基于熵权-正态云模型的水资源承载力数据可视化评价分析

范昱楠

(辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001)

水资源是制约国家经济可持续发展的重要因素之一[1-3]。水资源承载力[4]（CCWR）是水资源调查的热点问题，其综合评价对促进社会、经济和环境协调发展具有重要意义。自20世纪80年代起，国内学者针对城市流域（如新疆[4]，厦门、济宁等）、河流流域（如黑河、淮河[5-7]等）开展CCWR研究；随后，在地下水方面，时磊等人[8]阐述了关于地下水资源的CCWR内容；在影响因素方面，李丽娟等人[9]将经济、人口等多因素考虑在内，深入分析柴达木盆地的CCWR情况。研究范围从概念抽象化到城市排水流域的具体化、从地表水资源到地下水资源、从单目标到多因素的综合分析，促使CCWR研究逐步成熟。文章依据水资源量、用水量、经济生活的准则构建评价指标体系，基于熵权法及模糊矩阵建立熵权-正态云模型，评价2020年全国各省份的CCWR情况，并借助web框架实现分析数据与评价结果的可视化，更直观的分析水资源与区域发展的依存关系，以期促进社会、经济、环境与资源的协调发展。

1 研究方法

1.1 水资源承载力评价指标体系的建立

文章按照科学性、协调性、代表性、可操作性原则，构建了以CCWR为目标层，以水资源量、用水量、经济生活响应为准则层的CCWR综合评价指标体系（见表1）。其中指标性质分为积极（“+”）和消极（“-”）影响，各项指标原始数据按照等距法划分等级。

表1 水资源承载力综合评价指标体系内容

1.2 熵权计算方法

指标权重越大，说明该指标对CCWR的影响程度越高。

首先构建标准化评价矩阵：假定i个评价对象，每个评价对象对应j个指标,对每个评价指标进行无量纲化，得到标准化矩阵bij；其次确定特征比重cij及熵值hj；最后确定评价指标熵权Wj如式（3）。

式中：当cij=0时，修正cijlncij=0；且hj满足0≤hj≤1；Wj满足公式ΣWj=1。

1.3 正态云模型及可视化平台的构建

正态云模型是解决CCWR评价过程中模糊性、随机性及离散性问题的有效方法之一，通过云数字特征值即期望值Ex、熵En和超熵He表示。计算过程为：利用数值生成高斯随机数En'i和Xi，并计算Xi的确定度μi，产生n个（Xi，μi）式云滴，如下式：

CCWR综合分析数据的可视化基于Python、Flask、Enterprise Charts工具构建。

水资源承载力综合评价指标体系内容，见表1。

2 水资源现状分析

基于可视化平台架构，依据《水资源公报》、《国家统计局》、《统计年鉴》等数据对2020年全国各省市（除香港、澳门特别行政区和中国台湾省以外）水资源现状进行综合分析。

由分析可知，从水资源量方面看，地下水资源量小于地表水资源量，这与地下水与地表水的转换关系相吻合。

从用水量类型来看，农业用水量工业用水量生活用水量生态用水量，说明中国仍处于农业大国向农业强国的转型进程中，农业灌溉技术仍有待进一步提高。

从区域分布来看，水资源总量排名前五的省份分别是西藏、四川、湖南、广西、云南，最低的是宁夏；总用水量排名前五分别是江苏、新疆、广东、黑龙江和湖南，最低的是青海。结合经济影响的GDP指标（全国前五为广东、江苏、山东、浙江和河南），污水排放量与用水量均与GDP成正比。可见，用水量、排污量均与水资源量关联性不高，而与经济发展高度关联。

要形成优势互补的高质量区域经济发展布局依赖于区域水资源的合理调配。地处沿海的广东、浙江、江苏、山东等经济大省，虽水资源量不足，但政府可以通过购买服务、建设生态补偿点等方式，以此实现水资源的优化配置。

从污水排放量方面看，地处沿海的经济大省也是污水排放大省。说明政府要加强对污水排放管理政策的同时，在污水处理工艺方面要通过完善企业税收优惠政策，鼓励企业投资参与污水处理厂中能源循环利用、污水资源化等问题的工艺改造技术。

3 水资源承载力结果分析

基于熵权-正态云模型及数据可视化平台，对全国水资源承载力情况进行分析探讨。

1）对各省市水资源状况进行划分，采用等距法将其划分为5个等级：弱(I级)、较弱(II级)、一般(III级)、较强(IV级)、强(V级)五个等级标准。其次根据正态云模型原理，基于上述评价等级标准，利用Pycharm编写正态云模型运行代码，计算得到云模型的数字特征Ex和En的值，He根据前人经验取常数为0.2。云数字特征值，见表2（其中，“E”指标表示全国各省综合评价值的分级标准）。

表2 云数字特征值

2）将云数字特征值输入正向云发生器，运行500次。再根据熵权法计算，得到全国各省各指标的权重值结果：A1=0.288，A2=0.194，A3=0.263，B1=0.028，B2=0.022，B3=0.029，B4=0.037，C1=0.093，C2=0.046。

最后根据式（7），由得到的指标权重分别与各年份单因素隶属度矩阵进行模糊转换，再对其进行综合评价计算，得到结果，全国各省综合评估值，见表3。综合评价结果数值越大，表示该年份水资源承载能力越强；反之越弱。

表3 全国各省综合评估值

由各指标权重计算结果可得，准则层方面对全国水资源承载力影响大小依次为水资源量、经济生活、用水量。说明在全国视角下用水量的减少并不能明显提高该省市CCWR情况，要以合理规划水资源量层面指标为主，经济生活层面指标为辅的方式提高水资源在支撑各省经济社会发展规模，维系良好生态的能力。

在具体指标体系中对全国水资源承载力影响排序依次是地表水资源量、其他水资源量、地下水资源量、污水排放量、GDP、生态用水量、生活用水量、农业用水量及工业用水量。因此各地区应将重点放在水资源量层面，鼓励实施“清水活水”、提升断面水质的举措，要以净化河流、冰川及湖泊等活水量水质方式为主，以减少污水排放量并提高区域生产总值为辅的方式来提高全国的CCWR。

根据综合评价结果可知，中国从西到东，从南到北CCWR呈递减趋势。我国东北省市CCWR为“弱”水平的主要原因在于受地理位置及气候地带条件限制，地表水资源量不丰富，基于此在东北省市要注重经济生活层面的指标，即污水排放总量和GDP指标，该类指标需要作为提高水资源承载力的重点改进与治理对象。要以强化污水排放控制、提高区域生产总值方式为主，加强用水过程监管和用水总量控制为辅的方式提高CCWR。

湖南、广西等省市CCWR呈“较弱”水平。对于水资源量丰富的省市，主要因其经济发展模式的不匹配，从而使得其承载能力落后。由此针对水资源量丰富的省市要通过充分发挥现有的资源优势，以提高地区生产总值为目的从而提高CCWR。要加强水源工程建设，以最低的资源代价使经济以较快的速度发展，充分享受国家的扶贫政策，培育经济增长中心，大力发展经济。

云南、江苏及新疆CCWR处于“一般”水平。主要原因在于水资源的供需不平衡，由于气候温度上升，未来水资源蒸发量的加大将使得CCWR面临严峻下降的局面。因而针对该类省市要通过优化用水结构、调整产业结构，提高耗水量相对较小的第三产业的发展规模并提高污水回用率等方式，进而提高该类省市CCWR。

4 结 论

文章构建了水资源综合评价的指标体系，基于熵权-正态云模型开展了省域CCWR评价。分析结果表明，整体上提高我国CCWR应以净化水质为主，以减少污水排放，提高国民生产总值为辅的方式；在水资源受地理位置条件限制的地区，要以控制污水排放，提高GDP的方式为主；在水资源量丰富的地区，发挥资源优势，加强水源工程建设，享受扶贫政策发展经济的方式为主；在水资源量“一般”的地区，调整产业结构，提高污水回用率等方式为主，进而提高CCWR。