基于熵权—模糊评价模型的鸡西市水资源承载力评价与研究

王姊怡,王立权,董 鹤,杨建武,郭洪聪

(1.黑龙江大学水利电力学院,哈尔滨 150080;2.黑龙江省水利科学研究院,哈尔滨 150080)

1 研究背景

水资源对于当今区域经济经济社会发展来说,是不可缺少的重要资源。目前水资源短缺的问题对人类社会生产生活都有着严重而深远的影响,因此对区域水资源状况进行评价,并有针对性地进行水资源保护是十分有意义的[1]。水资源承载力是当前水资源匮乏城市得以可持续发展的基本指标和前提条件[2-3]。

承载力概念来源于物理力学,指物体在保持自身状态时所能承受的最大荷载,随着发展逐渐将其概念拓宽为描述事物发展限制的程度[4]。在中国,水资源承载力的首次提出来自于对新疆地区水资源承载力的评价,经过几十年的发展,我国学者多领域多角度积极探索研究,水资源承载力的评价理论体系日趋完善[5]。石晓昕[6]等对河北省进行了水资源承载力评价。徐政华[7]等对长春市进行了水资源承载力评价。吴明艳[8]等对甘肃省、青海省等西北五省区进行了水资源承载力评价。

2 区域概况与数据来源

2.1 区域概况

鸡西市位于黑龙江省东南部(E130°24′24″～133°56′30″,N44°51′12″～46°36′55″),属于黑龙江省三江平原之一。气候属于中温带大陆性季风气候,春季多大风易干旱,夏热雨水集中短促,秋季寒潮较多降温明显,冬季干燥寒冷漫长,区域年平均降水量位于500～560mm。鸡西市别称煤城、石墨之都,是十分典型的矿业城市。近年来,矿业城市资源开发与经济社会发展、生态环境保护之间不平衡、不协调的矛盾已日渐突出[9],因此鸡西市水资源承载力分析是必行之举。

2.2 数据来源

文章所使用的数据均来源于2015—2020年鸡西市水资源公报、鸡西市统计年鉴。

3 研究方法

3.1 构建评价指标体系

水资源承载力的影响因素是多方面的,构建合理的评价指标体系是对鸡西市水资源承载力评价的基础。文章分别从水资源、社会、环境、生态等四个子系统中选取9个指标,共分成3个等级。鸡西市水资源承载力评价指标体系,见表1。其中正向指标表示:数值越大,承载力越强;负向指标表示:数值越大,承载力越弱。鸡西市水资源承载力评价指标数据,见表2。

表1 鸡西市水资源承载力评价指标体系

表2 鸡西市水资源承载力评价指标数据

3.2 熵权法确定指标体系

通过熵权法确定指标权重,是因为熵值可以表达出信息的有序性和有效性,从而减少指标权重确定中的人为因素干扰,使结果更加公正、客观[10]。

1)构建判断矩阵P,计算公式为:

P=(pij)nm,i=1,2,…,n;j=1,2,…,m

(1)

式中:m为评价对象的总数;n为评价指标的总数;pij为第i个评价对象的第j个评价指标。

2)对判断矩阵P中的数据进行标准化,得到标准化矩阵B。数据的标准化处理有2种方法:

对于正向指标,计算公式为:

(2)

对于负向指标,计算公式为:

(3)

式中:Pmax、Pmin分别代表所计算指标的最大值、最小值。

3)对各评价指标求信息熵,计算公式为:

(4)

(5)

当Pij=0时,lnPij无意义,故Pij=0时,定义limPijlnPij=0。

4)计算各评价指标的权重,计算公式为:

(6)

通过以上公式可以计算出评价指标体系中各指标所占权重,水资源承载力各评价指标权重,见表3。

表3 水资源承载力各评价指标权重

3.3 模糊综合评价方法

3.3.1 构建评价对象及评价等级集合

构建评价对象集合:Y={y1,y2,…,yn},其中y1,y2,…,yn为评价对象的n种评价指标。

构建评价等级集合:V={v1,v2,…,vm},其中v1,v2,…,vm为评价对象的m种评价等级。

3.3.2 构建模糊关系矩阵

得到指标所占权重后,通过计算在评价等级集合中确定每个评价对象不同评价等级的程度,以rij表示,称为隶属度,从而得到隶属度矩阵R,称为模糊关系矩阵。计算公式为:

(7)

(8)

(9)

(10)

式中:K1为v1和v2的临界值;K3为v2和v3的临界值;K2取v2的中间值,即K2=(K1+K3)/2。

合成综合评价矩阵,计算公式为:

B={b1,b2,…,bm}=W·R

(11)

式中:W为评价指标的权重系数集,W={W1,W2,…,Wn}。

将v1、v2、v3分别赋值0.95、0.5、0.05,并计算出综合评价值,计算公式为:

(12)

式中:k为各等级指标对目标层的影响程度,计算中取1。

综上,经过计算,2015—2020年鸡西市水资源承载力评价结果,2015—2020年鸡西市水资源承载力评价结果,见表4。

表4 2015—2020年鸡西市水资源承载力评价结果

综上,可以看出鸡西市2015—2020年水资源承载力评价值从0.424变为0.502,整体呈上升趋势。最低值是0.424分别发生在2015和2017年;最高值0.502发生在2020年。

可以看出2015—2016评价值呈上升趋势,但在2017年又降至2015年的水平,通过表2分析,可能是引进大型企业导致工业需水量增加造成。2018年恢复至2016年水平后,2019—2020年是鸡西市水资源评价值的“增长期”,原因可能是黑龙江省积极落实《国家节水行动》[11],鸡西市认真响应在人均GDP年年攀升的情况下,万元GDP用水量逐年下降、生态环境用水率逐年升高,在发展经济的同时很好地兼顾了节水相关政策的落实。

3 结 论

1)文章结合鸡西市实际情况选取9个指标构建评价指标体系,并用熵权法对各个指标赋权,以最大可能的避免主观因素对评价结果的影响。评价指标中人均GDP、产水模数、生态环境用水率、万元GDP耗水量所占权重较大,对水资源承载力评价结果有较大的影响。

2)文章采用模糊综合评价方法对鸡西市2015—2020年水资源承载力进行计算、评价。经过计算、分析,鸡西市水资源承载力整体呈上升趋势,未来可从合理调整用水结构、增加生态环境用水等方向来促进水资源的可持续发展,另外考虑到鸡西市内密山、虎林等地区仍以农业灌溉为主要“用水大户”,推进灌区节水工程改造、推广节水灌溉模式和需水量少的节水作物亦是保证鸡西市水资源可持续发展的方向。