辽宁省水资源承载力预警模型研究

张国庆

(辽宁省营口水文局，辽宁 营口 115003)

水资源承载力管理方法和制度的不断完善落实，加速了水资源承载力的监测预警机制的发展和实施，国家发改委和水利部提出要加强对区域水资源的管理[1]。可持续发展理论是水资源承载力预警的基础和主要判断依据，通过对当前水资源承载力状况分析可对其未来变化趋势进行判断，并基于载荷现状与预期目标的偏离程度制定相应的预警级别，对其进行不同程度的调控和管理。资源管理承载力的主要分支是进行水资源承载力的预警，当今仍未形成较为成熟和完善的理论体系[2]。本文结合当前研究现状，分别从生态、社会、经济和水资源四个层次构建了预警指标体系，运用可变模糊法建立了水资源承载力现状预警模型，并结合GM(1，1)理论对未来变化趋势进行预测，以辽宁省为研究对象，对模型的适用性和科学性进行验证，以期为研究区域水资源管理和规划提供科学的理论支持和决策依据[3]。

1 构建预警指标体系和预警标准

体现水资源系统保障社会经济良性发展的重要参数指标是区域水资源承载力，其概念是一个集多种因素的综合指标。科学合理的确定各预警指标和相应的阀值或区间是进行水资源承载力预警的重要内容[4]。预警源是进行预警指标选取的根本依据，而预警对象即为预警指标，并选取警度作为预警的主体，综合指标是体现预警程度的重要内容[5]。本文结合有关资料和研究成果，在遵循科学性、可操作性、整体性和相关性基本原则基础上，对预警指标体系的各参数指标进行调查统计，并参考相关专家意见,利用Delphi法和频度统计法，分别从社会负荷、经济负荷、生态保护和水资源承载力四个方面构建了具有代表性的15个预警指标体系，结合各预警指标可造成的危害程度对其进行Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级4个警级的划分，所对应的警度分别为无警、轻警、中警和重警，见表1。

2 水资源承载力预警模型

2.1 指标组合权重的确定

采用主客观综合赋权法即采用(EVM)熵值和(AHP)层次分析相结合的方法各预警指标的组合权重进行计算，计算公式如下：

(1)

式中，ωzi—采用主客观综合赋权法的预警指标组合权重值；ωai、ωei—分别为采用层析分析法和熵值法的预警指标权重值。

2.2 灰色GM预测模型

对水资源承载力现状预警和变化发展趋势预警是水资源承载力预警的两大主要内容。灰色GM(1，1)预测模型是一种基于对过去或现状的不确定信息的提取，利用参数序列对事物的发展规律进行合理的描述，该方法应用较为广泛，理论发展相对成熟[6]。本研究参考相关文献中预测模型的构建方法和预测步骤，利用灰色GM(1，1)预测模型对研究区域的水资资源承载力警度进行预测分析，当模型的小误差概率P≥0.8且后验比c<0.5时，预测模型表现出良好的精确性和可靠性。

表1 辽宁省水资源承载力预警指标体系和预警标准

2.3 构建预警模型

可变模糊法是进行现状预警分析的主要方法，其主要内容是进行相对隶属度、差异度和模糊可变集合的计算和分析，在一定程度上可提高模型的可靠性和准确性，然而对于相对差异度为1的质变点矩阵M的计算需利用专家经验进行确定，该方法表现出明显的主观判断性，因专家或个人经验不同可对预测结果产生较大的差异，并且在求解过程中对相对差异度的计算过程较为困难和复杂[7]。据此，本文利用集对分析理论，同时选用能够体现样本值与标准值之间的同异反关系的综合联系度代替传统的相对差异度，可有效确定警度等级，进而可达到对参数指标的优化计算，并提高预测指标的客观判断性[8]。本文利用可变模糊理论进行水资源承载力预警模型的构建，计算方法和步骤如下：

(1)首先构建预警指标体系并确定预警等级标准。设定在m个样本中具有n个评价指标，则所建立的评价指标体系为{xij|i=1，2，…，m;j=1，2，…，n}，其中样本序号和指标序号分别以i、j进行表示。并引入{Sk|k=1，2，…，K}为预警等级标准，其中k为水资源承载力预警等级数。

(2)对各预警指标的权重ω=(ωj);j=1，2，…，n进行计算。

(3)确定单项指标之间的联系度。结合集对分析基本理论对预警指标和等级标准xij、Sk两个集合组成一个集对，并以uijk作为预警等级为k的第i个样本的第j个预警指标的联系度，其计算公式如下：

(2)

式中，sjk—在第k标准等级下的第j个预警指标的标准界限值。

(4)确定各样本与预警等级标准的综合联系度。采用加权法对各样本与预警等级标准的综合联系度uik的计算，计算公式如下：

(3)

式中，ωj—对应于预警等级标准的第j个预警指标的权重值。

(5)确定样本对应于预警等级的相对隶属度。在预警等级标准k下的样本i的综合相对隶属度vik进行计算，公式如下所示：

vik=(1+uik)/2

(4)

式中，各参数字母所代表的含义同上。

(6)对预测警度等级进行计算。为避免按照最大隶属度原则对预测结果判断的失误，并提高预测结果的准确性和可靠性，文中对预警结果采用预警等级特征值Hi进行表征，其计算方法如下所示：

(5)

Hi值是定量表征预警度变化趋势的主要参数指标，样本i的警度满足警度标准等级k时，其Hi∈[k-0.5，k+0.5;(k=1，2，…，K)]。

(7)对预测警度基本进行计算分析。利用上述过程(6)计算所得Hi值作为模型输入初始序列值重新进行GM(1，1)模型的带入，可对研究预期未来年份的警度级别进行预测和分析，并揭示其未来警度变化发展规律。

3 案例分析

辽宁省占地面积14.8万km2；属于温带、寒温带大陆性季风气候，冬冷干燥漫长，夏季多雨炎热，全年降雨量和流经量分布不均匀，其中东南部水资源面积较大，区域内流域主要包括大凌河、辽河、浑河、太子河和绕阳河等[9]。地势由东南向西北呈逐渐降低趋势，包含低山地丘陵区，在水资源管理中主要出现的问题有水供应能力不足，局部地下水过度开采、水污染和浪费情况严重、工农业废水排放不达标、水资源净化设施不完善等。省内人均水资源占有量仅为全国人均占有量的8.6%，水资源储蓄量严重不足。开展辽宁省水资源承载力预警研究和分析，对促进区域水资源可持续开采利用和社会经济发展具有重要意义。本文数据来源主要依据2007～2016年《辽宁省统计年鉴》《中国城市统计年鉴》《社会经济发展公报》《水资源公报》以及部分规划报告等[10]。

3.1 计算指标权重

通过邀请在水资源领域的18位专家利用1～9标度法对评价指标体系中各预测指标进行打分，并在筛选总结有关专家建议的基础上，利用层次分析法和Matlab编程对各指标进行计算，可得到评价指标体系中目标层、准则层和指标层各层级的主观权重值；然后采用熵值法计算公式分别对各层级之间的客观权重计算，利用文中所述组合权重计算公式可得到各指标的组合权重，最终通过层级总排序计算指标层对准则层的组合权重值，计算结果见表2。

表2 辽宁省水资源承载力预警指标权重计算结果

3.2 计算警度

利用文中所述相关公式可对辽宁省2007～2016年水资源承载力和预警等级标准之间的综合相对隶属度和联系度的计算，并采用式(5)可对研究区域在各年份的警度级别特征值的计算，进而可得到与其相对应的警度等级标准；然后利用模糊综合判别法可对2007～2016年有关数据进行警度等级标准的判别和评价，统计计算结果见表3。

由表3可知，除2013年辽宁省水资源承载力警度为Ⅱ外，其他各年份均处于中度预警状态，该区域水资源承载力现状不容客观，且警度特征值整体表现出整体下降趋势。其原因可能与辽宁省政府逐渐加强对水资源保护和管理工作相关，今年来辽宁省逐渐开展了多项水资源管理措施，主要有加快河道整治改造工程，促进城镇水资源的优化配置，提高开采利用效率，降低万元GDP增加用水量；并且随着辽宁省逐步开展的生态文明建设的加快，辽宁省生态自然得到明显的改善和保护，其生态用水率和污水处理率明显得到提升。本文基于改进可变模糊方法所构建的预警模型，其预测结果与研究区域实际状况保持良好的一致性，模型表现出较强的使用性和可靠性[11]。

表3 辽宁省2007～2016年水资源承载力预警计算结果

3.3 警度预测

利用文中对警度级别特征值计算结果，可完成对GM(1，1)模型参数的初始序列初入，因2013年警度级别较为特殊，为避免因其产生较大误差，本研究将其舍去，提取表3中其他年份相应值完成模型的建模和输入。模型GM(1，1)的初始序列T(0)=(2.852，2.843，2.716，2.712，2.708，2.621，2.611，2.576，2.566)，结合灰色关联度理论构建基于时间响应的函数：t(k+1)=2.8375exp(0.0136-0.0137k)，然后利用模型可得到模拟序为：

T(1)=(2.751，2.784，2.763，2.715，2.681，2.652，2.612，2.543，2.536)

经过对比验证可知后验比c=0.26<0.5，且小误差概率P=1.1>0.8，平均相对误差计算结果为0.8%明显低于标准要求的10%，故所构建的预测模型满足精度要求。利用GM(1，1)模型对研究区域进行精度预测，可得2018～2022年的预测序列为T(2)=(2.506，2.481，2.443，2.406，2.380)，辽宁省水资源承载力在2018年警度为中警，在2019～2022年为轻警。当前，辽宁省水资源承载力仍面临较大压力，仍需继续加强对水资源的管理和控制，坚持保护用水，促进再生水和海水的循环利用，严格按照标准要求对水资源进行开采和控制，同时还应加强对水生态系统环境的治理，并严格控制城镇生活污水和工农业用水的排放，提高沿海、湖泊和近海岸区域的生态治理，加强区域内水土保持工作，并促进社会经济和水资源的可持续发展和利用。

4 结论

本文结合研究区域的水资源开采利用现状、社会经济发展状况、自然生态环境等方面，构建了多指标水资源承载力预警指标体系，并利用集对分析理论构建了基于可变模糊法和灰色GM(1，1)预测模型，利用模型看对预警现状等级和未来发展变化趋势进行科学、合理的预测，得出主要结论如下：

(1)除2013年辽宁省水资源承载力警度为Ⅱ外，其他各年份均处于中度预警状态，该区域水资源承载力现状不容客观，且警度特征值整体表现出整体下降趋势。

(2)本文基于改进可变模糊方法所构建的预警模型，预测结果与研究区域实际状况保持良好的一致性，模型表现出较强的使用性和可靠性。未来2018～2022年的预测序列为T(2)=(2.506，2.481，2.443，2.406，2.380)，辽宁省水资源承载力在2018年警度为中警，在2019～2022年为轻警。