基于模糊综合评价区域水资源供给能力的研究

林 根，赵文杰，杨鹏辉

(1.安徽财经大学统计与应用数学学院，安徽 蚌埠 233030；2.安徽财经大学财政与公共管理学院，安徽 蚌埠 233030)

基于模糊综合评价区域水资源供给能力的研究

林 根1，赵文杰2，杨鹏辉2

(1.安徽财经大学统计与应用数学学院，安徽 蚌埠 233030；2.安徽财经大学财政与公共管理学院，安徽 蚌埠 233030)

目的 针对呼和浩特市水资源现状，建立模糊综合评价模型，对该市的水资源供给能力进行研究。方法 以呼和浩特市为研究对象，通过互联网查找相关资料并分析造成呼和浩特市水资源现状的原因，同时建立模糊综合评价模型，结合数据得出相应的水资源供给能力评价指数，并根据指数划分供水能力等级表。最后，尝试从水资源供给与需求两方面给出建议，用于缓解水资源短缺。结果 呼和浩特市的水资源评价指数在2.5～3.7之间，根据供水能力等级划分表，表明呼和浩特市的水资源提供能力为严重不足。造成水资源短缺的原因主要有物理短缺及经济短缺两方面。结论 由于呼和浩特市的气候属于温带大陆性气候，全年降水较少，地下储水量也不充足，同时随着经济发展该市清洁水需求量逐渐加大，因此水资源提供能力严重不足。给出缓解水资源短缺的建议，即通过开发调水工程、建立集雨设施来增加水资源供给；通过调整农业产业结构及节水来减少水资源需求。

水资源；环境保护；综合评价；MATLAB

近年来，随着社会经济的快速发展，人们生产、生活的需水量不断增加，相反随着生态环境的不断恶化，清洁水的提供能力却在不断减弱，水资源短缺问题日益严峻，这也引起了人们的广泛关注。对于处于干旱区的呼和浩特市以及与其相似的其他地区而言，水资源更是它们经济和社会发展的动力，因此，对这些地区的水资源供给能力的研究具有极大的现实意义。

区域水资源供给能力研究的目的是揭示区域内水资源的供给与需求矛盾，寻求水资源开发利用的途径与潜力，评价一些地区的水资源利用及浪费情况，为水资源合理的配置与应用打好基础。同时地区水资源的供给能力研究也是该地区未来经济规划、环境保护、资源管理的政策依据，对地区未来的经济持续发展及生态环境的良性循环具有十分重要的指导意义。

施雅风等学者明确提出了水资源承载能力的概念[1]，采用常规趋势法对新疆乌鲁木齐河流域的水资源承载能力进行研究，并取得一定成果。许有鹏利用模糊综合评价法对新疆和田流域水资源供给能力进行了研究[2]，并指出水资源供给能力一般是指在一定的技术经济水平和社会生产力条件下，水资源最大供给工农业生产、人民生活和生态环境保护等用水的能力，即水资源最大开发容量。

本文以内蒙古呼和浩特市为例，建立模糊综合评价模型，选取该地区相关水资源数据，衡量其提供清洁水的能力，同时分析该地区缺水的原因，并给出提高水资源供给能力及缓解水资源短缺的相关建议。

1 研究数据

选取中国内蒙古自治区呼和浩特市2001-2015年的地表水、地下水、农业灌溉用水、林牧渔业用水、工业用水、城镇用水、生活用水及生态用水的数据。数据主要来源于内蒙古水利厅[3]。

下面列出呼和浩特的15年相关数据(见表1)。

表1 呼和浩特的15年相关数据(单位：万m3)

2 模糊综合评价模型的构建与水资源供给能力评价

2.1 模型构建

(1)主成分分析确立权重[4]。

设有一组容量为n的样本观测数据：xi=(xi1,xi2,…,xip)T,(i=1,2,…,n)。

其相关矩阵分别为S、R，分别以S和R作为总体∑和ρ的估计，然后按总体主成分分析的方法作样本主成分分析。

其中样本各主成分的贡献分别为：

一般取前m个累计贡献率大于85%的主成份。原有指标可以用前m个主成分代替，因此，指标系数可以看成是以这i个主成分方差贡献率为权重，对指标在这2个主成分线性组合中的系数做加权平均:

得到综合得分模型为：Y=α1x1+α2x2+…+αpxp。

(2)模糊矩阵计算与综合评分[1]

设有U={u1,u2,…,un}是待评价的n个方案集合，V={v1,v2,…,vn}是待评价因素集合，将U中的每个因素进行衡量得到一个观测值矩阵

其中aij表示第j个方案关于第i项评价因素的指标值。

①建立理想方案

②建立相对偏差模糊矩阵

③通过主成份分析法求得各评价指标的权重wi(i=1,2,…,m)

④建立综合评价模型

且若Ft>Fs，则第t个方案排在第s个方案前。

2.2 水资源供给能力评价

考虑影响供给和需求的动态特性，主要从水资源总量(供水量)和总用水量(需水量)两方面入手。通过查阅相关资料[4]可知，影响水资源总量的主要因素有地表水资源总量、地下水资源总量；影响总用水量的主要因素有农业灌溉、林牧渔、工业、城镇、生活及生态用水量。地表水资源总量和地下水资源总量为效益型指标，其数值越大代表该地区水资源越丰富，提供清洁水能力越强。农业灌溉、林牧渔、工业、城镇、生活及生态用水量为成本型指标，其数值越大代表该地区水资源需求越大，提供清洁水能力越弱。

所有指标的相关系数最大值为0.89，故不存在完全的线性相关关系，不需要舍去变量。将各个指标无量纲化，使成本型指标转化为效益型指标。

在模糊综合评价模型中，各指标的权重对最后的结果起着决定性作用，所以用合适的方法求解权重就显得极为重要。下面构建主成份分析模型来求权重。

对于无量纲化后的数据，通过MATLAB软件，求得正交单位化特征向量与特征值。

样本各主成分的贡献率分别为其特征值与总特征值之和的比值，求得样本各贡献率分别为：

0.437 4，0.326 4，0.085 3，0.067 9，0.042 8，0.031 7，0.006 6，0.001 8.

因此，前4个主成份的累计值已达91.71%，取前4个主成分。对于综合得分模型来说，指标系数可以看成是以这4个主成分方差贡献率为权重，对指标在这两个主成分线性组合中的系数做加权平均。求得各指标综合得分模型为：

Y=0.294X1+0.263X2+0.018X3+0.347X4+0.001X5+0.182X6+0.213X7+0.115X8

指标权重归一化得到各指标的权重(见表2)：

表2 各指标的权重

将权重代入模糊综合评价模型，得到2001年至2015年的评价指数(见表3)。

表3 2001年至2015年的评价指数

根据表3中的评价指数，运用Excel可画出其时间序列的折线图(见图1)。

图1 评价指数变化趋势图

从图1可知，呼和浩特市的评价指数随着年份变化在不断变化，因此清洁水的供需状况也在不断改变。从折线图可知，呼和浩特提供清洁水的能力在逐步降低，根据选取的其他地区的相关数据，计算得到东京、上海、新德里、巴黎、芝加哥、多伦多、台北、雅加达等城市在2001～2015年的评价指数的平均数(见表4)。

表4 不同地区的评价指数

表5 供水能力等级划分表

综上分析，由于呼和浩特市的水资源评价指数在2.5～3.7之间，根据供水能力等级划分表，呼和浩特市的水资源提供能力严重不足。

3 水资源短缺原因

首先，因为导致水资源短缺的原因主要分为物理短缺和经济短缺两大方面[4]，物理短缺是指地区水量不足以满足需求。经济短缺是指地区有水，但管理不善和基础设施缺乏，限制了清洁水的可用性。从这两个方面入手，分别解释呼和浩特严重缺水的原因。

3.1 物理短缺原因

a.水资源总量不足：呼和浩特的水资源总量为33，997.2万m3，人均占有水资源量却只有450 m3，是世界人均占有量的1/24，属于严重缺水的城市之一。且呼和浩特市的年降水量低于全中国的年平均降水量，水资源的来源较少。年平均降水量对比如图2所示：

图2 中国与呼和浩特的年平均降水量

b.气候影响[5]：呼和浩特市深居内陆，远离海洋，属典型的中温带大陆性季风气候，依据水分带分布属半干旱区。气候特点：冬季寒冷而漫长，夏季炎热而短暂，春季干旱而多风，秋季凉爽而日光充裕，冷暖变化剧烈，常造成农业灾害；由于气候原因，降水受气候影响，常常造成干旱。

c.水质影响采水：呼和浩特市地表水由于长期受污染、水质差，主要污染指标有溶解氧、高锰酸钾指数、氨氮、亚硝酸盐氮、汞、石油类等，其中氨氮、石油类污染较为严重，有的高达几十倍甚至上百倍，此外，汞在各河流普遍超标，因此造成地表水有很大一部分无法被使用。

图3 不同水质的占比情况

图4 呼和浩特水资源的使用方向

d.水资源需求量大：已有数据表明内蒙古的自然水资源总量少，特别是地表水资源量缺乏，但呼和浩特市人口众多，农牧业耗水量大，导致供需不平衡。每年呼和浩特市的地表水需求量都不能满足需求量，需要采集大量的地下水用于生产及生活。

3.1 经济短缺原因

a.基础设施缺乏：呼和浩特市的地下水资源丰富，但是由于技术能力达不到以及采水设施不齐全，造成有水但是不能使用；另外，呼和浩特市的基础设施建设较早，缺乏管理、维修，导致一部分水资源流失。

b.管理不善：呼和浩特市对水资源的管理较差，不重视水资源的重复利用，导致水资源浪费大、污染严重等一系列问题。廉价的水资源费导致多数企业不重视节约用水，工业用水重复利用率低；工业污水虽进行处理，但还达不到农业灌溉标准；生活用水定额偏高,没有一个良好的水价运行机制，严重制约着节水工作的开展。

c.水资源污染严重：近几年来，由于地表水资源利用不足，地下水资源长期超采，加之工农业的发展，生活污水和工业废水低处理水平的任意排放，农药残余部分的扩散，地表、地下水已受到不同程度的污染；城镇工业废水和生活污水由于缺少处理设备，直接排入河道,造成地表水和地下水严重污染；水资源危机不仅表现为量的匮乏，还表现为因严重的水污染而造成的水质恶化、功能降低和丧失[6]。

4 缓解区域水资源短缺及提高供水能力的相关建议

针对呼和浩特市水资源短缺情况，从增加水资源供给及减少水资源需要两方面给出了相关建议：

4.1 增加水资源供给

开发调水工程[7]，例如：中国政府提倡的南水北调工程。将水资源富余地区的多余的淡水通过人工渠道调入水资源缺乏的城市[8，9]。

引入大量集雨设备，将降雨的水资源收集起来，从而增加水资源供给。

4.2 减少水资源需求

节水。例如：下调城镇农村居民用水定额，提高灌溉水利用率，提高工业用水复用率等。

治污。例如：下调单位工业增加值CDO排放量，上调生活污水集中处理率等。

产业结构调整。例如：放缓工业增加值增长率，提高第三产业增加值、增长率等。

农业结构调整。例如：下调农作物种植面积增长率，提高林牧渔总产值增长率等。

5 结论与讨论

5.1 结论

以缺乏水资源较为典型的呼和浩特市为例，结合该地区过去15年水资源信息，建立模糊综合评价模型评价该地区供水能力，发现呼和浩特市提供清洁水的能力严重不足。并从物理、经济两方面分析发生的原因。最后，从水资源供给、需求两方面给出相关建议，致力于缓解该地区水资源短缺现状。做出的模型适用于其他区域，且能为地区未来的水资源战略决策及地区经济及社会发展提供良好的信息与参考。

5.2 讨论

模糊综合评价模型是一种基于模糊数学的综合评价方法。该综合评价法根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价，即用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体的评价。具有结果清晰、系统性强的特点，能较好地解决模糊的、难以量化的问题，适合各种非确定性问题的解决。同时，模糊综合评价模型可以广泛用于评价地区降水能力、地区经济发展程度等。

[1]施雅风.2050年前气候变暖冰川萎缩对水资源影响情景预估[J].冰川冻工，2001，4(02)：333-340.

[2]许有鹏.水资源承载能力综合评价研究——以新疆和田河流域为例[J].自然资源学报，1993，8(03)：230-241.

[3]内蒙古水利厅.内蒙古自治区水资源公报[EB/OL].http://www.nmgslw.gov.cn/.2016-2-10.

[4]李柏年.数据分析方法[M].北京:机械工业出版社,2011：169-174.

[5]胡雪媛.呼和浩特市水资源供需平衡分析[D].呼和浩特:内蒙古师范大学,2007.

[6]周丽.基于遗传算法的区域水资源优化配置研究[M].郑州:郑州大学,2002.

[7]王福林.区域水资源合理配置研究——以辽宁省为例[D].武汉:武汉理工大学,2013.

[8]李世祥.中国水资源利用效率区域差异研究[D].北京:中国地质大学,2006.

[9]刘捐，魏东设，诗红，等.基于水资源合理利用的蔬菜产业结构调整研究[J].河北北方学院：自然科学版,2014,30(02):47-48.

[责任编辑：王荣荣 英文编辑：刘彦哲]

Supply Capacity of Regional Water Resources Based on Fuzzy Comprehensive Evaluation Model

LIN Gen1,ZHAO Wen-jie2,YANG Peng-hui2

(1.School of Statistics and Applied Mathematics,Anhui University of Finance and Economics,Bengbu,Anhui 233030,China;2.School of Finance and Public Management,Anhui University of Finance and Economics,Bengbu,Anhui 233030,China)

Objective With regard to the present situation of water resources in Hohhot city,a fuzzy comprehensive evaluation model is built to study the city’s water supply capacity.Methods By taking Hohhot city as the object,the data on the internet and the cause of the present situation of water resources in Hohhot city were analyzed.A fuzzy comprehensive evaluation model was built to obtain evaluation index for water resources supply.Then a scale of water supply capacity was gained based on the indixes.Finally,from the water resources supply and demand some suggestions on alleviating the water shortage were given.Results The evaluation index for water resources supply was between 2.5 and 3.7,showing a serious shortage of capacity,according to scale of water supply capacity.The main causes were physical and economic shortage.Conclusion The combination of temperate and monsoonal climate,low precipitation,poor groundwater storage and the growing demand for clean water with the economic development lead to the lower water supply capacity in Hohhot city.It is suggested that Hohhot city alleviate water resources shortage and keep sustainable development of water resources by conducting water diversion projects,constructing storing rainfall facilities,restructuring agricultural production patterns and saving water.

water resource;environmental protection;comprehensive evaluation;MATLAB

国家自然科学基金项目(11301001)，安徽财经大学教研项目(acjyzd201529)

林根(1994-)，男，安徽六安人，安徽财经大学统计与应用数学学院在读学生。

杨鹏辉(1981-)，女，安徽淮南人，讲师，硕士，研究方向：图论。

TV 213

A

10.3969/j.issn.1673-1492.2016.11.011

来稿日期：2016-04-11