基于最大熵原理的庄河市水资源承载力模糊评价

高清震

(庄河市水务事务服务中心，辽宁 庄河 116400)

1 庄河市概况

庄河市位于辽东半岛东侧南部，处于E39°25′-40°12′，N122°-29′-123°31′之间，海岸线长285km，境内总面积6968km2。属于大陆性季风气候，年均气温9.1℃，气候温和，四季分明，夏秋季降雨集中，冬春季多风少雨，年均降水量757.4mm。庄河市为低山丘陵区，自北向南地势呈逐次降低趋势，地貌特征有“五山一水四分平地”之称。受季风和地形影响，在空间和时间分布上降水量极不均衡，年降水的56%集中于每年的7、8月，自东北向西南方向降水量呈递减趋势。境内主要有小沙河、小寺河、庄河、那英河等，其中100km2以上的河流13条，河流总长882km。北部山区为所有河流的发源地，径流南部沿海平原区及中部丘陵区，河流走势自北向南径流，最终汇入黄海。庄河市水资源存在着可开发利用量较少、开采成本高、边际效益低等难题。

依据庄《河市2018年水资源公报》、《庄河市2018年统计年鉴》等相关统计资料可知：庄河市淡水资源比较丰富，全市淡水资源总量为17.45亿m3，有中小河流349条，流域面积2944.65 km2，多年平均地表水总量16.96亿m3，35座大中小型水库总库容6.7亿m3，正常库容5.13亿m3，可供水量4.78亿m3。塘坝、拦河闸、引提水站、机电井、深井等水利工程，可供水2.02亿m3。全市水利工程合计可供水量6.8亿m3。庄河市人均水资源占有量约为1900m3，与大连市平均水平相比，水资源相对丰富，与全国平均水平相比，约占82%。庄河市人均年供水量为206 m3/人·a，年供水模数19.2万m3/km2·a，水资源灌溉率76%，城市人均生活用水0.19 m3/人·d，农村人均日生活用水0.05 m3/人·d，需水模数22万m3/人·a，人口密度312人/km2，人均年工业产值4954元/a。

近年来，庄河市依托其优越的环境条件和独特的地理优势迅速发展经济，污废水排放量和用水需求量急剧增大，水资源供给矛盾和水体污染问题现已十分突出。局部地区由浅层地下水和地表水污染已发展至深层地下水，民用浅水井水质较差已无法满足饮用水标准要求。2015年庄河市水源保护规划显示，境内的13条主干河流均受到不同程度的污染，污水未经处理或处理不达标排入河道使得水系统环境不断下降。总体来看，在空间分布上南部地区的水环境污染相对较轻，而北部地区的较重，这主要与当地居民用水需求、排水方式、农业重视、工业生产、经济发展和环保政策等因素相关[1-3]。

2 基于最大熵原理的承载力模糊评价

依据现有研究成果和施雅风等[4]观点，将水环境承载力的内涵概括为：在特定的生产条件和科学技术下区域水资源能够最大程度的支撑生态环境、人类生产生活和工农业发展的用水能力，在这种容量下水资源不会引起环境恶化且具有自我更新和自然循环功能。通过对人口规模、经济社会与水资源系统相互作用的研究分析，为水资源科学利用和管理规划提供科学指导为承载力评价的根本目的。

模糊集理论在处理分析承载力各模糊性因子时具有较强的适用性，能够保证评价结果的客观性和准确性，但该方法未能考虑评价结果受随机性因子的影响。对于水文参数包含的不确定性可选用具有整体观念的“最大熵”理论衡量，该该方能够综合考虑各方面因素深层刻画随携带的不确定信息。据此，为消除不确定性对承载力评价的影响引入最大熵原理，从而构建最大熵与模糊集相结合的综合评价模型。

2.1 评价模型

设n个样本所对应的m项指标的评价等级有k个，由此建立包含n个水资源承载力评判区域的样本矩阵C和k级评价标准的矩阵S，具体形式为：

(1)

(2)

水资源承载力评价的重要环节是合理构造标准矩阵和样本矩阵，考虑到不同指标量纲的不同需要对初始数据进行规格化处理，从而构造标准模糊矩阵，其处理方法如下：

式中：si1、si2、sik为承载力等级为1、h、k时各参数的标准值。根据以上规格化公式可将模糊矩阵转化为如下标准形式，即：

考虑各参评指标的内涵特征和区域水资源利用现状，采用如下公式转化处理区域样本值，即：

(3)

(4)

将区域样本矩阵利用公式(3)、(4)可转化为模糊矩阵，转化结果为：

设k级承载力标准下由n个待评价样本构造的隶属度矩阵为U，其表达式为：

(5)

(6)

2.2 建立评价体系及标准

水资源直接关系着社会经济的发展速度和人类的繁衍生存，其承载力水平为评判当地能否持续健康发展的重要依据。不同地区水文条件、气候因素和水资源状况存在一定差异，所以评价指标体系的建立应尽可能的体现区域水资源利用过程中存在的问题以及可能发生的变化。同时，有些参数具有一定的关联性，有些指标对评价结果影响较大，对此应选择数据易获取且具有关联性的参数。为全面了解水资源承载力状况就必须从众多的复杂数据信息中选取典型指标，评价体系的构建应遵循的原则有：①科学性，承载力评价体系应具有科学的内涵，较为客观、准确的反映水资源系统特征和承载力影响因子，最大限度的准确描述不同指标间的关联特性；②完备性，承载力评价要综合考虑用水量、供水量、人口规模等等方面因素，较为全面、系统的描述水资源系统状况，在一个完整的系统内分析各项评价因子；③可行性，评价指标应尽可能的便于数据的获取和计算，指标的内涵简单明确，在具体的应用中具有普遍适用性，并保证计算方法的可行性；④显著性，评价因子应尽可能的体现水资源系统与区域发展规划间的差异，各单一指标要尽可能替代的原有贡献概率，所包含的信息应尽量的丰富，度量简便、灵敏性强；⑤代表性，水资源系统涉及到的因素多、范围广，承载力评价时没必要也不可能将所有指标参与计算，所以指标的选择要结合数据资料和信息，选择涉及水资源各方面的代表性指标。

文章结合庄河市水资源相关资料和已有研究成果，综合考虑与水资源相关的各方面因素，从辽宁省环境统计公报、水资源公报、统计年鉴等资料提取相关参数，在遵循上述原则的基础上建立多因子综合评价体系，如表1。

表1 庄河市水资源承载力评价体系

根据其他具有相似社会经济与自然条件的区域承载力评价标准，参考文献资料、庄河市发展规划、国家和国际认可的水资源标准，将承载力划分为为V1、V2、V3级3个标准，其中V1级代表水资源开发利用具有较大的开发空间，承载力水平较高可满足区域经济发展的需要；V3等级代表区域水资源开采接近极限状态，进一步开发利用的潜力较低其承载力水平较差；V2等级处于以上两种状态的中间水平，即优于V3劣于V1级。各项评价指标2025年、2030年的期望值如表2，部分评价标准和数据来源于文献。

表2 庄河市水资源承载力评价标准及其期望值

续表2 庄河市水资源承载力评价标准及其期望值

2.3 结果分析

综合考虑庄河市水管理部门和水资源领域专家意见，经适当调整构造各指标相对重要性判断矩阵，然后对8项指标权重利用AHP法确定，最终计算得到wi=(0.143,0.126，0.126,0.125,0.114,0.126,0.125,0.115)，B值为10。

按照以上计算步骤对各参数数值值进行规格化处理，然后利用公式(6)和模糊数学法计算确定庄河市2018、2025年最优分级结果，如表3。

从表3可以看出，庄河市水资源承载力在2025、2030水平年均处于V3等级，水资源开发利用程度已趋近于极限水平，进一步开发利用的潜力较低其承载力水平较差。庄河市2025年承载力隶属于V2、V1等级的数值分别为0.487、0.013，而V3与V2级的评价值相差不大，且属于V3等级的程度并不十分显著，可见虽然2025年该区域水资源为V3，但也趋近于上一等级V2；庄河市水资源承载力在2030年为V3与V2级的评价值为0.923、0.060，二者存在较大的差距，隶属于V3级的程度更加显著，可见在2030年的缺水程度较2025年更加严峻。总之，庄河市水资源短缺矛盾越来越紧张，且现状可承载能力负荷过高已无法满足用水需要[5]。

2.4 承载力提升措施

水资源承载力覆盖的范围广、因素多，主要与污水处理率、水资源量、第三产业比重、污水处理率、降水量等因素相关，另外海域耗水量、GDP增长率、人口自然增长率等因素有关。结合上述评价结果和庄河市水资源利用现状，为进一步提升其承载力水平可采取的有效措施如下：

1) 加强节水意识，建设节水型社会。加快节水器具、设备的普及和供水管网的改造，减少水资源的浪费切实提升节水意识，进一步调节水价和优化生活用水定额；推行节水责任制，建立节水管理法规和制度体系，根据区域缺水程度对行业用水定额重新制定或调整；注重浇灌节水技术和抗旱作物的研究，加强骨干灌水线节水改造工程建设，提升灌区渠系的防渗率和配套率，采取河道整修防渗和入河口排入控制工程。

2) 用水结构调整，提升用水效率。结合当地实际情况对第三产业结构进行优化，提升庄河市企业重复用水率和第三产业比重，最大程度的降低万元GDP耗水量。加快节水器具、设备的普及和供水管网的改造，减少水资源的浪费并提升居民节水意识。

3) 严格控制污染，加强水环境保护。按照循环经济发展理念转变传统的污水处理方式，从源头上控制水体污染来源；严格限制重污染环境的化工企业，在沿江、沿河和工业密集带控制新工厂建设；为实现辽庄河市各主城区沿河污染的有效控制采取排污口改道措施，采取集中处理生活垃圾和水上航运污染[6]。

3 结 论

为消除不确定性对水资源承载力评价的影响引入最大熵原理，构建最大熵与模糊集相结合的综合评价模型，然后以庄河市为例验证了该模型的科学有效性。研究表明，庄河市水资源承载力在2025、2030水平年均处于V3等级，水资源开发利用程度已趋近于极限水平，进一步开发利用的潜力较低其承载力水平较差。目前，庄河市的水资源短缺矛盾越来越紧张，且现状可承载能力负荷过高已无法满足用水需要，为进一步提升其承载力水平提出了有效措施。