基于熵权-模糊综合评价的昌吉市水资源承载力研究

张 婷

(新疆昌吉方汇水电设计有限公司,新疆 昌吉 831100)

1 指标体系及研究方法

1.1 评价指标体系构建

结合现有研究成果及昌吉市经济社会发展与水资源时空分布特征,构建昌吉市水资源承载力评价指标体系[1],对水资源承载力的评价主要是从区域水资源条件、经济社会发展、生态环境、用水管理水平等角度展开,并以此作为指标体系准则层,在此基础上选取相关度较高的二级评价指标作为指标层,共同构成水资源评价指标体系,见表1。

表1 水资源承载力评价指标体系

1.2 研究方法

1.2.1 确定指标权重

根据所建立的水资源承载力评价指标体系,采用熵值法计算各指标权重,具体计算步骤如下[2-3]：

(1)数据标准化

为消除各指标原始数据由于量纲不同所引起的计算误差,采用极差标准化的方法对原始数据进行标准化处理,公式如下：

(1)

(2)

(3)

(2)权重计算

①第j个指标在第i年的比重Pij

(4)

②第j个指标信息熵Ej

(5)

③第j个指标的效用值Dj

Dj=1-Ej

(6)

④第j个指标的权重Wj

(7)

式中,m为统计年数;n为指标数。以加权求和法计算研究区水资源承载力评价体系指标权重。

1.2.2 构建水资源承载力的模糊关系矩阵

结合有关规范、标准及已有文献,确定水资源承载力评价等级划分,见表2[1、4、5],考虑到评价体系中部分评价指标模糊性强,本文采用模糊综合评价法来定量评价研究区水资源承载力,具体过程如下[6-7]：

表2 水资源承载力评价等级划分

(1)建立评价对象因素集及评价等级

水资源承载力评价对象因素集由评价指标构成,总的因素集U={x1、x2、x3、x4……xn},依次代表n项评价指标。评价等级依据本文所确定的水资源承载力评价等级确定。

(2)隶属度确定

在各评价指标中,部分指标表现为越小越优,而另一部分指标则为越大越好,在确定指标隶属度时,两者采用的方法是不相同的,对随等级升高而因子标准数值增大的偏小型分布指标一般采用降半梯形分布来描述,对降半梯形分布,各指标的隶属度rij解析式如式(8)-式(10),而对偏大型分布则相反。

第i项指标对1级承载力的隶属度函数为：

(8)

第i项指标对j级承载力的隶属度函数为：

(9)

第i项指标对n级承载力的隶属度函数为：

(10)

式中,ci为第i项指标的实测值;sij为第i项指标对j级承载力的标准值;rij为第i项指标对j级承载力的隶属度。

(3)模糊评价结果

2 实例应用

2.1 研究区概况

昌吉市位于天山北麓、亚欧大陆腹地、准噶尔盆地南缘,介于东经86°24′～87°37′,北纬43°06′～45°20′,南北长260 km,东西宽30 km,总面积7 971.03 km2。全市多年平均降水量190 mm,不足全国多年平均降水量的1/3,人均水资源量仅为全国人均水平的70%,属于典型的干旱缺水地区。2021全市地区生产总值(GDP)471.76亿元,其中：第一产业增加值50亿元,第二产业增加值155.21亿元,第三产业增加值266.55亿元。2021年末全市总户数15.19万户,总人口40.45万人,其中：城镇人口25.87万人。2021年全市总用水量4.07亿m3,其中,生活用水0.5亿m3,工业用水0.16亿m3,农业用水3.1亿m3,人工生态环境补水0.31亿m3。

2.2 指标权重的确定

按照熵值法计算步骤,采用极差标准化的方法对原始数据进行标准化处理后,依次计算昌吉市水资源承载力评价指标权重,结果见表3。

表3 昌吉市水资源承载力评价指标体系权重

2.3 模糊关系矩阵的确定

根据隶属度计算公式,依次计算各评价指标对Ⅰ-Ⅴ级承载力标准的隶属度数值,汇总得到各评价指标隶属度模糊关系矩阵,见表4。

表4 昌吉市水资源承载力评价指标隶属度计算

根据表4中各评价指标隶属度计算值,可得出区域水资源条件、经济社会发展、生态环境、用水管理水平等准则层的二级隶属度模糊关系矩阵。

2.4 水资源承载力模糊综合评价

2.4.1 准则层评价

根据熵值法计算得到的指标权重Wi及二级隶属度矩阵可分别对该市水资源禀赋条件、水资源开发利用程度、供水能力、水环境状况、经济社会发展水平进行多级模糊综合评价。

根据模糊综合评价最大隶属度原则,昌吉市水资源承载力评价准则层中区域水资源条件、经济社会发展、生态环境、用水管理水平评价等级依次为Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级、Ⅱ级。

2.4.2 水资源承载力综合评价

根据准则层评价结果,对昌吉市水资源承载能力进行综合评价。根据模糊综合评价最大隶属度原则,昌吉市水资源承载力综合评价等级应为Ⅲ级。

2.4.3 评价结果分析

从准则层评价结果来看,2021年昌吉市水资源系统整体达到Ⅲ级,这与当地水资源短缺的客观条件是分不开的,同时,当地水利工程供水能力相对较弱,一定程度上形成工程性缺水,表明昌吉市在水资源条件方面承载水平中等;昌吉市经济社会系统评价为Ⅳ级,该评价结果与当地经济社会发展水平相关度较高,表明昌吉市在经济社会方面承载水平一般;昌吉市生态环境系统评价等级为Ⅴ级,这主要是由于全市生态环境用水率较低,地表水、地下水达标率不高造成的,表明昌吉市在生态环境方面承载水平较低;昌吉市用水管理系统评价为Ⅱ级,昌吉市实施最严格水资源管理制度以来成效显著,在水管理方面表现为承载水平较强。

从综合评价结果来看,2021年昌吉市水资源承载力综合评价等级为Ⅲ级,水资源承载力达到中等水平,评价结果与该市的实际情况较为相符,考虑当地水资源短缺的客观条件,为进一步提高当地水资源承载力,应进一步配套完善区域内蓄水、供水工程,防止出现工程性缺水的问题。从供用水构成上来看,昌吉市农业用水总量达到全市用水总量的76%以上,应进一步提高农业灌溉用水效率,积极发展节水农业,在保产增产的前提下逐步降低农业用水量。从经济社会发展来看,近年来全市城镇化率在不断提高,对当地水资源的承载力提出了更高的要求。在用水管理上要强化“三条红线”的目标管理,积极调整产业结构,因地制宜发展当地产业,实现人与自然的和谐发展。

3 结语

本文以昌吉市为研究区域,构建了水资源承载力评价指标体系,采用熵值法计算指标权重,并引入模糊综合评价法对昌吉市水资源承载力进行综合评价。结果表明：昌吉市在区域水资源条件、经济社会发展、生态环境、用水管理水平等维度下承载力评价等级为Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级、Ⅱ级,昌吉市水资源承载力综合评价等级为Ⅲ级,评价结果与实际情况较为相符。结合评价结果,从水资源条件、供用水构成、城镇化建设等角度对昌吉市水资源管理提出了相关建议。