王 磊

(遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 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、工業(yè)經(jīng)濟發(fā)展過程中，水資源受到人類活動、自然災害以及氣候環(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)未得到有效的保護并持續(xù)發(fā)展至一定程度，則可產(chǎn)生較為嚴重的破壞作用，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)境面對外來作用力時所產(chǎn)生的影響程度，它是具有時間與空間尺度的一種狀態(tài)；外來驅(qū)動因素中的人類生產(chǎn)活動決定了其外部環(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)會盡力維持它原有的現(xiàn)狀的性能，即具有一定的時間延遲性；系統(tǒng)脆弱性還未顯現(xiàn)時，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)中的某一個子系統(tǒng)，在受到外界干擾和系統(tǒng)內(nèi)部作用時遭到破壞，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)生連鎖反應并對整體系統(tǒng)帶來較為顯著的不利影響，甚至對生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟、人類生活等造成嚴重的破壞[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，針對各子系統(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度理論預測分析水資源脆弱性變化趨勢，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 水資源脆弱性評價指標體系

1.1 區(qū)域概況

遼寧省位于我國東北地區(qū)南部，占地面積14.8萬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；屬于大陸性季風氣候，冬冷干燥、夏熱多雨，年降水量在400～1100mm范圍，由于其獨特的地理特征和環(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，并多以暴雨和強降雨的形式出現(xiàn)。水資源補給以大氣降水為主，主要包括降水入滲補給和地表徑流量兩大部分，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)濟快速發(fā)展的需求而忽視了對水資源的保護，并致使生態(tài)環(huán)境與社會需水量之間出現(xiàn)了嚴重失衡，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價分級標準

水資源脆弱性問題日趨顯露并引起社會各界的廣泛關(guān)注，開展遼寧省水資源脆弱性研究對于緩解該區(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)建指標體系

為了準確掌握遼寧省水資源年際變化趨勢，可根據(jù)現(xiàn)狀年與規(guī)劃年的供、需水量預測分析結(jié)果，系統(tǒng)、全面地評價該區(qū)域水資源脆弱性動態(tài)變化趨勢，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水資源承載力評價指標體系，在遵循系統(tǒng)性、科學性、代表性、可行性、獨立性原則的基礎(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項典型指標，并建立了指標體系。然后依據(jù)水資源脆弱性有關(guān)標準和相關(guān)資料，可按照等寬劃分的原則將各指標實際數(shù)據(jù)最大值、最小值分為Ⅰ～Ⅴ及5個標準，所對應的脆弱性分別為不脆弱、輕度、中等、比較脆弱和嚴重脆弱，各等級標準取值范圍與指標體系見表1。

根據(jù)各指標分級標準可建立相應的特征矩陣為：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)計年鑒、水資源公報以及遼寧省水資源利用總體規(guī)劃等相關(guān)資料，統(tǒng)計收集各指標初始數(shù)據(jù)，見表2。表中“+”、“-”符號，分別代表指標值對水資源脆弱性的正向與負向效應。

1.3 熵權(quán)法計算權(quán)重

熵權(quán)法是以系統(tǒng)中的無序化程度為標準，對各指標的離散程度賦予相應的數(shù)值，數(shù)值的大小即代表了指標在整個評價過程中所占的權(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。利用評價過程中所建立的判斷矩陣，可計算研究對象的有關(guān)權(quán)重系數(shù)，不僅可明顯降低個人主觀因素對計算結(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)更加真實并符合實際變化規(guī)律，計算效率更加快捷，具體的計算步驟如下。

表2 水資源脆弱性評價指標初始數(shù)據(jù)及權(quán)重值

(1)構(gòu)造相對隸屬度矩陣R。首先設定評價對象有m個，評價體系中包含的指標數(shù)總數(shù)為n，表達如下所示X=(xij)m×n;(i=1，2，…，m;j=1，2，…，n)。在脆弱性評價指標，為消除不同指標之間的單位與量綱的差異，可分別按照下式進行規(guī)范化處理，并建立相對隸屬度矩陣：R=(rij)m×n(i=1，2，…，m;n=1，2，…，n)。

(2)指標熵權(quán)的計算。根據(jù)評價指標熵值的具體含義，各指標熵的確定可按下式計算：

(1)

(2)

式中，Hi—第i項指標的熵值；fij—第j個評價對象的i指標的權(quán)重值。根據(jù)上述計算結(jié)果，可對指標熵權(quán)W進行求解，方法如下：

(3)

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

按照上述計算步驟，可分別得到遼寧省水資源脆弱性指標的權(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，即可實現(xiàn)對相關(guān)問題的模糊處理。模糊理論是對具有模糊性的客觀事物利用模糊數(shù)學進行識別、分類和評價的一種常用的方法，其基本內(nèi)涵和理論是對評價指標集進行隸屬度函數(shù)的選取和建立，然后以各指標評價等級標準范圍為判別原則對各指標進行相對隸屬度的計算，利用模糊判斷矩陣對指標的權(quán)重計算然后經(jīng)過加權(quán)求解得到綜合評價結(jié)果，依據(jù)綜合評價結(jié)果進行特征公式計算得到評價目標的最終判定和評價。將物元分析和模糊數(shù)學有機的結(jié)合，就形成了交叉滲透的模糊物元分析法，在水資源脆弱性評價過程中通常具有較強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)系復雜，因此可考慮采用模糊物元法進行脆弱性評價[12]。

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

(4)

式中，Xij—i指標在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)隸屬度原則對模糊物元進行標準化處理，結(jié)合指標具體特征和內(nèi)涵可將其劃分為正向和負向兩大類型，相應指標的從優(yōu)隸屬度可按下式進行計算：

(5)

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

根據(jù)上述計算結(jié)果，可構(gòu)建在n個樣本中的m項評價指標從優(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的表達式如下：

(7)

2.3 基于歐式貼近度的綜合評價

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

(8)

Rρh=[ρH1，ρH2，…，ρHn]

(9)

式中，ρHj—水資源脆弱性標準樣本與評價樣本之間的接近度，值越大則脆弱性越低，反之越高；wi—基于熵權(quán)法的脆弱性評價指標權(quán)重。

3 實例應用

3.1 計算步驟

根據(jù)文中所構(gòu)建的指標體系和分級標準，并利用模糊物元模型對遼寧省水資源脆弱性進行評價，基本流程如下。

(1)結(jié)合表1與表2中水資源脆弱性分級標準、各指標初始數(shù)據(jù)，分別確定水資源脆弱性的4個界限閥值與9個評價單元的13個方案，復合模糊物元根據(jù)8項指標數(shù)據(jù)確定。

(2)根據(jù)最大隸屬度原則和確定的復合模糊物元，利用公式(5)確定正向、負向指標的計算。然后根據(jù)各評價樣本中的最大與最小值，構(gòu)建標準模糊物元。

(3)對標準樣本與各評價樣本之間的差平方Δij，利用公式(7)進行計算并建立模糊物元RΔ，結(jié)果見表3。

表3 差平方復合模糊物元RΔ

(4)然后利用公式(8)和各指標熵權(quán)計算結(jié)果，可得到各指標模糊物元貼進度，結(jié)果見表4。根據(jù)計算結(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，歐式貼進度處于0.5～0.72范圍。

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)評價結(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，而在2013年、2014年和2016年處于Ⅲ級，規(guī)劃水平年脆弱性為Ⅳ級并基本區(qū)域最高等級，由此表明該區(qū)域脆弱性整體呈顯著上升趨勢，水資源脆弱性受外界的影響作用已十分嚴峻。結(jié)合相關(guān)資料，該評價結(jié)果與水資源實際狀況基本相符，所構(gòu)建的指標體系基本覆蓋了水資源的各個方面，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，并促進區(qū)域水資源協(xié)調(diào)發(fā)展，本文結(jié)合評價結(jié)果以及遼寧省近年來的水資源問題實際狀況給出了以下建議：加強水資源的管理與調(diào)控并完善相應的監(jiān)控體系；依法淘汰高能耗、高污染的陳舊設備并提高水資源利用效率；加快引進并推廣優(yōu)化配置和水資源開發(fā)利用技術(shù)，加強水資源的開采和保護體系機制建設；大力宣傳提高公民保護用水、節(jié)約用水意識；加快污水再處理回收利用建設，提高循環(huán)用水制度建設；加快發(fā)展水資源科技利用與研發(fā)，實現(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，而在2013年、2014年和2016年處于Ⅲ級，規(guī)劃水平年脆弱性為Ⅳ級并基本區(qū)域最高等級，由此表明該區(qū)域脆弱性整體呈顯著上升趨勢，水資源脆弱性受外界的影響作用已十分嚴峻。

(2)為提高研究區(qū)域水資源承載平并促進區(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、水資源保護以及科技研發(fā)等方面提出了有針對性的保護措施。