基于熵權(quán)賦值法的城市河流脆弱性評(píng)價(jià)基于模糊綜合評(píng)價(jià)法的城市河流脆弱性研究

作為城市的重要因素，這條河流不僅為城市提供了生活的水源和工農(nóng)業(yè)的水，而且還承擔(dān)著生態(tài)、景觀和文化的重要任務(wù)。然而，近年來(lái)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化的快速發(fā)展，人們的生活水平得到了顯著下降，人類(lèi)對(duì)生態(tài)環(huán)境和自然資源造成了巨大的破壞，尤其是城市河流的干預(yù)。這條城市河流面對(duì)人類(lèi)的巨大壓力。因此,對(duì)城市河流的脆弱性研究成為一個(gè)重要課題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)脆弱性的研究大多集中在環(huán)境、生態(tài)和災(zāi)害學(xué)等領(lǐng)域,在水資源脆弱性的研究方面,對(duì)地下水脆弱性進(jìn)行了大量的研究,相比之下對(duì)地表水脆弱性的研究鮮少,而在城市河流脆弱性方面的研究就更加少。劉綠柳提出脆弱性是水資源系統(tǒng)易于遭受人類(lèi)活動(dòng)、自然災(zāi)害威脅和損害的性質(zhì)和其狀態(tài)受損后難于恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)和功能的性質(zhì)。本文認(rèn)為城市河流脆弱性是指城市河流系統(tǒng)在服務(wù)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境過(guò)程中對(duì)人類(lèi)活動(dòng)、自然災(zāi)害影響和破壞的敏感性以及缺乏應(yīng)對(duì)能力從而使城市河流的結(jié)構(gòu)和功能容易發(fā)生改變并難于恢復(fù)的一種屬性。目前,在地表水資源脆弱性評(píng)價(jià)上尚無(wú)一個(gè)統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和方法,本文基于對(duì)城市河流的自身特性以及社會(huì)環(huán)境建立了城市河流脆弱性評(píng)價(jià)體系,旨在對(duì)城市河流的開(kāi)發(fā)和管理提供參考和建議。1學(xué)習(xí)方法1.1城市脆弱性指標(biāo)基于前人對(duì)水資源脆弱性的研究以及對(duì)水資源脆弱性?xún)?nèi)涵的理解,考慮到城市河流的水資源特征,本文建立了城市河流脆弱性指標(biāo)體系,主要分為河流自身脆弱性和城市脆弱性?xún)纱笙到y(tǒng)(如圖1所示)。在指標(biāo)的選取中遵循科學(xué)全面地、可操作性和可比性等原則,定量和定性地選擇指標(biāo)。河流脆弱性是反映河流水資源量、水土保持能力和水生態(tài)環(huán)境的性質(zhì),其指標(biāo)主要包括年降水量、產(chǎn)水模數(shù)、降水量的變化率、水利工程調(diào)蓄能力、水資源開(kāi)發(fā)利用率和河岸帶植被覆蓋率。城市脆弱性是反映城市人口、居民生活生產(chǎn)狀態(tài)、對(duì)水資源的需求及對(duì)水環(huán)境的影響的性質(zhì),其指標(biāo)包括人口密度、人均GDP、水資源供需比、居民生活用水定額、城鎮(zhèn)年節(jié)水率、污水排放量和綜合水質(zhì)。其中,年降水量、產(chǎn)水模數(shù)和降水量的變化率能夠反映水資源量的變化。水利工程調(diào)蓄能力和水資源開(kāi)發(fā)利用率反映了人類(lèi)對(duì)水資源的利用程度;河岸帶植被覆蓋率反映了人類(lèi)對(duì)河流的保護(hù)程度。人均GDP和人口密度反映了城市的人口特點(diǎn)。水資源供需比和居民生活用水定額反映了人類(lèi)生活生產(chǎn)對(duì)水資源的需求。城鎮(zhèn)年節(jié)水率是城鎮(zhèn)居民生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水量與總用水量之比,反映了城鎮(zhèn)居民的總節(jié)水能力。污水排放量和綜合水質(zhì)反映了人類(lèi)生產(chǎn)生活用水對(duì)河流造成的健康危害程度。1.2因素法的確定1.2.1建立評(píng)價(jià)因素論域U={u1,u2,…,um},即m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。1.2.2建立評(píng)語(yǔ)等級(jí)論域V={v1,v2,…,vn},即n個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象。1.2.3在U與V之間進(jìn)行單因素評(píng)價(jià),建立模糊關(guān)系矩陣R,逐個(gè)對(duì)被評(píng)事物從每個(gè)因素uj(j=1,2,…,m)進(jìn)行歸一化處理,進(jìn)而得到模糊關(guān)系矩陣:式中:rjk——因素論域U中第j個(gè)因素uj對(duì)應(yīng)于評(píng)語(yǔ)論域V中第k個(gè)等級(jí)vk的隸屬度,其中0≤rjk≤1,(j=1,2,…,m;k=1,2,…,n)。隸屬度rjk的表達(dá)公式為:1.2.4確定評(píng)價(jià)因素的權(quán)重權(quán)重表示各個(gè)指標(biāo)的重要程度。本文采用具有客觀性的熵權(quán)法進(jìn)行賦值。對(duì)于m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),n個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的問(wèn)題,其第j個(gè)指標(biāo)的熵定義為:第j個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)定義為:當(dāng)評(píng)價(jià)對(duì)象在某項(xiàng)指標(biāo)上的值相差較大時(shí),熵值較小,說(shuō)明該指標(biāo)提供的有效信息量較大,該指標(biāo)的權(quán)重也應(yīng)較大;反之,若某項(xiàng)指標(biāo)的值相差較小,熵值較大,則說(shuō)明該指標(biāo)提供的信息量較小,該指標(biāo)的權(quán)重也應(yīng)較小。式中:ω={ω1,ω2,…,ωm}。2分析與討論2.1研磨、封建區(qū)流域浐灞河流域位于西安市東南部,南依秦嶺山地,北連渭河平原。該流域東與渭南市的臨渭區(qū)、商洛市的洛南縣、商州區(qū)毗鄰,西與長(zhǎng)安、雁塔、未央接壤,北與高陵、臨潼相望,南與商洛市柞水縣相連。浐灞河流域絕大部分屬西安市藍(lán)田縣、長(zhǎng)安區(qū)和灞橋區(qū)管轄,僅有流域源頭78.5km2歸商州市管轄。根據(jù)全國(guó)水資源綜合規(guī)劃統(tǒng)一分區(qū)原則,可以將浐灞河流域共劃分為4個(gè)水資源綜合利用5級(jí)分區(qū)。這4個(gè)分區(qū)分別為灞河峪口以上區(qū),浐河、常家灣以上區(qū),灞河峪口至馬渡王區(qū)和灞河馬渡王、常家灣以下區(qū)。2.2河流脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)根據(jù)水資源系統(tǒng)脆弱性定義和指標(biāo)選取原則,結(jié)合2010年浐灞河流域的實(shí)際情況選取了具有代表性的年降水量(X1)、水利工程調(diào)蓄能力(X2)、水資源開(kāi)發(fā)利用率(X3)、水資源供需比(X4)、人均GDP(X5)、人口密度(X6)、居民生活用水定額(X7)、城鎮(zhèn)年節(jié)水率(X8)、污水排放量(X9)9項(xiàng)指標(biāo),進(jìn)行城市河流脆弱性評(píng)價(jià)。得到的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1,其中X1,X2和X3表示浐灞河的河流脆弱性,其他幾個(gè)則表示浐灞河城市脆弱性。2.3待遇的標(biāo)準(zhǔn)化以年降水量均值指標(biāo)X1為例,X1為越大越優(yōu)型,按照式(2)將X1進(jìn)行歸一化處理,則:2.4城市河流脆弱性指標(biāo)權(quán)重分析根據(jù)式(4)和(5)可求得熵Hi和熵權(quán)ωi如表2所示。可發(fā)現(xiàn)水資源開(kāi)發(fā)利用率、水資源供需比、人均GDP和居民生活用水定額這4個(gè)指標(biāo)的權(quán)重要大于其他指標(biāo)權(quán)重,說(shuō)明它們?cè)谠摮鞘泻恿鞔嗳跣灾笜?biāo)體系中占有重要作用。2.5城市河流脆弱性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)模糊評(píng)價(jià)計(jì)算式(6)可知模糊評(píng)價(jià)結(jié)果為:評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的確定在脆弱性研究中起著非常重要的作用,標(biāo)準(zhǔn)設(shè)立的是否科學(xué)合理,直接關(guān)系到評(píng)價(jià)結(jié)果的正確與否。目前,城市河流脆弱性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)尚處于探索階段,有關(guān)評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)還沒(méi)有統(tǒng)一的方法。本文在參考了國(guó)內(nèi)外研究的標(biāo)準(zhǔn)后,根據(jù)上述模糊計(jì)算結(jié)果提出城市河流脆弱性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),把脆弱性程度分為5級(jí),評(píng)價(jià)集為V={Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ},評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。其中年降水量均值、水利工程調(diào)蓄能力、水資源供需比、人均GDP、居民生活用水定額和城鎮(zhèn)年節(jié)水率均為越大越優(yōu)型,數(shù)值越大,越不脆弱。而水資源開(kāi)發(fā)利用率、人口密度和污水排放量為越小越優(yōu)型,數(shù)值越小,越不脆弱。根據(jù)上述分析計(jì)算求得的4個(gè)地區(qū)的模糊綜合評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果,分別對(duì)各地區(qū)進(jìn)行脆弱性分級(jí)。依據(jù)表3的河流脆弱性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),將灞河峪口至馬渡王地區(qū)河流脆弱性等級(jí)判斷為Ⅰ級(jí),屬于不脆弱地區(qū);灞河峪口以上地區(qū)的河流脆弱性等級(jí)判斷為Ⅱ級(jí),屬于較不脆弱等級(jí);浐河、常家灣以上為Ⅲ級(jí),屬于中等不脆弱等級(jí);馬渡王、常家灣以下地區(qū)為Ⅳ級(jí),屬于較脆弱(表4)。2.6發(fā)展節(jié)水管理,解決現(xiàn)有水資源短缺現(xiàn)狀和制約西安市浐灞河流域整體脆弱性程度一般,馬渡王、常家灣以下地區(qū)為最脆弱地區(qū),該地區(qū)地處西安市東郊,是浐灞河流域的重點(diǎn)用水區(qū),地下水長(zhǎng)期超采,工業(yè)用水量大,這從一定程度上說(shuō)明該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源的不協(xié)調(diào)。應(yīng)嚴(yán)格控制馬渡王、常家灣以下區(qū)的水資源開(kāi)發(fā)利用,采取強(qiáng)有力的措施加大節(jié)水力度,做好城鎮(zhèn)生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等各方面的節(jié)水工作,以改善現(xiàn)有的水資源短缺現(xiàn)狀。其他3個(gè)區(qū)雖然脆弱度比較低,但是隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人類(lèi)需求的增長(zhǎng),仍然會(huì)存在著潛在的脆弱性。3模糊數(shù)學(xué)法測(cè)定結(jié)果本文建立的城市河流脆弱性評(píng)價(jià)體系在水資源脆弱性的研究方面有所發(fā)展。在指標(biāo)的選取過(guò)程中統(tǒng)籌考慮多重因素,根據(jù)各研究區(qū)域的自然地理特征、氣候環(huán)境及社會(huì)經(jīng)濟(jì)等因素,選取符合該研究區(qū)的定性和定量指標(biāo)。在模型的計(jì)算中采用熵權(quán)法,方法簡(jiǎn)潔,過(guò)程清晰,結(jié)果比較客觀,改善了城市河流脆弱性評(píng)價(jià)的方法,為城市長(zhǎng)期的健康發(fā)展、水資源的科學(xué)合理開(kāi)發(fā)和