基于多层次模糊评价模型的水资源承载力研究

肖 瑜，王方圆

(济南市水利建筑勘测设计研究院有限公司，山东 济南 250014)

1 研究区概况

青海省海西蒙古族藏族自治州(简称海西州)位于青藏高原的北部，青海省的西部。全州东西长837km，南北宽486km。海西州辖德令哈、格尔木及茫崖市，天峻、都兰及乌兰县和大柴旦行委，总面积32.58万km2。州域主体为中国四大盆地之一的柴达木盆地，具有典型高寒干燥大陆性气候特征，盆地中心为干旱荒漠区，多年平均年降水深115.4mm，多年平均水面蒸发量高达1600mm左右。近年来，海西州发挥区域资源优势，创建柴达木国家级循环工业园区，国民经济取得快速发展的同时，水资源量需求逐年攀升，国民经济需水与水生态环境之间的矛盾初现，为实现海西州水资源合理开发利用，促进社会经济可持续发展，对海西州进行水资源承载力评价，将为区域水资源可持续利用提供参考。

2 评价模型建立和指标分级标准

2.1 研究方法及数据来源

水资源是社会经济可持续发展的基础资源，水资源的合理利用能够促进社会经济、环境持续向好，反之，水资源对社会经济发展起限制作用。水资源对区域社会系统发展的支撑力度或程度可用水资源承载力表示，水资源承载力的定义方法众多，目前尚未形成一致成果[1]。承载力的定义可归纳为3类，一是水资源可开发利用的上限，二是水资源可支撑的社会系统能够良性循环的规模，三是将两者或更多的因素综合评价，得到一个较为合理可行的指标。关于水资源承载力的研究方法较多，有主成分分析法[2]、常规趋势法、BP神经网络模型[3]、综合评价法和系统动力学法[4]等。由于我国地域辽阔，水资源时空分布差异巨大，加之人口规模、经济发展、科技水平等因素，水资源承载力评价方法在各地区的应用存在差异。总体来看，由于水资源承载力具有随机性、模糊性等特点[5]，模糊综合评价法与熵权法[6]在解决水资源承载力方面具有独特优势。近年来，模糊综合评价模型得到较为广泛的应用，其结果的可靠性和准确性得到验证[7- 8]。本文通过构建多层次模糊综合评价模型，将隶属度矩阵与因素的权向量进行模糊化运算，对海西州水资源承载力进行评价。指标权重的计算尚未有公认的最佳方法[8]，确定方法主要包括两类：一类为主观赋权法，包括层次分析法、专家调查法、环比评分法，其优点是对于难以量化的评价指标，可以通过经验赋权值，得到贴近实际的结果，缺点是权值易受人为主观因素影响；另一类为客观赋值法，有熵权法、多目标分析法等，优点是权值的确定可以有效避免主观因素影响，但对于不同决策目标，难以反应指标对目标的优先级。本次采用层次分析法和熵权法对指标权重进行计算，力求做到主客观结合，权重适宜。

2.2 模糊综合评价模型

根据模糊数学理论，模糊评判可用W⊙R=B模式描述。其中W为输入，即参评因子权重集，是一个1×m阶行矩阵；R为模糊变换器，即由单因子评价行矩阵组成m×n阶模糊关系矩阵；B为输出，即为综合评判结果，称为评价矩阵，为一个1×n阶行矩阵[9]。模糊评判就是对拟评判对象选定一些主要因素，先进行单因素评判，评价结果构成模糊关系矩阵R[10]，再考虑诸因素在总综合评判中的地位，求取R和W的过程。

(1)

其中“⊙”为模糊合成算子。常用的模糊算子有4种[11]，分别为M(∧，∨)算子、M(·，∨)算子、M(∧，⊕)算子和M(·，⊕)算子。对同一因素集用不同的模糊算子会使评价的结果产生差异，M(·，⊕)算子比较适用于多因素起作用的情况[12]，本文采用M(·，⊕)算子进行模糊综合计算。

2.3 评价指标体系建立

水资源承载力系统并非一个独立存在的系统，而是由水资源、经济、社会、生态环境4个与人类密切相关的子系统组合起来的一个错综复杂的耦合系统。对于其评价指标的选取，不仅要覆盖范围广，且需要有代表性[13]，选择能够反映研究区域特征的独特性指标对研究结果的准确性有较大影响。为能够全面真实地反映研究区水资源承载力情况，考虑柴达木盆地植被覆盖度低、土壤组成松散，水土保持对水资源承载力影响[14]作用，综合选取包括水土流失率在内的14个评价指标，构建包含水资源、经济系统、社会系统和生态系统4个子系统的水资源承载力评价指标体系。将指标强弱分为5个档，从低到高依次为弱、较弱、一般、较强和强。指标强弱分级主要参考青海省和西北地区先进水平。模糊综合评价模型及指标分级标准见表1。

3 权重确定

综合层次分析法与熵权法，得到综合主客观因素的指标权重W。

W=(Wi)1×n

(2)

(3)

表1 模糊综合评价模型及指标分级标准表

层次分析法的基础是比较判断矩阵。由于每个准则都支配下一层若干个因素，这样对于每一个准则及他所支配的因素都可以得到一个比较判断矩阵。判断矩阵的构建应得到一致性检验通过，若一致性比例CR=CI/RI<0.1，则认为矩阵一致性检验通过。RI为平均随机一致性指标，CI为一致性指标。

(4)

式中，λmax—判断矩阵的最大特征值；n—判断矩阵阶数。计算结果一致性指标均小于0.1，见表2，矩阵一致性检验通过。

表2 层次分析法权重计算结果

熵值在信息论中表示信息无序化程度的度量[15]。采用2004—2015年之间15年数据应用熵权法进行权重分析，将所得权重Wi′按式(3)进行计算，得到最终综合指标权重，结果见表3。

4 结果分析

所得综合权重W与评价矩阵R进行模糊运算，得到评判结果B(表4)。为能更加直观评价水资源综合承载力，令评语等级集合为各等级赋值为V={0.1，0.3，0.5，0.7，0.9}，进行运算后，可以得到海西州水资源承载力综合得分。

(1)海西州水资源承载力综合得分为0.4，水资源承载力介于较弱与一般状态之间。说明海西州水资源开发利用存在不可持续问题，国民经济发展与水资源承载力的矛盾尚未得到重视，水资源承载力正在转变为社会经济快速发展、生态环境优化的限制因素。

表3 水资源承载力各级评价指标综合权重

(2)海西州水资源承载力水资源系统评价等级为一般，这与海西州地广人稀，人均水资源量高、水资源开发利用率低，但产水模数较低的实际相吻合；经济系统评价等级为一般，海西州工业用水水平较高，但区内都兰县、天峻县为农业、牧业大县，万元GDP用水水平偏低；社会系统和生态系统评价等级为弱，是水资源承载力提高的主要压力源。

(3)社会系统中的亩均灌溉用水量和生态系统中的水土流失率是水资源承载力提高的主要限制因素。海西州现状灌溉水利用系数0.48，远低于西北先进地区，未来海西州应加快推进灌区节水改造、优化作物种植结构，提高灌溉水利用系数，减少农田亩均灌溉用水量。同时，推进水土保持治理和小流域生态环境综合治理，逐步降低水土流失率。

评价结果表明，海西州因国土面积广阔，人均水资源量、人口密度、单位面积废污水排放量等指标评分领先，但由于自然生态系统脆弱、用水效率不高等因素，总体水资源承载力较弱。海西州应立足“三个最大”省情定位，走资源可持续发展道路，建议进一步深入开展水资源承载力研究，挖掘、提升区域发展潜力。

表4 海西州水资源承载力评价结果

5 结语

通过筛选切合海西州实际的评价指标，建立起水资源系统-经济系统-社会系统-生态系统耦合的多层次模糊评价模型，对海西州水资源承载力进行评价，取得了较好效果，文章对高寒地区水资源承载力评价具有一定的指导意义。由于水资源承载力评价指标和方法众多，从众多指标和方法中构建适合评价区域实际的模型是一项复杂的工作，进一步开展评价机理研究和评价方法筛选将是下一步高寒地区水资源承载力评价的重要工作。