基于物元分析的皖北地区水资源可持续利用评价

高 杨，苏海民，张 勇



基于物元分析的皖北地区水资源可持续利用评价

*高 杨，苏海民，张 勇

（宿州学院地球科学与工程学院，安徽，宿州 234000）

建立水资源可持续利用综合评价的指标体系，采用物元分析法，对皖北地区水资源可持续利用状况进行综合评价。评价结果表明：皖北各地区水资源开发利用情况差异明显，阜阳市水资源开发利用程度大，可持续利用状况较差；宿州市水资源可持续利用状况较乐观，水资源具有进一步开发利用的潜力；淮北市、亳州市、蚌埠市和淮南市水资源开发利用已经有相当规模，当前的水资源供需达到基本平衡。

物元分析；水资源；可持续利用；皖北地区

水资源利用状况直接关系到区域生态环境保护和社会经济的可持续发展，水资源的可持续利用是实现人类社会协调发展和水环境保护的基础。水资源可持续利用涉及到区域人口规模、资源环境、社会经济等多方面，进行地区水资源可持续利用评价需要建立合适的评价指标体系，运用合适的数学方法，将多个评价指标耦合为一个指标以便进行综合评价和时空比较[1]。许多评价方法相继出现，如主成分分析法、常规趋势法、系统动力学法、模糊数学法等方法[2], 这些方法各有特点，丰富了水资源可持续利用评价的研究手段，随着各种方法的日益成熟，提高了评价的准确度和量化水平。物元分析理论作为研究解决矛盾问题的规律和方法在20世纪80年代被提出[3]，它以促进事物转化、解决不相容问题为核心，适用于多因子的评价问题，近年开始应用于水资源开发利用评价，张斌等[4]采用物元分析法对江苏省水资源紧缺度进行了量化计算，得出未来江苏省水资源紧缺程度，并提出应对建议。高鑫等[5]利用物元分析法建立水资源的价值量和价格计算模型对西安浐灞生态区的水资源价值进行全面核算，计算结果反映出研究区实际情况。杨旭等[6]依据物元分析理论，预测分析了龙凤山灌区水资源2015及2025年水资源承载状况，为区域水资源合理开发利用提供理论依据和支持。安徽省此类水资源综合评价研究相对较少，皖北地区是安徽省经济发展速度较慢的地区，但依托地区能源资源、农业资源等优势，近年来各项建设投资增加，国民经济取得了持续平稳增长，水资源的配置和利用发生较大变化，通过建立皖北地区水资源可持续利用的评价指标体系，采用物元分析法对皖北各地市的水资源可持续利用进行评价，分析皖北地区水资源可持续利用的整体状况及区内差异，为皖北地区水资源合理配置提供参考依据。

1 研究区概况

皖北地区即安徽北部地区，主要是指安徽淮河以北的区域，包括煤炭能源基地淮北、淮南、交通枢纽的蚌埠、阜阳，以及传统农业城市宿州和亳州，辖34个县市区，总面积 39863.32 km2，约占安徽省总面积的28.58%，总人口约3111.6万人，占全省总人口的45.25%。皖北属于暖温带半湿润季风气候，四季分明，无霜期200天以上，多年平均降水量847 mm，年平均气温15.4℃。辖区内的主要河流属季节性河流，年际变化大。皖北地处苏、鲁、豫、皖四省交界处，对于黄淮海经济带的发展具有承东启西，连接南北的重要作用。近年来国民经济持续稳定增长，综合实力进一步加强。2011年GDP 总量达到4326.98亿元，连续多年保持两位数增长。皖北地区水资源量低于全省平均水平，2011年水资源总量99.46亿m3，占全省水资源总量的16.52%，地区总供水量为79.58亿m3，其中地表水源供水量49亿m3，地下水源供水量30.33亿m3，其他水源供水量0.25亿m3。

2 物元分析评价方法[3]

给定事物为N，它关于特征c的量值为v，以有序三元R= ( N, c, v )组作为描述事物的基本元，简称物元。如事物N有多个特征，它以n个特征c1, c2,…, cn和相应的量值v1, v2,…, vn描述，则表示为：

2.1 经典域与节域

设评价水资源可持续利用的量化指标有n项，分别用c1,c2,…,cn表示，其量化指标划分为m个评价等级N1,N2,…,Nm，建立相应的物元：

式中，N0j是事物的第个等级 (= 1,2,…, m )；ci是N0j的第个特征；X01j, X02j, ,, X0nj分别是N0j关于c的取值范围，即经典域。经典域的直观含义是事物各属性变化的基本区间，并且X0ij的取值范围是区间< a0ij, b0ij>，可记为X0ij= < a0ij, b0ij>，= 1, 2 ,…,。

对于经典域，构造其节域物元R如下：

式中，X1, X2, …, X分别是N关于c1, c2, …, c的取值范围，即N的节域，记为X= < a, b> ，= 1, 2 ,…,。且Xoij∈X。

2.2 关联函数及关联度的计算

为定量描述物元特征，将实变函数中距离的概念拓展为距，即一点x到有限区间［a，b］和［a, b］(= 1,2,…,;= 1,2,…,)的距离分别为：

关联函数定义为：

2.3 确定权系数

对于评价等级Ni（i=1,2,…,m）的门限制值Xij（j=1,2,…,n）权系数的计算公式为

2.4 综合关联度计算和等级评定

待评事物Nx关于等级j 的综合关联度：

3 评价指标体系构建

影响水资源开发利用的因素较多，选取的综合评价指标要能够全面客观反映该地区的水资源开发利用状况，根据相关研究[7-10]及皖北地区水资源开发利用的实际情况，选取了 8个评价指标：I1-人均水资源占有量 (m3)，I2- 水资源利用率 (%)，I3- 单位面积可用水资源量(104m3/km2)，I4- 耕地灌溉率 (%)，I5- 生活用水定额 (L/d)，I6- 地下水资源利用率(%)，I7- 地表水资源利用率 (%)，I8-生态用水比例 (%)，把8个评价指标对水资源可持续利用的影响程度划分为3个等级，给定了8个指标的三级指标标准值的评价标准，见表1。Ⅰ-Ⅲ级分别表示水资源开发利用的3个不同阶段，Ⅰ级表示水资源开发利用处于理想状态，可开发利用的空间较大，水资源的供需情况较为乐观；Ⅱ级表示水资源开发利用处在发展阶段，水资源开发利用已经具有相当规模，水资源开发对国民经济发展的需水量有一定保证；Ⅲ级表示水资源可持续开发利用状况较差，水资源承载能力已近饱和，可开发利用潜力不大，应采取相应的对策。

表1 评价指标分级标准

皖北地区的样本数据来源于2012年安徽省统计年鉴及2011年安徽省水资源公报，指标实际值见表2。

表2 皖北地区水资源可持续利用评价的指标值

4 评价与分析

由于各评价指标量化值所在的区间不完全相同，有的评价指标是数值越小说明开发程度越高，有的指标是数值越大说明开发程度越高，而且各指标数据有不同量纲，为了使数据间具有可比性，消除数据间的屏蔽效应，需对原始数据进行归一化处理，消除量纲的影响。根据物元分析原理确定经典域和节域如下：

根据公式（7）可计算淮北市水资源可持续利用评价指标的权系数，结果如表3。

表3 权系数表

Table 3 The weight coefficient

根据公式（4）、（5）、（6）计算出淮北市不同地区水资源可持续利用的关联度，再由公式（7）计算出综合关联度，结果见表4。

表4 综合关联度和评价结果

根据物元分析的评价原理，综合关联度越大，说明评价事物属于该等级。由表 4可以看出，皖北各市水资源可持续利用等级差异明显，其中阜阳市水资源可持续利用的评价等级为Ⅲ级，表明阜阳市水资源开发利用潜力较小，可开发利用空间有限，随着城市经济的发展，水资源供需矛盾将日益突出，阜阳市是安徽省人口第一大市，2011年总人口达1025.24万人，占全省总人口的14.91%，人口分布密集使得生活需水量巨大，而本区可利用水资源有限，水资源开发利用程度大；宿州市的评价等级为Ⅰ级，表明宿州市水资源具有进一步开发利用的潜力，水资源供需情况较乐观，从2011年水资源总量来看，宿州市在皖北各市中最多，占皖北总量的26.06%，作为安徽主要的农业产区，该市工业企业较少，主要以生活和农业用水为主，水资源利用程度较小。淮北市、亳州市、蚌埠市和淮南市的评价等级为Ⅱ级，表明这些地区水资源开发利用已经有相当规模，现阶段区域社会经济发展和环境保护的水资源需求可以得到基本满足。统计资料表明皖北地区水资源总量少[11]，不足全省1/5的水资源量，人均水资源占有量只有全省平均水平的1/2，不及全国的1/4，属缺水地区，评价结果显示皖北地区大部分地区水资源可持续发展情况属中等水平，是因为皖北地区总体经济发展水平较低，现阶段用水总量少，与实际情况相符。面对皖北社会经济的快速发展，水资源供需状况将日益严峻。

5 小结

基于物元分析理论对皖北地区水资源可持续利用状况进行分析评价，结果表明：皖北各地区水资源开发利用程度差异明显，阜阳市水资源开发利用程度大，可持续利用状况较差，水资源供需矛盾将成为限制地区发展的主要因素；宿州市水资源可持续利用状况较乐观，水资源具有进一步开发利用的潜力；淮北市、亳州市、蚌埠市和淮南市水资源开发利用已经有相当规模，对现有的国民经济发展有一定的保证。皖北地区作为安徽省经济发展水平较低的地区，现阶段用水总量相对偏少，在国家中部崛起战略实施背景下，皖北地区的社会经济在近年必然得到快速发展，各项用水需求会大幅增加，水资源开发利用程度将进一步加大，皖北地区水资源可持续利用整体状况并不乐观，做好“开源节流”、水资源合理配置等工作才能保证区域社会经济的稳定发展。

[1] 姚彦欣，汪沛，刘宗强，等.广东省水资源可持续利用评价研究[J].工业安全与环保，2009，35(4): 55-57.

[2] 韩宇平，阮本清，解建仓，等.物元模型及其在区域水资源综合评判中的应用[J].中国农业大学学报，2003，8(1): 31-36.

[3] 蔡文.物元模型及其应用[M].北京：科学技术文献出版社，1994: 267-273.

[4] 张斌，黄显峰，方国华，等.基于水足迹理论与物元分析法的水资源紧缺度分析[J].水电能源科学，2012，30(8): 29-32.

[5] 高鑫，解建仓，汪妮，等.基于物元分析与替代市场法的水资源价值量核算研究[J].西北农林科技大学学报：自然科学版，2012,40(5): 224-230.

[6] 杨旭，佟大鹏.基于物元模型分析的龙凤山灌区水资源承载力综合评价[J].黑龙江大学工程学报，2012，3(3): 32-36.

[7] 张丽萍，朱钟麟，邓良基.水资源评价指标体系的研究现状及问题探讨[J].国土资源科技管理，2004，21(4): 5-9.

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[9] 汤亚林，朱帅帮.物元模型在新疆水资源承载力综合评价中的应用[J].水资源保护，2006，22(3): 40-42.

[10] 徐建新, 邹昱.物元模型在郑州市水资源开发利用综合评价中的应用[J].水利水电技术，2007，38(9): 5-8.

[11] 李瑞，王怡宁，刘猛，等.安徽省淮北地区水资源问题及管理刍议[J].中国农村水利水电，2012(10): 68-75.

Evaluation of Sustainable Utilization on Water Resources Base on Matter Element Analysis in Northern Anhui Province

*GAO Yang, SU Hai-min, ZHANG Yong

(School of Earth Sciences and Engineering, Suzhou University, Suzhou, Anhui 234000, China)

Establishing the comprehensive evaluation system of water resources sustainable utilization, comprehensive evaluation on the water resources sustainable utilization in North Anhui Province was applied by matter-element analysis method. The results showed there was significant difference on water resources sustainable utilization in Northern Anhui Province, among them, Fuyang City was poor because of large degree of development and utilization; Suzhou city was better and had the potential of further development; development and utilization of water resources had been a considerable scale, supply and demand of water resources achieves a basic balance in Huaibei, Bozhou, Bengbu and Huainan City.

matter element analysis; water resources; sustainable utilization; North Anhui Province

1674-8085(2013)05-0036-05

TV213.9

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2013.05.009

2013-04-21；

2013-06-16

安徽省高校省级自然科学研究项目(KJ2013Z323)；安徽省高校省级人文社科研究项目(SK2013B511) ；安徽省高校优秀青年人才基金项目(2012SQRL208)

*高 杨(1979-)，男，安徽宿州人，讲师，硕士，主要从事水资源与水环境研究(E-mail：szxygy@163.com);

苏海民(1979-)，男，山东菏泽人，讲师，硕士，主要从事资源环境与GIS应用研究(E-mail：hmsu2004@163.com);

张 勇(1982-)，男，安徽合肥人，讲师，硕士，主要从事水资源与水环境研究(E-mail：cuplife@126.com).