基于模糊集对和指标评价体系对水资源监测系统承载能力实现动态评价

谢智雄，陈江清

（1.广东省水文局佛山水文分局,广东 佛山 528000；2.广西大学土木建筑工程学院,广西 南宁 530000）

经济的发展和人口涌入城市的数量增加,使得城市需水量呈指数级别增长,但由于我国水资源本身分布的不均衡性,以及前期遗留的水污染问题,故水系统的健康度对于城市的发展和人们生活水平提升带来严重的制约,为了保障各城市经济持续发展、人们生活水平持续提升,水资源得到合理的开发使用,需要做好水资源监测系统承载能力的动态评价工作。

1 水资源监测系统承载能力评价概述

1.1 水资源监测系统承载能力评价现状

水资源监测系统承载能力最初是在20 世纪90 年代提出的,目前对于水资源监测系统承载能力的定义存在不同解释。部分专家将水资源系统监测和承载能力作为经济活动发展的基础,其阈值决定经济发展的上限,也有专家指出水系统的监测能力和承载能力具有自然和社会的双重属性,即承载力具有上限,超出承载能力,生态系统就会被破坏。生态学上认为水资源监测系统承载能力是在社会发展的一定阶段和生态系统良性循环状态下,水资源对于人类活动的最大的承载能力[1]。人类只有在水资源监测系统承载能力所允许的范围内进行各类活动,才能使整个社会的经济持续性健康发展,水资源监测系统承载能力是包含了社会、人口、环境、资源、技术等很多因素的系统,这些因素相互之间存在着影响和制约的关系。水资源能够支撑多少人类进行各类活动、经济能否持续性发展、水资源系统能否实现良性循环,这些需要我们制定并实施的各项经济、技术等政策,但是如何制定相关政策以及参数如何确定是当前急需解决的难题。

1.2 水资源监测系统承载能力评价存在问题及发展趋势

目前我国对于水资源监测系统承载能力的认识和研究还处于探索时期,还没有构建完善的理论体系和统一的研究方法,需要加强对基础理论的研究,开拓新的思路和方法,为国家关于水系统监测系统承载能力的研究提供理论依据[2]。目前,水资源监测系统承载能力评价指标体系中关于指标的选取较多样且存在局限性,对于指标的选取没有统一的可遵循的方案。今后需要将复合系统作为研究目标,构建新的可行的指标评价体系。评价指标的标准值的详细研究还比较少,影响着很多评价方法的应用,今后应加强对评价指标标准值的研究。目前还没有统一和完善的用来进行水资源监测系统承载能力动态评价的方法,构建的综合模型无法做到将水资源的复杂、模糊性能进行同时描述,需用系统的观点、更广的视角、更科学的方法来研究水资源监测系统承载能力[3]。此外,水资源监测系统承载能力研究的重要前提是环境所需水资源量,对于所需水资源量的研究和计算还没有统一的理论和方法,今后环境所需水资源量的确定将是水资源监测系统承载能力研究的重要组成部分[4]。

2 模糊集对理论概述

模糊数学法、物元法及灰色系统法等评价方法是应用较为广泛的水资源监测能力评价方法,但是这些方法存在只能对事物的联系进行单一描述、无法在复杂、不确定、动态情况下进行水资源监测[5]。而模糊集对和指标评价体系是对水资源监测系统承载能力进行动态评价的一种有效方法[6]。模糊集对评价方法是对信息随机、各类信息冗杂且不确定的情况下进行的一种优化选择,将确定和不确定的信息作为既确定又不确定来进行分析,将等级标准和指标权重作为评价重点,提升了评价的准确度,并将其应用在水资源监测系统的评价上[7]。

模糊集对理论的基础是构建集合A、B,成为集对H（A,B）,其中集合A 是监测系统评价指标的集合,集合B 是监测系统等级标准的集合,此时对集对进行特性分析,并设定特征数量为M,两个集合A 和B 的共性特性的数量为P,两个集合A和B 的异性特性的数量为P,两个集合A 和B 的对立特性的数量为Q,那么集对的关联度为：

式中：μA，B为集对H（A,B）的关联度；分别为集对H（A,B）的同一特性、差异特性和对立特性占比,分别用a、b、c表示,且a+b+c=1,O+P+Q=M；X为集对H（A,B）的差异度,取值范围为从-1～1 之间；Y为集对H（A,B）的对立度,取值为-1。

3 水资源监测系统承载能力动态评价

3.1 构建水资源监测系统指标评价体系

从自然、人为和承载力指标中选取8 项指标作为评价指标,构建水资源监测系统承载能力指标评价体系,各评价指标名称、符号及单位见表1。

表1 水资源监测能力评价指标体系

3.2 评价等级标准划分

综合考虑南方某内陆城市的实际水资源情况和构建的评价指标体系,将原始量化数据进行离散化,并对评价指标进行分级,从强到弱五个评价等级,分别用1 级～5 级进行表示,见表2。

表2 水资源监测系统承载能力评价等级标准

3.3 确定评价指标权重

通常在实践中使用主观法和客观法确定各类评价指标的权重,但主观法由于存在较多主观因素,其评价结果受到评价者的认知影响较大,故本文采用客观法对各类评价指标进行权重的分配和计算,步骤如下：

（1）标准化处理评价量化指标数据,其中正向指标计算依据如下：

负向指标用公式（3）进行计算：

式中：rij为第i个评价对象的第j个指标；amaxj为第i个指标的最大值；aminij为第i个指标的最小值。

标准化处理后,得到矩阵R=（aij）mn,其中m表示评价对象数量,n表示评价指标数量。

（2）计算各评价指标的熵：

（3）计算各评价指标的权重：

根据该市2017 年～2021 年水资源公报,对该市水资源监测系统承载能力各评价指标权重结果见表3。

表3 水资源监测系统承载能力各评价指标权重

3.4 模糊集对评价水资源监测系统承载能力

（1）计算被评价对象的指标和水系统承载水平之间的量化数据及单指标关联度

结合最大隶属度原则,将指标分为正向指标和反向指标后,分别对评价指标和承载等级进行单指标关联度计算,其中：

正向指标的公式如下：

负向指标的计算公式为：

式中：i为评价对象；j为评价指标；k为水资源监测系统承载能力评价等级；sk,j为水资源监测系统承载能力评价标准的界限值。

（2）计算被评价对象和评估等级的关联度

（3）相对隶属度和综合隶属度计算

（4）评价对象的水资源监测系统承载能力等级计算

因最大隶属度原则在模糊识别中容易使信息丢失,在对评价对象的水资源监测系统承载能力等级进行计算时,为提高评价等级的精度和评价结果的准确性,使用置信度原则进行计算,计算公式为：

该市水资源监测系统承载能力评价结果见表4。

表4 水资源监测系统承载能力评价结果

4 评价结果分析及问题对策

4.1 水资源监测系统承载能力评价结果分析

根据表4结果,该市水资源监测系统承载能力整体较一般,自2020 年提高了水资源监测和管控水平,水资源紧缺和上下游污染现象得到缓解和改善,供水系统承载能力提升明显,水资源供应效率和质量需要进一步配合该市经济发展速度[8]。

4.2 问题及对策

根据评价结果并结合该市水资源实际使用情况,梳理出以下存在问题并制定对策见表5。

表5 水资源监测系统承载能力存在问题及对策

5 结语

本文基于模糊集对评和指标评价体系对水资源监测系统承载能力进行动态评价,并以南方某内陆城市为例进行水资源监测系统承载能力评价,并针对评价结果找出存在问题及制定对策。通过评价证明了该评价方法对于水资源监测系统承载能力的动态评价非常有效,但同时本文在指标评价体系的构建中对指标的选择存在一定局限,对各指标的权重和标准分级方面也需要进一步的研究。