辽宁省鞍山市抗旱能力评价

董忠龙

(鞍山市水利事务服务中心，辽宁 鞍山 114002)

0 引 言

抗旱能力是指被研究区域内社会经济发展、组织管理、生产技术、水利工程等人类活动，能够减轻、抵抗和防御干旱灾害风险的综合能力。干旱灾害具有影响范围广、持续时间长、危害程度高、发生较为频繁等特点，对区域抗旱能力的综合评价可为抗旱应急方案制定、抗旱决策以及旱灾风险管理等提供重要的支撑[1]。目前，针对抗旱能力的评价多集中于农牧业方面，国内相关研究还处于初始阶段。例如，顾颖等对我国农业抗旱能力等级运用模糊聚类方法进行评判；邓建伟等对甘肃省农业抗旱能力利用单目标分析法进行了系统分析；云小林等对内蒙古牧区的抗旱等级采用模糊决策方法进行了评价；张欢等对河北省农业抗旱能力运用多指标多层次模糊评判法进行了科学分析；伊吉美等对大连市农业旱灾脆弱性程度选用模糊综合评价法进行系统分析；美国国家建筑科学研究所和联邦紧急事务所研制了能够评估自然灾害损失的HAZUS系统，为了评估气象灾害造成的直接和间接经济损失澳大利亚气象部门和紧急事务所开发了一套EMA工具。然而，针对区域抗旱能力整体评价及提高抗旱能力的研究还鲜有报道[2-6]。鉴于此，文章以辽宁省鞍山市为例，通过分析区域抗旱能力关键性影响因子，从多个不同方面建立能够系统反映抗旱水平的指标体系，对鞍山市抗旱能力运用可变模糊集模型进行综合评价，在此基础上结合区域发展情况和自然特征提出有效的政策建议。

1 可变模糊集评价模型的构建

根据可变模糊集理论和识别的抗旱能力样本数目，建立基于区间形式评价标准的可变模糊集模型，在识别处理区间形式的评价等级问题时具有较强的适用性和科学性。详细的建模流程如下：

1)依据样本抗旱能力影响因子和识别的评价样本数目，构造抗旱标准特征值矩阵和样本集矩阵。引入X={x1,x2,…,n}为识别的抗旱评价样本集合，选用m个指标特征值xj={x1j,x2j,…,xmj}T描述样本j的特性，由此可构造样本集矩阵为X=(xij)m×n，指标i关于样本j的特征值为xij，其中i=1,2,…,m；j=1,2，…,n。按照c个级别特征值识别样本集的m个指标，指标i关于h级别的标准特征值为yij，由此构造m×c阶特征矩阵Y=(yih)m×c，其中h=1,2,…,c。

2)结合待评价区域的实际状况和指标标准值矩阵，建立可变集合的抗旱能力范围矩阵和吸引域矩阵，即：

Icd=([cih,dih])

(1)

Iad=([aih,bih])

(12)

其中，范围域矩阵、吸引域矩阵分别为包含xij的某一上下界范围域区间和实轴上模糊可变集合的吸引域，其中0

3)吸引域[aih,bih]中DA(xih)h=1的点值Mih的矩阵依据抗旱能力分为c个级别的实际状况来确定，即：

M=(Mij)

(3)

4)关于Mij点样本特征值xij位于左侧或右侧的判别依据为公式(1)-(3)，差异度DA(xij)h的计算式如下：

(4)

(5)

(6)

μA(xij)h=(1+DA(xij)h)/2

(7)

区域抗旱h等级下指标的相对隶属度μA(xij)h矩阵为[Dh]=μA(xij)h，相对差异函数模型在x落入M点左侧、右侧时分别如下：

(8)

(9)

式中：DA(u)=-1;x(c,d)；β为非负指数，一般取1。

5)区域抗旱能力综合评价模型选用文献资料提出的方法，其表达式为：

(10)

6)根据最大隶属度原则在模糊概念分级条件下的不适用性，对样本抗旱能力运用级别特征值分析，即H=(1,2,…,c)×U。

2 鞍山市抗旱能力综合评价

2.1 评价指标体系的构建

鞍山市地处环渤海经济区腹地，为辽东半岛开发区和辽宁中部城市群的连接纽带，沈秦新电气化铁路、哈大铁路、京沈及沈大高速公路横贯鞍山，地理位置优越，交通条件发达。属于温带季风气候，冬冷干燥、夏热多雨、四季分明、光照丰富，降水充沛，年均降水量703.7mm。境内气候环境优美，平均日照时数2540h，平均气温9.4℃，相对湿度60%，年均蒸发量1750.2mm，最大冻土深1.18m，多年平均风速3.5m/s。鞍山市有太子河、浑河、辽河、哨子河、大洋河、饶阳河、海城河等支流，统计资料显示全市地表水总量25.22亿m3，境内供水量2.38亿m3，地下水可开采量6.41亿m3，可开发利用率108%，局部地区地下水超采现象严重。虽然该区域径流量大、水系发达、水资源量较丰富，由于复杂的地貌特征和独特的气候条件，水资源存在边际效益低、可开采量少、开发成本高和开采难度大等特征，加之水环境保护意识薄弱和地下水过度开采，境内水资源功能退化和干旱灾害问题突出，旱灾已成为制约当地社会发展和经济建设的关键因素之一[7-9]。

文章结合数据资料的可获取性和可靠性，提取鞍山市2018年抗旱能力评价各参数值，充分考虑抗旱能力影响因子和当地水资源利用现状构建评价等级标准，如表1所示。

灌溉水利用系数为水源渠首处总引进水量中农作物一次灌溉期间利用净水量的占比；城市化率为总人口中城镇人口的占比；种植结构=(1-水稻播种面积/总播种面积)×100%。

2.2 抗旱能力评价

区域抗旱能力参评指标有20个，即i=1,2,…,20；待评价样本为鞍山市，即j=1；抗旱评价标准由5级，即h=1,2,…,5。根据评价等级标准和指标特征值确定鞍山市抗旱能力点值Mih的矩阵M、可变集合范围域矩阵Icd、吸引域矩阵Iab，其中指标标准值的上、下限通过外延1、2和4、5指标标准的区间分界点确定，其外延依据为2级和4级区间的长度，如表2-表4所示。

表1 鞍山市抗旱能力评价标准及参数值

表2 可变集合的吸引域矩阵Iab

表3 范围域Icd

表4 范围域Icd

关于Mij点样本特征值xij位于左侧或右侧的判别依据为矩阵Iab、Icd和M，然后运用式(8)、(9)计算确定差异度，区域抗旱h级标准下指标的相对隶属度μA(xi)hμA(xi)h利用公式(7)计算确定。为详细说明该求解过程，在1-5级标准下计算确定人均水资源量指标的相对隶属度μA(x2)h。

根据矩阵M、范围域矩阵Icd、吸引域矩阵Iab以及指标特征值x2，计算确定h=1-5级标准下的点值M2h、范围域向量和吸引域向量为:

[a2h,b2h]=[[0,1000],[1000,2000],[2000,3000],[3000,4000],[4000,5000]]

[c2h,d2h]=[[0,2000],[0,3000],[1000,4000],[2000,5000],[3000,5000]]

M2h=[0,1000,2500,4000,5000]

根据x2=1042.8，a21、b21、c21、d21、m21值分别为0、1000、0、2000、0，判断指标x2的位置，确定其隶属于各抗旱等级的隶属度向量为[Uh]=[0.482,0.978,0.022,0,0]。然后对20个指标的权重利用加速遗传算法中的AHP法计算确定，结果如下：

W=(0.071,0.064,0.062,0.050,0.087,0.092,0.078,0.052,0.061,0.036,0.032,0.037,0.046,0.032,0.032,0.034,0.038,0.031,0.031,0.030)T，其中α=2、p=1，代入公式(10)计算确定相对隶属度为：U″=(0.877,0.705，0.782，0.780，0.789)，经归一化处理得到标准矩阵如下：

U=(0.221，0.180，0.200，0.197，0.202)T

保持各特征指标的权重不变，改变模型参数分别计算鞍山市抗旱能力等级，即变换模型参数为α=2、p=2；α=2、p=1；α=1、p=2；α=2、p=2的4种情况，抗旱等级评价结果如表5所示。

表5 基于不同参数的抗旱能力等级评价

根据以上计算结果可知，区域抗旱评价指标特征值受模型参数改变的影响较小，抗旱评价等级基本保持不变，由此表明文中所用方法具有较好的可行性和准确性。

2.3 建议措施

鞍山市位于环渤海经济区腹地，各行业用水量大且地下水长期处于超采现象。农业灌溉和城市发展之间的用水矛盾突出，受当地经济社会发展水平限制工程与非工程抗旱措施落后，从而使得鞍山市抗旱能力较弱。为改善当地抗旱能力水平和提高水资源承载力，可采取的有效措施有：优化调整绿化作物、粮食作物的种植比例，改善种植结构；扩大有效灌溉面积和提高耕地灌溉率，节约用水提高用水效率；有效拦蓄洪水增大水库总库容，通过提高水库水位标准增大干旱时期水库雪水量；提高人均GDP和扩大第二产业规模；增大蒸发站、墒情、地下水测量站数，保证应急水源水质等。另外，还可采取兴建和维修节制闸、河道综合治理和地表径流拦蓄等工程措施。目前，鞍山市地表水比较缺乏，部分地区的机井缺乏且分布不合理，为扩大井灌面积要加快机井建设力度，提升抗大旱能力；为实现节地、节能、节水和农作物增产目标还采用低压管道灌溉、喷灌、地表防渗渠等措施。

3 结 论

对鞍山市抗旱能力运用可变模糊集模型进行科学评价，对建模流程、计算方法开展详细的论述，结果表明该区域抗旱能力较弱，处于2级评定等级。为提高区域抗旱能力从工程和非工程措施两个方面提出了有效的建议，基于鞍山市自然概况和发展状提出的措施简单易行。