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基于知识粒度-属性重要度的水资源可持续利用评价

2023-05-26门宝辉吴明明刘灿均刘焕龙

人民长江 2023年5期
关键词:水资源量赋权子系统

门宝辉 吴明明 刘灿均 刘焕龙

门宝辉,

男,教授,博士生导师,担任国家自然科学基金、北京市自然科学基金和天津市自然科学基金项目的通讯评审专家,河北省科技奖评审专家,水利科技专家库专家,教育部学位与研究生教育发展中心学位论文通讯评议专家,中国科学院博士学位论文通讯评议专家,北京市水影响评价文件审查专家,《南水北调与水利科技》《水电能源科学》编委。

主要从事水文水资源的时间序列分析、水资源评价规划与管理、水资源优化配置、水资源系统优化原理与方法、河流健康评价及生态需水量、水环境容量计算方法、纳污能力复核及排污权交易等方面的教学和科研工作。主持国家自然科学基金、国家重点研发计划专题等项目20余项,教改项目5项,荣获北京高等学校青年教师社会调研优秀项目一等奖2项,教育部水利类教学指导委员会教学成果优秀奖1项。在国内外学术期刊上发表论文100余篇,SCI/EI收录50余篇,出版专著2部,十三五规划教材4部。

摘要:

北京市人口密集而区域水资源量有限,水资源的不合理开发利用曾一度导致地下水超采、水环境污染等问题,如何评价和促进北京市水资源利用的可持续性是缓解北京市水资源问题的基础。为分析北京市水资源利用现状,根据社会-经济-生态环境复合系统建立评价指标体系,采用知识粒度和属性重要度方法确定指标权重,基于集对分析和属性识别法定量评价了北京市2004~2020年水资源利用的可持續性,对比了不同权重下的评价结果并分析可利用水资源量对可持续性的影响。结果表明:基于知识粒度和属性重要度的赋权方法在评价中具有良好的适用性,不同方法所得评价结果虽略有差异,但整体上体现出的趋势性基本一致,均反映了北京市近17 a来水资源可持续利用水平逐年提高,呈现良性发展态势。同时,可利用水资源量是影响北京市水资源利用可持续性的重要因素,而南水北调中线工程为保证北京市可利用水资源量提供了有利条件。研究成果对北京市未来水资源保护和发展相关政策和规划的制定具有一定的参考价值。

关 键 词:

水资源; 可持续利用; 粗糙集; 知识粒度; 属性重要度; 北京市

中图法分类号: TV213.9

文献标志码: A

DOI:10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.006

0 引 言

水资源可持续利用是当前社会和自然环境可持续发展的重要基础。在气候变化和人类活动影响下,流域水资源供需矛盾、水环境问题日益突出,区域水资源可持续利用将面临重大挑战。中国首都北京市早已是一座经济发展、人口稠密的大城市,在其建设发展过程中,人均水资源量不足、地下水超采等系列问题也日益突出。2014年南水北调中线工程实施后,北京市水资源紧缺状况一定程度上得到了缓解,但其紧缺状况仍是北京城市定位调整和发展转型过程中阻碍城市近期和未来可持续发展的重要“瓶颈”。因此,建立北京市水资源可持续利用评价指标体系,选取适宜的指标确权和评价方法切实反映北京市水资源可持续利用水平,对北京市水资源优化配置和可持续发展具有重要意义。

已有研究通常在建立评价指标体系的基础上对指标进行赋权,并采用不同的评价方法计算水资源利用的可持续性等级。其中指标权重是影响评价结果的重要因素,根据指标赋权过程的主观性和客观性原则,指标赋权法可分为主观赋权法、客观赋权法、综合赋权法,或不进行指标赋权而直接评价[1]。主观赋权法根据决策者的意愿直接确定权重,主观性和随意性是其评价及决策过程具有的特点;客观赋权法依靠严格的数学理论计算指标权重,能够充分挖掘数据内部客观性联系,但往往忽略了决策者的主观意愿;不赋权法虽易于执行,但该方法未能解释推理过程和依据,仅将问题特征用数字表示,推理过程采用数值结算替代,这往往会出现信息丢失的情况。为了考虑决策者的主观意愿,又充分挖掘和利用数据内部的信息和联系,本次研究采用主客观结合的综合赋权法进行评价,增强评价结果的可信度。本文以北京市为研究区域,以社会-经济-生态为系统[2],设置北京市水资源可持续利用情况评价的目标层,从社会、经济、生态3个方面出发设置准则层及各层所包含的具体指标,由此建立评价体系并应用于北京市水资源可持续利用评价。采用基于知识粒度和属性重要度[3]的粗糙集方法计算指标层权重,采用非结构性决策模糊集理论和方法[4]计算准则层权重,并在此基础上分别采用集对分析法[5]和属性识别法[6]计算评价等级。同时,采用层次分析法[7]和熵权法[8]计算指标层权重,并用上述评价方法进行评价,最后计算多组评价结果的Spearman相关系数分析其相关性[9],验证评价结果的可靠性。

1 材料与方法

1.1 数据资料

本次研究对北京市2004~2020年水资源利用的可持续状况展开评价。各指标数据来自于国家统计局及北京市水资源公报等统计数据。

1.2 研究方法

1.2.1 评价指标体系的构建

构建评价指标体系时应充分考虑与水资源可持续利用紧密相关、对水资源可持续利用产生重要影响的社会、经济、生态环境因素。基于社会-经济-环境复合系统(RSWRS)[10]的方法,通过寻求较优的评价指标建立结构完整的指标体系,能够有效突出与水资源相关的可持续性特点。

本次研究对北京市水资源可持续利用现状进行调查和分析,本着代表性、适用性等原则从经济、社会和生态子系统中有效筛选评价指标,采用RSWRS系统构建评价体系。经济子系统指标从整体部分和用水部门两方面选取,其中,选取万元GDP耗水量作为整体性指标表征该子系统水资源可持续情况,选取单方水粮食产量、单方水工业产值和第三产业占GDP比例3个指标来分别表征用水部门中农业、工业和第三产业水资源利用的可持续性。生态子系统指标则从水量、水质和植被覆盖度3个方面筛选,其中,选取生态环境用水率、地下水占供水量比例作为水量方面的指标,选取河流水质达标率、污水处理率作为水质方面的指标,选取森林覆盖率作为表征森林状况的指标。社会子系统指标从城市和人口两方面确定,选取人口密度、城市化水平作为表征城市方面的指标,选取人均日生活水量、人均水资源量作为表征人口方面的指标。各评价指标的水资源可持续利用程度划分为理想(Ⅰ)、良好(Ⅱ)、一般(Ⅲ)、预警(Ⅳ)、恶劣(Ⅴ)5个等级,各指标在每一等级的阈值则根据已有的国际或国家标准确定,若无已有标准可供参考,需分析北京市发展现状,并结合相关研究成果确定[11]。本次研究建立的评价指标体系及各指标在不同等级的阈值见表1。

1.2.2 指标权重的确定

指标权重值的确定是评价过程中的重要环节,为确保评价结果的客观性并考虑决策者的主观意愿,本次研究采用主客观综合赋权法。其中,基于知识粒度和属性重要度的粗糙集方法用来确定各指标权重,而非结构性决策模糊集理论用来确定准则层中各子系统的权重值。

2.1.2 准则层权重确定

生活、生产及生态用水作为社会、经济和生态3个子系统的主要用水部门,能够反映子系统对于水资源的可持续利用情况。北京市2004~2020年生活、生产和生态用水占比及其变化情况见图1。

由图1可知,北京在2004~2015年期间经济发展逐渐放缓,工业和农业转型为其他产业,导致生产用水比例逐年下降,而生态用水比例显著提高,生活用水占比变化不大。2015年之后,生态用水占比超过生产用水,充分反映北京市发展在以生态为重点的可持续发展道路上迈出更大一步。根据北京市城市转型发展特点确定3个子系统的权重值。本次研究的指标集为:P={p1,p2,p3},其中,p1、p2、p3分别表示生态子系统、社会子系统和经济子系统。二元比较矩阵E和二元比较判断矩阵β根据表2和式(5)确定如下:

E=0.511 00.51 000.5;

β=0.500.600.70 0.400.500.65 0.300.350.50

在上述基础上进行归一化处理,得到3个子系统权重如表3所列。

2.1.3 层次分析法和熵权法的计算结果

为了探究指标权重差异对评价结果产生的影响,本次研究在上述指标权重计算基础上,进一步采用层次分析法和熵权法对指标进行赋权,并对评价结果进行比较。层次分析法是一种主观赋权法,指标权重基于判断矩阵进行计算[7],计算结果见表3中的AHP部分;熵权法为客观赋权法,其详细计算步骤参阅文献[8],计算结果见表3中的EWM部分。

2.2 評价结果及分析

将表3中各指标的权重分别带入集对分析和属性识别法中计算评价等级,得到如表4所列的2004~2020年北京市水资源可持续利用状况与评价标准之间的联系度,并由公式(6)计算最终的评价等级。同时,将上述计算结果与采用层次分析、熵权法赋权的集对分析和属性识别法计算结果进行比较,得到结果如图2所示。

分析图2可知,基于6种方法的北京市水资源可持续利用状况等级均位于Ⅱ~Ⅳ之间。2004~2020年间北京市水资源利用的可持续性整体表现为上升趋势。评价结果受到不同评价方法的影响,属性识别法所得结果各个年份之间具有较小差距,而集对分析法所得结果与之相反,前者差距仅为0.272,后者差距较大为1.259。属性识别法所得评价结果的等级变化特征虽弱于集对分析法所得结果,两种方法呈现出的变化趋势具有一致性,均表现为整体上升的特点且具有相同的拐点年份。

通过计算3种确权方式下不同评价结果的Spearman相关系数(见图3)分析结果间的相关性,进一步讨论本研究确权方法的评价效果。由图3可知,采用粗糙集理论的知识粒度和属性重要度确权的集对分析法结果有最高的相关系数(0.990),而基于该确权方式的属性识别法结果也具有较高相关系数(0.979,0.975),这表明了基于粗糙集和模糊理论的指标权重在本次评价中具有较好的适用性。

评价起始年北京市的单方水粮食产量、单方水工业产值、污水处理率等指标均为最低,而人均日生活用水量最高,导致了2004年北京市水资源利用的可持续性等级值最小,反映了该年北京市具有较低的水资源利用效率且污水处理能力不高,城市居民对于水资源的合理利用观念不强。而在2008,2013年和2018年的人均日生活用水量具有较高值,使得评价等级较低,水资源利用的可持续状况评价结果在研究期间出现了极小值。这一结果与陈午等[15]在相关研究中所得结论基本吻合。

水资源可持续利用性取决于可利用水资源量的变化[16],2004~2020年北京市可利用水资源总量呈持续增加的趋势,可利用水资源量的结构组成也发生了显著变化(见图4)。2004年北京市可利用水资源总量为34.55亿m3,到2020年增加到40.61亿m3,再生水可利用量显著增加。2014年南水北调中线工程通水后,北京市可利用水资源量增加,2014~2020年间南水北调中线工程共向北京市输水49.63亿m3,极大缓解了北京市用水短缺问题。图4也显示了评价期间北京市地下水供水量和生态环境用水量变化特点,随着南水北调中线工程通水,北京市地下水供水量逐年减少,地下水得

到有效补给,地下水埋深逐渐回升,超采问题得以缓解[17];生态环境用水量显著增加,市内河湖水环境及水生态状况持续改善。同时,在北京市发展转型过程中,水资源高效利用的相关政策及工程措施逐步到位,人们对于水资源保护的意识也逐步增强,水资源可持续利用等级整体有所上升。由此可见,提高用水效率、增强污水处理能力和强化居民节水意识是提高

区域水资源利用可持续性的关键举措,而可利用水资源量是影响北京市水资源可持续利用的重要因素,南水北调中线工程为保障北京市可利用水资源量提供了有利条件,进一步推动了区域水资源保护、管理和可持续利用的发展。

3 结 语

本文在水资源复合系统的基础上构建了北京市水资源可持续利用评价模型,该模型根据RSWRS系统构建评价指标体系,采用知识粒度及属性重要度与非结构性决策模糊集理论结合的方法确定各指标权重,并采用属性识别和集对分析法计算北京市水资源可持续利用等级。同时,通过层次分析和熵权法计算指标权重后采用上述方法求算评价等级,并计算结果间的Spearman相关系数,讨论基于粗糙集理论的知识粒度和属性重要度确权方法的评价效果,进一步验证了本文所构建评价模型及评价结果的准确性。研究结果表明:在2004~2020年北京市水资源可持续利用总体水平逐年提高,呈现出良好的发展态势,可利用水资源量是影响北京市水资源利用可持续性的重要因素,南水北调中线工程为保障北京市可利用水资源量提供了有利条件。基于知识粒度及属性重要度的集对分析法在北京市水资源可持续利用评价领域具有较好的适用性,不同评价方法得到的评价结果具有差异性,但整体趋势一致,均准确反映了北京市17 a来在水资源可持续利用方面的现状和发展态势,对北京市未来水资源保护和发展相关政策和规划的制定具有一定的参考价值。

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(编辑:谢玲娴)

Abstract:

Beijing City has a dense population and limited regional water resources.Unreasonable development and utilization of water resources once led to groundwater overexploitation,water environment pollution and other problems.How to evaluate and promote the sustainability of water resources utilization is a basis to alleviating the water resources problems in Beijing City.Therefore,in order to analyze the current situation of water resources utilization in Beijing City,this paper establishes an evaluation index system according to the social-economic-ecological environment composite system,determines the index weight by using the knowledge granularity and attribute importance method,then quantitatively evaluates the sustainability of water resources utilization in Beijing City from 2004 to 2020 based on the set pair analysis and attribute identification method.Based on the results,we compare the evaluation results under different weights and analyze the impact of available water resources on the sustainability.The results show that the weight determination method based on knowledge granularity and attribute importance is feasible in the evaluation of water resources sustainable utilization in Beijing City.In addition,the overall level of sustainable water use is getting better and better year by year.Although the results obtained by different evaluation methods are slightly different,the overall trend is basically the same.The amount of available water resources is an important factor affecting the sustainability of water resources utilization in Beijing City,and the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project provides favorable conditions for ensuring the amount of available water resources in Beijing City.This study has certain reference values for the formulation of policies and plans related to water resources protection and exploration in Beijing City in the future.

Key words:

water resources;sustainable utilization;rough set;knowledge granularity;attribute importance;Beijing City

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