基于模糊综合评价的水资源承载力研究_李建国.pdf

收稿日期：20220430作者简介：李建国（1991），男，硕士，工程师，主要从事水利规划设计工作。摘要：水是制约经济社会发展的关键因素，为解决好供需水矛盾，实现水资源的优化配置，必须系统掌握好地区水资源承载力。为解决这一问题，以河北省某市为例，在系统分析水资源承载力影响因素的基础上，从水资源禀赋条件、水资源开发利用程度、供水能力、水环境状况、经济社会发展水平5个层面建立了由22项二级指标构成的水资源承载力评价体系，改进的模糊层次分析法用于确定各级指标权重，对该市水资源承载力进行了多级模糊评价。实例分析结果表明，该市水资源承载力综合评价等级为中等，其中水资源开发利用程度评价等级为较好，水资源禀赋条件、供水能力、水环境状况、经济社会发展水平评价等级为中等，研究成果符合该市现阶段的水资源开发利用实际情况，对于该市优化水资源管理工作具有一定的参考意义。关键词：水资源承载力；层次分析法；模糊综合评价中图分类号：TV213.4；TV211文献标识码：A文章编号：1004-7328（2023）04-0005-06DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2023.04.002基于模糊综合评价的水资源承载力研究李建国1，贾冬梅2，吴东1，田浩业1（1.天津市中水科技咨询有限责任公司，天津300171；2.天津市排水管理事务中心第七排水管理所，天津300400）水资源 海河水利2023.No.4StudyonWaterResourcesCarryingCapacityBasedonFuzzyComprehensiveEvaluationLI Jian-guo1，JIA Dong-mei2，WU Dong1，TIAN Hao-ye1（1.Tianjin Zhongshui Water Science and Technology Consultation Co.Ltd.，Tianjin 300171，China；2.The Seventh Drainage Management Office，Tianjin Drainage Management Affairs Center，Tianjin 300400，China）Abstract：Water is the key to restrict economic and social development.In order to solve the contradiction between watersupply and consumption and realize the optimal allocation of water resources，it is a prerequisite to systematically masterthe regional water resources carrying capacity.In order to solve this problem，taking a city in Hebei Province as an example，based on the systematic analysis of the influencing factors of water resources carrying capacity，this paper has establishedan evaluation system of water resources carrying capacity composed of 22 secondary indicators from the five aspects of waterresources endowment conditions，water resources development and utilization degree，water supply capacity，waterenvironment conditions and economic and social development level.The improved fuzzy analytic hierarchy process wasused to determine the weights of indicators at all levels.The multi-level fuzzy evaluation on water resources carryingcapacity of the city is carried out.The results of case analysis show that the comprehensive evaluation grade of waterresources carrying capacity of the city is medium，among which the evaluation grade of water resources development andutilization degree is good，and the evaluation grade of water resources endowment conditions，water supply capacity，waterenvironment status and economic and social development level is medium.The research results are in line with the actualsituation of water resources development and utilization of the city at the present stage，and have certain referencesignificance for the optimization of water resources management of the city.Key words：water resources carrying capacity；analytic hierarchy process；fuzzy comprehensive evaluation水是人类赖以生存的战略资源，是国民经济发展的基础和命脉。关于水资源承载力的概念最早源于生态学 中的“承载能力”（Carrying Capacity）一词，是自然资源承载力的一部分。我国学者对水资源承载力有不同的表述，如汪恕诚1认为，水资源承载力是在一定流域或区域内，其自身的水资源能够持续支撑经济社会发展规模，并维系良好的生态系统的能力。朱一中等人2则认为，在一定的水资源开发利用阶段，满足生态需水的可利用水量能够维系有限2023年4月发展目标的最大的社会经济规模。由水利水电规划设计总院编制的 全国水资源承载能力监测预警技术大纲 对水资源承载力概念进一步做出了界定，即可预见的时期内，在满足合理的河道内生态环境用水和保护生态环境的前提下，综合考虑来水情况、工况条件、用水需求等因素，水资源承载经济社会的最大负荷。上述成果均从不同角度对水资源承载力进行了界定，而对水资源承载力的定量分析目前仍处于探索阶段。为此，笔者引入多级模糊综合评价模型，综合考虑地区水资源禀赋条件、水资源开发利用程度、供水能力、水环境状况及经济社会发展水平等因素，构建了水资源承载力综合评价体系，采用改进的模糊层次分析法确定各级指标权重，并以河北省某市为例，将上述研究成果用于当地水资源承载力的评价。1评价指标体系的确立水资源承载力的研究主要是服务于区域水资源的优化配置，从而实现水资源的持续利用和经济社会及生态环境系统的可持续发展。承载力的大小集中体现了“供给端”的承受能力，同时也受到“需求端”的影响。换言之，水资源承载力受“供需”双侧的共同影响。其中，水资源禀赋条件是决定区域水资源承载力的基础，是确定评价指标的首要因素。其次是水资源的开发利用程度，众所周知，我国水资源时空分布不均，水资源开发利用程度集中体现了区域水资源的开发潜力及其开发的难易程度。经济社会发展水平直接反映了发展对水资源的需求，通常来说经济发展水平越高，对水资源的需求越大。供水能力和环境状况则是从不同的角度制约着社会经济发展水平，从而影响到水资源的承载力。在系统分析影响水资源承载力主要因素的前提下，笔者本着目标性强、适用范围广、可操作性强的原则选取22项2级评价指标，构成了水资源承载力综合评价指标体系，详见表1。目标层水资源承载力综合评价准则层水资源禀赋条件水资源开发利用程度供水能力水环境状况经济社会发展水平指标层水资源总量人均水资源量地表径流模数地下水补给模数地表水开发利用程度地下水开发利用程度水资源利用率人均水资源可利用量地表水入库率地下水开采能力供水量模数人均供水量污水处理率产水模数生态环境用水率污径比城镇化率人口密度人均GDP万元GDP用水量工业万元产值用水量缺水率指标含义地表径流量和降水入渗补给量之和水资源总量/人口总数径流量/土地面积地下水补给量/土地面积地表水年供水量/地表水总量地下水供水量/地下水可供水量需水量/可供水资源量可供水资源量/人口总数地表水年入库水量/地表水资源量地下水可供水量/地下水资源量供水量/土地面积实际供水量/人口总数污水处理量/污水总量产水量/土地面积生态环境需水量/水资源总量排放的污水流量/河流径流量城镇人口/总人口人口/土地面积GDP/总人口总用水量/GDP总量工业需水量/工业总产值缺水量/总需水量单位万m3m3万m3/（km2a）万m3/（km2a）%m3%万m3/km2m3%万m3/km2%人/km2万元万m3万m3%表1水资源承载力综合评价指标体系2水资源承载力综合评价模型构建2.1模糊层次分析法确定指标权重改进的模糊层次分析法最初是由李永等人3提出，通过对传统的层次分析法进行改进，将指标重要性判定中的九标度法改为三标度法，在很大程度上提高了判断结果的精确性，同时也避免了一致性检验的重复进行，大幅提升了迭代收敛速度，目前该方法获得较多应用4，已成为确定权重系数中较为可靠的方法。具体计算步骤如下。2.1.1三标度法构建判断矩阵采用改进的三标度法，构建互补型模糊判断矩阵：李建国，贾冬梅，吴东，等：基于模糊综合评价的水资源承载力研究 62023.No.4hij=|0 d(i)d(j)（1）式中：d（i）、d（j）分别代表指标hi和hj的相对重要程度。将互补型模糊判断矩阵 H=（hij）nn改造成模糊一致性判断矩阵R=（rij）nn，具体计算方法如下：ri=j=1nhij（2）rij=ri-rj2n+0.5（3）式中：ri表示互补型模糊判断矩阵各行元素之和；rij表示模糊一致性判断矩阵中各元素。2.1.2计算权重（1）计算权重向量。采用行和归一法对模糊一致性判断矩阵R求行和，并进行归一化处理，可得初始权重向量，计算方法如下：W(0)=(w1,w2wn)T=|j=1nr1ji=1nj=1nrij,j=1nr2ji=1nj=1nrijj=1nrnji=1nj=1nrijT（4）式中：W（0）表示初始权重向量。（2）构建互反型矩阵。将互补型矩阵H=（hij）nn变为互反型矩阵P=（pij）nn，转换方法如下：pij=rijrji（5）（3）计算更高精度的权重向量。以权重向量W（0）作为迭代初值V0，方法如下：Vk+1=PVk（6）若Vk+1-Vk（0.001），则Vk+1即为最大特征值max，将Vk+1进行归一化处理，即Vk+1=|vk+1,1i=1nvk+1,vk+1,2i=1nvk+1vk+1,ni=1nvk+1T所 得 向 量 W（k）=Vk+1为权重向量，迭代结束。2.2建立承载力评价的模糊关系矩阵水资源承载力评价是一项涉及多因素综合评价的复杂课题，在多目标决策中由于部分指标通常具有较强的不确定性，很容易影响最终评价结果。而模糊综合评价法是基于模糊数学理论，其特有的模糊变换理论在某些模糊性强、难于量化的问题中往往具有较强的适用性。为此，笔者选取模糊综合评价法对水资源承载力进行综合评价，在确定指标隶属度时，考虑到部分评价指标的不确定性而采用问卷调查、专家评分的方式。具体过程如下5-7。2.2.1确定评价对象因素集和评语集评价对象因素集主要是由评价指标体系构成。总的因素集 U=u1、u2、u3、u4、u5，分别代表水资源禀赋条件、水资源开发利用程度、供水能力、水环境状况和经济社会发展水平，其相应的单因素评价集依次为：u1=u11、u12、u13、u14，u2=u21、u22、u23、u24，u3=u31、u32、u33、u34，u4=u41、u42、u43、u44，u5=u51、u52、u53、u54、u55、u56。确定评语等级V=v1、v2、v3、v4、v5，依次代表各因素评价结果为很好、较好、中等、一般、较差 5个等别，每一等别分别对应一个模糊子集。2.2.2进行单因素评价，形成模糊关系矩阵在确定等级模糊子集后，要对被评价事物从每个因素ui（i=1，2m）上进行量化，从而确定评价单因素对各等级模糊子集的隶属度Ri，得到模糊关系矩阵：R=|R1Rm=|r11r1nrm1rmn（7）2.2.3合成模糊评价结果利用合适的算子将权向量合集 W与模糊关系矩阵R进行合成，得到被评价事物的模糊综合评价结果向量：A=WR=（w1,w2wm）|r11r1nrm1rmn=（a1，a2an）（8）式中：ai为被评价事物从整体上看对vj等级模糊子集的隶属程度。在实际中，通常以最大隶属度原则对模糊评价结果进行分析，最终确定评价结论。3实例应用3.1项目区概况某市地处华北平原，境内水系相对发达，但地表径流年际间变化悬殊，年内分配不均匀。据当地水文站实测资料统计，19562016年多年平均（实测）年径流量为 1.88 亿 m3，丰水年 1959 年径流量为10.11亿 m3，枯水年1984年径流量仅为0.386亿 m3，二者相差26倍。从年内分配看，径流量主要集中于汛期69月，约占全年径流量的76.6%；而枯水期的15月，径流量仅占全年径流量的9.1%。地下水主要为河川基流，受地表水变化过程的影响，地下水也海河水利 72023年4月呈现不均匀变化的特性。为解决当地水资源时空分布不均等问题，近年来该市启动多项供水、蓄水工程建设，取得较好的经济、社会效益。3.2指标权重的确定根据表1所建立的水资源承载力综合评价指标体系，结合该市水资源公报、水资源配置规划及同行专家对评价指标重要性判断，利用Matlab2010a软件按照式（1）（6）所示模糊层次分析步骤对各级指标的综合权重进行迭代计算，经过5次迭代（计算精度为0.000 1）求得该市水资源承载力评价指标权重，详见表2。3.3模糊关系矩阵的确定结合该市水资源配置规划项目实践，以问卷形式邀请同行10余位专家对该市水资源承载力各级评价指标进行评分，回收有效问卷10份，整理汇总各评价指标隶属度得到模糊关系矩阵R。根据表3中各评价指标隶属度汇总情况，可以分别得出水资源禀赋条件（u1）、水资源开发利用程度（u2）、供水能力（u3）、水环境状况（u4）、经济社会发展水平（u5）的二级隶属度模糊关系矩阵，依次为R1、R2、R3、R4、R5：R1=|00.30.50.2000.20.40.30.1000.40.6000.10.30.50R2=|00.60.30.1000.30.40.3000.70.30000.10.30.60R3=|00.80.20000.30.60.1000.10.20.7000.10.30.60R4=|0.10.10.50.30000.30.7000.10.30.6000.30.30.40表2某市水资源承载力综合评价指标体系权重目标层水资源承载力综合评价u准则层水资源禀赋条件u1水资源开发利用程度u2供水能力u3水环境状况u4经济社会发展水平u5权重0.4380.2450.1000.0620.155指标层水资源总量u11人均水资源量u12地表径流模数u13地下水补给模数u14地表水开发利用程度u21地下水开发利用程度u22水资源利用率u23人均水资源可利用量u24地表水入库率u31地下水开采能力u32供水量模数u33人均供水量u34污水处理率u41产水模数u42生态环境用水率u43污径比u44城镇化率u51人口密度u52人均GDPu53万元GDP用水量u54工业万元产值用水量u55缺水率u56相对权重0.5050.2600.0850.1500.2600.5050.1500.0850.1500.5050.2600.0850.5050.1500.0850.2600.4220.0480.2300.1500.1030.048组合权重0.2210.1140.0370.0660.0640.1240.0370.0210.0150.0500.0260.0080.0310.0090.0050.0160.0650.0070.0360.0230.0160.007表3某市水资源承载力评价指标隶属度汇总评价指标水资源总量u11人均水资源量u12地表径流模数u13地下水补给模数u14地表水开发利用程度u21地下水开发利用程度u22水资源利用率u23人均水资源可利用量u24地表水入库率u31地下水开采能力u32供水量模数u33人均供水量u34污水处理率u41产水模数u42生态环境用水率u43污径比u44城镇化率u51人口密度u52人均GDPu53万元GDP用水量u54工业万元产值用水量u55缺水率u56指标隶属度很好0000000000000.10000.300000较好0.30.200.10.60.30.70.10.80.30.10.10.100.10.30.500.4000.1中等0.50.40.40.30.30.40.30.30.20.60.20.30.50.30.30.30.20.50.60.30.40.5一般0.20.30.60.50.10.300.600.10.70.60.30.70.60.400.300.70.60.4较差00.100000000000000000000李建国，贾冬梅，吴东，等：基于模糊综合评价的水资源承载力研究 82023.No.4R5=|0.30.50.20000.20.50.3000.40.600000.30.70000.40.6000.10.50.403.4水资源承载力的模糊综合评价3.4.1多级指标效果评价根据改进的模糊层次分析法所确定的指标权重W1、W2、W3、W4、W5及二级隶属度矩阵 R1、R2、R3、R4、R5，可分别对该市水资源禀赋条件、水资源开发利用程度、供水能力、水环境状况、经济社会发展水平进行多级模糊综合评价，评价结果如下。（1）水资源禀赋条件。其表达式为：A1=W1R1=（0.505，0.260，0.085，0.150）|00.30.50.2000.20.40.30.1000.40.6000.10.30.50=（0，0.218 5，0.435 5，0.305，0.026）（2）水资源开发利用程度。其表达式为：A2=W2R2=（0.260，0.505，0.150，0.085）|00.60.30.1000.30.40.3000.70.30000.10.30.60=（0，0.421，0.350 5，0.228 5，0）（3）供水能力。其表达式为：A3=W3R3=（0.150，0.505，0.260，0.085）|00.80.20000.30.60.1000.10.20.7000.10.30.60=（0，0.306，0.410 5，0.283 5，0）（4）水环境状况。其表达式为：A4=W4R4=（0.505，0.150，0.085，0.260）|0.10.10.50.30000.30.7000.10.30.6000.30.30.40=（0.050 5，0.137，0.401，0.411 5，0）（5）经济社会发展水平。其表达式为：A5=W5R5=（0.422，0.048，0.230，0.150，0.103，0.048）|0.30.50.20000.20.50.3000.40.600000.30.70000.40.6000.10.50.40=（0.126 6，0.317 4，0.356 6，0.200 4，0）根据模糊综合评价最大隶属度原则，该市水资源承载力评价各指标中水资源禀赋条件、水资源开发利用程度、供水能力、水环境状况、经济社会发展水平评价等级依次为中等、较好、中等、中等、中等。3.4.2水资源承载力综合评价根据文中3.4.1多级指标效果评价结果，可对该市水资源承载力进行综合评价。其中，综合效果评价的隶属度矩阵为：R=(A1,A2,A3,A4,A5)T=|00.21850.43550.30500.026000.42100.350 50.2285000.30600.410 50.283500.050 50.13700.40100.411500.12660.31740.35660.200 40综合权重为：W=（0.438，0.245，0.100，0.062，0.155）据此，可得该市水资源承载力综合评价结果为：A=W R=（0.438，0.245，0.100，0.062，0.155）|00.21850.43550.30500.026000.42100.350 50.2285000.30600.410 50.283500.050 50.13700.40100.411500.12660.31740.35660.200 40=（0.022 8，0.287 1，0.397 8，0.274 5，0.011 4）从上述模糊评价结果来看，约有28.71%的专家认为该市水资源综合承载力较好，39.78%的专家认为该市水资源综合承载力中等，27.45%的专家认为该市水资源综合承载力一般，根据模糊综合评价最大隶属度原则，该市水资源综合承载力评定等级为中等。上述评价结果与该市的实际情况也是较为符合的。该市虽然境内水系较发达，但地表径流年际间变化悬殊、年内分配不均匀，虽然该市近年来通过新建蓄水、供水工程一定程度上缓解了工程性缺水的问题，但尚未从根本上解决水资源的供需矛盾，且随着该市城镇化水平的不断提高，对水资源承载力也就提出了更高的要求。笔者认为要从根本上解决用水矛盾，在完善配套工程建设的同时也应更加注重水资源管理，强化“三条红线”控制指标，调整产业结构，逐步降低高耗水行业占比，提高企业、居民用水效率。4结语水资源承载力分析对于解决好地区水资源供需海河水利 92023年4月矛盾，实现水资源优化配置具有重要的现实意义。本文将多级模糊综合评价模型应用于水资源承载力评价中，综合考虑影响水资源承载力的客观因素，构建了以水资源禀赋条件、水资源开发利用程度、供水能力、水环境状况、经济社会发展水平为一级指标的水资源承载力评价体系，取得了较为科学的评价结果。研究表明：该市水资源承载力综合评价等级为中等，其中水资源禀赋条件评价等级为中等、水资源开发利用程度评价等级为较好、供水能力评价等级为中等、水环境状况评价等级为中等、经济社会发展水平评价等级为中等。所得成果符合该市现阶段的实际情况，对于该市水资源管理具有一定的参考意义。参考文献1 汪恕诚.水权管理与节水社会J.中国水利，2001（5）：6-8.2 朱一中，夏军，谈戈.关于水资源承载力理论与方法的研究J.地理科学进展，2002（2）：180-188.3 李永，胡向红，乔箭.改进的模糊层次分析法J.西北大学学报（自然科学版），2005（1）：11-12，16.4 陈菁，李建国，张建，等.农业水价综合改革项目实施效果评价模型构建及应用J.三峡大学学报（自然科学版），2016，38（5）：1-6.5 李金冰，章启兵，刘猛.基于多层次综合评价模型的淮北地区水资源承载能力评价J.江淮水利科技，2017（3）：3-6.6 李恒超，邓英尔，史振环，等.基于模糊评判的坝上地区水资源承载力评价J.地下水，2022，44（1）：206-209.7 李智.灰色预测模型在区域水资源承载能力预测中的应用J.水利规划与设计，2020（5）：74-76，82.“十四五”时期是我国全面建成小康社会、实现第一个百年奋斗目标之后，乘势而上开启全面建设社会主义现代化国家新征程、向第二个百年奋斗的目标进军的第一个五年。2023年是“十四五”关键之年，水利部海河水利委员会将携手流域各地深入贯彻落实习近平总书记关于治水工作的重要论述精神，积极践行“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的十六字治水思路，全面贯彻水利改革发展总基调，深入分析流域面临的新形势、新要求，科学谋划新时代流域水利改革发展新使命、新任务、新对策，结合国家区域发展战略、流域内各省（市、区）发展趋势和对水安全保障的需求，认真研究解决流域水资源、水生态、水环境、水工程、水管理等水安全问题，积极构建与社会主义现代化进程相适应的流域水安全保障体系，为流域经济社会高质量发展提供坚实的水安全保障。海河水利 自创刊起，始终坚持理论与实践统一和创新性与实用性相结合的方针，传播有关水利理论、水利改革发展和水利科技研究新成果、新经验，报道有关国内外水利学发展动态，宣传海河流域水利建设成就，为海河水利科研成果的传播交流、科学技术的推广应用以及海河水利事业成就的宣传提供了重要平台。征稿主题（包括但不限于）：京津冀协同发展战略下的水利研究；雄安新区水安全保障研究；南水北调后续工程高质量发展研究；永定河综合治理与生态修复研究；华北地区地下水超采综合治理研究；水利监督与河湖管理研究；数字水利建设。投稿途径：通过网址http:/的“作者投稿系统”入口投稿。论文撰写格式请参照 海河水利 论文模板编排。海河水利 是水利部主管、水利部海河水利委员会主办的公开发行的水利专业学术期刊，创刊于1982年，1992年面向国内外公开发行，1996年被评为全国水利系统优秀科技期刊，1998和2000年被评为天津市优秀期刊，2001年入选为中国期刊方阵双效期刊，2009年被评为天津市第九届优秀期刊提名奖，2014年被国家新闻出版广电总局认定为学术期刊，2020年入围中国核心期刊（遴选）数据库收录期刊。本刊国内统一刊号CN12-1064/TV，国际标准刊号ISSN1004-7328，目前被中国知网、万方数据库、维普网、超星期刊网等文献数据库全文收录。欢迎广大作者读者不吝赐稿，也欢迎从事海河水利相关研究的项目组洽谈专题合作出版事宜。选题指南李建国，贾冬梅，吴东，等：基于模糊综合评价的水资源承载力研究10