区域水资源承载力的模糊综合评价分析方法及应用

'第11卷第3期水土保持研究Vol.11No.32004年9月ResearchofSoilandWaterConservationSep.,2004①区域水资源承载力的模糊综合评价分析方法及应用123闵庆文,余卫东,张建新(1.中国科学院地理科学与资源研究所,北京　100101;2.河南省商丘市气象局,商丘　476000;3.山西省气象局,太原　030000)摘　要:水资源是一种战略性资源,对于区域生态环境安全和区域可持续发展具有重要意义。水资源承载力是进行区域生态环境建设和确定社会经济发展方向的基础。介绍了基于模糊数学理论的区域水资源承载力评价方法,选取了人均水资源可利用量、人均实际供水量、水资源利用率、耕地灌溉率、供水模数、需水模数、生活用水定额、生态用水率等8个主要因素作为评价因素,并以山西省河津市为例进行了具体计算与分析。评判结果表明:目前水资源开发利用已经达到相当规模,在现有经济技术条件下,该地的水资源承载潜力已相对较小,水资源供需矛盾突出。地下水的大量超采,水环境破坏等因素,极大地限制了水资源的进一步开发利用潜力。从社会、经济的进一步发展和保护生态环境出发,提高水资源承载能力的根本措施是加强全面节水战略的实施,合理利用本地水资源并实行引、提黄河水工程。关键词:水资源;承载力;模糊数学;山西省河津市中图分类号:S273.1　　　　文献标识码:A　　　　文章编号:100523409(2004)0320014203Fuzzy-basedEvaluationofWaterResourcesCarryingCapacityandItsApplication123MINQing2wen,YUWei2dong,ZHANGJian2xin(1.InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,Beijing100101,China;2.ShangqiuMeteorologicalBureauofHenanProvince,Shangqiu476000,China;3.MeteorologicalBureauofShanxiProvince,Taiyuan030000,China)Abstract:Asoneofthemoststrategicresources,waterresourcesplayaveryimportantroleinensuringregionalecologicalsafetyandimplementingsustainabledevelopment.Therefore,evaluationtoregionalwaterresourcescapacityisthebasisofimprovingeco2environmentalconstructionandsocio2economicdevelopment.BasedontheprincipleofFuzzy,theFussycomprehensiveevaluationmodelofregionalwaterresourcescapacitywasintroduced.Theselectedevaluationfactorsincludepercapitaavailablewaterresource,percapitapracticalwatersupply,useefficiencyofwaterresources,irrigationratioofarableland,watersupplymodulus,waterdemandmodulus,quotaoflivingwateruseandecologicalwateruseratio.TakingHejinCityofShanxiProvinceasanexample,theevaluatedresultsshowthatthecurrentwaterexploitationandusehasreachedarelativehighdegree.Underthepresenteconomicandtechnicalconditions,thereisonlyaverylimitedwatercarryingcapacityandthereexistsaseriousconflictbetweenwatersupplyandwaterdemand.Besides,overexploitationofundergroundwateranddegradationofwatereco2environmentallinfluencethefurtherexploitationanduseofthelimitedwaterresources.Viewingfromsustainabledevelopmentofsocietyandeconomyandecoenvironmentalprotection,thefundamentalmeasurestopromotewatercarryingcapacityaretostrengthenthepracticesofoverallwatersavingstrategies,utilizetheregionalwaterresourcesrationally,andlaunchwateruseprojectdrawingfromtheYellowRiver.Keywords:waterresources;carryingcapacity;Fuzzy;HejinCityofShanxiProvince　　水资源是一种战略性自然资源,对于维护区域生态环境设的快速发展和城乡居民生活的不断提高,对水资源的需求安全和促进社会经济可持续发展具有重要意义。随着经济建量也日益增加。水资源承载能力已经成为衡量区域可持续发①收稿日期:2004205206　基金项目:中国科学院地理科学与资源研究所知识创新工程项目(CXIOG-B00-02-05)研究成果　作者简介:闵庆文(1963-),男,博士,副研究员,主要从事区域发展生态学、生态系统生态学和资源生态工程的研究工作。©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved. 第3期闵庆文等:区域水资源承载力的模糊综合评价分析方法及应用·15·838展的一项重要指标,是当前水科学研究中的一个重点和热点洪水年径流量0.137×10m,泉水年径流量0.094×10[1～3]383问题。m;另外,过境水年径流量351.5×10m,其中黄河北出龙83所谓水资源承载能力,是指在某一具体的历史发展条件门,顺西缘流长15km,年平均流量为336.9×10m;汾河下,以可以预见的技术、经济和社会发展水平为依据,以可持由东向西横贯境内,流经黄村乡、城关镇和阳村乡西入黄河,续发展为原则,以维护生态环境良性发展为条件,经过合理83[5]年平均流量14.6×10m。的优化配置,水资源对该地区社会经济发展的最大支撑能近年来河津市的工业得到了快速发展,由于工业产业主[4]力。水资源承载力分析关系到区域生态环境和社会经济可要集中于煤焦、炼铁、氧化铝、电解铝、发电等能源和原材料持续发展,涉及面广、内容复杂。本文介绍区域水资源承载力加工行业,具有高耗电、高耗水等特点,工业用水量急剧增的模糊综合评价方法,并以山西省河津市为例进行具体分析长。2001年全市用水总量为12831.4×104m3,其中工业用和计算。水6599.4×104m3,占51.4%;农业用水5237.6×104m3,43占用水总量的40.8%;城镇生活用水量412.6×10m,占1　评价模型简介433.3%;农村生活用水581.8×10m,占4.5%。2001年引用水资源承载力的综合评判是在对区域水资源特征、保证地表水资源量1458.1×1043,开采地下水总量11373.3×m程度、开发利用状况及工农业生产、人民生活和生态环境对水434310m,地下水超采量高达2039.3×10m。地下水的严重资源的需求程度的供需诸方面综合分析的基础上,经过多因超采,已经造成了地下水位下降,导致工业用井加深,企业用素分析平级而得出的结论,通过建立模糊综合评价模型能够水成本不断增长,群众生活用水困难,使用水问题成为制约较好地对水资源承载力作多因素、多层次地综合评价,更全面经济可持续发展和影响人民群众生活的主要问题。地反映区域水资源承载能力的状况。综合评判模型如下:给定两个有限域U={U1,U2,⋯,Un},V={V1,V2,⋯,3　水资源承载力评价指标体系Vn},其中U代表综合评判因素所组成的集合,V代表评语水资源承载力评价指标体系的建立是水资源承载力研所组成的集合,则模糊评判为B=A·R,式中A为U上的究中的一个关键问题。核心是用什么指标体系反映“社会-模糊子集,A={a1,a2,⋯,an},0≤ai≤1,ai为U对A的隶属经济-自然复合生态系统”的发展规模与质量。影响区域水度,它表示单因素Ui在评定因素中所起作用的大小,也在一资源承载能力的因素很多,涉及到水资源系统的各个方面,定程度上代表Ui评定等级;而评判结果B则是V上的模糊[6,7]其指标的选取也常因研究者而有不同。子集,B={b1,b2,⋯,bn},0≤bj≤1,bj则为等级Vj对综合评全面分析水资源承载能力的各影响因素,参照了全国水判所得模糊子集B的隶属度,它们表示综合评判的结果。资源供需分析中的指标体系和其它水资源评价指标体系及评判矩阵为:[8,9]其标准,在本次水资源承载力综合评价中,选取了人均水r11r12⋯r1n资源可利用量,人均实际供水量,水资源利用率,耕地灌溉r21r22⋯r2nR=率,供水模数,需水模数,生活用水定额,生态用水率等8个⋯⋯⋯⋯主要因素作为评价因素,各因素的含义如下:rm1rm2⋯rmn人均水资源可利用量(u1):可供水资源量与总人口数量式中rij表示Ui的评价对等级Vj的隶属度,矩阵R中第i行3之比(mö人);Ri=(ri1,ri2,⋯,rin)即为对第i个因素Ui的单因素评判结人均供水量(u2):频率75%的供水量与总人口数量之比果。评价计算中矩阵A代表各因素对综合评判重要性的权(m3ö人);系数,因此满足a1+a2+⋯+am=1,同时模糊变换A·R也就水资源利用率(u3):现状75%频率的供水量与可利用的可退化为普通矩阵计算。水资源总量之比(%);2　河津市自然条件及水资源利用现状耕地灌溉率(u4):灌溉面积与耕地面积之比(%);4河津市位于山西省西南部,北依吕梁,西临黄河,汾河横供水模数(u5):频率75%的供水量与土地面积之比(1032);贯市境东西。是汾河和黄河汇流的三角地带,国土总面积mökm43593km2,人口36.16×104(2001年)。自然气候属于温带大需水模数(u6):需水总量与土地面积之比(10mö2);陆性气候,多年平均年降水量479.5mm,年平均气温13.km5℃,年日照时数2276.2h,无霜期一般为200d左右。生活用水定额(u7):生活用水总量与总人口之比(Lö人河津市由于濒临黄河、汾河,水资源比较丰富,人均水资·d);333生态用水率(u源615m,高于全省(480m),低于全国(2700m)。据河津8):生态用水总量与总需水量之比(%)。市水资源管理委员会提供的有关资料,全市水资源总量按照上述8个评价因素对区域水资源承载力的影响程434322233×10m,可供水资源量21032×10m,地下水资源度,将上述因素对水资源承载能力影响程度划分为3个等4343量20538.9×10m,地下水可开采量9334×10m。其中级,每个因素各等级的数量指标见表1。其中V3级表示状况©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved. ·16·水土保持研究第11卷较差,表示了水资源承载能力已经接近饱和值,进一步开发k1-ui0.5(1+)ui600600～400<400k3-ui0.5(1+)ui≥k3人均供水量ö(m3·人-1)>400400～240<240k2-ui水资源利用率ö%<3030～80>80Lv3=0.5(1-ui-k3)k2≤ui60ui≤k20耕地灌溉率ö%<4040～80>80对于评价因素u1、u2、u8各评语级相对隶属度函数的计生活用水定额ö(L·人-1·A-1)<7070～130>130算公式只需将以上(1)～(3)式右端ui区间号“≤”改为需水模数ö(104m3·km-2)<1010～60>60“≥”;而将“<”该为“>”后采用同样的计算式即可。生态用水率ö%>55～2<2通过上述公式可以求算出各评判因素对应于各个等级评分值Aj0.950.50.05的隶属度rij,其中　　为了更好地反映各等级水资源承载能力情况,对V1、V2、ri1=Lv1(ui),ri2=Lv2(ui),ri3=Lv3(ui)(i=1,2,⋯,8)。V3进行0～1之间的评分,取A1=0.95,A2=0.5,A3=0.05。这根据各评判因素对水资源承载能力影响程度的大小,将样可以定量反映各等级因素对承载能力的影响程度,数值越各评判因素对水资源承载能力的影响赋予不同的权重,权重高,表明水资源的开发潜力越大。综合评定时,按照上述Aj的矩阵A=(a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7,a8)。根据上述A和R矩阵,值以及B矩阵中各等级隶属度bj的值,按下式分析计算基于将B=A·R按普通矩阵计算规则即可求得水资源承载能力综合评判结果矩阵B的水资源承载能力的综合评分值。的最终评判结果矩阵,然后根据V1、V2、V3分级指标对应的3bk评分值A1、A2、A3即可求得区域水资源承载能力综合评判值,6j·Ajj=1A=3最后进行区域水资源承载力的综合评价与分析。k6bjj=15　水资源承载力的模糊综合评判K值是为了突出占优势等级的作用,干旱区通常k=根据水资源承载能力综合评价指标体系,结合河津市社[10]1。[11]会经济发展速度、需水总量和供水量的预测结果,考虑两4　评判矩阵R的计算种不同情景基础上的供水方案。其中方案1代表未来供水以上述分析可以看出评价因素u={u1,u2,⋯,u8}对应着本地水资源为主,且不考虑生态用水中地下水超采后的回灌评语集V={v1,v2,v3},而评判矩阵R中rij可以通过评价因用水量;方案2代表供水除本地水资源外,还包括引、提黄河素的实际数值对照各因素的分级指标来分析计算。为了消除水及污水处理回用,并考虑回灌超采的地下水量。各等级之间数值相差不大,而评价等级相差一级的跳跃现权重矩阵A的确定:对于河津市而言,人均可供水量、象,使隶属函数在各级之间能平滑过渡,将其进行模糊化处人均供水量和水资源利用率对水资源承载能力影响较大,故理。对于V2级即中间区间,令其落在区间中点隶属度为1,分别赋予权重0.15,及a1=a2=a3=0.15。另外,生态用水率两侧边缘点的隶属度为0.5,中点向两侧按线性递减处理。对于生态环境的维护,人类生存和发展以及对水资源的可持对于V1和V3两侧区间,则令距临界值越远属两侧区间的隶续开发利用影响也较大,故也赋予权重0.15(a8=0.15)。其属度越大,在临界值上则属于两侧等级的隶属度各为0.5,它评判因素都赋予权重0.10(a4=a5=a6=a7=0.10),因此按上述设想构造了各评价等级隶属函数的计算式。V1和V2权重矩阵A=(0.15,0.15,0.15,0.1,0.1,0.1,0.1,0.15)。级的临界值为k1,V2和V3的临界值为k3,V2等级区间中点根据综合评价各指标的隶属度函数,求得各指标因素在值为k2。k2=(k1+k3)ö2。不同年份关于V1、V2、V3的隶属度矩阵,然后结合上述权重对于评价因素u3、u4、u5、u6、u7各评语级相对隶属度函矩阵,可以计算出河津市水资源承载力的评判结果矩阵B。数的计算公式为:(下转第129页)©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved. 第3期侍　倩等:植被对坡面防护作用的机理分析及定量估算·129·参考文献:[1]　赵晓光,吴发启.坡面水蚀过程的力能体系及研究思路[J].水土保持研究,2000,7(1):23-25[2]　周健,吴世明,徐建平.环境与岩土工程[M].北京:中国建筑工业出版社,2001.[3]　陈业裕,黄昌发.应用地貌学[M].上海:华东师范大学出版社,1994.[4]　谭继清,刘建秀,谭志坚.草坪地被景观设计与应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.[5]　崔晓明,方怀龙.城市绿地土壤及其管理[M].北京:中国林业出版社,2001.(上接第16页)　　按同样的方法可以计算出河津市各年份水资源承载能bj都是各个评价因素共同影响的结果。根据B中各bj的值力多因素综合评价结果B的数值见表2,矩阵B中所有元素与对应的Aj值即可推求出水资源承载能力的综合评分值。表2　河津市水资源承载能力的综合评价结果方案É方案Ê年份V1V2V3评分值V1V2V3评分值2001年0.1970.6620.1410.5250.1970.6620.1410.5252005年0.1210.7230.1560.4840.3860.5560.0580.6482010年0.0670.7650.1680.4550.3760.5420.0820.6322030年0.0270.6740.2990.3780.3680.4400.1920.5792050年0.0270.6090.3640.3480.3790.3570.2650.552　　表2的评判结果表明:现状年(2001年)的水资源开发资源因素将严重制约着河津市的发展。利用已经达到相当规模。水资源承载能力综合评价结果bj方案2:由于2005年前禹门口提水工程的投入使用,河对V2的隶属度很大,在现有经济技术条件下,水资源承载潜津市供水量的迅速增加,水资源承载能力得到了很大的提力已相对较小,水资源供需矛盾突出。由于受地下水的大量高,对V1的隶属度由现状年的0.197提高到0.386,相应的超采,水环境破坏,本地水资源进一步开发利用潜力很小。从综合评分值也从0.525提高到0.648;2005年以后,虽然引社会、经济的进一步发展和保护生态环境出发,提高水资源用黄河水量在不断增加,但由于社会的迅速发展,需水总量承载能力的根本措施是加强全面节水战略的实施,合理利用也快速增加,水资源利用率进一步加大,河津市水资源承载本地水资源并实行引、提黄河水工程。力综合评分值一直呈下降趋势。但水资源承载力对于V1的方案1:由于人口、社会的发展,需水总量的逐年增加,隶属度在2030年后开始增加,虽然对V3的隶属度也在增在没有引用黄河水资源的情况,河津市本地的水资源量已经加,但水资源承载力的综合评分值减少的速度趋于缓和,很难承受社会发展对水资源的需求,水资源承载能力逐年下2050年的水资源承载力仍将高于现状年的承载力。2050年降,bj对V1的隶属度由现状年(2001年)的0.197下降到以后随着农业、工业需水零增长期的到来,需水总量将趋于2050年的0.027,而对V3的隶属则由0.141上升到0.364,稳定甚至减少,河津市水资源承载力有望得到提高。承载力综合评分值也从0.525下降到2050年0.348。届时水参考文献:[1]　夏军,朱一中.水资源安全的度量:水资源承载力的研究与挑战[J].自然资源学报,2002,17(3):262-269.[2]　王煜,杨立彬,张海新,等.西北地区水资源可利用量及承载能力分析[J].人民黄河,2002,24(6):10-12.[3]周爱国,徐恒力,甘义群,等.西北地区水资源-生态可持续发展的若干问题探讨[J].长江流域资源与环境,2001,10(5):419-425.[4]钱正英,张光斗.中国可持续发展水资源战略研究综合报告及各专题报告[M].北京:中国水利水电出版社,2001.27-59.[5]　山西省农业区划委员会.山西省农业自然资源丛书-运城地区卷[M].北京:中国地图出版社,1991.158-192.[6]　卞建民,杨建强.水资源可持续利用评价地指标体系研究[J].水土保持通报,2000,20(4):43-45.[7]徐良芳,冯国章,刘俊民.区域水资源可持续利用及其评价指标体系研究[J].西北农林科技大学学报(自然科学版),2002,30(2):119-122.[8]　水利电力部水文局.中国水资源评价[M].北京:水利电力出版社,1987.78-103.[9]　朱玉仙,黄义星,王丽杰.水资源可持续开发利用综合评价方法[M].吉林大学学报(地球科学版),2002,32(1):55-57.[10]　许有鹏.干旱区水资源承载能力综合评价研究-以新疆和田河流域为例[J].自然资源学报,1993,8(3):229-237.[11]　余卫东,闵庆文,张建新.河津市水资源供需平衡的趋势预测及其对策研究[J],干旱区资源与环境,2004,18(2):55-60.©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.'