法[12]、旅行費用法[13]及固定參數法[14]等不同算法確定指標體系中各項效益值。設x1，x2，…，xn分別為以上n個因素指標，反映各指標時間序列變化分別為{z(t)，x1(t)，x2(t)，…，xn(t)}，t=1,2，…，m。其中z(t)為參考序列，其他為比較序列。

本文選取指標體系的時間序列為2008—2017年，因本文是對白城市洪水資源進行綜合效益分析，故以該區洪水資源總用量為參考序列，其他指標為比較序列建立指標體系，詳見表2。

表2 白城市洪水資源利用效益指標體系構成

2.3.2 數據無量綱化處理 由于不同指標數據存在著數量級及極性的差異，所以需要對數據進行無量綱化處理后進行灰色關聯分析。本次無量綱化方法采用均值化法。即：

(1)

2.3.3 關聯系數計算 灰色關聯分析法[15-22]中的關聯性實際是指曲線間的幾何形狀差別，因此將以曲線的差值大小(即關聯系數Li(t))作為關聯度的衡量尺度。即：

(2)

式中：Δα(t)——比較數列與參考數列的絕對差，k——變異系數，一般選k=0.5。即：

Δα(t)=|Z(t)-Xi(t)|

(3)

Δmin——所有Δα(t)在各時刻的最小值，即：

(4)

Δmax——所有Δα(t)在各時刻的最大值，即：

(5)

2.3.4 關聯度的計算及排序 因為關聯系數的數據較多，為了便于比較分析，需要把分散的信息規整，采用取平均值的方法對各指標中各時刻關聯系數進行集中統一處理。這個平均值即為每個指標的關聯度ξ。即：

(6)

將n個比較數列指標對同一參考數列的關聯度依次排序，關聯度大則表明其在白城地區洪水資源對該項指標的效益影響力大，結果如圖1所示。

注：1為促進就業； 2文化科研效益； 3提高人口承載力； 4休閑旅游效益； 5水文調節效益； 6生物棲息地效益； 7大氣調節效益； 8凈化水質效益； 9漁業生產； 10糧食生產； 11優化產業結構； 12蘆葦生產； 13牧草生產

圖1白城市洪水資源與效益指標關聯度

3 結果分析

3.1 洪水資源對效益指標的影響

以白城市洪水資源總用量為參考序列，其他效益指標作為比較序列，從數值上看當地洪水資源利用對各效益指標均有一定程度的促進作用，效益的影響關聯度均在0.55以上。從圖1中可以看出，當地洪水資源利用在大氣調節及凈化水質上的效益較高，影響關聯度在0.85以上，說明白城市目前的洪水資源利用效益以濕地、地下水庫等自然蓄存形式產生的效益為主，洪水資源更多以自然形式為環境及生態所利用；而在促進就業、文化科研和漁業生產方面產生的效益相對較弱，影響關聯度低于0.70，這說明白城市在現有人工利用洪水資源的工程措施少，對促進就業、文化科研及漁業生產所帶來的效益不明顯。

3.2 洪水資源對效益的影響

對效益指標進行效益來源統計分析，確定白城市洪水資源分別對該地區直接經濟效益、生態環境效益及間接經濟社會效益的影響程度。評價系數取對應效益指標和的平均值，對效益的綜合影響如圖2所示。洪水資源的有效利用對直接經濟效益是較為明顯的，占全部效益的32%，而且直接經濟效益是可以以收益的形式進行反饋的，有效的利用洪水資源可從根本上解決當地水資源利用不合理，地下水超載等問題，反過來在很大程度上增加直接經濟效益。對于社會經濟效益來說，洪水資源的影響是不即時的，可能需要持續地長時間的洪水資源利用才能顯現。目前來說對當地的洪水資源利用效益只占總效益的25%。但通過多年數據結合采用灰色關聯分析法，可以有效預測分析洪水資源對當地社會經濟效益的影響。結合圖2不難看出，洪水資源在當地休閑旅游業及人口承載力的提高上有一定的作用，有效開發利用當地洪水資源不僅解決了當地缺水問題，提高了人口承載力，更有效發展了旅游休閑產業和其它第三產業，增加了當地人民的經濟收益。

白城市的洪水資源目前對生態環境效益影響最為明顯，占全部效益的43%。這是因為洪水資源能夠針對當地干旱半干旱的氣候特點，有效的緩解決當地的現狀缺水問題，從而提高生態環境上的效益產出，也在很大程度上增加了動、植物的效益產出。然而，上述分析仍然反映出，白城市目前的洪水資源沒有得到更加有效的利用，加之當地缺乏大型區域外引水和調水工程，效益大多局限在自然生態環境方面。所以，必須重視當地內部用水的轉化，增加針對性的工程及非工程措施將會在很大程度上增加洪水資源利用所帶來的社會效益及經濟效益，影響當地國民經濟的發展。

圖2 白城市洪水資源對效益的影響

3.3 洪水資源對產業及環境的影響

為進一步確定洪水資源對當地三次產業及生態環境的影響，把效益指標細化對應到相應的產業，計算效益指標關聯度和所占百分比，進而得到洪水對白城不同產業的影響程度。需要指出的是，一個效益指標往往關聯不止一個產業，如促進就業就可以關聯到農業、工業及第三產業(如圖3所示)。目前來說，白城市的洪水資源利用所帶來的效益更多是集中于生態環境本身，洪水資源對生態環境的影響是最為直接簡單的。相對來說，洪水資源利用為工業所帶來的效益就并不那么顯著了。白城洪水資源利用為三次產業及生態環境所帶來的效益比重，側面反映出當地洪水資源仍然具有很大程度的開發潛力，通過行之有效的工程及非工程措施積蓄洪水，逐步提高洪水資源利用效率是很有必要的。

圖3 白城市洪水資源對各產業及環境的影響程度

4 討 論

白城市境內的嫩江、洮兒河等江河近10 a來水量流失嚴重，這些流失的水量絕大部分來源于汛期暴雨洪水。通過本文分析可以看出，白城市對洪水資源的開發難度并不大，利用水保工程、水庫攔河閘壩、自然洼地、人工湖泊和地下水庫等蓄水工程蓄攔洪水，減少洪水資源的流失，不但有效緩解白城市水資源短缺，更可以恢復河流、湖泊、洼地的水面景觀，改善居住環境，發展第三產業。在不成災的前提下，合理利用洪水資源是白城市未來經濟發展的一個新途徑。白城地區有大中型水庫8座、小型水庫19座，對現有水庫的工作調度運用方式進行調整，進一步開發水庫潛力，對現有水庫進行加固改造建設，提高工程標準，對有條件的水庫庫容進行擴大，減少溢洪，科學調度，使白城境內水庫充分發揮多年調節作用。白城境內有自然湖泡百余個，可以利用天然湖泡的蓄水能力，將江河洪水引入，既節省投入，又能增加水資源，同時改善了白城市的生態環境。增加白城市的水利工程，沿河建設攔河閘，層層攔截，形成多道人工湖面，既美化環境，又補充了地下水，增加白城市的水資源總量。

5 結論及建議

灰色關聯分析法為有效利用和管理洪水資源，協調經濟發展、社會進步和生態環境合理利用洪水資源提供了新的思路與評價方法。采用灰色關聯分析法，從經濟條件、社會狀況、生態環境和水資源狀況等方面識別適用于區域的效益指標并構成影響評估指標體系，使研究區域在更大范圍上可定量估算洪水資源利用情況，能夠為未來的洪水資源利用配置提出相應的規劃及理論依據。

吉林省西部白城地區洪水資源利用實踐表明，洪水資源利用在干旱半干旱地區市可行的，由于當地水資源短缺的日益加重，合理利用洪水資源對于當地產業發展、社會進步及生態環境改善很有必要，效益極為可觀。目前白城市洪水資源對當地生態環境產生的效益較為顯著，而在產業發展上影響不夠，如能合理評估洪水資源現狀、規劃洪水資源利用和分配，合理安排洪水資源利用工程及非工程措施，可使洪水資源帶來更大的經濟效益，在最大程度解決當地水資源短缺的問題。