基于最大熵原理的莊河市水資源承載力模糊評價

高清震

(莊河市水務事務服務中心，遼寧 莊河 116400)

1 莊河市概況

莊河市位于遼東半島東側南部，處于E39°25′-40°12′，N122°-29′-123°31′之間，海岸線長285km，境內總面積6968km2。屬于大陸性季風氣候，年均氣溫9.1℃，氣候溫和，四季分明，夏秋季降雨集中，冬春季多風少雨，年均降水量757.4mm。莊河市為低山丘陵區，自北向南地勢呈逐次降低趨勢，地貌特征有“五山一水四分平地”之稱。受季風和地形影響，在空間和時間分布上降水量極不均衡，年降水的56%集中于每年的7、8月，自東北向西南方向降水量呈遞減趨勢。境內主要有小沙河、小寺河、莊河、那英河等，其中100km2以上的河流13條，河流總長882km。北部山區為所有河流的發源地，徑流南部沿海平原區及中部丘陵區，河流走勢自北向南徑流，最終匯入黃海。莊河市水資源存在著可開發利用量較少、開采成本高、邊際效益低等難題。

依據莊《河市2018年水資源公報》、《莊河市2018年統計年鑒》等相關統計資料可知：莊河市淡水資源比較豐富，全市淡水資源總量為17.45億m3，有中小河流349條，流域面積2944.65 km2，多年平均地表水總量16.96億m3，35座大中小型水庫總庫容6.7億m3，正常庫容5.13億m3，可供水量4.78億m3。塘壩、攔河閘、引提水站、機電井、深井等水利工程，可供水2.02億m3。全市水利工程合計可供水量6.8億m3。莊河市人均水資源占有量約為1900m3，與大連市平均水平相比，水資源相對豐富，與全國平均水平相比，約占82%。莊河市人均年供水量為206 m3/人·a，年供水模數19.2萬m3/km2·a，水資源灌溉率76%，城市人均生活用水0.19 m3/人·d，農村人均日生活用水0.05 m3/人·d，需水模數22萬m3/人·a，人口密度312人/km2，人均年工業產值4954元/a。

近年來，莊河市依托其優越的環境條件和獨特的地理優勢迅速發展經濟，污廢水排放量和用水需求量急劇增大，水資源供給矛盾和水體污染問題現已十分突出。局部地區由淺層地下水和地表水污染已發展至深層地下水，民用淺水井水質較差已無法滿足飲用水標準要求。2015年莊河市水源保護規劃顯示，境內的13條主干河流均受到不同程度的污染，污水未經處理或處理不達標排入河道使得水系統環境不斷下降?？傮w來看，在空間分布上南部地區的水環境污染相對較輕，而北部地區的較重，這主要與當地居民用水需求、排水方式、農業重視、工業生產、經濟發展和環保政策等因素相關[1-3]。

2 基于最大熵原理的承載力模糊評價

依據現有研究成果和施雅風等[4]觀點，將水環境承載力的內涵概括為：在特定的生產條件和科學技術下區域水資源能夠最大程度的支撐生態環境、人類生產生活和工農業發展的用水能力，在這種容量下水資源不會引起環境惡化且具有自我更新和自然循環功能。通過對人口規模、經濟社會與水資源系統相互作用的研究分析，為水資源科學利用和管理規劃提供科學指導為承載力評價的根本目的。

模糊集理論在處理分析承載力各模糊性因子時具有較強的適用性，能夠保證評價結果的客觀性和準確性，但該方法未能考慮評價結果受隨機性因子的影響。對于水文參數包含的不確定性可選用具有整體觀念的“最大熵”理論衡量，該該方能夠綜合考慮各方面因素深層刻畫隨攜帶的不確定信息。據此，為消除不確定性對承載力評價的影響引入最大熵原理，從而構建最大熵與模糊集相結合的綜合評價模型。

2.1 評價模型

設n個樣本所對應的m項指標的評價等級有k個，由此建立包含n個水資源承載力評判區域的樣本矩陣C和k級評價標準的矩陣S，具體形式為：

(1)

(2)

水資源承載力評價的重要環節是合理構造標準矩陣和樣本矩陣，考慮到不同指標量綱的不同需要對初始數據進行規格化處理，從而構造標準模糊矩陣，其處理方法如下：

式中：si1、si2、sik為承載力等級為1、h、k時各參數的標準值。根據以上規格化公式可將模糊矩陣轉化為如下標準形式，即：

考慮各參評指標的內涵特征和區域水資源利用現狀，采用如下公式轉化處理區域樣本值，即：

(3)

(4)

將區域樣本矩陣利用公式(3)、(4)可轉化為模糊矩陣，轉化結果為：

設k級承載力標準下由n個待評價樣本構造的隸屬度矩陣為U，其表達式為：

(5)

(6)

2.2 建立評價體系及標準

水資源直接關系著社會經濟的發展速度和人類的繁衍生存，其承載力水平為評判當地能否持續健康發展的重要依據。不同地區水文條件、氣候因素和水資源狀況存在一定差異，所以評價指標體系的建立應盡可能的體現區域水資源利用過程中存在的問題以及可能發生的變化。同時，有些參數具有一定的關聯性，有些指標對評價結果影響較大，對此應選擇數據易獲取且具有關聯性的參數。為全面了解水資源承載力狀況就必須從眾多的復雜數據信息中選取典型指標，評價體系的構建應遵循的原則有：①科學性，承載力評價體系應具有科學的內涵，較為客觀、準確的反映水資源系統特征和承載力影響因子，最大限度的準確描述不同指標間的關聯特性；②完備性，承載力評價要綜合考慮用水量、供水量、人口規模等等方面因素，較為全面、系統的描述水資源系統狀況，在一個完整的系統內分析各項評價因子；③可行性，評價指標應盡可能的便于數據的獲取和計算，指標的內涵簡單明確，在具體的應用中具有普遍適用性，并保證計算方法的可行性；④顯著性，評價因子應盡可能的體現水資源系統與區域發展規劃間的差異，各單一指標要盡可能替代的原有貢獻概率，所包含的信息應盡量的豐富，度量簡便、靈敏性強；⑤代表性，水資源系統涉及到的因素多、范圍廣，承載力評價時沒必要也不可能將所有指標參與計算，所以指標的選擇要結合數據資料和信息，選擇涉及水資源各方面的代表性指標。

文章結合莊河市水資源相關資料和已有研究成果，綜合考慮與水資源相關的各方面因素，從遼寧省環境統計公報、水資源公報、統計年鑒等資料提取相關參數，在遵循上述原則的基礎上建立多因子綜合評價體系，如表1。

表1 莊河市水資源承載力評價體系

根據其他具有相似社會經濟與自然條件的區域承載力評價標準，參考文獻資料、莊河市發展規劃、國家和國際認可的水資源標準，將承載力劃分為為V1、V2、V3級3個標準，其中V1級代表水資源開發利用具有較大的開發空間，承載力水平較高可滿足區域經濟發展的需要；V3等級代表區域水資源開采接近極限狀態，進一步開發利用的潛力較低其承載力水平較差；V2等級處于以上兩種狀態的中間水平，即優于V3劣于V1級。各項評價指標2025年、2030年的期望值如表2，部分評價標準和數據來源于文獻。

表2 莊河市水資源承載力評價標準及其期望值

續表2 莊河市水資源承載力評價標準及其期望值

2.3 結果分析

綜合考慮莊河市水管理部門和水資源領域專家意見，經適當調整構造各指標相對重要性判斷矩陣，然后對8項指標權重利用AHP法確定，最終計算得到wi=(0.143,0.126，0.126,0.125,0.114,0.126,0.125,0.115)，B值為10。

按照以上計算步驟對各參數數值值進行規格化處理，然后利用公式(6)和模糊數學法計算確定莊河市2018、2025年最優分級結果，如表3。

從表3可以看出，莊河市水資源承載力在2025、2030水平年均處于V3等級，水資源開發利用程度已趨近于極限水平，進一步開發利用的潛力較低其承載力水平較差。莊河市2025年承載力隸屬于V2、V1等級的數值分別為0.487、0.013，而V3與V2級的評價值相差不大，且屬于V3等級的程度并不十分顯著，可見雖然2025年該區域水資源為V3，但也趨近于上一等級V2；莊河市水資源承載力在2030年為V3與V2級的評價值為0.923、0.060，二者存在較大的差距，隸屬于V3級的程度更加顯著，可見在2030年的缺水程度較2025年更加嚴峻?？傊?，莊河市水資源短缺矛盾越來越緊張，且現狀可承載能力負荷過高已無法滿足用水需要[5]。

2.4 承載力提升措施

水資源承載力覆蓋的范圍廣、因素多，主要與污水處理率、水資源量、第三產業比重、污水處理率、降水量等因素相關，另外海域耗水量、GDP增長率、人口自然增長率等因素有關。結合上述評價結果和莊河市水資源利用現狀，為進一步提升其承載力水平可采取的有效措施如下：

1) 加強節水意識，建設節水型社會。加快節水器具、設備的普及和供水管網的改造，減少水資源的浪費切實提升節水意識，進一步調節水價和優化生活用水定額；推行節水責任制，建立節水管理法規和制度體系，根據區域缺水程度對行業用水定額重新制定或調整；注重澆灌節水技術和抗旱作物的研究，加強骨干灌水線節水改造工程建設，提升灌區渠系的防滲率和配套率，采取河道整修防滲和入河口排入控制工程。

2) 用水結構調整，提升用水效率。結合當地實際情況對第三產業結構進行優化，提升莊河市企業重復用水率和第三產業比重，最大程度的降低萬元GDP耗水量。加快節水器具、設備的普及和供水管網的改造，減少水資源的浪費并提升居民節水意識。

3) 嚴格控制污染，加強水環境保護。按照循環經濟發展理念轉變傳統的污水處理方式，從源頭上控制水體污染來源；嚴格限制重污染環境的化工企業，在沿江、沿河和工業密集帶控制新工廠建設；為實現遼莊河市各主城區沿河污染的有效控制采取排污口改道措施，采取集中處理生活垃圾和水上航運污染[6]。

3 結 論

為消除不確定性對水資源承載力評價的影響引入最大熵原理，構建最大熵與模糊集相結合的綜合評價模型，然后以莊河市為例驗證了該模型的科學有效性。研究表明，莊河市水資源承載力在2025、2030水平年均處于V3等級，水資源開發利用程度已趨近于極限水平，進一步開發利用的潛力較低其承載力水平較差。目前，莊河市的水資源短缺矛盾越來越緊張，且現狀可承載能力負荷過高已無法滿足用水需要，為進一步提升其承載力水平提出了有效措施。