1、第30卷水文收稿日期:2009-09-16作者簡介:何俊仕(1957-,男,遼寧沈陽人,教授,主要從事水資源開發利用方面的研究工作。摘要:將模糊集對分析方法引入水資源承載能力評價,在水資源承載能力評價指標體系的基礎上,建立水資源承載能力模糊集對分析評價模型,并利用集對勢大小判斷承載等級,評價模型步驟清晰,意義清楚,操作簡便,結果可靠。將其在太子河流域進行實踐應用,對太子河現狀年和未來兩個水平年進行評價,評價結果基本合理,并對評價結果進行分析,給出了增強其水資源承載能力的措施。關鍵詞:水資源承載能力;評價;模糊集對分析法;太子河流域中圖分類號:TV213.2文獻標識碼:A文章編號:1000-08

2、52(201004-0066-04水文JOURNAL OF CHINA HYDROLOGY第30卷第4期2010年8月Vol.30No.4Aug .,2010隨著當今世界出現的人口壓力、資源短缺和環境惡化,資源、環境、人口和發展之間的矛盾日益尖銳。如何在有限的空間內承受越來越大的壓力,如何協調資源、環境、人口和發展之間的關系,如何處理好開發與保護、人口與資源以及可持續發展之間的關系,已成為科學界研究的熱點。太子河流域處于遼寧省中部地區,是遼寧省的工農業生產基地,用水量占全省用水量的70%,由于經濟發展和人口密度大的雙重壓力,已形成省內最嚴重的缺水地區。對太子河流域水資源承載能力的研究可為太子河

3、流域合理開發利用水資源,優化配置產業結構提供依據,從而實現太子河流域水資源、人口、社會經濟和生態環境的協調可持續發展。1模糊集對分析評價模型模糊集對分析1是在集對分析基礎上,將確定性信息和不確定性信息看作為一對模糊集。以對立刻畫為特征,對確定性與不確定性、同一性與對立性的對立雙方,再次進行獨立刻畫以此獲取更多的信息。討論論域Z 上刻畫確定性和不確定性信息的模糊子A ,A軒,在論域A 中可用一對模糊子集B ,B 軒來分別刻畫同一性信息和對立性信息。若堝u ,式=a+bi+cj 中的a ,b ,c 可表示為:a =B (u ,b=A 軒(u ,c =B 軒(u (1式中:B (u ,A 軒(u ,

4、B 軒(u 分別代表信息關于B ,A 軒,B 軒的隸屬度,稱為同一隸屬度、差異隸屬度和對立隸屬度,其同樣滿足歸一化條件。由此可得模糊聯系度的表達式:軌=B (u +A 軒(u i +B軒(u j ,u Z (2同集對分析的聯系度不同,模糊聯系度是集對分析的聯系度概念在分類刻畫模糊性的具體化,是論域上的隸屬關系的微觀刻畫。它從認知角度對一完整模糊性信息給出二次對立分配描述,從而形成不同認識層次上的模糊集對。設所需評價的單級多屬性決策問題方案集為S i (i =1,2,m ,評價指標E t (t =1,2,n ,W t 為E t 的權重系數,且滿足W t =1。令d it 為方案S i 關于指標E

5、 t 的屬性值,由d it 構成決策矩陣D =d 11d 1nd m 1d m n軌軌軌軌軌軌軌軌軌軌軌軌軌軌軌軌軌軌=(d it m n (3考慮評價指標分為收益型指標(即越大越好和成本型指標(即越小越好,為了統一量綱,將其規范化處理,得到規范化決策矩陣D ,對其每個元素d it 取值為d it =max (d it -d itmax (d it -min (d it ,d it 為成本型指標d it -min (d it it it ,d it 為效益型指軌軌軌軌軌軌軌軌軌軌軌標(i =1,2,m ;t =1,2,n 。(4為在同一范圍內進行分析比較,需預先確定最優方案X =x 1,x 2

6、,x m 和最劣方案Y =y 1,y 2,y n 。對x i X 有x i =max (d i 1,d i 2,d in ,i =1,2,m (5對y i Y 有y i =min (d i 1,d i 2,d in ,i =1,2,m(6接近程度上的比較是在確定的空間X ,Y 上進行的,且為對立刻畫,滿足刻畫的對稱性,即由集對S i ,X 和S i ,Y 進行的分析,結果是相同的,而且二者的同一度和對立度也互為對立和對稱。對比較空間x i ,y i (i =1,2,m 中,定義論域S i =d it ,x i ,y i 上集對d it ,x i ,在比較空間中的同一隸屬度a it 、對立隸屬度

7、c it 和差異隸屬度b it 分別為a it =d it /x i 1+y i /x i =d it x i +y i ;c it =y i /d it 1+y i /x i =x i y i(x i +y i d it(7則b it =1-a it -c it =(x i -d it (d it -y i i i it(8太子河流域水資源承載能力研究何俊仕,曹雪,劉洋(沈陽農業大學水資源研究所,遼寧沈陽110161第4期將比較空間x i ,y i 擴展為X ,Y 時,結合指標權重得到比較空間X ,Y 中的同一隸屬度a i 、差異隸屬度b i 和對立隸屬度c i 分別為a i =ni =1W

8、 t a it ;b i =ni =1W t b it ;c i =ni =1W t c it ;(9則方案S i (i =1,2,m 的模糊聯系度為:軌i =a i +b i i+c i j (10其集對勢shi (H i 為:shi (H i =a ic i(11根據集對勢的大小即可確定水資源承載能力水平,見表1。2太子河流域水資源承載能力評價2.1研究區概況太子河流域位于東經1222612453,北緯40294139之間。太子河是大遼河左側的一大支流,發源于遼寧省新賓縣紅石砬子,河長413km ,流域面積13883km 2。太子河流經撫順、本溪、遼陽、沈陽、鞍山、丹東六個市,于三岔河與渾

9、河匯流成大遼河,于營口市注入渤海,見圖1。每逢雨季,常因內澇成災,流域地勢東高西低,東部為低山丘陵地區,西部為遼河沖積平原,地勢平坦低洼。流域內山地占69%,丘陵占6.1%,平原占24.9%。主要支流有細河、蘭河、湯河、北沙河、南沙河、運糧河和海城河2。太子河屬溫帶季風氣候,溫度變化較大,四季寒暖、干濕分明,多年平均氣溫在59之間,多年平均相對濕度在70%左右。多年平均蒸發量11001600mm ,由東南向西北遞增。上游山地,離黃海較近,故降水量較大,多年平均年降水量為900mm 左右。太子河流域包括鞍山、遼陽、本溪等三市的大部分地區及沈陽、撫順、丹東等三市的部分地區。2.2建立評價指標體系結

10、合太子河流域的實際情況,分別從水資源、社會、經濟以及生態環境四個系統選取如下13個指標,進行太子河流域水資源承載能力評價,并參照全國水資源供需分析的指標體系分級標準和已有水資源承載能力評價研究、可持續發展評價研究的成果,確定各指標的等級標準值,見表2。采用以互補性為準則的二元比較法3確定指標權重,各指標及子系統的權重如表3所示。 2.3現狀年及規劃水平年水資源承載能力評價以2005年為現狀年,2020年及2030年為規劃水平年,按照流域內的行政區劃分計算單元,由于丹東市在太子河流域內部分為鳳城市的57km 2,占太子河流域面積13883km 2的表1集對勢與水資源承載等級對照表Table 1S

11、et pair potential and water resources carryinglevel comparative table集對勢水資源承載等級0-11-22級級級圖1太子河流域示意圖Fig1.The Taizi river basin指標項含義級級級x 1x 2x 3x 4x 5x 6x 7x 8x 9x 10x 11x 12x 13人均水資源可利用量(100m 3/人水資源開發利用程度(%單位面積水資源量(104m 3/km 2地下水與供水總量的比(%人均GDP (100元/人人均糧食占有量(kg/人城鎮化率(%生活用水定額(L/(p.d 人口密度(人/km 2灌溉率(%萬元

12、GDP 用水量(m 3/104元農業綜合灌溉定額(m 3/畝生態用水率(%3000501200059060%13020020%505%170030005075205020%60%80001200030059020%60%7013020035020%60%502005008001%5%7560%800030020%35060%2008001%表2水資源承載能力等級評價標準Table 2Evaluation standard of water resources carrying capacity 表3各指標、各子系統權重Table 3Every index and subsystem weigh

13、t 子系統權重子系統指標權重指標0.491水資源0.4280.1710.2300.171人均水資源可利用量水資源開發利用程度產水模數地下水占總供水比率0.123社會0.1930.2900.1240.2370.156人均GDP 人均糧食占有量城鎮化率生活用水定額人口密度0.122經濟0.1590.5470.294灌溉率萬元GDP 用水量農業農合灌溉定額0.246生態環境1生態用水率何俊仕等:太子河流域水資源承載能力研究67第30卷水文0.41%,因此不將這部分納入計算,則太子河流域共劃分為5個計算單元。2.3.1現狀年評價按照上述介紹的方法,計算太子河流域各計算單元的模糊聯系度和集對勢,見表4。

14、撫順、本溪、遼陽、沈陽、鞍山五個計算單元的權重值為:w=(0.071,0.286,0.286,0.071,0.286計算得太子河流域水資源承載能力聯系度為:=0.441+0.325i+0.234j根據公式(11,集對勢為:shi(H=ac =0.4410.325=1.355用集對勢理論4分析結果為弱同勢,即現狀年太子河流域水資源承載能力處于級狀態,有一定的承載潛力,但是很有限。2.3.2規劃水平年評價2020年和2030年兩個水平年的水資源承載能力評價將為3個方案的評價,即方案一,按照目前發展趨勢進行預測的社會經濟發展模式;方案二,有節水措施的社會經濟發展模式;方案三,在增加水資源可利用量的前

15、提下的節水發展模式。方案一:基礎方案,是按照目前社會、經濟發展速度,根據相關規劃,預測的未來水平年的太子河流域社會經濟發展規模。方案二:在方案一的基礎上,有計劃、有目的地加大節水力度,在生活、生產兩方面進行全面節水建設。生活節水用生活用水定額來控制,生產節水由萬元GDP用水量和耗水率兩個因素控制。方案三:在方案二的基礎上,增加太子河流域水資源可利用量,即在技術可行的前提下增加洪水利用量,盡最大能力的開發利用洪水,使之變害為利。(1未來水平年2020年、2030年社會經濟發展預測采用簡單定額估算法對未來水平年2020年及2030年社會經濟發展進行預測。結果詳見表5、表6。將上述數據換算成評價指標

16、帶入模糊集對分析評價模型計算,結果列于表7。表4太子河流域五個計算單元的模糊聯系度和集對勢計算結果Table4Fuzzy degree of connection and set pair potential of thefive calculation units for the Taizi river計算單元a c b=a+bi+cj shi(H=ac撫順本溪遼陽沈陽鞍山0.5840.4440.4230.4420.4190.2920.3510.3390.2680.3070.1230.2050.2380.2900.2741=0.584+0.292i+0.123j2=0.444+0.351i+

17、0.205j3=0.423+0.339i+0.238j4=0.442+0.268i+0.290j5=0.4194+0.307i+0.274j1.9981.2641.2461.6531.364表62030年太子河流域社會經濟發展預測Table6Predictive value of socio-economic circumstance of the Taizi river in2030表52020年太子河流域社會經濟發展預測Table5Predictive value of socio-economic circumstance of the Taizi river in2020表7三個方案2

18、020年、2030年太子河流域水資源承載能力評價結果Table7The evaluation results of three schemes in2020and2030計算單元面積/km2人口/104人糧食產量/104kg GDP/104元耕地面積/104畝灌溉面積/104畝撫順本溪遼陽沈陽鞍山13964327451873225838.67129.77165.0421.58258.349173.77915415.07373415.85712877.81144247.198254181.80139202785.5989994994.1211963942.81030047835.95034.50

19、53.44205.3247.10145.496.0019.4098.127.5058.59計算單元面積/km2人口/104人糧食產量/104kg GDP/104元耕地面積/104畝灌溉面積/104畝撫順本溪遼陽沈陽鞍山13964327451873225838.67129.77165.0421.58258.349438.90916567.82681327.19213335.65247611.595446380.21217058818.45018376073.3403392112.40554692086.02033.4851.86204.8246.98145.146.0020.40102.627.

20、5060.59注:數據來源于內部資料水平年方案一(基礎方案方案二(節水方案方案三(増水方案模糊聯系度集對勢shi模糊聯系度集對勢shi模糊聯系度集對勢shi2020年2030年0.456+0.208i+0.336j0.453+0.214i+0.333j1.3561.3640.458+0.206i+0.336j0.455+0.213i+0.332j1.3631.3700.459+0.205i+0.336j0.457+0.210i+0.333j1.3671.37268第4期2.4太子河流域水資源承載能力分析從評價結果可以看出,現狀年太子河流域水資源承載能力為級,說明現狀年太子河流域水資源對經濟社會

21、發展具有一定的支撐能力。遼陽計算單元為各計算單元中承載水平最低的,已接近級狀況。該地區水資源極度緊缺,該地區地下水占供水總量比率較大為45.95%,農業綜合灌溉定額也較大,農業灌溉耗水率也較大,水資源浪費程度較高;流域內有全國最大的制藥機械廠和全國造紙機械、工業紙板生產基地,這些企業對水資源的需求大,且耗水率大;該地區城鎮化率較高,人口密度大,居民生活用水量也較大。本溪、鞍山兩個計算單元承載水平為級。這兩個計算單元主要為市區,人口密度大,人均生活用水定額高,對水資源需求大,本溪、鞍山為重工業基地,各企業對水資源需求也很大。沈陽計算單元承載水平也為級,但較本溪和鞍山稍好一些。該地區灌溉率較低,農

22、業綜合灌溉定額較高,地區水資源量并不豐富,且開發利用程度已經相當高,因此該地區現狀年承載狀況雖然較好,但未來的承載潛力較弱。撫順計算單元為流域內承載水平最高的單元,集對勢為1.998,接近級承載水平。該地區水源涵養條件較好,水資源量相對豐富,且該地區大部分為農村,城鎮化率比較低,在未來發展中該地區將承載較大的人口與經濟規模。2020年和2030年的3個發展方案均處于水資源可承載范圍內,雖然較現狀年有所改善,但承載水平仍然較低,兩個水平年的方案二(節水方案與方案三(增加水資源可利用量方案的太子河流域水資源承載狀況比方案一的承載狀況有所好轉,但效果不明顯。3結語通過以上評價計算與分析,作者認為,要

23、提高太子河流域水資源承載能力應采取以下措施。(1實現跨流域調水。目前正在建設的大伙房水庫調水工程,將向太子河流域的沈陽、遼陽、鞍山等3座嚴重缺水的城市供水。由于大伙房水庫的巨大調節作用,可以為太子河流域提供穩定的水源以增加可利用水資源量,提高太子河流域的水資源承載能力。(2促進雨水、污水資源化。可借鑒其他地區雨水收集利用的成功經驗,大力開展雨水利用,將收集的雨水用于工業、農業和補充地下水的水源,來緩解地區用水緊張的矛盾。污水凈化再利用,既能緩解流域用水的供求矛盾,又可防止污染,保護生態環境,具有明顯的社會、經濟與生態環境效益。(3實施水資源合理配置。從“需求管理”的原則出發,在合理需要和現實可

24、行的工程供水能力情況下,進行水資源的合理配置。“遼寧水資源優化配置調度系統”在太子河流域的應用,可以通過“調度系統”的聯合調度、科學調配,實現流域水資源優化配置,通過地表水與地下水、水庫魚區間徑流等幾種聯合調度形式,充分利用現有水資源,發揮最大的經濟效益和環境效益。(4強化遼陽、本溪和鞍山三大城市的節水措施。各行業、各領域、各部門、全社會都要采取節水措施,最大限度地提高水資源的利用效率,逐步建設節水型社會。目前,太子河流域水資源的利用效率較低,工業用水定額偏高,農業灌溉水利用系數不到0.45,水資源浪費較嚴重,節水潛力很大。節水的主要措施包括積極推進工、農業節水,推廣城市生活節水技術,推廣節水

25、器具、實施分質供水等。(5加大太子河全流域治污力度。加強城市污水和工業廢水的控制和整治,防止對水體的污染和生態環境的破壞。調整和優化產業結構,大力發展技術含量高、無污染的工業企業,推行清潔生產。對污染企業要加快生產設施和工藝流域的更新改造,減少和控制“三廢”的排放量。參考文獻:1張斌.多目標系統決策的模糊集對分析方法J.系統工程理論與實踐,1997,17(12:108-114.(ZHANG Bin.Fuzzy set of the analysis method of multi-objective system of decision-makingJ.Systems En-gineering

26、 Theory and Practice,1997,17(12:108-114.(in Chinese 2遼寧省水利廳.遼寧省水資源R.2006.(Water Resources Departmentof Liaoning Province.Water resources in Liaoning ProvinceR.2006.(in Chinese3陳守煜.復雜水資源系統優化模糊識別理論與應用M.長春:吉林大學出版社,2002.(CHEN Shou-yu.Complex Water Resources System Optimization Theory and Application of

27、Fuzzy RecognitionM.Changchun:Jilin University Press,2002.(in Chinese4趙克勤.集對分析及其初步應用J.大自然探索,1994,13(1:67-71.(ZHAO Ke-qin.Set pair analysis and its preliminary applicationJ.Nature Exploration,1994,13(1:67-71.(in ChineseStudy on Water Resources Carrying Capacity in Taizi River BasinHE Jun-shi,CAO Xue,LIU Yang(Water Resource Institute of Shenyang Agricultural U