秦皇岛水资源可持续利用的模糊评价

范珊珊，任改娟，回广荣，杨立顺

（河北省地矿局秦皇岛矿产水文工程地质大队，河北 秦皇岛 066001）

秦皇岛水资源可持续利用的模糊评价

范珊珊，任改娟，回广荣，杨立顺

（河北省地矿局秦皇岛矿产水文工程地质大队，河北 秦皇岛 066001）

应用模糊模式识别模型对秦皇岛市各分区的水资源可持续利用程度进行了评价，评价结果表明，秦皇岛市的水资源可持续利用程度整体上处于中级水平，还有较大的开发潜力。其中海港区的水资源可持续利用程度处于中高级水平；北戴河区、昌黎县、抚宁县和卢龙县的水资源可持续利用程度处于中级水平；山海关区和青龙县的水资源可持续利用程度处于中低级水平。

水资源；可持续利用；模糊识别；秦皇岛

近年来，随着经济社会的快速发展以及人口数量的不断增加，水资源短缺已经成为经济和社会可持续发展的制约因素，因此，水资源的可持续利用越来越受到人们的关注。对水资源可持续利用程度进行评价，要综合考虑工业用水、生活用水以及农业用水等，从中提取有代表性的、易于量化的指标，采用适宜的评价方法，建立数学模型进行评价[1]。评价水资源可持续利用的方法有很多[2-5]，陈守煜提出的模糊识别模型[6]是应用较为广泛的一种方法[7-11]。笔者采用模糊模式识别模型对秦皇岛市各分区的水资源可持续利用程度作出了评价，为制定水资源可持续利用方案提供科学依据。

1 水资源可持续利用的模糊模式识别模型

1.1 指标特征值矩阵与指标标准特征值矩阵

设有对水资源可持续利用A作识别的n个样本集合X={x1，x2，…，xn}，每个样本由m个指标特征值描述，则这n个样本可用m×n型的指标特征值矩阵表示，即：

式中：xij为样本j指标i的特征值；i=1，2，…，m；j=1，2，…，n。

对n个样本按m个指标c个级别的指标标准特征值进行识别，则构成m×c型的指标标准特征值矩阵，即：

式中：yih为级别h指标i的标准特征值；h= 1，2，…，c。

1.2 指标的相对隶属函数

指标标准特征值通常分为两种类型：第一类指标标准特征值随级别h的增大而减小；第二类指标标准特征值随级别h的增大而增大。

则指标对A的相对隶属度公式为：

式中：rij为样本j指标i的特征值对A的相对隶属度。

同理，可得到级别h指标i标准值对水资源可持续利用A的相对隶属度公式为：

式中：sih为级别h指标i的标准值对A的相对隶属度。

根据式（1）、式（2）将指标特征值矩阵和指标标准特征值矩阵变换为相应的相对隶属度矩阵：

1.3 评价指标的权重

由于m个指标对识别评价的影响程度不同，以权重来表示各指标的重要程度，评价指标的权重对于评价结果的合理性具有很大影响。确定各指标权重的方法有多种，如二元比较模糊决策分析法、层次分析法、评价因素贡献率法等，利用某一方法求得各评价指标的权重，得到指标权向量为w=（w1，w2，…，wm），并且满足归一化要求，即

1.4 样本集对各级别的相对隶属度矩阵

设样本集对各级别的相对隶属度矩阵为U=（uhj），其中uhj为样本j对级别h的相对隶属度。由于样本j的m个指标的相对隶属度都落在矩阵S的级别区间[aj，bj]内，故矩阵U应满足：

由于样本集中每个样本的级别区间不同，所以从整体考虑，矩阵U应满足：

则样本j对水资源可持续利用A级别h的相对隶属度公式的完整形式为：

1.5 样本级别的确定

应用级别特征值公式[14]：求出各个地区水资源可持续利用程度的级别特征值，可以反映出各研究区的水资源可持续利用情况。

2 秦皇岛水资源可持续利用程度模糊识别评价

利用上述水资源可持续利用的模糊模式识别模型对秦皇岛市的水资源可持续利用程度进行评价。笔者引用的秦皇岛市水资源基本资料见表1。

影响水资源可持续利用的因素很多，通过对秦皇岛市水资源利用影响因素的综合分析，并参照全国水资源供需分析中的指标体系[12]，确定了6项评价指标：①灌溉率（%）：灌溉面积/耕地面积；②水资源利用率（%）：用水量/水资源总量；③水资源开发程度（%）：供水量/水资源总量；④需水模数（104m3/km2）：需水量/土地面积；⑤供水模数（104m3/km2）：供水量/土地面积；⑥人均供水量（m3/人）：供水量/总人口。

表1 秦皇岛市水资源基本资料

根据表1中的各项数据计算得到秦皇岛市各分区的水资源指标特征值如表2所示。

表2 秦皇岛市各分区水资源指标特征值

参照文献中关于评价水资源可持续利用程度的指标标准值[13]，本研究中6项指标的4级指标标准值见表3：

表3 评价指标4级标准值

根据表2和表3可以得到对应的指标特征值矩阵X和指标标准特征值矩阵Y：

应用式（1）、式（2）将X、Y变换为相应的相对隶属度矩阵R和S：

为了得到6项评价指标的指标权向量，采用二元比较模糊决策分析法[14]来确定不同指标的权重。对6项指标根据重要性分别进行比较，得到指标重要性二元比较定性排序标度矩阵E，通过检验E满足一致性的验证条件，则矩阵E为指标重要性排序一致性标度矩阵。

按矩阵E每行的和数从小到大排列，得到各指标关于重要性的排序。以最重要的指标②作为基准，依次与其他5项指标进行重要性的二元比较，根据研究区域的实际情况，经过慎重分析比较后，认为指标②与指标①、④、⑤、⑥相比较处于“稍稍”与“略微”重要之间；指标②与指标③相比较，处于“较为”与“明显”重要之间。

应用表4中语气算子与相对隶属度之间的对应关系[15]，得到6项评价指标非归一化权向量为：

w'=（0.739，1，0.481，0.739，0.739，0.739）

则归一化的指标权向量为：

w=（0.167，0.225，0.108，0.167，0.167，0.167）

依据模糊模式识别模型式（7），计算得到秦皇岛市各分区对各个级别水资源可持续利用程度的相对隶属度矩阵U：

表4 语气算子与相对隶属度间的关系

根据级别特征值公式（8），计算得到秦皇岛市各分区水资源可持续利用程度的级别特征值见表5：

表5 水资源可持续利用程度评价结果

3 结论

（1）由表5中的评价结果可以看出，秦皇岛市各分区的水资源可持续利用程度处于2～3级之间，总体来说各分区的水资源可持续利用水平相差不大，水资源开发程度低于水资源承载力，还有较大的开发潜力。其中，海港区的水资源可持续利用程度处于中高级水平，水资源利用率已经达到一定水平，尚有一定的开发潜力；北戴河区、昌黎县、抚宁县和卢龙县的水资源可持续利用程度处于中级水平，水资源开发程度与水资源承载力仍有较大差距，具有较大的开发潜力；山海关区和青龙县的水资源可持续利用程度处于中低级水平，水资源利用率较低，开发潜力很大。

（2）利用模糊识别模型对水资源可持续利用程度进行评价，能够综合考虑各种水资源利用的影响因素，将各项评价指标量化处理，使得水资源可持续利用具有可衡量性，其评价结果较为合理，可以作为制定水资源可持续利用发展方案的科学依据。

[1]韩卫滨，刘其鑫，史陇俊，等.基于模糊识别的水资源可持续利用评价[J].水利科技与经济，2008，14（2）：145-147.

[2]闵庆文，余卫东，张建新.区域水资源承载力的模糊综合评价分析方法及应用[J].水土保持研究，2004，11（3）：14-16，129.

[3]金菊良，丁晶，魏一鸣，等.区域水资源可持续利用系统评价的插值模型[J].自然资源学报，2002，17（5）：610-615.

[4]潘峰，梁川，王志良，等.模糊物元模型在区域水资源可持续利用综合评价中的应用[J].水科学进展，2003，14（3）：271-275.

[5]卞建民，张芳.投影寻踪技术在松嫩平原西部水资源可持续利用中的应用[J].水土保持通报，2007，27（3）：93-96.

[6]陈守煜.区域水资源可持续利用评价理论模型与方法[J].中国工程科学，2001，3（2）：33-38.

[7]胡乃利，管清香，韩卫滨.基于模糊识别的青海省水资源可持续利用评价[J].水利科技与经济，2007，13（9）：657-660.

[8]王颖，于会泉，王建华.温州某区域水资源可持续利用的模糊模型评价[J].地下水，2006，28（5）：7-10.

[9]陈洁，许长新.模糊识别模型在水资源综合评价中的应用研究[J].人民黄河，2005，27（5）：39-41.

[10]盖美，田成诗.大连市水资源可持续利用的模糊模式识别及对策研究[J].资源科学，2003，25（2）：44-50.

[11]韩卫滨，韩霜景，胡乃利.基于模糊识别的福建省水资源可持续利用评价[J].中国农村水利水电，2008（2）：67-69.

[12]黄永基，马滇珍.区域水资源供需分析方法[M].南京:河海大学出版社，1990.

[13]陈守煜.工程模糊集理论与应用[M].北京:国防工业出版社，1998.

[14]陈守煜.复杂水资源系统优化模糊识别理论与应用[M].长春:吉林大学出版社，2002.

（编辑：程 俊）

Fuzzy Evaluation of Sustainable Utilization of Water Resources in Qinhuangdao

Fan Shanshan,Ren Gaijuan,Hui Guangrong,Yang Lishun
（Qinhuangdao Mineral Resource and Hydrogeological Brigade,Hebei Geological Prospecting Bureau, Qinhuangdao Hebei 066001,China）

Evaluated the sustainable utilization degree of water resources in each partition of Qinhuangdao by the fuzzy pattern recognition model.The evaluation results indicated that the sustainable utilization degree of water resources is in the intermediate level on the whole,and the water resources still have a great development potential.The sustainable utilization degree of water resources for Haigang district is in the middle-senior level;Beidaihe district,Changli county, Funing county and Lulong county are in the intermediate level;Shanhaiguan district and Qinglong county are in the lower level.

water resources；sustainable utilization；fuzzy recognition；Qinhuangdao

TV213.9

A

1008-813X（2015）02-0047-04

2014-10-28

范珊珊（1987-），女，河北唐山人，毕业于中国地质大学（北京）地下水科学与工程专业，硕士研究生，助理工程师，主要从事地下水数值模拟等方面的研究工作。