基于模糊綜合評價區(qū)域水資源供給能力的研究

林 根，趙文杰，楊鵬輝

(1.安徽財經(jīng)大學(xué)統(tǒng)計與應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)院，安徽 蚌埠 233030；2.安徽財經(jīng)大學(xué)財政與公共管理學(xué)院，安徽 蚌埠 233030)

基于模糊綜合評價區(qū)域水資源供給能力的研究

林 根1，趙文杰2，楊鵬輝2

(1.安徽財經(jīng)大學(xué)統(tǒng)計與應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)院，安徽 蚌埠 233030；2.安徽財經(jīng)大學(xué)財政與公共管理學(xué)院，安徽 蚌埠 233030)

目的 針對呼和浩特市水資源現(xiàn)狀，建立模糊綜合評價模型，對該市的水資源供給能力進(jìn)行研究。方法 以呼和浩特市為研究對象，通過互聯(lián)網(wǎng)查找相關(guān)資料并分析造成呼和浩特市水資源現(xiàn)狀的原因，同時建立模糊綜合評價模型，結(jié)合數(shù)據(jù)得出相應(yīng)的水資源供給能力評價指數(shù)，并根據(jù)指數(shù)劃分供水能力等級表。最后，嘗試從水資源供給與需求兩方面給出建議，用于緩解水資源短缺。結(jié)果 呼和浩特市的水資源評價指數(shù)在2.5～3.7之間，根據(jù)供水能力等級劃分表，表明呼和浩特市的水資源提供能力為嚴(yán)重不足。造成水資源短缺的原因主要有物理短缺及經(jīng)濟(jì)短缺兩方面。結(jié)論 由于呼和浩特市的氣候?qū)儆跍貛Т箨懶詺夂颍杲邓^少，地下儲水量也不充足，同時隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展該市清潔水需求量逐漸加大，因此水資源提供能力嚴(yán)重不足。給出緩解水資源短缺的建議，即通過開發(fā)調(diào)水工程、建立集雨設(shè)施來增加水資源供給；通過調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及節(jié)水來減少水資源需求。

水資源；環(huán)境保護(hù)；綜合評價；MATLAB

近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生產(chǎn)、生活的需水量不斷增加，相反隨著生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，清潔水的提供能力卻在不斷減弱，水資源短缺問題日益嚴(yán)峻，這也引起了人們的廣泛關(guān)注。對于處于干旱區(qū)的呼和浩特市以及與其相似的其他地區(qū)而言，水資源更是它們經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的動力，因此，對這些地區(qū)的水資源供給能力的研究具有極大的現(xiàn)實意義。

區(qū)域水資源供給能力研究的目的是揭示區(qū)域內(nèi)水資源的供給與需求矛盾，尋求水資源開發(fā)利用的途徑與潛力，評價一些地區(qū)的水資源利用及浪費情況，為水資源合理的配置與應(yīng)用打好基礎(chǔ)。同時地區(qū)水資源的供給能力研究也是該地區(qū)未來經(jīng)濟(jì)規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)、資源管理的政策依據(jù)，對地區(qū)未來的經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展及生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)具有十分重要的指導(dǎo)意義。

施雅風(fēng)等學(xué)者明確提出了水資源承載能力的概念[1]，采用常規(guī)趨勢法對新疆烏魯木齊河流域的水資源承載能力進(jìn)行研究，并取得一定成果。許有鵬利用模糊綜合評價法對新疆和田流域水資源供給能力進(jìn)行了研究[2]，并指出水資源供給能力一般是指在一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平和社會生產(chǎn)力條件下，水資源最大供給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生活和生態(tài)環(huán)境保護(hù)等用水的能力，即水資源最大開發(fā)容量。

本文以內(nèi)蒙古呼和浩特市為例，建立模糊綜合評價模型，選取該地區(qū)相關(guān)水資源數(shù)據(jù)，衡量其提供清潔水的能力，同時分析該地區(qū)缺水的原因，并給出提高水資源供給能力及緩解水資源短缺的相關(guān)建議。

1 研究數(shù)據(jù)

選取中國內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市2001-2015年的地表水、地下水、農(nóng)業(yè)灌溉用水、林牧漁業(yè)用水、工業(yè)用水、城鎮(zhèn)用水、生活用水及生態(tài)用水的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)主要來源于內(nèi)蒙古水利廳[3]。

下面列出呼和浩特的15年相關(guān)數(shù)據(jù)(見表1)。

表1 呼和浩特的15年相關(guān)數(shù)據(jù)(單位：萬m3)

2 模糊綜合評價模型的構(gòu)建與水資源供給能力評價

2.1 模型構(gòu)建

(1)主成分分析確立權(quán)重[4]。

設(shè)有一組容量為n的樣本觀測數(shù)據(jù)：xi=(xi1,xi2,…,xip)T,(i=1,2,…,n)。

其相關(guān)矩陣分別為S、R，分別以S和R作為總體∑和ρ的估計，然后按總體主成分分析的方法作樣本主成分分析。

其中樣本各主成分的貢獻(xiàn)分別為：

一般取前m個累計貢獻(xiàn)率大于85%的主成份。原有指標(biāo)可以用前m個主成分代替，因此，指標(biāo)系數(shù)可以看成是以這i個主成分方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重，對指標(biāo)在這2個主成分線性組合中的系數(shù)做加權(quán)平均:

得到綜合得分模型為：Y=α1x1+α2x2+…+αpxp。

(2)模糊矩陣計算與綜合評分[1]

設(shè)有U={u1,u2,…,un}是待評價的n個方案集合，V={v1,v2,…,vn}是待評價因素集合，將U中的每個因素進(jìn)行衡量得到一個觀測值矩陣

其中aij表示第j個方案關(guān)于第i項評價因素的指標(biāo)值。

①建立理想方案

②建立相對偏差模糊矩陣

③通過主成份分析法求得各評價指標(biāo)的權(quán)重wi(i=1,2,…,m)

④建立綜合評價模型

且若Ft>Fs，則第t個方案排在第s個方案前。

2.2 水資源供給能力評價

考慮影響供給和需求的動態(tài)特性，主要從水資源總量(供水量)和總用水量(需水量)兩方面入手。通過查閱相關(guān)資料[4]可知，影響水資源總量的主要因素有地表水資源總量、地下水資源總量；影響總用水量的主要因素有農(nóng)業(yè)灌溉、林牧漁、工業(yè)、城鎮(zhèn)、生活及生態(tài)用水量。地表水資源總量和地下水資源總量為效益型指標(biāo)，其數(shù)值越大代表該地區(qū)水資源越豐富，提供清潔水能力越強。農(nóng)業(yè)灌溉、林牧漁、工業(yè)、城鎮(zhèn)、生活及生態(tài)用水量為成本型指標(biāo)，其數(shù)值越大代表該地區(qū)水資源需求越大，提供清潔水能力越弱。

所有指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)最大值為0.89，故不存在完全的線性相關(guān)關(guān)系，不需要舍去變量。將各個指標(biāo)無量綱化，使成本型指標(biāo)轉(zhuǎn)化為效益型指標(biāo)。

在模糊綜合評價模型中，各指標(biāo)的權(quán)重對最后的結(jié)果起著決定性作用，所以用合適的方法求解權(quán)重就顯得極為重要。下面構(gòu)建主成份分析模型來求權(quán)重。

對于無量綱化后的數(shù)據(jù)，通過MATLAB軟件，求得正交單位化特征向量與特征值。

樣本各主成分的貢獻(xiàn)率分別為其特征值與總特征值之和的比值，求得樣本各貢獻(xiàn)率分別為：

0.437 4，0.326 4，0.085 3，0.067 9，0.042 8，0.031 7，0.006 6，0.001 8.

因此，前4個主成份的累計值已達(dá)91.71%，取前4個主成分。對于綜合得分模型來說，指標(biāo)系數(shù)可以看成是以這4個主成分方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重，對指標(biāo)在這兩個主成分線性組合中的系數(shù)做加權(quán)平均。求得各指標(biāo)綜合得分模型為：

Y=0.294X1+0.263X2+0.018X3+0.347X4+0.001X5+0.182X6+0.213X7+0.115X8

指標(biāo)權(quán)重歸一化得到各指標(biāo)的權(quán)重(見表2)：

表2 各指標(biāo)的權(quán)重

將權(quán)重代入模糊綜合評價模型，得到2001年至2015年的評價指數(shù)(見表3)。

表3 2001年至2015年的評價指數(shù)

根據(jù)表3中的評價指數(shù)，運用Excel可畫出其時間序列的折線圖(見圖1)。

圖1 評價指數(shù)變化趨勢圖

從圖1可知，呼和浩特市的評價指數(shù)隨著年份變化在不斷變化，因此清潔水的供需狀況也在不斷改變。從折線圖可知，呼和浩特提供清潔水的能力在逐步降低，根據(jù)選取的其他地區(qū)的相關(guān)數(shù)據(jù)，計算得到東京、上海、新德里、巴黎、芝加哥、多倫多、臺北、雅加達(dá)等城市在2001～2015年的評價指數(shù)的平均數(shù)(見表4)。

表4 不同地區(qū)的評價指數(shù)

表5 供水能力等級劃分表

綜上分析，由于呼和浩特市的水資源評價指數(shù)在2.5～3.7之間，根據(jù)供水能力等級劃分表，呼和浩特市的水資源提供能力嚴(yán)重不足。

3 水資源短缺原因

首先，因為導(dǎo)致水資源短缺的原因主要分為物理短缺和經(jīng)濟(jì)短缺兩大方面[4]，物理短缺是指地區(qū)水量不足以滿足需求。經(jīng)濟(jì)短缺是指地區(qū)有水，但管理不善和基礎(chǔ)設(shè)施缺乏，限制了清潔水的可用性。從這兩個方面入手，分別解釋呼和浩特嚴(yán)重缺水的原因。

3.1 物理短缺原因

a.水資源總量不足：呼和浩特的水資源總量為33，997.2萬m3，人均占有水資源量卻只有450 m3，是世界人均占有量的1/24，屬于嚴(yán)重缺水的城市之一。且呼和浩特市的年降水量低于全中國的年平均降水量，水資源的來源較少。年平均降水量對比如圖2所示：

圖2 中國與呼和浩特的年平均降水量

b.氣候影響[5]：呼和浩特市深居內(nèi)陸，遠(yuǎn)離海洋，屬典型的中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，依據(jù)水分帶分布屬半干旱區(qū)。氣候特點：冬季寒冷而漫長，夏季炎熱而短暫，春季干旱而多風(fēng)，秋季涼爽而日光充裕，冷暖變化劇烈，常造成農(nóng)業(yè)災(zāi)害；由于氣候原因，降水受氣候影響，常常造成干旱。

c.水質(zhì)影響采水：呼和浩特市地表水由于長期受污染、水質(zhì)差，主要污染指標(biāo)有溶解氧、高錳酸鉀指數(shù)、氨氮、亞硝酸鹽氮、汞、石油類等，其中氨氮、石油類污染較為嚴(yán)重，有的高達(dá)幾十倍甚至上百倍，此外，汞在各河流普遍超標(biāo)，因此造成地表水有很大一部分無法被使用。

圖3 不同水質(zhì)的占比情況

圖4 呼和浩特水資源的使用方向

d.水資源需求量大：已有數(shù)據(jù)表明內(nèi)蒙古的自然水資源總量少，特別是地表水資源量缺乏，但呼和浩特市人口眾多，農(nóng)牧業(yè)耗水量大，導(dǎo)致供需不平衡。每年呼和浩特市的地表水需求量都不能滿足需求量，需要采集大量的地下水用于生產(chǎn)及生活。

3.1 經(jīng)濟(jì)短缺原因

a.基礎(chǔ)設(shè)施缺乏：呼和浩特市的地下水資源豐富，但是由于技術(shù)能力達(dá)不到以及采水設(shè)施不齊全，造成有水但是不能使用；另外，呼和浩特市的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)較早，缺乏管理、維修，導(dǎo)致一部分水資源流失。

b.管理不善：呼和浩特市對水資源的管理較差，不重視水資源的重復(fù)利用，導(dǎo)致水資源浪費大、污染嚴(yán)重等一系列問題。廉價的水資源費導(dǎo)致多數(shù)企業(yè)不重視節(jié)約用水，工業(yè)用水重復(fù)利用率低；工業(yè)污水雖進(jìn)行處理，但還達(dá)不到農(nóng)業(yè)灌溉標(biāo)準(zhǔn)；生活用水定額偏高,沒有一個良好的水價運行機制，嚴(yán)重制約著節(jié)水工作的開展。

c.水資源污染嚴(yán)重：近幾年來，由于地表水資源利用不足，地下水資源長期超采，加之工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，生活污水和工業(yè)廢水低處理水平的任意排放，農(nóng)藥殘余部分的擴(kuò)散，地表、地下水已受到不同程度的污染；城鎮(zhèn)工業(yè)廢水和生活污水由于缺少處理設(shè)備，直接排入河道,造成地表水和地下水嚴(yán)重污染；水資源危機不僅表現(xiàn)為量的匱乏，還表現(xiàn)為因嚴(yán)重的水污染而造成的水質(zhì)惡化、功能降低和喪失[6]。

4 緩解區(qū)域水資源短缺及提高供水能力的相關(guān)建議

針對呼和浩特市水資源短缺情況，從增加水資源供給及減少水資源需要兩方面給出了相關(guān)建議：

4.1 增加水資源供給

開發(fā)調(diào)水工程[7]，例如：中國政府提倡的南水北調(diào)工程。將水資源富余地區(qū)的多余的淡水通過人工渠道調(diào)入水資源缺乏的城市[8，9]。

引入大量集雨設(shè)備，將降雨的水資源收集起來，從而增加水資源供給。

4.2 減少水資源需求

節(jié)水。例如：下調(diào)城鎮(zhèn)農(nóng)村居民用水定額，提高灌溉水利用率，提高工業(yè)用水復(fù)用率等。

治污。例如：下調(diào)單位工業(yè)增加值CDO排放量，上調(diào)生活污水集中處理率等。

產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整。例如：放緩工業(yè)增加值增長率，提高第三產(chǎn)業(yè)增加值、增長率等。

農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整。例如：下調(diào)農(nóng)作物種植面積增長率，提高林牧漁總產(chǎn)值增長率等。

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

以缺乏水資源較為典型的呼和浩特市為例，結(jié)合該地區(qū)過去15年水資源信息，建立模糊綜合評價模型評價該地區(qū)供水能力，發(fā)現(xiàn)呼和浩特市提供清潔水的能力嚴(yán)重不足。并從物理、經(jīng)濟(jì)兩方面分析發(fā)生的原因。最后，從水資源供給、需求兩方面給出相關(guān)建議，致力于緩解該地區(qū)水資源短缺現(xiàn)狀。做出的模型適用于其他區(qū)域，且能為地區(qū)未來的水資源戰(zhàn)略決策及地區(qū)經(jīng)濟(jì)及社會發(fā)展提供良好的信息與參考。

5.2 討論

模糊綜合評價模型是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評價方法。該綜合評價法根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價，即用模糊數(shù)學(xué)對受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€總體的評價。具有結(jié)果清晰、系統(tǒng)性強的特點，能較好地解決模糊的、難以量化的問題，適合各種非確定性問題的解決。同時，模糊綜合評價模型可以廣泛用于評價地區(qū)降水能力、地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度等。

[1]施雅風(fēng).2050年前氣候變暖冰川萎縮對水資源影響情景預(yù)估[J].冰川凍工，2001，4(02)：333-340.

[2]許有鵬.水資源承載能力綜合評價研究——以新疆和田河流域為例[J].自然資源學(xué)報，1993，8(03)：230-241.

[3]內(nèi)蒙古水利廳.內(nèi)蒙古自治區(qū)水資源公報[EB/OL].http://www.nmgslw.gov.cn/.2016-2-10.

[4]李柏年.數(shù)據(jù)分析方法[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011：169-174.

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[責(zé)任編輯：王榮榮 英文編輯：劉彥哲]

Supply Capacity of Regional Water Resources Based on Fuzzy Comprehensive Evaluation Model

LIN Gen1,ZHAO Wen-jie2,YANG Peng-hui2

(1.School of Statistics and Applied Mathematics,Anhui University of Finance and Economics,Bengbu,Anhui 233030,China;2.School of Finance and Public Management,Anhui University of Finance and Economics,Bengbu,Anhui 233030,China)

Objective With regard to the present situation of water resources in Hohhot city,a fuzzy comprehensive evaluation model is built to study the city’s water supply capacity.Methods By taking Hohhot city as the object,the data on the internet and the cause of the present situation of water resources in Hohhot city were analyzed.A fuzzy comprehensive evaluation model was built to obtain evaluation index for water resources supply.Then a scale of water supply capacity was gained based on the indixes.Finally,from the water resources supply and demand some suggestions on alleviating the water shortage were given.Results The evaluation index for water resources supply was between 2.5 and 3.7,showing a serious shortage of capacity,according to scale of water supply capacity.The main causes were physical and economic shortage.Conclusion The combination of temperate and monsoonal climate,low precipitation,poor groundwater storage and the growing demand for clean water with the economic development lead to the lower water supply capacity in Hohhot city.It is suggested that Hohhot city alleviate water resources shortage and keep sustainable development of water resources by conducting water diversion projects,constructing storing rainfall facilities,restructuring agricultural production patterns and saving water.

water resource;environmental protection;comprehensive evaluation;MATLAB

國家自然科學(xué)基金項目(11301001)，安徽財經(jīng)大學(xué)教研項目(acjyzd201529)

林根(1994-)，男，安徽六安人，安徽財經(jīng)大學(xué)統(tǒng)計與應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)院在讀學(xué)生。

楊鵬輝(1981-)，女，安徽淮南人，講師，碩士，研究方向：圖論。

TV 213

A

10.3969/j.issn.1673-1492.2016.11.011

來稿日期：2016-04-11