基于熵权理想解法的中国水资源承载力动态变化研究

魏光辉

(1.新疆塔里木河流域管理局，新疆 库尔勒　841000；2.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐　830052)



基于熵权理想解法的中国水资源承载力动态变化研究

魏光辉1,2

(1.新疆塔里木河流域管理局，新疆 库尔勒841000；2.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐830052)

摘要：以2010—2014年全国水资源公报数据为依据，建立了涵盖水资源、社会发展、经济发展和生态环境系统的水资源承载力评价体系，并采用熵权理想解法进行评价，认为2010～2014年，我国水资源承载力综合值呈波动变化，无明显增加或减小趋势，同时评价结果还表明：人均用水量、城镇人均生活用水量、耗水率、废污水排放率、单位灌溉面积用水量、水功能区达标率与生态环境用水率这7项指标是影响承载力的主要因素.

关键词：水资源承载力；熵权；评价体系；评价要素

0引言

水资源是基础性的自然资源和战略性的经济资源，是一个国家和区域生存和发展的基本保障[1].目前，水资源承载力(water resources carrying capacity，简称WRCC)研究已成为21世纪区域水资源安全研究的基础课题之一，且水资源承载力已经是衡量区域可持续发展的一项重要指标[2].因此，正确地评价区域水资源承载力，对合理、充分利用水资源以及促进区域社会、经济的可持续发展具有重要的现实意义[3-5].本文以水利部2010—2014年发布的水资源公报数据为依据，通过TOPSIS模型构建全国水资源承载力评价模型，利用组合权重对评价指标赋权，为提高全国水资源承载力水平提供参考借鉴.

1水资源承载力评价体系构建

根据水利部发布的2010—2014年水资源公报数据，建立全国水资源承载力评价体系.该体系涵盖水资源、社会发展、经济发展和生态环境4个方面.其中水资源包括年降水量、水资源总量、人均水资源量、年总用水量、地表水开发利用率与地下水开发利用率6项指标；社会发展包括人均用水量、城镇人均生活用水量与农村居民人均生活用水量3项指标；经济发展包括耗水率、废污水排放率、万元工业增加值用水量及单位灌溉面积用水量4项指标；生态环境包括水功能区达标率与生态环境用水率2项指标.水资源承载力评价体系及指标性质(见表1).

表1　全国水资源承载力评价体系

表1中，所谓正指标，是指该指标值越大则表明相应的水资源承载力值越大；反之，所谓负指标，是指该指标值越小则表明相应的水资源承载力值越大.

2熵值模型

2.1熵权计算[6,7]

设评价方案为m个，评价指标为n个，可构成评价矩阵X=(xij)m×n，按下式进行归一化处理，形成判断矩阵B=(bij)m×n：

(1)

式中：i—评价方案；j—评价指标；

xmax、xmin—分别为第j个指标在方案中的最大与最小值.

第j个评价指标的熵值Hj计算如下：

(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)

(2)

(3)

则第j个评价指标的熵权βj，得权重向量β=(β1，β2，βj，…，βn)，即：

(4)

2.2贴进度值计算[8-10]

(1)构建加权决策矩阵

将判断矩阵B=(bij)m×n与指标权重相乘，得加权决策矩阵：R=(rij)m×n

rij=βj·bij(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)

(5)

(2)计算理想解和负理想解

根据加权决策矩阵,确定方案理想解S+与负理想解S-：

(6)

(7)

(3)计算欧式距离

采用欧氏距离计算与理想解和负理想解的距离，计算式如下：

(8)

(9)

(4)贴近度计算

根据式(10)计算接近度值ξi，其值越大则方案越优，反之越劣：

(10)

3研究区水资源概况

2014年，我国平均降水量622.3mm，地表水资源量26 263.9亿m3，折合年径流深277.4mm，矿化度小于等于2g/L地区的地下水资源量7 745.0亿m3，水资源总量为27 266.9亿m3，地下水与地表水资源不重复量为1 003.0亿m3，占地下水资源量的12.9%，占降水总量的45.2%，平均单位面积产水量为28.8万m3/km2.

2014年，全国总用水量6 095亿m3.其中，生活用水占12.6%；工业用水占22.2%；农业用水占63.5%；生态环境补水(仅包括人为措施供给的城镇环境用水和部分河湖、湿地补水)占1.7%.同期全国用水消耗总量为3 222亿m3，耗水率为53%，其中农业耗水率为65%，工业为23%，生活为43%，生态环境补水为81%.全国人均综合用水量447m3，万元国内生产总值用水量96m3.耕地实际灌溉用水量为6 030m3/hm2，农田灌溉水有效利用系数0.530，万元工业增加值用水量59.5m3，城镇人均生活用水量(含公共用水)213L/d，农村居民人均生活用水量81L/d.

4模型应用

4.1基本情况

根据水利部发布的2010—2014年水资源公报数据，对研究区水资源承载力进行综合评价,评价指标(见表2).

4.2方案评价

(1)评价指标标准化.根据评价指标性质，利用式(1)对表2中的数据进行标准化处理，结果(见表3).

表2　水资源承载力评价指标数据

表3　水资源承载力评价指标标准化值

(2)确定评价指标权重.根据表3数据，利用式(2)～式(4)计算各评价指标的权重，得到βj=(0.055 0，0.050 2，0.052 3，0.060 9，0.048 7，0.051 9，0.075 0，0.083 5，0.062 0，0.092 0，0.070 1，0.053 1，0.074 2，0.085 7，0.085 3).

(3)构建加权决策矩阵.将判断矩阵B=(bij)m×n与指标权重相乘，得加权决策矩阵(见表4)：

(4)贴近度计算.根据表4数据，利用式(6)～式(10)计算各年份的水资源承载力贴近度值ξi，结果(见表5).

表4　加权决策矩阵

表5　不同年份水资源承载力贴进度及排序

4.3结果分析

由表5计算结果可知：(1)2010—2014年我国水资源承载力综合值呈现波动变化，无明显的增加或减小趋势，其主要原因是受水资源系统与社会发展系统构成因子的波动性变化造成的；(2)2014年的水资源承载力值最大(贴进度值为0.546 1)，2011年的水资源承载力值最小(贴进度值为0.337 4)，不同年份的承载力值大小排序为2014年>2010年2012年>2013年>2011年(“>”表示“优于”).

5结论与讨论

(1)熵权法计算结果表明：人均用水量、城镇人均生活用水量、耗水率、废污水排放率、单位灌溉面积用水量、水功能区达标率与生态环境用水率这7项指标是影响我国水资源承载力的主要因素.

(2)2010—2014年我国水资源承载力综合值呈现波动变化，无明显增加或减小趋势，其中2014年承载力值最高，其贴进度为0.546 1，2011年承载力值最低，贴进度为0.337 4.不同年份全国水资源承载力排序结果为：2014年>2010年2012年>2013年>2011年(“>”表示“优于”).

(3)目前，我国尚未建立统一的水资源承载力评价体系(含承载力评价指标等级量化标准).承载力评价指标等级量化标准的建立，对于准确判定区域水资源承载力阶段从而进行改进提高具有重要作用.因此，下一步应从国内外研究成果出发，建立具有普适性、科学性、全面性与合理性的水资源承载力综合评价体系.

参考文献：

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[4]魏光辉.基于熵权的灰色关联模型在水资源承载力评价中的应用[J].云南水力发电,2011(2):4-7.

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Study on Dynamic Changes of China Water Resources Carrying Capacity Based on Entropy and TOPSIS Method

WEI Guang-hui1,2

(1.Xinjiang Tarim River Basin Management Bureau, Korla 841000, China; 2.School of Water Resources and Civil Engineering, Xinjiang Agriculture University, Urumqi 830052, China)

Abstract:Correct evaluation of regional water resources carrying capacity has important practical significance for the water resources efficient and rational use and helps to promote the sustainable development of regional social economy. According to the data from 2010 to 2014, the evaluation system of water resources carrying capacity, containing water resources, social development, economic development and ecological environment system (15 indicators), is established. The results show that the main factors affecting WRCC are: per capita water consumption, urban domestic water consumption, water consumption rate, waste water discharge rate, water consumption per unit irrigation area, water function area standard rate and ecological environment water consumption. From 2010 to 2014, the comprehensive value of water resources carrying capacity in our country has no obvious increase or decrease trend. The results of different years are 2014>2012>2011>2013>2010.

Key words:water resources carrying capacity; entropy weight; evaluation system; evaluative feature

中图分类号：TV213.3

文献标志码：A

文章编号：1008-536X(2016)02-0028-04

作者简介：魏光辉(1981-)男，新疆石河子人，高级工程师，博士，主要从事干旱区水资源利用研究.

基金项目：水利部公益性行业科研专项资助(201301102)；新疆水文学及水资源重点学科资助(XJSWSZYZDXK20101202).

收稿日期：2015-11-12