常文娟，劉建波，馬海波(1.中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 10008；.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 4400；.中國水利水電第七工程局有限公司三分局，成都 610081)

0 引 言

水資源承載能力是一個國家或地區(qū)各種自然資源承載力的重要組成部分，它反映了區(qū)域水資源持續(xù)發(fā)展支持人類社會發(fā)展規(guī)模的最大支撐能力與限度[1]，水資源承載力研究的根本目的是在復(fù)雜系統(tǒng)環(huán)境下，探討水資源運動的基本規(guī)律、水資源開發(fā)利用和優(yōu)化配置方式，回答水資源對區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)支撐能力的問題，為區(qū)域宏觀規(guī)劃決策提供科學(xué)依據(jù)[2]。城市水資源承載力為“某一城市(含郊區(qū))的水資源在某一具體歷史發(fā)展階段下，以可預(yù)見的技術(shù)、經(jīng)濟和社會發(fā)展水平為依據(jù)，以可持續(xù)發(fā)展為原則，為維護生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)發(fā)展為條件，經(jīng)過合理優(yōu)化配置，對該城市社會經(jīng)濟發(fā)展的最大支撐能力”[3]。

由于研究水資源承載能力必然要關(guān)注其潛力大小的問題，而水資源承載能力潛力是個模糊量，存在“潛力很大”、“潛力較大”、“潛力一般”、“潛力較小”等多個級別，這些級別并不能通過簡單的“是”或“否”來回答[4]。對水資源承載力進行綜合評價的方法很多，模糊綜合評判法是一種在水資源承載能力計算中較為成熟的方法[5-16]。本文將研究區(qū)的評價指標(biāo)分為準(zhǔn)則層和指標(biāo)層兩個層次，通過層次分析法和熵值法分別確定模型中準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的權(quán)重，結(jié)合可變模糊集理論以及最大貼近度準(zhǔn)則構(gòu)建基于可變模糊集的水資源承載能力評價模型，并應(yīng)用該模型對宜昌市的水資源承載能力進行多因素、多層次的綜合評價。

1 水資源承載力評價指標(biāo)體系的建立

根據(jù)水資源承載能力的主要影響因素，本文從影響水資源承載能力的社會屬性和自然屬性兩方面篩選指標(biāo)。影響水資源承載能力的子系統(tǒng)主要包括水資源子系統(tǒng)、社會發(fā)展系統(tǒng)、經(jīng)濟子系統(tǒng)，以這3個系統(tǒng)作為準(zhǔn)則層，從這3個方面篩選指標(biāo)層指標(biāo)，構(gòu)建水資源承載能力評價指標(biāo)體系。

(1)水資源子系統(tǒng)。水資源系統(tǒng)主要用于反映一個地區(qū)的水資源量、水資源開發(fā)利用程度及用水水平等。本文選用產(chǎn)水模數(shù)、人均水資源量指標(biāo)作為水資源系統(tǒng)指標(biāo)集。

(2)社會發(fā)展子系統(tǒng)。社會發(fā)展系統(tǒng)主要用于反映地區(qū)的社會發(fā)展?fàn)顩r，本文選用人口增長率和人均綜合生活用水量指標(biāo)作為社會發(fā)展子系統(tǒng)的指標(biāo)集。

(3)經(jīng)濟子系統(tǒng)。經(jīng)濟系統(tǒng)主要用于反映一個地區(qū)的經(jīng)濟水平及經(jīng)濟結(jié)構(gòu)情況，本文選用GDP增長率、第三產(chǎn)業(yè)增加值比重、萬元GDP用水量指標(biāo)作為經(jīng)濟子系統(tǒng)指標(biāo)集。

2 基于可變模糊集理論的水資源承載能力模型的構(gòu)建

2.1 可變模糊集理論

樣本集可用指標(biāo)特征值矩陣表示[15]：

X=(xij)

(1)

式中：xij為第j個樣本第i個指標(biāo)的特征值。參照指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值矩陣，并結(jié)合待評價區(qū)域的實際情況確定可變集合的吸引域矩陣與范圍域矩陣：

Iab=([aih,bih])

Icd=([cih,dih])

(2)

式中：aih、bih分別為吸引域的起始點；cih、dih分別為范圍域的起始點：h為級別，h=1,2, …,c。

水資源承載能力按照c個級別確定吸引域[aih,bih]中DA(xij)h=1的點值Mih的矩陣：

M=(Mih)

(3)

判斷樣本特征值xij在Mih點的左側(cè)還是右側(cè)。x在M點左側(cè)時相對差異函數(shù)模型為[17]:

(4)

X在M點的右側(cè)時，相對差異函數(shù)模型為：

(5)

當(dāng)x在[c,d]之外時：

DA(u)=-1,x?(c,d)

(6)

通過式(4)～式(6)計算差異度函數(shù)DA(xij)h，由公式(7)計算某指標(biāo)對級別h的相對隸屬度矩陣Uh。

(7)

對Uh做歸一化處理，可得綜合相對隸屬度矩陣。考慮到實際應(yīng)用中可能會出現(xiàn)綜合隸屬度都小于0.5的情況，故本文采用最大貼近度法[15]確定水資源承載力所處的等級。

2.2 指標(biāo)權(quán)重的確定

本文對準(zhǔn)則層的3個系統(tǒng)采用層次分析法[7, 13, 18]確定權(quán)重，對各子系統(tǒng)下的指標(biāo)層采用熵值法確定其權(quán)重[19-21]。

3 宜昌市水資源承載能力評價

宜昌位于湖北省西南部，地處長江上游和中游的結(jié)合部，鄂西山區(qū)與江漢平原交匯過渡地帶，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均降水量為992～1 404 mm之間。宜昌是國務(wù)院批準(zhǔn)的沿江開放城市之一，現(xiàn)轄5縣、3個縣級市、5區(qū)，總?cè)丝?15萬人，國土面積2.1 萬km2，市區(qū)面積4 249 km2。宜昌市是湖北省省域副中心城市，GDP總量連續(xù)位居湖北省第二，此外宜昌還是中部地區(qū)唯一常住人口大于戶籍人口的非省會城市[21]，是高鐵八橫八縱主通道線路的一個交點，正著力打造現(xiàn)代化特大型城市。由于宜昌市的地理位置非常重要，經(jīng)濟發(fā)展迅速，需水量逐年增加，然而水資源是有限的，其對社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模的支撐能力也是有限的[22]，因此計算宜昌市的水資源承載能力，判斷其是否能夠支撐社會經(jīng)濟的發(fā)展顯得尤為重要。

3.1 評價資料整理

本研究所構(gòu)建的水資源承載能力評估模型中的數(shù)據(jù)來自于宜昌市水資源公報、宜昌市統(tǒng)計年鑒以及社會發(fā)展統(tǒng)計公報，應(yīng)用2009-2014年的各項指標(biāo)數(shù)據(jù)。

3.2 綜合評價結(jié)果

首先由層次分析法及熵值法計算綜合評價模型中各項權(quán)重，計算結(jié)果見表1。根據(jù)隸屬度函數(shù)公式分別計算出每個評判因素與各個等級的相對隸屬度 ，從而得出每年的綜合評判矩陣R，由權(quán)重及綜合評判矩陣R，得到宜昌市2009-2014年水資源承載能力的隸屬度，見表2。

表1 宜昌市水資源承載能力評價指標(biāo)體系中各指標(biāo)權(quán)重

表2 宜昌市水資源承載能力隸屬度表

指標(biāo)層模糊綜合評判矩陣Ri(R1、R2、R3分別表示水資源系統(tǒng)層、社會發(fā)展系統(tǒng)層以及經(jīng)濟系統(tǒng)層各指標(biāo)的綜合評判結(jié)果)如下：

2009年：

2010年：

2011年：

2012年：

2013年：

2014年：

根據(jù)最大貼近度評判原則，可確定宜昌市2009-2014年水資源承載能力均為2級，承載力水平為“較強”。

4 結(jié) 語

(1)構(gòu)建了基于可變模糊集理論的水資源承載能力評估模型，并運用該模型計算了宜昌市2009-2014年的水資源承載能力，模型應(yīng)用方便，計算結(jié)果豐富可靠。

(2)宜昌市2009-2014年的水資源承載能力均處于較強的水平，其水資源能夠滿足目前社會經(jīng)濟的發(fā)展。

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