基于多層次模糊評價模型的水資源承載力研究

肖 瑜，王方圓

(濟南市水利建筑勘測設計研究院有限公司，山東 濟南 250014)

1 研究區概況

青海省海西蒙古族藏族自治州(簡稱海西州)位于青藏高原的北部，青海省的西部。全州東西長837km，南北寬486km。海西州轄德令哈、格爾木及茫崖市，天峻、都蘭及烏蘭縣和大柴旦行委，總面積32.58萬km2。州域主體為中國四大盆地之一的柴達木盆地，具有典型高寒干燥大陸性氣候特征，盆地中心為干旱荒漠區，多年平均年降水深115.4mm，多年平均水面蒸發量高達1600mm左右。近年來，海西州發揮區域資源優勢，創建柴達木國家級循環工業園區，國民經濟取得快速發展的同時，水資源量需求逐年攀升，國民經濟需水與水生態環境之間的矛盾初現，為實現海西州水資源合理開發利用，促進社會經濟可持續發展，對海西州進行水資源承載力評價，將為區域水資源可持續利用提供參考。

2 評價模型建立和指標分級標準

2.1 研究方法及數據來源

水資源是社會經濟可持續發展的基礎資源，水資源的合理利用能夠促進社會經濟、環境持續向好，反之，水資源對社會經濟發展起限制作用。水資源對區域社會系統發展的支撐力度或程度可用水資源承載力表示，水資源承載力的定義方法眾多，目前尚未形成一致成果[1]。承載力的定義可歸納為3類，一是水資源可開發利用的上限，二是水資源可支撐的社會系統能夠良性循環的規模，三是將兩者或更多的因素綜合評價，得到一個較為合理可行的指標。關于水資源承載力的研究方法較多，有主成分分析法[2]、常規趨勢法、BP神經網絡模型[3]、綜合評價法和系統動力學法[4]等。由于我國地域遼闊，水資源時空分布差異巨大，加之人口規模、經濟發展、科技水平等因素，水資源承載力評價方法在各地區的應用存在差異?？傮w來看，由于水資源承載力具有隨機性、模糊性等特點[5]，模糊綜合評價法與熵權法[6]在解決水資源承載力方面具有獨特優勢。近年來，模糊綜合評價模型得到較為廣泛的應用，其結果的可靠性和準確性得到驗證[7- 8]。本文通過構建多層次模糊綜合評價模型，將隸屬度矩陣與因素的權向量進行模糊化運算，對海西州水資源承載力進行評價。指標權重的計算尚未有公認的最佳方法[8]，確定方法主要包括兩類：一類為主觀賦權法，包括層次分析法、專家調查法、環比評分法，其優點是對于難以量化的評價指標，可以通過經驗賦權值，得到貼近實際的結果，缺點是權值易受人為主觀因素影響；另一類為客觀賦值法，有熵權法、多目標分析法等，優點是權值的確定可以有效避免主觀因素影響，但對于不同決策目標，難以反應指標對目標的優先級。本次采用層次分析法和熵權法對指標權重進行計算，力求做到主客觀結合，權重適宜。

2.2 模糊綜合評價模型

根據模糊數學理論，模糊評判可用W⊙R=B模式描述。其中W為輸入，即參評因子權重集，是一個1×m階行矩陣；R為模糊變換器，即由單因子評價行矩陣組成m×n階模糊關系矩陣；B為輸出，即為綜合評判結果，稱為評價矩陣，為一個1×n階行矩陣[9]。模糊評判就是對擬評判對象選定一些主要因素，先進行單因素評判，評價結果構成模糊關系矩陣R[10]，再考慮諸因素在總綜合評判中的地位，求取R和W的過程。

(1)

其中“⊙”為模糊合成算子。常用的模糊算子有4種[11]，分別為M(∧，∨)算子、M(·，∨)算子、M(∧，⊕)算子和M(·，⊕)算子。對同一因素集用不同的模糊算子會使評價的結果產生差異，M(·，⊕)算子比較適用于多因素起作用的情況[12]，本文采用M(·，⊕)算子進行模糊綜合計算。

2.3 評價指標體系建立

水資源承載力系統并非一個獨立存在的系統，而是由水資源、經濟、社會、生態環境4個與人類密切相關的子系統組合起來的一個錯綜復雜的耦合系統。對于其評價指標的選取，不僅要覆蓋范圍廣，且需要有代表性[13]，選擇能夠反映研究區域特征的獨特性指標對研究結果的準確性有較大影響。為能夠全面真實地反映研究區水資源承載力情況，考慮柴達木盆地植被覆蓋度低、土壤組成松散，水土保持對水資源承載力影響[14]作用，綜合選取包括水土流失率在內的14個評價指標，構建包含水資源、經濟系統、社會系統和生態系統4個子系統的水資源承載力評價指標體系。將指標強弱分為5個檔，從低到高依次為弱、較弱、一般、較強和強。指標強弱分級主要參考青海省和西北地區先進水平。模糊綜合評價模型及指標分級標準見表1。

3 權重確定

綜合層次分析法與熵權法，得到綜合主客觀因素的指標權重W。

W=(Wi)1×n

(2)

(3)

表1 模糊綜合評價模型及指標分級標準表

層次分析法的基礎是比較判斷矩陣。由于每個準則都支配下一層若干個因素，這樣對于每一個準則及他所支配的因素都可以得到一個比較判斷矩陣。判斷矩陣的構建應得到一致性檢驗通過，若一致性比例CR=CI/RI<0.1，則認為矩陣一致性檢驗通過。RI為平均隨機一致性指標，CI為一致性指標。

(4)

式中，λmax—判斷矩陣的最大特征值；n—判斷矩陣階數。計算結果一致性指標均小于0.1，見表2，矩陣一致性檢驗通過。

表2 層次分析法權重計算結果

熵值在信息論中表示信息無序化程度的度量[15]。采用2004—2015年之間15年數據應用熵權法進行權重分析，將所得權重Wi′按式(3)進行計算，得到最終綜合指標權重，結果見表3。

4 結果分析

所得綜合權重W與評價矩陣R進行模糊運算，得到評判結果B(表4)。為能更加直觀評價水資源綜合承載力，令評語等級集合為各等級賦值為V={0.1，0.3，0.5，0.7，0.9}，進行運算后，可以得到海西州水資源承載力綜合得分。

(1)海西州水資源承載力綜合得分為0.4，水資源承載力介于較弱與一般狀態之間。說明海西州水資源開發利用存在不可持續問題，國民經濟發展與水資源承載力的矛盾尚未得到重視，水資源承載力正在轉變為社會經濟快速發展、生態環境優化的限制因素。

表3 水資源承載力各級評價指標綜合權重

(2)海西州水資源承載力水資源系統評價等級為一般，這與海西州地廣人稀，人均水資源量高、水資源開發利用率低，但產水模數較低的實際相吻合；經濟系統評價等級為一般，海西州工業用水水平較高，但區內都蘭縣、天峻縣為農業、牧業大縣，萬元GDP用水水平偏低；社會系統和生態系統評價等級為弱，是水資源承載力提高的主要壓力源。

(3)社會系統中的畝均灌溉用水量和生態系統中的水土流失率是水資源承載力提高的主要限制因素。海西州現狀灌溉水利用系數0.48，遠低于西北先進地區，未來海西州應加快推進灌區節水改造、優化作物種植結構，提高灌溉水利用系數，減少農田畝均灌溉用水量。同時，推進水土保持治理和小流域生態環境綜合治理，逐步降低水土流失率。

評價結果表明，海西州因國土面積廣闊，人均水資源量、人口密度、單位面積廢污水排放量等指標評分領先，但由于自然生態系統脆弱、用水效率不高等因素，總體水資源承載力較弱。海西州應立足“三個最大”省情定位，走資源可持續發展道路，建議進一步深入開展水資源承載力研究，挖掘、提升區域發展潛力。

表4 海西州水資源承載力評價結果

5 結語

通過篩選切合海西州實際的評價指標，建立起水資源系統-經濟系統-社會系統-生態系統耦合的多層次模糊評價模型，對海西州水資源承載力進行評價，取得了較好效果，文章對高寒地區水資源承載力評價具有一定的指導意義。由于水資源承載力評價指標和方法眾多，從眾多指標和方法中構建適合評價區域實際的模型是一項復雜的工作，進一步開展評價機理研究和評價方法篩選將是下一步高寒地區水資源承載力評價的重要工作。