遼寧省鞍山市抗旱能力評價

董忠龍

(鞍山市水利事務服務中心，遼寧 鞍山 114002)

0 引 言

抗旱能力是指被研究區域內社會經濟發展、組織管理、生產技術、水利工程等人類活動，能夠減輕、抵抗和防御干旱災害風險的綜合能力。干旱災害具有影響范圍廣、持續時間長、危害程度高、發生較為頻繁等特點，對區域抗旱能力的綜合評價可為抗旱應急方案制定、抗旱決策以及旱災風險管理等提供重要的支撐[1]。目前，針對抗旱能力的評價多集中于農牧業方面，國內相關研究還處于初始階段。例如，顧穎等對我國農業抗旱能力等級運用模糊聚類方法進行評判；鄧建偉等對甘肅省農業抗旱能力利用單目標分析法進行了系統分析；云小林等對內蒙古牧區的抗旱等級采用模糊決策方法進行了評價；張歡等對河北省農業抗旱能力運用多指標多層次模糊評判法進行了科學分析；伊吉美等對大連市農業旱災脆弱性程度選用模糊綜合評價法進行系統分析；美國國家建筑科學研究所和聯邦緊急事務所研制了能夠評估自然災害損失的HAZUS系統，為了評估氣象災害造成的直接和間接經濟損失澳大利亞氣象部門和緊急事務所開發了一套EMA工具。然而，針對區域抗旱能力整體評價及提高抗旱能力的研究還鮮有報道[2-6]。鑒于此，文章以遼寧省鞍山市為例，通過分析區域抗旱能力關鍵性影響因子，從多個不同方面建立能夠系統反映抗旱水平的指標體系，對鞍山市抗旱能力運用可變模糊集模型進行綜合評價，在此基礎上結合區域發展情況和自然特征提出有效的政策建議。

1 可變模糊集評價模型的構建

根據可變模糊集理論和識別的抗旱能力樣本數目，建立基于區間形式評價標準的可變模糊集模型，在識別處理區間形式的評價等級問題時具有較強的適用性和科學性。詳細的建模流程如下：

1)依據樣本抗旱能力影響因子和識別的評價樣本數目，構造抗旱標準特征值矩陣和樣本集矩陣。引入X={x1,x2,…,n}為識別的抗旱評價樣本集合，選用m個指標特征值xj={x1j,x2j,…,xmj}T描述樣本j的特性，由此可構造樣本集矩陣為X=(xij)m×n，指標i關于樣本j的特征值為xij，其中i=1,2,…,m；j=1,2，…,n。按照c個級別特征值識別樣本集的m個指標，指標i關于h級別的標準特征值為yij，由此構造m×c階特征矩陣Y=(yih)m×c，其中h=1,2,…,c。

2)結合待評價區域的實際狀況和指標標準值矩陣，建立可變集合的抗旱能力范圍矩陣和吸引域矩陣，即：

Icd=([cih,dih])

(1)

Iad=([aih,bih])

(12)

其中，范圍域矩陣、吸引域矩陣分別為包含xij的某一上下界范圍域區間和實軸上模糊可變集合的吸引域，其中0

3)吸引域[aih,bih]中DA(xih)h=1的點值Mih的矩陣依據抗旱能力分為c個級別的實際狀況來確定，即：

M=(Mij)

(3)

4)關于Mij點樣本特征值xij位于左側或右側的判別依據為公式(1)-(3)，差異度DA(xij)h的計算式如下：

(4)

(5)

(6)

μA(xij)h=(1+DA(xij)h)/2

(7)

區域抗旱h等級下指標的相對隸屬度μA(xij)h矩陣為[Dh]=μA(xij)h，相對差異函數模型在x落入M點左側、右側時分別如下：

(8)

(9)

式中：DA(u)=-1;x(c,d)；β為非負指數，一般取1。

5)區域抗旱能力綜合評價模型選用文獻資料提出的方法，其表達式為：

(10)

6)根據最大隸屬度原則在模糊概念分級條件下的不適用性，對樣本抗旱能力運用級別特征值分析，即H=(1,2,…,c)×U。

2 鞍山市抗旱能力綜合評價

2.1 評價指標體系的構建

鞍山市地處環渤海經濟區腹地，為遼東半島開發區和遼寧中部城市群的連接紐帶，沈秦新電氣化鐵路、哈大鐵路、京沈及沈大高速公路橫貫鞍山，地理位置優越，交通條件發達。屬于溫帶季風氣候，冬冷干燥、夏熱多雨、四季分明、光照豐富，降水充沛，年均降水量703.7mm。境內氣候環境優美，平均日照時數2540h，平均氣溫9.4℃，相對濕度60%，年均蒸發量1750.2mm，最大凍土深1.18m，多年平均風速3.5m/s。鞍山市有太子河、渾河、遼河、哨子河、大洋河、饒陽河、海城河等支流，統計資料顯示全市地表水總量25.22億m3，境內供水量2.38億m3，地下水可開采量6.41億m3，可開發利用率108%，局部地區地下水超采現象嚴重。雖然該區域徑流量大、水系發達、水資源量較豐富，由于復雜的地貌特征和獨特的氣候條件，水資源存在邊際效益低、可開采量少、開發成本高和開采難度大等特征，加之水環境保護意識薄弱和地下水過度開采，境內水資源功能退化和干旱災害問題突出，旱災已成為制約當地社會發展和經濟建設的關鍵因素之一[7-9]。

文章結合數據資料的可獲取性和可靠性，提取鞍山市2018年抗旱能力評價各參數值，充分考慮抗旱能力影響因子和當地水資源利用現狀構建評價等級標準，如表1所示。

灌溉水利用系數為水源渠首處總引進水量中農作物一次灌溉期間利用凈水量的占比；城市化率為總人口中城鎮人口的占比；種植結構=(1-水稻播種面積/總播種面積)×100%。

2.2 抗旱能力評價

區域抗旱能力參評指標有20個，即i=1,2,…,20；待評價樣本為鞍山市，即j=1；抗旱評價標準由5級，即h=1,2,…,5。根據評價等級標準和指標特征值確定鞍山市抗旱能力點值Mih的矩陣M、可變集合范圍域矩陣Icd、吸引域矩陣Iab，其中指標標準值的上、下限通過外延1、2和4、5指標標準的區間分界點確定，其外延依據為2級和4級區間的長度，如表2-表4所示。

表1 鞍山市抗旱能力評價標準及參數值

表2 可變集合的吸引域矩陣Iab

表3 范圍域Icd

表4 范圍域Icd

關于Mij點樣本特征值xij位于左側或右側的判別依據為矩陣Iab、Icd和M，然后運用式(8)、(9)計算確定差異度，區域抗旱h級標準下指標的相對隸屬度μA(xi)hμA(xi)h利用公式(7)計算確定。為詳細說明該求解過程，在1-5級標準下計算確定人均水資源量指標的相對隸屬度μA(x2)h。

根據矩陣M、范圍域矩陣Icd、吸引域矩陣Iab以及指標特征值x2，計算確定h=1-5級標準下的點值M2h、范圍域向量和吸引域向量為:

[a2h,b2h]=[[0,1000],[1000,2000],[2000,3000],[3000,4000],[4000,5000]]

[c2h,d2h]=[[0,2000],[0,3000],[1000,4000],[2000,5000],[3000,5000]]

M2h=[0,1000,2500,4000,5000]

根據x2=1042.8，a21、b21、c21、d21、m21值分別為0、1000、0、2000、0，判斷指標x2的位置，確定其隸屬于各抗旱等級的隸屬度向量為[Uh]=[0.482,0.978,0.022,0,0]。然后對20個指標的權重利用加速遺傳算法中的AHP法計算確定，結果如下：

W=(0.071,0.064,0.062,0.050,0.087,0.092,0.078,0.052,0.061,0.036,0.032,0.037,0.046,0.032,0.032,0.034,0.038,0.031,0.031,0.030)T，其中α=2、p=1，代入公式(10)計算確定相對隸屬度為：U″=(0.877,0.705，0.782，0.780，0.789)，經歸一化處理得到標準矩陣如下：

U=(0.221，0.180，0.200，0.197，0.202)T

保持各特征指標的權重不變，改變模型參數分別計算鞍山市抗旱能力等級，即變換模型參數為α=2、p=2；α=2、p=1；α=1、p=2；α=2、p=2的4種情況，抗旱等級評價結果如表5所示。

表5 基于不同參數的抗旱能力等級評價

根據以上計算結果可知，區域抗旱評價指標特征值受模型參數改變的影響較小，抗旱評價等級基本保持不變，由此表明文中所用方法具有較好的可行性和準確性。

2.3 建議措施

鞍山市位于環渤海經濟區腹地，各行業用水量大且地下水長期處于超采現象。農業灌溉和城市發展之間的用水矛盾突出，受當地經濟社會發展水平限制工程與非工程抗旱措施落后，從而使得鞍山市抗旱能力較弱。為改善當地抗旱能力水平和提高水資源承載力，可采取的有效措施有：優化調整綠化作物、糧食作物的種植比例，改善種植結構；擴大有效灌溉面積和提高耕地灌溉率，節約用水提高用水效率；有效攔蓄洪水增大水庫總庫容，通過提高水庫水位標準增大干旱時期水庫雪水量；提高人均GDP和擴大第二產業規模；增大蒸發站、墑情、地下水測量站數，保證應急水源水質等。另外，還可采取興建和維修節制閘、河道綜合治理和地表徑流攔蓄等工程措施。目前，鞍山市地表水比較缺乏，部分地區的機井缺乏且分布不合理，為擴大井灌面積要加快機井建設力度，提升抗大旱能力；為實現節地、節能、節水和農作物增產目標還采用低壓管道灌溉、噴灌、地表防滲渠等措施。

3 結 論

對鞍山市抗旱能力運用可變模糊集模型進行科學評價，對建模流程、計算方法開展詳細的論述，結果表明該區域抗旱能力較弱，處于2級評定等級。為提高區域抗旱能力從工程和非工程措施兩個方面提出了有效的建議，基于鞍山市自然概況和發展狀提出的措施簡單易行。