基于模糊综合评判的鹤壁市水资源承载力评价

2017-03-22周振民

中国农村水利水电 2017年8期

周振民，刘朔

(华北水利水电大学，郑州 450011)

0 引言

水资源是人们赖以生存的物质基础。水资源承载力是权衡区域可持续发展的一项重要指标，是当前水科学研究的重点和热点[1]。水资源承载力虽迄今为止没有形成系统、科学的理论体系，但国内外许多学者对水资源承载力概念提出了不同的观点和方法。现在较普遍认同的水资源承载力概念是：“某一具体的历史发展条件下，以可预见的技术、经济和社会发展水平为依据，以可持续发展为原则，以维护生态环境良性发展为条件，经过合理优化配置，水资源对该地区社会经济发展的最大支撑能力”[2]。水资源承载力具有自然属性和社会属性，而水资源承载力综合评价就是基于这两种属性之上，是指对区域水资源特点、开发利用情况及生态环境、工农业发展和居民生活所需水资源的供需关系等方面用合适的方法综合分析得出的结论，它的目的是揭示自然、经济和社会三者协调发展的内在关系，给水资源的可持续开发利用和配置提供决策依据。

鹤壁市属于缺水城市，目前，鹤壁市水资源承载力研究成果不多。因此，采用科学方法，构建鹤壁市水资源承载力模型，评判鹤壁市水资源承载力，提出缓解水资源供需矛盾途径，是实现鹤壁市社会经济可持续发展的重要内容。因此本文构建了模糊综合评价模型并给出了具体计算方法，针对鹤壁市水资源条件和社会经济现状与未来发展趋势，计算了鹤壁市水资源承载力，研究成果为鹤壁市社会经济可持续发展提供参考依据。

1 研究方法与步骤

1.1 水资源承载力评价指标的选取和分级

水资源承载力评价指标的建立和选取是水资源承载力研究中很关键的环节之一。基于它的影响因素可达到几十种，所以在选取主要因素作为评价指标时，可以从以下三点着重考虑：①评价指标应该充分考虑当地产业结构、经济发展模式及水资源情势特点从而做出合理选择；②水资源承载力是动态变化的，故选择的指标应该较为灵敏贴切地反应水资源承载力变化；③优先选取能反映问题本质及主要矛盾且指标值易量化的评价指标，数量7～9个为宜[4]。综合考虑以上因素，参照全国水资源供需分析中指标体系及其他相关资料，参考专家意见及惠泱河[3]、陈洋波[4]、王友贞[5]等学者的研究成果，权衡抉择后选取人均供水量u1、产水模数u2、万元GDP用水量u3、供水模数u4、需水模数u5、耕地灌溉率u6、生态用水率u7共计7个评价指标。

将上述7个指标按对水资源承载能力影响程度划分为3个等级，其中V1级代表该地水资源承载力处于较弱水平，潜力不足，进一步开发将不利于社会经济的可持续发展；V3级代表该地水资源承载力处于较强水平，水资源量供给乐观，进一步开发潜力较大，而V2则介于V1与V3之间，表示该地水资源开发已具有一定规模，对水资源的供给能提供一定保障，仍有开发潜力。各指标的定义及分级值标准详见表1。

表1 各评价指标定义及分级值标准

1.2 模糊综合评判方法

模糊综合评判法是对受多种因素影响的事物做出全面评价的一种十分有效的多元素决策方法，能够较全面地分析区域水资源承载能力状况。

1.2.1 确定评估对象的因素论域U及评语等级论域V

令U={u1,u2,…,um}，因素论域由上述所选取的7个评价指标所构成，即U={u1,u2,…,u7}。

令V={v1,v2,…,vn}，即等级集合。评语等级论域由3个等级构成，即v={v1,v2,v3}，每一个等级可对应一个模糊子集。

1.2.2 评判矩阵R的构建与计算方法

构建了等级模糊子集后，逐个对被评事物从每个因素ui(i=1,2,…,m)上进行量化，即确定从单因素来看被评事物对等级模糊子集的隶属度(R|ui)，进而得到模糊关系矩阵：

矩阵R中第i行第j列元素rij，表示被评事物从因素ui来看对Vj等级模糊矩阵子集的隶属度。一个被评事物在某个因素ui方面的表现，就是通过模糊向量(R|ui)=(ri1,ri2,…,rin)来刻画的。

推求R值时，因为R中rij即为指标ui对应等级Vj的隶属函数，故可将各评价指标的实际数值与分级值表(表1)中的值进行对照后分析求解。为消除V1，V2，V3,等级之间数值相差不大而评价等级相差一级的跳跃现象，需进行模糊化处理[6]。

处理后构建了评价指标u3、u4、u5、u6各评语等级隶属函数计算式如下：

(3)

对于u1、u2、u7计算式如下：

(6)

式中：k1表示评价指标V1与V2的等级临界值；k3表示V2与V3的等级临界值；V2等级区间中点值为k2。其中k1,k2,k3的关系可表示为k2=(k1+k3)/2。

1.2.3 AHP定权重矩阵W

1.2.4 综合评价

确定了评判矩阵R与权重矩阵W,在模糊综合评判中，最后选择合适的算子将W,R合成。因本次研究选取的评价指标为7个，势必会导致每个评价指标所分得的权重较小，用max-min合成运算必定会丢掉R=(rij)的许多信息，为避免这种情况发生，故而选择加权平均模型M(·,+)算子进行计算，此模型对所有指标依权重大小均衡兼顾，很适用于考虑各因素起作用的情况[8]。故而合成后可得综合评判结果：

B=(b1,b2,…,bj)=W·R

(7)

实际上，为了更贴切地反映各级水资源承载力情况，可将评判等级采用1分制，即对V1～V3三个等级在0～1区间对应取c1=0.05,c2=0.5,c3=0.95,评分综合评定最终按公式(8)计算:

(8)

式中：k仅为突出占优势等级的作用，本研究中取值为1。

2 研究区概况

鹤壁市地处河南省北部，东经113°59′～114°45，北纬35°26′～36°02′，东与安阳市的内黄、滑县连接，西邻安阳市的林州市，南与新乡市的延津县、卫辉市毗邻，北接安阳市的安阳、汤阴二县。该市土地总面积2 182 km2。

鹤壁市属温带大陆性季风气候，四季分明，多年平均气温14.1 ℃左右。全市多年平均降水量617.8 mm，降水量年际相差悬殊，年内分配不均，主要集中在6-9月，占全年降水量的72.5%，多年平均陆地水面蒸发量1 124.3 mm，蒸发大于降水，属偏干旱区。鹤壁人均水资源量为272 m3，远远低于全国人均水资源量，水资源量相对匮乏。全市多年平均地表水资源量19 449 万m3/a，折合径流深89.1 mm，多年平均浅层地下水资源量为29 879 万m3/a。地表水体主要由盘石头水库、夺丰水库等大小水库40余个以及卫河、共产主义渠、淇河、思德河、汤河、羑河等10余条主要河流组成。鹤壁市河流水系分布情况见图1。

图1 鹤壁市河流水系图

近年来鹤壁市已经发展成为以煤电化材、汽车零部件、食品加工等主导工业综合发展的新兴工业城市，目前鹤壁市正处于快速推进工业化和城镇化的关键时期，工业需水急剧增长，伴随而来的地下水超采、水环境污染等现象也开始出现，城市不断增长的用水需求与匮乏的水资源之间形成了尖锐的矛盾，因此通过必要的措施使水资源最大限度地满足社会经济和生态环境的用水需求是鹤壁市亟须解决的问题。

3 鹤壁市水资源承载力综合评价

3.1 鹤壁市多年评价指标的指标数值

根据鹤壁市自然、社会、经济及水资源变化情况，对2009-2015年各评价指标实际值所涉及的数据资料进行了收集，整理计算后得到了不同年评价指标实际值如表2所示。

3.2 权重矩阵W与评判矩阵R的计算

权重矩阵W的确定：对7个评价指标重要性进行两两比较，构造了判断矩阵，然后计算一致性指标CI和平均随机一致性指标CR,对判断矩阵进行了检验，确定了权系数分配的合理性。最终得到W=(02,0.1,0.2,0.15,0.15,0.1,0.1)。可以看出影响水资源承载力较大的因素为人均供水量及万元GDP用水量。

评价矩阵R的计算：根据表2中的数值，对照表1中的分级规定，利用公式(1)～(6)可计算出各年份每个评价因素对应于各个等级的相对隶属度rij的值。各指标隶属于V1，V2，V3的值分别为ri1,ri2,ri3,具体计算结果见表3。

3.3 综合评价结果及分析

上述已算出指标权重W与评判矩阵R的值，根据式(7)可以求得2009-2015年鹤壁市水资源承载力的评价结果B，再根据式(8)可以计算出鹤壁市水资源承载力的综合评分值C。计算成果见表4。

表2 鹤壁市2009-2015年评价指标实际值

由表4分析知鹤壁市2009-2015年水资源承载力多年综合平均评分为0.422 4，属弱承载。水资源承载力综合评价结果中bj的值对V2级的隶属度较大，明显高于对V1与V3级的隶属度，且V1级的隶属度都要高于V3级隶属度，表明鹤壁市水资源开发利用已经具有了一定的规模，对本地经济与社会的可持续发展有了一定的水资源保障，虽然还可以开发，但潜力较小；2009-2013年鹤壁市综合评分值呈增加趋势并且趋向平稳，而2014-2015年呈下降趋势，表明鹤壁市水资源的开采已经接近其开发容量，本地水资源很难承受将来经济社会发展对水资源的需求，如果不采取措施，地下水的超采及水资源供需矛盾都会加剧，将严重制约鹤壁市社会经济的可持续发展；2015的评分值相对2014年有所增加，因为 2015年南水北调水在鹤壁市已经部分投入使用，在一定程度上缓解了该市水资源用水紧张情况，随着社会经济的迅速发展，需水量也将快速增加，故应增快南水北调水全面投入使用，进而提高该市水资源承载能力。