灰色预测模型在区域水资源承载能力预测中的应用

李 智

(黑龙江农垦勘测设计研究院，黑龙江 哈尔滨 150090)

长久以来，受气候变化与环境影响，我国水资源系统逐渐变得脆弱，供需严重不均衡，因此，如何根据现有数据基础，对风险因素与风险程度作出有效辨识与分析，并基于某种有效理论对区域水资源承载能力作出合理评估与预测，是保护区域水资源的重要途径[1- 2]。

为积极应对水资源生态环境脆弱的问题，我国水资源领域学者积极展开了大范围的研究。吴旭[3]以邯郸市主城区水资源供给为研究对象，通过引入双要素水资源承载能力分析模型，从水量-水质双参数角度对区域现状和水资源承载能力进行分析评价，提出基于双要素水资源承载能力评价模型用于城市水资源承载能力评价，具有数据易获取、可操作性强的优势。刘德虎[4]等以东营市水资源污染现状为例，指出区域水功能区水质达标率偏低，通过对超载区域的原因分析提出了调控建议。邢菊等[5]基于江淮分水岭地区水资源现状，提出当前该区域水资源承载力总体处于可载状态，但空间分布上存在明显的差异，且水资源所承载的经济总量呈现明显的上升趋势。赵林林[6]基于资源环境承载力理论，依据压力-状态-响应理论建立了TOPSIS诊断模型，分析得出区域水资源承载力空间分布不均衡，且承载力较为脆弱。此外，于红伟[7]、娄洋[8]、董凤军[9]分别提出了集对分析法、基于支持向量机分析法和SPA耦合模型分析法对水资源承载力进行评估。

灰色预测模型作为一种风险评估与预测的新型理论[10- 11]，本文创新性将其引入到区域水资源承载能力评估与预测中，并对东北地区某城市水资源现状作出了科学有效的预测，对我国水资源保护工作起到良好的指导作用。

1 研究方法与模型建立

1.1 研究路线

基于层次分析法[12]与灰色预测模型基本理论，本文提出的主要研究路线及研究方法如图1所示。以东北某城市水资源系统为例，基于水资源-社会经济-生态环境复合系统构建基于层次分析法评价指标体系与评估模型，基于城市现状调查结果，构建研究指标体系，见表1。目前，关于层次分析法的具体应用方法的论文较多，故本文在此不做赘述，这里基于灰色模型理论，对区域未来发展状况作出合理预测与假设。

图1 区域水资源承载能力评估与预测研究路线

表1 东北某城市水资源承载能力评价指标

1.2 灰色预测模型

灰色分析理论可以对含有不确定因素的系统进行预测，由我国学者创立并逐渐发展起来。该理论认为，通过对原数据进行详细分析处理，能够找到系统变动的规律，最后通过建立模型进而对将要发展的方向作出合理的预测。模型建立步骤如下：对原始数据进行累加处理→构件累加数据矩阵→求解相关参数→带入参数得累加预测结果→模型精度检验。灰色理论预测模型参数精度划分标注见表2。

表2 基于多参数的灰色预测模型精度等级划分表

2 实例研究

2.1 区域现状及承载力评估

为深入探讨该城市的水资源承载能力现状，本研究小组对区域展开了全方位的走访与调查，并深入研究了区域多年以来水资源利用、社会经济及生态环境多个方面的情况。调查发现，多年来该区域人均水资源量充沛，平均年人均水资源量在2500m3以上，在缺水年人均水资源量能达到2200m3以上，在丰水年甚至能达到3640m3。

根据调查数据，按照上述标准划分为3个子系统、12个指标，归纳得出近十年(2009—2018年)间该城市各项指标参数，见表3。

根据上述3个子系统层参数，按照各自重要性权重计算得到水资源综合承载能力评价指数，如图2所示。由图2可知，该城市在社会经济承载力方面处于较低水平，但呈现逐步增长趋势，其原因是该城市近几年经济迅速发展，生活水平不断提高。但由于该地区应用于经济发展方面的水资源耗费量较大，且利用率处于较低水平，因此导致水资源环境处于较差水平。而在这三方面中，水资源承载力评价指数在经过2009—2010年间的快速上升，此后一直保持着较高水平，其原因是该城市在2009年发布新政策，通过引入新技术合理调控农村灌溉用水的空间分布与用水量，有效解决了农业水资源浪费的问题。生态环境承载力一直保持较稳定水平呈现些许波动，但在2017年出现一次陡降，是由于2017年区域出现罕见的旱灾情况，因此生态环境承载力下降明显。

表3 2009—2018年间城市水资源评价系统各项指标参数表

在过去的十年内该城市综合承载力水平在0.6～0.73之间，属于较好水平。除去在2017年由于生态环境承载力下降导致区域水资源-社会经济-生态环境综合承载力发生一定程度的下降，其他年间整体处于较稳定状态且呈现出缓慢上升趋势，由此可见，该城市综合承载力处于较好水平，且承载力不断提高。承载力评价标准见表4。

图2 2009—2018年间区域水资源-社会经济- 生态环境承载力及综合承载力变化

表4 承载力评价标准

2.2 基于灰色预测模型的水资源承载力预测

表5给出了区域水资源承载力GM(1，1)灰色预测模型在2009—2018年的模拟结果以及在2020、2025、2030年间的预测结果，其平均相对误差m=0.022，方差比c=0.597，小概率误差p=0.818，分别达到良好，合格，良好水准。因此可见，从整体来说，基于GM(1，1)灰色预测模型对于该区域水资源承载力的模拟效果较好，误差很小。对2020、2025、2030年的预测结果可知，该区域水资源-社会经济-生态环境综合承载力分别为0.702、0.740、0.780，较之前均有所提高，这也符合区域综合承载力曲线发展规律。

表5 城市水资源承载力模拟与预测结果

3 结论

本文以东北某城市为例，以层次分析法理论为基础对区域水资源承载力展开了综合评价，分析得出该城市在近十年内水资源综合承载力处于良好水平，且整体处于稳定发展趋势。进一步建立了区域水资源承载力灰色预测模型，并基于该城市2009—2018年间实际评价指数数据验证了灰色预测模型的合理性与可靠性，对该城市2020、2025、2030年间水资源承载力作出了合理预测，为我国东北地区城市水资源合理分配与利用提供了一定的指导作用。目前，本研究及所建立的模型主要适用于东北地区流域水资源，因此如何将其合理推广到我国其他地区仍需要展开进一步研究。