基于“量-质-域-流”的山西省水资源承载力评价.pdf

水文水资源水利规划与设计 年第 期:/基于“量 质 域 流”的山西省水资源承载力评价李佳佳 张 龙(山西省水利发展中心 山西 太原 山西冶金岩土工程勘察有限公司 山西 太原)摘要:文章通过分析山西省水资源基本情况 构建基于“量 质 域 流”内涵的水资源承载力评价指标体系利用层次分析法()和熵权法进行主客观组合赋权 通过 模型进行水资源承载力评价并诊断水资源承载力障碍因子 经分析研究 年山西省水资源承载能力呈缓慢上升趋势 界于级(超载)、级(临界)之间 说明山西省水资源承载能力得到一定的提升 人均水资源量、人均用水量、产水模数、万元工业增加值用水量、水资源开发利用率、万元 用水量、水功能区达标率评价指标是影响山西省水资源承载力的主要因子关键词:量 质 域 流 水资源承载力 组合赋权 模型 障碍度 山西省中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:基金项目:国家重点研发计划项目()山西省水利厅水资源管理与保护专项项目()作者简介:李佳佳(年)女 工程师:引言水资源承载力是反映地区水资源可持续发展的重要指标 在十六字治水方针和四水四定政策背景下 区域水资源承载力是地区高质量发展的重要基础 年黄河流域公布超载地区 山西省占黄河流域超载地区的 解决山西省水资源超载问题是山西高质量发展的重要环节 因此山西省水资源承载力研究是十分必要的 研究区水资源概况 年山西省多年平均水资源总量为 亿 山西人均水资源占有量为 不到全国水平的/以 年数据为例 年全 国 水 资 源 量 为 亿 用 水 量 为 亿 山西省 年水资源量为 亿 用水量为 亿 水资源量仅占全国的 用水量仅占全国的 可见山西省水资源十分短缺 年山西省平均用水量为 亿 其中农业用水 亿 工业用水 亿 生活用水 亿 生态用水 亿 如图 所示 从历年变化趋势分析 用水量呈微弱下降趋势农业用水量呈下降态势 但历年农业用水比例均高于用水总量的 工业用水量呈下降态势 生活用水量和生态用水量呈上升态势图 山西省 年用水量柱状图 数据来源与研究方法 数据来源本研究数据来源于中国统计年鉴山西统计年鉴山西省水资源公报山西省生态环境状况公报 研究方法 “量 质 域 流”内涵传统水资源承载力研究多数集中在水量、水质方面 年王建华等人从水量、水质、水域空间、水流状态 个维度阐述了水资源承载力的内涵 并构建了水资源承载力指标体系和评判准则 年第 期水利规划与设计水文水资源 评价指标构建水资源承载力研究基本方法有经验公式法、指标体系评价法、系统分析法 本研究采取指标体系评价法 遵循系统性、代表性、层次性、可获得性、特点突出性的原则 从“量 质 域 流”个方面选取 个指标构建山西省水资源承载力评价体系(见表)表 山西省水资源承载力评价指标体系目标层准则层指标层指标性质单位山西省水资源承载力量人均水资源量正水资源开发利用率负产水模数正万/人均用水量负万元 用水量负万元工业增加值用水量负农田灌溉用水亩均用水量负质废水排放量负亿 化学需氧量负亿 氨氮负亿 优良水质河长比例正水功能区达标率正域地下水开采系数正森林覆盖率正流生态耗水量正生态补水比例正库径比负 评价指标权重确定为避免单一方法赋权造成较大误差 本研究采用层次分析法()和熵权法相结合确定各评价指标的权重 层次分析法()是一种主观赋权法熵权法是一种客观赋权法 这样既可以降低主观因素的干扰 又能避免熵权法确定的指标与实际不符的情况 提高指标权重的精确度()层次分析法()层次分析法 是一种层次权重决策分析方法 运用于多个学科领域 计算过程如下:建立判断矩阵 通过专家量化打分法 分进行指标相对重要性判断 建立判断矩阵 ()为第 个指标相对于第 个指标的重要程度量化值通过层次排序 推求判断矩阵的最大特征值和特征向量 并进行一致性检验如果一致性比率 或者 对求得的特征向量 进行标准归一化处理 得到的向量 为各评价指标的权重()熵权法熵权法通过利用各指标的信息差异程度计算熵权 其计算结果与指标的样本数量和样本信息相关 当样本信息越多 不确定性就越小 熵权也就越小 主要计算过程如下:样本信息标准化和归一化处理()/()正向指标()/()负向指标()/()式中、第 个指标第 年的原始样本数据、标准化后的数据、归一化后的数据、第 个指标的最大值和最小值 样本数量(评价指标年份数)评价指标个数计算评价指标熵值 ()计算评价指标熵权 ()/()()组合权重计算/()水资源承载力评价模型 模型 模型核心原理是通过计算评价指标与最优、最劣理想解之间的距离 对评价指标进行优劣排序 主要计算过程如下:()构建初始矩阵 将初始矩阵标准化处理将评价指标样本构建成一个 的初始矩阵 然后通过式()的方法将初始矩阵标准化处理后得到矩阵 ()()构建加权矩阵 式()确定的权重 与标准化后得到的矩阵 ()通过 加权计算 得到矩阵 ()()确定评价指标最优解和最劣解、()()()()计算评价指标与最优解和最劣解之间的欧式距离水文水资源水利规划与设计 年第 期()()()()计算贴近度/()()贴近度 取值范围为 取值越接近 表明第 年的水资源承载能力越接近最优方案 最终按照各评价年份接近度由大到小进行排序 障碍因子诊断障碍因子诊断是为了判断区域水资源承载力主要影响指标 从而为提高水资源承载力提供可靠的建议 计算步骤如下:()计算评价指标的贡献度 ()()计算评价指标偏离度 ()()计算评价指标障碍度 /()计算结果与分析 评价指标权重计算结果及分析本次研究利用层次分析法()和熵权法分别计算评价指标权重 并根据式()计算组合权重 计算结果见表 如图 所示 从计算结果分析 层次分析法()和熵权法计算权重基本趋势是一致的从维度上分析 熵权法水量和水质权重较大 层次分析法()水量和水域权重较大 从权重上来说人均水资源量最大 森林覆盖率和废水排放量最小这与山西省水资源短缺的现状是相符合的 两种方法计算结果稍有差距 本研究采用两者计算的组合权重作为各评价指标的最终权重 权重占比较大的几个评价指标为人均水资源量、产水模数、人均用水量、水功能区达标率、氨氮、万元工业增加值用水量 水资源承载力计算结果及分析结合以往的研究基础 将贴近度 划分为个等级(、(、(、(、(分别代表级(严重超载)、级(超载)、级(临界)、级(弱可承载)、级(可承载)根据计算结果(见表)年山西省水资源承载能力呈缓慢上升趋势 界于级(超载)、级(临界)之间表 评价指标权重计算结果表目标层准则层指标层熵权法组合权重山西省水资源承载力量人均水资源量 水资源开发利用率 产水模数 人均用水量 万元 用水量 万元工业增加值用水量 农田灌溉用水亩均用水量 质废水排放量 化学需氧量 氨氮 优良水质河长比例 水功能区达标率 域地下水开采系数 森林覆盖率 流生态耗水量 生态补水比例 库径比 图 评价指标权重计算结果雷达图 年水资源承载能力都是超载 年除 年以外都是临界值 说明山西省水资源承载能力得到一定的提升 根据分析权重占比较大的评级指标历年数据 年山西省水资源超载能力均处于超载状态是由于万元 用水量、万元工业增加值用水量较大、废水中氨氮排放量较高、水功能区达标率较低引起的 反映出 年山西省经济发展模式没有达到高质量发展 年随着水功能区达标率的提高 氨氮排放量减少 万元 用水量、万元工业增加值用水量逐年减少 水资源承载能力得到一 年第 期水利规划与设计水文水资源定改善 年山西省水资源超载能力出现较大变化 是由于人均水资源量和水功能区达标率变化较大引起的 年山西省水资源承载力评价结果见表 表 年山西省水资源承载力评价结果表年份贴近度等级 水资源承载力障碍因子诊断及分析根据式()()山西省水资源承载能力障碍因子主要为人均水资源量、人均用水量、产水模数、万元工业增加值用水量、水资源开发利用率、万元 用水量、水功能区达标率 与权重占比较大的指标基本相同 人均水资源量为最大的障碍因子 说明山西省天然水资源禀赋不够 人均用水量、万元工业增加值用水量等障碍因子说明山西省用水结构和用水效率存在一定的问题 从维度上分析 水量和水质仍是影响水资源承载力的主要因子 水域和水流对水资源承载力影响相对较小 主要障碍度因子计算结果见表 表 主要障碍度因子计算结果表指标排序障碍因子障碍度均值/人均水资源量 人均用水量 产水模数 万元工业增加值用水量 水资源开发利用率 万元 用水量 水功能区达标率 结论及建议 结论()通过分析山西省水资源情况 山西省水资源面临水资源量短缺、供水结构亟待完善、用水结构中农业用水占比偏大等问题()根据水资源承载力评价结果分析 年山西省水资源承载能力呈缓慢上升趋势界于级(超载)、级(临界)之间()根据障碍因子诊断结果 人均水资源量、人均用水量、产水模数、万元工业增加值用水量、水资源开发利用率、万元 用水量、水功能区达标率评价指标是影响山西省水资源承载力的主要指标 水量和水质仍是影响水资源承载力的主要因子 水域和水流对水资源承载力影响相对较小 建议()本研究从整体上分析山西省水资源承载能力忽略了区域差异性 下一步将从行政区划分角度、流域划分角度 从不同承载力研究方法 研究山西省水资源超载能力 为山西省水资源管理提供可靠的参考()通过分析山西省水资源承载能力 水资源承载能力虽然有一定的提升 但是仍然面临着很多挑战 山西省需要从优化产业布局 完善水资源配置、健全水资源管理体系、加强再生水利用、节约用水、水源置换、关井压采等方面全方位、多措施强力推进超载治理参考文献 王建华 姜大川 肖伟华 等.水资源承载力理论基础探析:定义内涵与科学问题.水利学报():.施雅风 曲耀光.乌鲁木齐河流域水资源承载力及其合理利用.北京:科学出版社.王建华 翟正丽 桑学锋 等.水资源承载力指标体系及评判准则研究.水利学报():.王浩 王建华 胡鹏 水资源保护的新内涵:“量 质 域 流 生”协同保护和修复.水资源保护():.李龙 蒋天乐 李磊.基于模糊综合评价及 模型的武威市水资源承载力评价及预测.水利规划与设计():.许杨 陈菁 夏欢 等.基于 改进 模型的淮安市水资源承载力评价.水资源与水工程学报():.左其亭 张志卓 吴滨滨.基于组合权重 模型的黄河流域九省区水资源承载力评价.水资源保护():.佟剑杰 贺华翔 娄安宇.基于外调水潜力的吉林省水资源承载力分析.水利规划与设计():.丁相毅 石小林 凌敏华 等.基于“量 质 域 流”的太原市水资源承载力评价.南水北调与水利科技(中英文)():.杜雪芳 李彦彬 张修宇.基于 模型的郑州市水资源承载力研究.人民黄河():.周云哲.基于“量 质 域 流”的水资源荷载均衡评价.西北农林科技大学.王菲 彭湘 王丽影 等.基于供需平衡分析的玉林市水资源承载力研究.广东水利水电():.