基于灰色聚类的区域水资源安全评价

胡 凯

(沧州水利物资供应处,河北 沧州 061001)

目前,国内外学者对水安全问题进行了广泛的探讨和研究[1,5],并采用不同的方法和模型对地区或流域进行水安全评价,如多层次模糊评价法、系统动力学法、集对分析法、风险分析方法、层次分析法、模糊物元分析法、优化方法等。水资源-生态-社会经济系统是一个复杂的大系统,具有信息不确定、不完备的特点,属于灰色系统,文中将利用灰色聚类方法,对沧州区域水资源(供水)安全进行评价。

1 灰色聚类方法

设有n个聚类对象,记为 1#,2#,3#,… ,n;m个聚类指标,记为 1,2,3,… ,m;S个不同灰类,记为Ⅰ ,Ⅱ ,Ⅲ ,…,S;dij为第i个聚类对象对于第j个聚类指标的样本值,所有聚类对象对于所有聚类指标的样本值即为以dij为元素的矩阵：

fjk(dij)(k=Ⅰ ,Ⅱ ,Ⅲ ,… ,S;i=1#,2#,3#,… ,n;j=1,2,3,… ,m)为第 i个聚类对象的第 j个聚类指标的样本值相对于第k个灰类的白化权函数,根据dij将对象i归入灰类k之中,称为灰色聚类。称为灰色聚类权矩阵。

2 基于灰色聚类的水资源安全评价

2.1 评价指标分析

水资源安全评价对象不仅涉及水资源本身,而是包括水资源-生态-社会经济整个系统,因此,影响水资源安全评价的因素很多,既包括自然因素,也包括社会因素和经济因素。对于这样一个复杂系统的描述,一个可行的办法就是建立一套指标体系,通过指标对系统的外部进行描述,从而将复杂系统进行简化、量化,抽象出事物内部的本质变化规律和联系,以涵盖复杂系统特征的综合信息[7]。

沧州地处华北平原东部,属滨海平原,海河水系,分为黑龙港、滹沱、清南、运东4个3级分区。根据水资源安全评价指标体系的选择原则,参考前人的研究成果[8～11],并结合沧州的具体情况,从水资源、社会经济和生态环境3个方面初步海选出指标,然后利用主观预断、理论分析和频度统计方法进行筛选,最后建立沧州区域水资源安全评价指标体系,见表 1。

表1 沧州区域水资源安全评价指标体系与指标值

2.2 评价指标的分级及白化权函数

为了对区域水资源安全性做出综合评价,必须首先对评价指标进行单因素评价。目前有关水资源安全评价指标的分级并没有统一的标准,而且其内涵与外延对于不同学者的理解也并不完全相同[1～2]。沧州属于严重缺水地区之一,因此,将其评价指标划分为“(基本)安全”、“不安全”、“极不安全”3个等级。根据评价指标体系中各评价指标的属性以及对区域水资源安全的影响程度,借鉴现有的研究成果[1,11],确定出表 1中的15个指标的评价标准和阈值(见表 2),其相应的白化权函数如表3所示。

2.3 现状年份水资源安全评价

沧州区域4个3级分区频率P=50%年份的水资源安全评价指标的统计样本值如表1所示[11],将评价指标样本值代入相应的白化权函数求出其相应的白化权函数值 fjk(dij),由式(2)求出标定聚类权,并代入式(1)求出灰色聚类权系数,构成聚类权系数1矩阵,如表4所示。根据聚类权系数最大原则即可确定出水资源安全所属的等级(灰类)。由评价结果来看,沧州区域4个 3级分区频率P=50%的年份水资源安全(供水)形势非常严峻,4个分区均处于不安全状态,其中滹沱和运东两区处于极不安全状态。

表2 水资源安全评价指标分级

表3 白化权函数fk(dij)

表4 沧州区域水资源安全评价结果

3 结束语

水资源(供水)安全状态是在对区域水资源特征、开发利用状况以及工农业生产、人民生活和生态环境对水资源的需求程度等供需诸方面进行综合分析的基础上,经过多因素综合分析与评价而得出的结论,它反映了区域水资源系统对于经济社会发展和社会稳定的支撑能力。通过对沧州区域水资源(供水)安全状态的评价可以看出,沧州区域水资源(供水)安全形势非常严峻,这与环渤海经济圈的建设、河北经济的崛起特别是沧州经济崛起的要求是极不相适应的,因此,通过增加水资源量、实施节水型社会建设以及提高用水效率等各种综合措施提高区域水资源的承载力,是保持经济社会可持续发展和社会稳定的根本途径。

[1]黄乾,彭世彰,田守岗,等.模糊物元模型在区域水安全评价中的应用 [J].河海大学学报：自然科学版,2007,35(4)：379-383.

[2]金菊良,吴开亚,魏一鸣.基于联系数的流域水安全评价模型 [J].水利学报,2008,39(4)：401-409.

[3]陈绍金,施国庆,顾琦仪.水安全系统的理论框架 [J].水资源保护,2005,21(3)：9-11.

[4]聂保持,王耕,吴伟.应用模糊模式识别模型计算分析辽河中下游水安全状况 [J].水资源保护,2008,24(6)：31-35.

[5]王远坤,夏自强,曹升乐.水安全综合评价方法研究 [J].河海大学学报：自然科学版,2007,35(6)：618-621.

[6]邓聚龙.灰色系统理论教程 [M].武汉：华中理工大学出版社,1990：152-158.

[7]彭静,李肿.广义水环境承载理论与评价方法 [M].北京：中国水利水电出版社,2006：102-106.

[8]赵旭阳,王翠玲,李建飞,等.河北省可持续发展评价与对策 [J].石家庄师范专科学校学报,2001,3(4)：52-57.

[9]冯耀龙,练继健,韩文绣.区域水资源系统可持续发展评价研究 [J].水利水电技术,2001,32(12)：9-11.

[10]何平,翟国静.廊坊市水资源承载能力分析 [J].南水北调与水利科技,2009,7(3)：84-87.

[11]崔振才,缴锡云,田文苓,等.河北水资源与社会经济协调发展评价方法 [R].河北沧州：河北工程技术高等专科学校,2003.