基于模糊綜合評價模型的綏濱縣水資源承載力研究與探討

李 瑩，王立權，董 鶴，陳 楷

(1．黑龍江大學 水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080；2．黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 研究背景與研究方法

1.1 研究背景

我國有許多城市面臨著水資源短缺的問題[1-2]。水資源承載力是城市可持續發展的基本指標和前提條件[3-4]，綏濱縣作為水資源超載區，研究其水資源承載力是非常有意義的。近年來有很多學者對水資源承載力進行評價，如周振民等[5]基于模糊綜合評價模型評價鶴壁市水資源承載力；孫海波等[6]基于模糊綜合評價模型對遼陽市水資源承載能力進行評估；何青等[7]基于模糊權物元理論對地下水資源承載力進行評價分析。

1.2 區域概況

綏濱縣地處黑龍江省東北部，松花江和黑龍江之間的三江平原地區，所在區域是黑龍江省糧食主產區，近年來隨著農田灌溉面積的增加，轄區域內地下水開采量逐年增加，到2020年，綏濱縣地下水開采量已達8.94億m3，嚴重超過該縣2020年地下水開發利用控制指標5.99億m3和2030年地下水開發利用控制指標3.64億m3，屬嚴重超載地區。

1.3 研究方法

本文從環境子系統、經濟子系統、社會子系統、生態子系統等方面選取10個模糊評價指標構建模糊綜合評價體系，對綏濱縣水資源承載力進行主觀評價，通過熵權法對綏濱縣水資源承載力進行客觀評價[8]，熵權法是將水資源承載力評價指標進行標準化處理，利用信息熵得到各個指標的權重[9]，為建立模糊綜合評價模型提供依據。將主觀結果與客觀影響結合，從而準確地對綏濱縣水資源承載力進行評價。

2 模糊評價水資源承載力

2.1 影響水資源承載力的因素

影響水資源承載力的因素是多角度、多方面的。水資源承載力的強弱直接影響到社會、經濟、環境以及生態的發展，社會、生態、環境、經濟的發展也會反作用于水資源承載力[10]。

本文將選擇最能體現問題實質的主要因素來評價綏濱縣水資源承載力。

(1)環境子系統 。環境子系統主要是從水資源方面展開的，主要包括水資源的蘊藏能力與水資源的開發利用程度。對于綏濱縣而言，水資源的稟賦很關鍵，但能夠真正被有效開發利用的水資源量相比于水資源數量更加重要。影響水資源開發利用的因素有很多，其中比較關鍵的是水資源總量多少和開采難易程度。

(2) 經濟子系統。經濟子系統是水資源支撐的主體。我國之所以經濟發展如此快速，離不開水資源的加持。在整個國民經濟的發展過程中，其增長速度與需水量呈正相關；在國民經濟中產業結構的變化都會對水資源質和量提出新的要求，對水資源需求影響比較大。所以產業結構指標和GDP指標是一項衡量經濟發展活躍程度的全面性指標，本文采用產業結構相關指標、GDP相關指標來衡量綏濱縣經濟發展水平。

(3)社會子系統。人口數量與結構。社會子系統主要以人為研究對象。人口越多，水資源的消耗越大。目前社會系統中人口主要分為城鎮居民人口和農村居民人口。隨著城鎮化的推進，城鎮居民人口越來越多，社會子系統對水資源的消耗也一直上升。所以本文采用城鎮居民人均日用水量、農村居民人均日用水量等指標來評價綏濱縣水資源承載力。

(4) 生態子系統.水資源質和量是確保維持生態環境系統良性循環發展的主要前提條件，同時生態環境反過來對水資源具有涵養和凈化功能。因此，本文選取生態環境用水率來評價水資源承載力。

2.2 水資源評價指標體系的確立

(1)目標層 U。本研究確定的目標層 U為綏濱縣水資源承載力。

(2)系統層 Ui。本文的系統層 Ui是根據影響水資源承載力的因素來確定的，主要表現在四方面：環境、經濟、社會和生態。設立四大系統層，在這四大方面選擇指標體系，以便精確、全面地反映區域的水資源承載力。

(3)指標層 C。通過綏濱縣水資源承載力的實際情況，結合影響綏濱縣水資源承載力的主要因素，從環境、經濟、社會和生態四個方向選取10個具有代表性的評價指標構成綏濱縣水資源承載力評價體系。指標的選取遵循指標選取原則。參考我國水資源評價中指標分級標準及其他學者的研究成果[11]，將指標體系中每個指標分為三個等級，對水資源承載力進行科學評價。各分級標準值見表1，綏濱縣水資源承載力評價指標實際數據見表2。

表1 綏濱縣水資源承載力評價指標

表2 綏濱縣水資源承載力評價指標實際數據

2.3 熵權評價模型

通過對水資源承載力指標進行標準化處理，目的是為了消除指標不同單位帶來的影響。評價對象有m個，每個評價對象有n個指標，則構成判斷矩陣X，見式(1)：

X=(xij)n m,i=1,2,…,n,j=1,2,…,m

(1)

對原始數據進行標準化處理得到標準化矩陣Y，Y對于偏大型 指標和偏小型指標有以下計算方法。

當評價指標越大越優化時，見式(2)：

(2)

式中：xij為第i行第j列數據；xmin為第j列的最小值；xmax為第j列的最大值。

當評價指標值越小越優時，見式(3)：

(3)

求評價指標的信息熵Ei，見式(4)～式(5)：

(4)

(5)

式中：Yij為標準化矩陣Y中元素;Pij=0時，則定義limPijlnPij=0。根據式(6)得出各指標權重集。

(6)

式中：Wi為第i行指標權重；Ei為第i行信息熵。

從上面公式可計算出水資源承載力評價指標體系所占的權重。見表3。

表3 水資源承載力評價指標體系權重

2.4 模糊評價模型

2.4.1 確定評價因素和評價等級

構建評價因素集合：設X={x1,x2,…,xn}為評價對象的n種評價指標[12]。

構建評價等級集合：設V={v1,v2,vk,…}為評價等級，其中m表示評價等級個數，一般為3～5個等級。

2.4.2 建立隸屬度矩陣

在得到指標所占權重后，要對每個評價對象的評價指標矩陣X進行量化，通過隸屬函數表達式算出每個指標的隸屬度，以rij表示，K1為v1和v2的臨界值，K3為v2和v3的臨界值，K2為等級v2的中間值K2=(K1+K3)/2。進而得到隸屬度矩陣R。隸屬函數表達式如下式(7)～式(9) ：

(7)

(8)

(9)

合成綜合評價結果向量，見式(10)：

B={b1,b2,b3,…,bm}=W·R

(10)

式中：W={w1,w2,…,wn}為每個指標的權重系數集。

為更好反映區域時間維度上水資源承載力的變化，對v1、v2、v3進行賦值，分別為0.95、0.5、0.05，根據式(11)得出綜合評價值A。

(11)

式中：k為各等級指標對水資源承載力的影響程度，取1。

綜上所述，2015—2020年綏濱縣水資源承載力評價結果見表4所示。

表4 2015—2020年綏濱縣水資源承載力評價結果

通過分析綏濱縣近6年的水資源承載力，可以得到水資源承載力趨勢為先上升后下降，見圖1，最低值在2020年，水資源承載力指數為0.373，最高值在2017年，水資源承載力指數為0.511，2015—2017年水資源承載力指數上升的原因可能是三江平原區旱改水影響，政府的監督與倡導工作的落實。2017—2020年水資源承載力指數下降的原因可能是引進其他大項目導致對用水量的需求增大；隨著經濟的發展，工業需水量增加。所以應采取措施提高其水資源承載力，實現水資源可持續利用。

綏濱縣是以農業為主的縣市，從表2、圖1可以看出，水資源的開發利用主要是以地下水為主，地下水的過度開發利用是導致綏濱縣水資源承載力低下的重要原因，所以提高綏濱縣的水資源承載力可以通過對綏濱縣地下水的用水結構以及用量進行分析，從而對綏濱縣地下水進行壓采來實現水資源可持續利用。

圖1 2015—2020年綏濱縣水資源承載力指數

3 結 論

通過模糊評價模型對綏濱縣近幾年的水資源承載力進行評價，可以得到綏濱縣的水資源承載指數呈先上升后下降趨勢，水資源承載力總體不高。而綏濱縣的水資源主要以地下水開發利用為主。所以若想提高地下水承載力，可通過對綏濱縣地下水進行壓采、水源置換等方式來實現。