铁岭市水资源承载力评价

黄 艳

(铁岭市南城子水库有限公司,辽宁 铁岭 112300)

随着经济的快速发展及人口规模的扩大,工业、农业、日常生活及生态环境用水需求量明显加大,加之各种极端气候事件频发,区域水资源短缺、地下水超采、时空分布不均衡等问题日趋突出。水资源承载力是指在保证水环境子系统生态功能及一定生活生产水平的条件下,通过科学合理分配特定区域范围内的水资源所能维持生态环境、经济社会和人口需求的最大支撑能力[1-3]。水资源承载力评价可以为水资源优化配置及宏观调控提供科学依据,这也是区域水资源、生态环境与经济协调发展的重要体现,对促进水资源高效可持续开发意义重大。

目前,比较常用评价方法有主成分分析法(PCA)、妥协解排序法(VIKOR)、逼近理想解法(TOPSIS)、模糊综合法(PCE)及多目标情景分析法等,并以模糊综合法的应用最为广泛。鉴于此,文章综合利用层次分析法和变异系数法计算参评指标组合权重,用灰关联系数替代模糊关系矩阵改进的模糊综合法评价铁岭市水资源承载力,通过与传统模糊评价结果的对比分析验证改进后模型的适用性及可行性。

1 研究方法

1.1 传统方法

传统的模糊综合法主要是对受多重因素制约的对象利用模糊数学隶属度原理进行综合评价,从而实现定性分析的定量转化,其评价流程如下:

步骤1:按照一定的顺序将所选n个评价因子排列构成评价元素集U={u1,u2,…,un},依据所分的m个评价等级构建水资源承载力评价集V={v1,v2,…,vm}。

步骤2:通过权重计算确定集合U内各个因素的权重及权向量W={w1,w2,…,wn},一般有AHP法、加权法等权重计算法。

步骤3:构造隶属度函数计算各参评指标关于不同评价标准的隶属程度,结合计算结果构造模糊关系矩阵R:

(1)

式中:rij为关于评价标准j参评指标i的隶属程度;行元素(ri1,ri2,…,rim)、列元素(r1j,r2j,…,rnj)代表参评指标i对各级标准的隶属度以及各参评因子对评价标准j的隶属度。

步骤4:采用合适的合成算子对模糊关系矩阵R与评价元素的权重向量集W进行模糊运算,经归一化处理确定模糊评价结果。采用先乘后加的模糊算子M(·⊕)进行模糊运算,可以确定综合评判矩阵B=W·R。

1.2 改进的模糊综合法

1)层次分析法。该方法的核心是利用1～9比率标度定量判断每个层次中各指标的相对重要性,虽然可以全面考虑不同指标的相互关系,但在构造权重判断矩阵时分级定量赋值法会导致不同因素的权重相差过大问题,并且具有较强的主观性,难以保证赋值的客观性。

2)变异系数法。该方法是利用计算公式和各指标直观反映的信息来确定其客观权重,参评指标取值差异越大则实现该指标的难度就越高,反映评价对象的差距更准确、更明显。考虑到各参评指标的量纲或数量级不尽相同,为消除这种不可通透性可以利用变异系数衡量其取值差异程度,计算方法如下:

(2)

(3)

3)组合权重。在保留原有数据的情况下参照专家给定的重要度评分,采用集成赋权法和变异系数法、层次分析法计算结果确定各指标的组合权重,即:

(4)

式中:pi、qi为层次分析法和变异系数法权重计算值;wi为组合权重。

1.3 灰关联法计算隶属度

灰关联法是一种全面比较并定量描述系统发展变化态势的综合分析方法,而标准对象与评价对象的接近程度一般用关联系数来反映,关联系数越大越接近于标准,其主要计算流程如下:

步骤1:确定比较序列xi(k)、参考序列x0(k)为评价阶段各指标的标准值和评价区域内各指标值。

步骤2:无量纲化。为了消除不同参评指标单位和量纲差异所带来的不可通透性,必须无量纲化处理初始序列,即:

(5)

(6)

式中:Yi(k)、Y0(k)为无量纲化的序列值。

步骤3:采用下列公式计算绝对差序列△0i(k)和关联系数ζ0i(k):

△0i(k)=|Yi(k)-Y0(k)|

(7)

(8)

式中:ρ为分辨系数,通常取0.5。经上述处理可以构造关联系数矩阵E,即:

(9)

将传统模糊评价法中的隶属度利用灰关联系数替代,即模糊关系矩阵R中的隶属度rij取比较序列xi(k)与参考序列x0(k)的关联系数,以此作为指标xi(k)隶属于各等级的程度。

2 实例应用

2.1 研究区概况

铁岭市地处辽宁省北部,境内河流众多,其中有39条流域面积超过100km2,随着人口数量的增多及工农业的生产发展,区域水资源供需矛盾日益突出,水资源短缺对生态经济的持续发展和人们生活质量提升等构成极大制约。在西伯利亚寒流与太平洋暖流的双重作用下形成大陆性半湿润季风气候,年均降水量616～725mm,降雨时空分布极不均衡,其中6-9月(汛期)占全年降水量的65%以上,自西北向东南降水逐渐增多,有效拦截利用地表径流比率只有22.8%。调查显示,铁岭市每年生活用水量0.47亿m3,年均总用水量12.54亿m3,城镇人均用水量426m3远低于全国的平均值;地下水资源以工业用水、农业灌溉用水为主,工、农业用水0.78亿m3和11.5亿m3。历史上铁岭市曾多次出现供水紧张的情况,对当地经济发展带来不利影响,加之工业污水及生活垃圾产生的二次污染,打破了水生态和水资源系统的平衡[15-16]。

2.2 构建评价体系

文章充分考虑铁岭市生态环境保护、社会经济发展情况和水资源状况等内容,遵循数据可获取性、独立性、系统性、层次性和科学性原则合理选择8个指标,构建多层次梯阶评价体系如表1。参考2020年《铁岭市水资源公报》、《统计年鉴》相关资料选取2020年(基准水平年)各项指标数据,结合《铁岭市水资源综合规划》获取2025年和2030年各指标预测数据。

表1 铁岭市各指标数据

结合水资源承载力受不同评价指标的影响程度,将评价等级划分成v1(Ⅰ级)、v2(Ⅱ级)、v3(Ⅲ级),具体见表1所示。其中,Ⅰ级代表区域具有较大水资源开发利用潜力,较强的水资源承载力,对于区域可持续发展不会造成制约;Ⅱ级代表区域仍具有一定的水资源开发利用潜力,但现阶段已经达到一定规模,水资源承载力适中有可能成为制约发展因素;Ⅲ级代表区域进一步开发利用水资源的空间有限,水资源承载力较弱,对区域经济发展已构成明显制约。

考虑到v1、v2、v3等级之间的递减关系,将评判集等级利用A=0.95v1+0.50v2+0.05v3进行量化,A值越大则水资源承载力等级越高,评分也就越高。因此,可以用A值定量反映区域水资源状况,即A<0.4、0.4≤A<0.7和A≥0.7时,所对应的水资源承载力依次属于Ⅲ级、Ⅱ级和Ⅰ级。

2.3 权重计算

采用层次分析法计算水资源承载力各指标主观权重时,必须检验总层次与各单层次的一致性,结果显示检验值<0.1符合一致性要求。

然后利用变异系数法计算各指标客观权重,并利用公式(4)计算组合权重,如表2所示。

表2 权重计算值

2.4 关联系数

根据已构建的评判集V={v1,v2,v3}和元素集U={u1,u2,…,u8},利用线性隶属度函数计算并构造模糊关系矩阵,即:

2.5 结果与分析

采用改进的模糊综合法和传统模糊数学法评价各水平年铁岭市水资源承载力,综合评分值A和评判结果矩阵B见表3所示。

表3 水资源承载力评价值

然后采用公式(5)～(9)计算的灰关联系数替代隶属度构造关联系数矩阵,结果如下:

将综合评分值A按照最大隶属度原则进行等级划分,并进一步分析区域水资源承载力。传统模糊评价结果表明,2020年、2025年和2030年铁岭市水资源承载力隶属于v2级程度最高,综合评分值处于0.4～0.7范围,这说明铁岭市仍具有一定的水资源开发利用潜力,但现阶段已经达到一定规模,水资源承载力适中有可能成为制约发展因素。改进模糊评价结果表明,2020年、2025年和2030年铁岭市水资源承载力隶属于v1、v2、v3级程度相差大不,其隶属于v2级的程度略高于其他等级,相较于传统模糊评价法其评分值有所增大,但仍属于v2级水平。

3 结 论

1)将主观、客观赋权法相结合计算水资源承载力评价指标组合权重,相较于单一方法能够降低评价结果受主观因素的干扰;然后用灰关联系数替代模糊关系矩阵改进的模糊综合法评价水资源承载力,改进后的方法可以有效避免单一方法存在的不足,保证水资源承载力评价的客观合理性。

2)改进后的模糊综合法相较于传统方法评价的水资源承载力相同,但改进后的方法可以减小计算结果隶属于不同等级的程度差异,降低主观因素的干扰,对评价区域水资源承载力表现出较强的适用性与可靠性。

3)2020年、2025年和2030年铁岭市水资源承载力隶属于v2级,这说明铁岭市仍具有一定的水资源开发利用潜力,但现阶段已经达到一定规模,水资源承载力适中有可能成为制约发展因素。