基于熵權(quán)-正態(tài)云模型的水資源承載力數(shù)據(jù)可視化評價分析

范昱楠

(遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001)

水資源是制約國家經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一[1-3]。水資源承載力[4]（CCWR）是水資源調(diào)查的熱點問題，其綜合評價對促進社會、經(jīng)濟和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。自20世紀80年代起，國內(nèi)學者針對城市流域（如新疆[4]，廈門、濟寧等）、河流流域（如黑河、淮河[5-7]等）開展CCWR研究；隨后，在地下水方面，時磊等人[8]闡述了關(guān)于地下水資源的CCWR內(nèi)容；在影響因素方面，李麗娟等人[9]將經(jīng)濟、人口等多因素考慮在內(nèi)，深入分析柴達木盆地的CCWR情況。研究范圍從概念抽象化到城市排水流域的具體化、從地表水資源到地下水資源、從單目標到多因素的綜合分析，促使CCWR研究逐步成熟。文章依據(jù)水資源量、用水量、經(jīng)濟生活的準則構(gòu)建評價指標體系，基于熵權(quán)法及模糊矩陣建立熵權(quán)-正態(tài)云模型，評價2020年全國各省份的CCWR情況，并借助web框架實現(xiàn)分析數(shù)據(jù)與評價結(jié)果的可視化，更直觀的分析水資源與區(qū)域發(fā)展的依存關(guān)系，以期促進社會、經(jīng)濟、環(huán)境與資源的協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 研究方法

1.1 水資源承載力評價指標體系的建立

文章按照科學性、協(xié)調(diào)性、代表性、可操作性原則，構(gòu)建了以CCWR為目標層，以水資源量、用水量、經(jīng)濟生活響應(yīng)為準則層的CCWR綜合評價指標體系（見表1）。其中指標性質(zhì)分為積極（“+”）和消極（“-”）影響，各項指標原始數(shù)據(jù)按照等距法劃分等級。

表1 水資源承載力綜合評價指標體系內(nèi)容

1.2 熵權(quán)計算方法

指標權(quán)重越大，說明該指標對CCWR的影響程度越高。

首先構(gòu)建標準化評價矩陣：假定i個評價對象，每個評價對象對應(yīng)j個指標,對每個評價指標進行無量綱化，得到標準化矩陣bij；其次確定特征比重cij及熵值hj；最后確定評價指標熵權(quán)Wj如式（3）。

式中：當cij=0時，修正cijlncij=0；且hj滿足0≤hj≤1；Wj滿足公式ΣWj=1。

1.3 正態(tài)云模型及可視化平臺的構(gòu)建

正態(tài)云模型是解決CCWR評價過程中模糊性、隨機性及離散性問題的有效方法之一，通過云數(shù)字特征值即期望值Ex、熵En和超熵He表示。計算過程為：利用數(shù)值生成高斯隨機數(shù)En'i和Xi，并計算Xi的確定度μi，產(chǎn)生n個（Xi，μi）式云滴，如下式：

CCWR綜合分析數(shù)據(jù)的可視化基于Python、Flask、Enterprise Charts工具構(gòu)建。

水資源承載力綜合評價指標體系內(nèi)容，見表1。

2 水資源現(xiàn)狀分析

基于可視化平臺架構(gòu)，依據(jù)《水資源公報》、《國家統(tǒng)計局》、《統(tǒng)計年鑒》等數(shù)據(jù)對2020年全國各省市（除香港、澳門特別行政區(qū)和中國臺灣省以外）水資源現(xiàn)狀進行綜合分析。

由分析可知，從水資源量方面看，地下水資源量小于地表水資源量，這與地下水與地表水的轉(zhuǎn)換關(guān)系相吻合。

從用水量類型來看，農(nóng)業(yè)用水量工業(yè)用水量生活用水量生態(tài)用水量，說明中國仍處于農(nóng)業(yè)大國向農(nóng)業(yè)強國的轉(zhuǎn)型進程中，農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)仍有待進一步提高。

從區(qū)域分布來看，水資源總量排名前五的省份分別是西藏、四川、湖南、廣西、云南，最低的是寧夏；總用水量排名前五分別是江蘇、新疆、廣東、黑龍江和湖南，最低的是青海。結(jié)合經(jīng)濟影響的GDP指標（全國前五為廣東、江蘇、山東、浙江和河南），污水排放量與用水量均與GDP成正比。可見，用水量、排污量均與水資源量關(guān)聯(lián)性不高，而與經(jīng)濟發(fā)展高度關(guān)聯(lián)。

要形成優(yōu)勢互補的高質(zhì)量區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展布局依賴于區(qū)域水資源的合理調(diào)配。地處沿海的廣東、浙江、江蘇、山東等經(jīng)濟大省，雖水資源量不足，但政府可以通過購買服務(wù)、建設(shè)生態(tài)補償點等方式，以此實現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置。

從污水排放量方面看，地處沿海的經(jīng)濟大省也是污水排放大省。說明政府要加強對污水排放管理政策的同時，在污水處理工藝方面要通過完善企業(yè)稅收優(yōu)惠政策，鼓勵企業(yè)投資參與污水處理廠中能源循環(huán)利用、污水資源化等問題的工藝改造技術(shù)。

3 水資源承載力結(jié)果分析

基于熵權(quán)-正態(tài)云模型及數(shù)據(jù)可視化平臺，對全國水資源承載力情況進行分析探討。

1）對各省市水資源狀況進行劃分，采用等距法將其劃分為5個等級：弱(I級)、較弱(II級)、一般(III級)、較強(IV級)、強(V級)五個等級標準。其次根據(jù)正態(tài)云模型原理，基于上述評價等級標準，利用Pycharm編寫正態(tài)云模型運行代碼，計算得到云模型的數(shù)字特征Ex和En的值，He根據(jù)前人經(jīng)驗取常數(shù)為0.2。云數(shù)字特征值，見表2（其中，“E”指標表示全國各省綜合評價值的分級標準）。

表2 云數(shù)字特征值

2）將云數(shù)字特征值輸入正向云發(fā)生器，運行500次。再根據(jù)熵權(quán)法計算，得到全國各省各指標的權(quán)重值結(jié)果：A1=0.288，A2=0.194，A3=0.263，B1=0.028，B2=0.022，B3=0.029，B4=0.037，C1=0.093，C2=0.046。

最后根據(jù)式（7），由得到的指標權(quán)重分別與各年份單因素隸屬度矩陣進行模糊轉(zhuǎn)換，再對其進行綜合評價計算，得到結(jié)果，全國各省綜合評估值，見表3。綜合評價結(jié)果數(shù)值越大，表示該年份水資源承載能力越強；反之越弱。

表3 全國各省綜合評估值

由各指標權(quán)重計算結(jié)果可得，準則層方面對全國水資源承載力影響大小依次為水資源量、經(jīng)濟生活、用水量。說明在全國視角下用水量的減少并不能明顯提高該省市CCWR情況，要以合理規(guī)劃水資源量層面指標為主，經(jīng)濟生活層面指標為輔的方式提高水資源在支撐各省經(jīng)濟社會發(fā)展規(guī)模，維系良好生態(tài)的能力。

在具體指標體系中對全國水資源承載力影響排序依次是地表水資源量、其他水資源量、地下水資源量、污水排放量、GDP、生態(tài)用水量、生活用水量、農(nóng)業(yè)用水量及工業(yè)用水量。因此各地區(qū)應(yīng)將重點放在水資源量層面，鼓勵實施“清水活水”、提升斷面水質(zhì)的舉措，要以凈化河流、冰川及湖泊等活水量水質(zhì)方式為主，以減少污水排放量并提高區(qū)域生產(chǎn)總值為輔的方式來提高全國的CCWR。

根據(jù)綜合評價結(jié)果可知，中國從西到東，從南到北CCWR呈遞減趨勢。我國東北省市CCWR為“弱”水平的主要原因在于受地理位置及氣候地帶條件限制，地表水資源量不豐富，基于此在東北省市要注重經(jīng)濟生活層面的指標，即污水排放總量和GDP指標，該類指標需要作為提高水資源承載力的重點改進與治理對象。要以強化污水排放控制、提高區(qū)域生產(chǎn)總值方式為主，加強用水過程監(jiān)管和用水總量控制為輔的方式提高CCWR。

湖南、廣西等省市CCWR呈“較弱”水平。對于水資源量豐富的省市，主要因其經(jīng)濟發(fā)展模式的不匹配，從而使得其承載能力落后。由此針對水資源量豐富的省市要通過充分發(fā)揮現(xiàn)有的資源優(yōu)勢，以提高地區(qū)生產(chǎn)總值為目的從而提高CCWR。要加強水源工程建設(shè)，以最低的資源代價使經(jīng)濟以較快的速度發(fā)展，充分享受國家的扶貧政策，培育經(jīng)濟增長中心，大力發(fā)展經(jīng)濟。

云南、江蘇及新疆CCWR處于“一般”水平。主要原因在于水資源的供需不平衡，由于氣候溫度上升，未來水資源蒸發(fā)量的加大將使得CCWR面臨嚴峻下降的局面。因而針對該類省市要通過優(yōu)化用水結(jié)構(gòu)、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，提高耗水量相對較小的第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)模并提高污水回用率等方式，進而提高該類省市CCWR。

4 結(jié) 論

文章構(gòu)建了水資源綜合評價的指標體系，基于熵權(quán)-正態(tài)云模型開展了省域CCWR評價。分析結(jié)果表明，整體上提高我國CCWR應(yīng)以凈化水質(zhì)為主，以減少污水排放，提高國民生產(chǎn)總值為輔的方式；在水資源受地理位置條件限制的地區(qū)，要以控制污水排放，提高GDP的方式為主；在水資源量豐富的地區(qū)，發(fā)揮資源優(yōu)勢，加強水源工程建設(shè)，享受扶貧政策發(fā)展經(jīng)濟的方式為主；在水資源量“一般”的地區(qū)，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，提高污水回用率等方式為主，進而提高CCWR。