王 磊

(遼寧省遼陽(yáng)水文局，遼寧 遼陽(yáng) 111000)

水資源脆弱性是指在生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境、農(nóng)業(yè)社會(huì)、工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，水資源受到人類活動(dòng)、自然災(zāi)害以及氣候環(huán)境變化等影響作用，所體現(xiàn)出來的容易受到破壞與改變的特征，如果水資源系統(tǒng)未得到有效的保護(hù)并持續(xù)發(fā)展至一定程度，則可產(chǎn)生較為嚴(yán)重的破壞作用，并且威脅人與水的協(xié)調(diào)發(fā)展[1]。因此，根據(jù)水資源系統(tǒng)特征將其脆弱性概括為如下方面：水資源脆弱性在系統(tǒng)內(nèi)可表現(xiàn)為水環(huán)境面對(duì)外來作用力時(shí)所產(chǎn)生的影響程度，它是具有時(shí)間與空間尺度的一種狀態(tài)；外來驅(qū)動(dòng)因素中的人類生產(chǎn)活動(dòng)決定了其外部環(huán)境的脆弱性承載力，而其自身內(nèi)在脆弱性則直接受生態(tài)環(huán)境的影響；在外力作用下水資源系統(tǒng)會(huì)盡力維持它原有的現(xiàn)狀的性能，即具有一定的時(shí)間延遲性；系統(tǒng)脆弱性還未顯現(xiàn)時(shí)，并不代表其沒有脆弱性即系統(tǒng)具有隱性特征，在足夠大的外力作用下水資源脆弱性才能顯現(xiàn)[2]。

水資源系統(tǒng)中的某一個(gè)子系統(tǒng)，在受到外界干擾和系統(tǒng)內(nèi)部作用時(shí)遭到破壞，但是由于各子系統(tǒng)之間的不確定、模糊性關(guān)系，可對(duì)其他部分產(chǎn)生直接或間接的影響作用，從而產(chǎn)生連鎖反應(yīng)并對(duì)整體系統(tǒng)帶來較為顯著的不利影響，甚至對(duì)生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人類生活等造成嚴(yán)重的破壞[3- 4]。鑒于此，本文基于遼寧省水資源開發(fā)利用概況和已有相關(guān)文獻(xiàn)，針對(duì)各子系統(tǒng)之間的不確定性與模糊性特征，考慮引入模糊物元法和歐式貼進(jìn)度理論預(yù)測(cè)分析水資源脆弱性變化趨勢(shì)，以期為該區(qū)域水資源的管理規(guī)劃和可持續(xù)開發(fā)利用提供一定決策依據(jù)。

1 水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.1 區(qū)域概況

遼寧省位于我國(guó)東北地區(qū)南部，占地面積14.8萬(wàn)km2，地理位置處于東經(jīng)118°53′～125°46′，北緯38°43′～43°26′之間，臨黃海、渤海，東與朝鮮相接；屬于大陸性季風(fēng)氣候，冬冷干燥、夏熱多雨，年降水量在400～1100mm范圍，由于其獨(dú)特的地理特征和環(huán)境氣候，年際水資源量呈現(xiàn)出典型的周期性豐枯變化特征，其中75%以上的降水量集中在汛期6—9月，并多以暴雨和強(qiáng)降雨的形式出現(xiàn)。水資源補(bǔ)給以大氣降水為主，主要包括降水入滲補(bǔ)給和地表徑流量?jī)纱蟛糠?，年均水資源量約為341.79億m3。境內(nèi)主要包括大凌河、遼河、渾河、太子河和繞陽(yáng)河等河流，東南部與渤海相鄰，水源面積較大，降水量較為充足，西北區(qū)域降水較少并且風(fēng)沙干旱現(xiàn)象較為頻繁。資料顯示，境內(nèi)約80%以上的區(qū)域處于極度或重度缺水狀態(tài)，且已經(jīng)具有較高的水資源開采程度。近年來，為滿足區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的需求而忽視了對(duì)水資源的保護(hù)，并致使生態(tài)環(huán)境與社會(huì)需水量之間出現(xiàn)了嚴(yán)重失衡，水資源過度利用造成的自然環(huán)境退化，水土流失、水資源緊缺以及水體污染等問題日趨突出。

表1 遼寧省水資源脆弱性評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

水資源脆弱性問題日趨顯露并引起社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，開展遼寧省水資源脆弱性研究對(duì)于緩解該區(qū)域水資源的供需矛盾、提高用水效率系數(shù)、促進(jìn)農(nóng)業(yè)和生態(tài)發(fā)展具有重要意義[5- 10]。

1.2 構(gòu)建指標(biāo)體系

為了準(zhǔn)確掌握遼寧省水資源年際變化趨勢(shì)，可根據(jù)現(xiàn)狀年與規(guī)劃年的供、需水量預(yù)測(cè)分析結(jié)果，系統(tǒng)、全面地評(píng)價(jià)該區(qū)域水資源脆弱性動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，其中現(xiàn)狀年為2010—2016年，規(guī)劃年水平年為2020年和2025年。結(jié)合研究區(qū)域水資源利用現(xiàn)狀、存在的主要問題以及全國(guó)水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，在遵循系統(tǒng)性、科學(xué)性、代表性、可行性、獨(dú)立性原則的基礎(chǔ)上，分別從生態(tài)環(huán)境、水資源和效益水平等方面選取了8項(xiàng)典型指標(biāo)，并建立了指標(biāo)體系。然后依據(jù)水資源脆弱性有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)資料，可按照等寬劃分的原則將各指標(biāo)實(shí)際數(shù)據(jù)最大值、最小值分為Ⅰ～Ⅴ及5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，所對(duì)應(yīng)的脆弱性分別為不脆弱、輕度、中等、比較脆弱和嚴(yán)重脆弱，各等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)取值范圍與指標(biāo)體系見表1。

根據(jù)各指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可建立相應(yīng)的特征矩陣為：C=(c1，c2，c3，c4，c5，c6，c7，c8)，然后參考遼寧省近10年的水資源統(tǒng)計(jì)年鑒、水資源公報(bào)以及遼寧省水資源利用總體規(guī)劃等相關(guān)資料，統(tǒng)計(jì)收集各指標(biāo)初始數(shù)據(jù)，見表2。表中“+”、“-”符號(hào)，分別代表指標(biāo)值對(duì)水資源脆弱性的正向與負(fù)向效應(yīng)。

1.3 熵權(quán)法計(jì)算權(quán)重

熵權(quán)法是以系統(tǒng)中的無(wú)序化程度為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各指標(biāo)的離散程度賦予相應(yīng)的數(shù)值，數(shù)值的大小即代表了指標(biāo)在整個(gè)評(píng)價(jià)過程中所占的權(quán)重比例，即所賦予的熵權(quán)值，該方法是獲取系統(tǒng)中有效信息和數(shù)據(jù)值的常用手段。利用評(píng)價(jià)過程中所建立的判斷矩陣，可計(jì)算研究對(duì)象的有關(guān)權(quán)重系數(shù)，不僅可明顯降低個(gè)人主觀因素對(duì)計(jì)算結(jié)果的偏差，而且降低了出現(xiàn)特殊或極端數(shù)據(jù)的可能性，使得結(jié)果數(shù)據(jù)更加真實(shí)并符合實(shí)際變化規(guī)律，計(jì)算效率更加快捷，具體的計(jì)算步驟如下。

表2 水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)初始數(shù)據(jù)及權(quán)重值

(1)構(gòu)造相對(duì)隸屬度矩陣R。首先設(shè)定評(píng)價(jià)對(duì)象有m個(gè)，評(píng)價(jià)體系中包含的指標(biāo)數(shù)總數(shù)為n，表達(dá)如下所示X=(xij)m×n;(i=1，2，…，m;j=1，2，…，n)。在脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)，為消除不同指標(biāo)之間的單位與量綱的差異，可分別按照下式進(jìn)行規(guī)范化處理，并建立相對(duì)隸屬度矩陣：R=(rij)m×n(i=1，2，…，m;n=1，2，…，n)。

(2)指標(biāo)熵權(quán)的計(jì)算。根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)熵值的具體含義，各指標(biāo)熵的確定可按下式計(jì)算：

(1)

(2)

式中，Hi—第i項(xiàng)指標(biāo)的熵值；fij—第j個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的i指標(biāo)的權(quán)重值。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，可對(duì)指標(biāo)熵權(quán)W進(jìn)行求解，方法如下：

(3)

式中，ωi—各指標(biāo)的熵權(quán)，取值范圍為0～1，所有評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)之和為1；W—熵權(quán)特征向量。

按照上述計(jì)算步驟，可分別得到遼寧省水資源脆弱性指標(biāo)的權(quán)重值，結(jié)果見表2。

2 構(gòu)建模糊物元模型

2.1 理論簡(jiǎn)介

物元分析法是由蔡文[11]教授于1983年提出的一種采用“事物、特征、量值”要素描述事物狀態(tài)的方法。該方法通過分析事物參數(shù)的變化規(guī)律可有效解決事物間互不相容的問題，如果將模糊理論引入該理論體系中，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)問題的模糊處理。模糊理論是對(duì)具有模糊性的客觀事物利用模糊數(shù)學(xué)進(jìn)行識(shí)別、分類和評(píng)價(jià)的一種常用的方法，其基本內(nèi)涵和理論是對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)集進(jìn)行隸屬度函數(shù)的選取和建立，然后以各指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)范圍為判別原則對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行相對(duì)隸屬度的計(jì)算，利用模糊判斷矩陣對(duì)指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算然后經(jīng)過加權(quán)求解得到綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，依據(jù)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行特征公式計(jì)算得到評(píng)價(jià)目標(biāo)的最終判定和評(píng)價(jià)。將物元分析和模糊數(shù)學(xué)有機(jī)的結(jié)合，就形成了交叉滲透的模糊物元分析法，在水資源脆弱性評(píng)價(jià)過程中通常具有較強(qiáng)的主觀性與模糊性特征，影響水資源的因素較多且相互關(guān)系復(fù)雜，因此可考慮采用模糊物元法進(jìn)行脆弱性評(píng)價(jià)[12]。

描述物元分析理論的關(guān)鍵要素為事物、特征以及向量，設(shè)定遼陽(yáng)市供水方案為研究對(duì)象為M，相應(yīng)的特征值為C，特征向量為X，則可構(gòu)建基本物元為R=(M，C，X)，利用上述的評(píng)價(jià)事物、特征和向量可研究分析這些物元及其變化規(guī)律。設(shè)定向量X具有一定的模糊性即X為基本模糊物元，設(shè)定M具有m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)C1，C2，…，Cm和向量值X1，X2，…，Xm。據(jù)此，R即為具有m個(gè)維度的模糊物元，則具有m個(gè)維度的n個(gè)樣本構(gòu)成的復(fù)合模糊物元如下所示：

(4)

式中，Xij—i指標(biāo)在j樣本中的模糊量值。

2.2 從優(yōu)隸屬度原則

脆弱性指標(biāo)之間的單位和量綱存在差異，因此可利用從優(yōu)隸屬度原則對(duì)模糊物元進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，結(jié)合指標(biāo)具體特征和內(nèi)涵可將其劃分為正向和負(fù)向兩大類型，相應(yīng)指標(biāo)的從優(yōu)隸屬度可按下式進(jìn)行計(jì)算：

(5)

式中，μij—方案j中i指標(biāo)的從優(yōu)隸屬度；(Xij)max、(Xij)min—分別為評(píng)價(jià)指標(biāo)的最大值和最小值。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，可構(gòu)建在n個(gè)樣本中的m項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)從優(yōu)隸屬度模糊元矩陣。

(6)

本文中模糊物元R0m與Rmn之間差的平方用Δij(i=1，2，…，m;j=1，2，…，n)表示，則模糊物元RΔ的表達(dá)式如下：

(7)

2.3 基于歐式貼近度的綜合評(píng)價(jià)

標(biāo)準(zhǔn)樣本與評(píng)價(jià)樣本之間的吻合程度即為貼進(jìn)度，貼進(jìn)度值越大，則該樣本越接近于標(biāo)準(zhǔn)樣本；反之，則該樣本水資源越脆弱性[13]。為優(yōu)選出貼進(jìn)度最好的樣本即最優(yōu)樣本，本文結(jié)合遼寧省水資源實(shí)際狀況利用歐式貼近度ρHj進(jìn)行表征，并構(gòu)建貼近度模糊物元矩陣RρH，相應(yīng)的計(jì)算方法如下：

(8)

Rρh=[ρH1，ρH2，…，ρHn]

(9)

式中，ρHj—水資源脆弱性標(biāo)準(zhǔn)樣本與評(píng)價(jià)樣本之間的接近度，值越大則脆弱性越低，反之越高；wi—基于熵權(quán)法的脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 計(jì)算步驟

根據(jù)文中所構(gòu)建的指標(biāo)體系和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并利用模糊物元模型對(duì)遼寧省水資源脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)，基本流程如下。

(1)結(jié)合表1與表2中水資源脆弱性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、各指標(biāo)初始數(shù)據(jù)，分別確定水資源脆弱性的4個(gè)界限閥值與9個(gè)評(píng)價(jià)單元的13個(gè)方案，復(fù)合模糊物元根據(jù)8項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)確定。

(2)根據(jù)最大隸屬度原則和確定的復(fù)合模糊物元，利用公式(5)確定正向、負(fù)向指標(biāo)的計(jì)算。然后根據(jù)各評(píng)價(jià)樣本中的最大與最小值，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)模糊物元。

(3)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣本與各評(píng)價(jià)樣本之間的差平方Δij，利用公式(7)進(jìn)行計(jì)算并建立模糊物元RΔ，結(jié)果見表3。

表3 差平方復(fù)合模糊物元RΔ

(4)然后利用公式(8)和各指標(biāo)熵權(quán)計(jì)算結(jié)果，可得到各指標(biāo)模糊物元貼進(jìn)度，結(jié)果見表4。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，遼寧省水資源脆弱性最大的年份為2020年，其次為2025年，最小值出現(xiàn)在2010年，歐式貼進(jìn)度處于0.5～0.72范圍。

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，遼寧省水資源脆弱性在2010—2013年、2015年處于Ⅱ級(jí)，而在2013年、2014年和2016年處于Ⅲ級(jí)，規(guī)劃水平年脆弱性為Ⅳ級(jí)并基本區(qū)域最高等級(jí)，由此表明該區(qū)域脆弱性整體呈顯著上升趨勢(shì)，水資源脆弱性受外界的影響作用已十分嚴(yán)峻。結(jié)合相關(guān)資料，該評(píng)價(jià)結(jié)果與水資源實(shí)際狀況基本相符，所構(gòu)建的指標(biāo)體系基本覆蓋了水資源的各個(gè)方面，模糊物元模型可適用于水資源脆弱性分析。

為提高研究區(qū)域水資源承載平，并促進(jìn)區(qū)域水資源協(xié)調(diào)發(fā)展，本文結(jié)合評(píng)價(jià)結(jié)果以及遼寧省近年來的水資源問題實(shí)際狀況給出了以下建議：加強(qiáng)水資源的管理與調(diào)控并完善相應(yīng)的監(jiān)控體系；依法淘汰高能耗、高污染的陳舊設(shè)備并提高水資源利用效率；加快引進(jìn)并推廣優(yōu)化配置和水資源開發(fā)利用技術(shù)，加強(qiáng)水資源的開采和保護(hù)體系機(jī)制建設(shè)；大力宣傳提高公民保護(hù)用水、節(jié)約用水意識(shí)；加快污水再處理回收利用建設(shè)，提高循環(huán)用水制度建設(shè)；加快發(fā)展水資源科技利用與研發(fā)，實(shí)現(xiàn)低成本海水轉(zhuǎn)化等非傳統(tǒng)資源的利用。

4 結(jié)論

(1)遼寧省水資源脆弱性在2010—2013年、2015年處于Ⅱ級(jí)，而在2013年、2014年和2016年處于Ⅲ級(jí)，規(guī)劃水平年脆弱性為Ⅳ級(jí)并基本區(qū)域最高等級(jí)，由此表明該區(qū)域脆弱性整體呈顯著上升趨勢(shì)，水資源脆弱性受外界的影響作用已十分嚴(yán)峻。

(2)為提高研究區(qū)域水資源承載平并促進(jìn)區(qū)域水資源協(xié)調(diào)發(fā)展，本文分別從水資源管理、利用效率、水資源保護(hù)以及科技研發(fā)等方面提出了有針對(duì)性的保護(hù)措施。