劉韻琴+劉云國+郭一明+胡新將

摘要：利用多層次評價法甄選與湘江長株潭段密切相關(guān)且關(guān)聯(lián)系數(shù)超過0.51的指標(biāo)，賦予相應(yīng)的權(quán)重值.通過建立灰色束函數(shù)和灰色矩陣計算重金屬污染下湘江長株潭段水資源開發(fā)潛力大小.結(jié)果表明，多層級灰色理論可用于對水資源開發(fā)潛力的評價過程中.湘江長株潭段水資源開發(fā)潛力系數(shù)為2.983，屬于次高層級范圍＼[2.500， 3.250＼]之內(nèi)，說明湘江長株潭段水資源開發(fā)潛力在一定時間范圍內(nèi)都比較高.

關(guān)鍵詞：多層級灰色理論；重金屬；水資源污染；開發(fā)潛力；資源評價

中圖分類號：X522 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

水資源潛力，也叫水資源承載力或水環(huán)境容量.是指一定時期內(nèi)，在不引起環(huán)境退化前提下區(qū)域可供開發(fā)利用的水資源的數(shù)量. 主要包括新開發(fā)可供利用的水源數(shù)量和因水資源開發(fā)利用技術(shù)提高而節(jié)余儲備的水資源數(shù)量.水資源開發(fā)潛力與社會生產(chǎn)生活、區(qū)域環(huán)境以及經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r密切相關(guān).湘江長株潭段是湖南經(jīng)濟發(fā)展的核心地域，區(qū)域GDP總量占全省的80%.據(jù)統(tǒng)計，在湘江長株潭段50多公里的沿河谷地，分布著大大小小約700多家制造、加工、冶金、電子、制革和化工等類型的企業(yè)，每年約有29 308噸含有大量重金屬元素和化合物的工業(yè)廢水直接排入湘江，給湘江帶來了嚴(yán)重的重金屬污染，嚴(yán)重影響了長株潭沿河居民的生產(chǎn)生活，長株潭區(qū)域經(jīng)濟社會的發(fā)展和城市群產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整. 因此，開展重金屬污染背景下湘江長株潭段水資源開發(fā)潛力的評價意義重大.

水資源評價是在20世紀(jì)80～90年代開展起來的，現(xiàn)在國際上對水資源承載力評價理念和體系比較先進(jìn).Daily和Ehrlich＼[1＼]認(rèn)為水資源承載力或者開發(fā)潛力的研究應(yīng)該歸屬于水源的可持續(xù)性利用研究范疇.Sagoff. M＼[2＼] 堅持水資源承載力與地方經(jīng)濟發(fā)展、水資源可持續(xù)開發(fā)的安全戰(zhàn)略密切相關(guān).在研究方法的探索上，Priskin＼[3＼]采用了矩陣分析法研究自然資源的開發(fā)潛力.中國學(xué)者更多的是關(guān)注水資源開發(fā)潛力的研究.師俊萍等＼[4＼]運用灰色關(guān)聯(lián)分析法評價了水資源環(huán)境.曾光明等＼[5＼]用灰色類聚模型開展了水環(huán)境質(zhì)量和水資源利用領(lǐng)域的研究.以上學(xué)者及其成就都是從不同角度對水資源開展了某個方面的研究，其先進(jìn)性和局限性并存.

多層級灰色評價法＼[5-7＼]是灰色理論和多層次評價法（AHP）的結(jié)合，常用來研究例證不典型、信息量不足的研究目標(biāo)，通過一定的程序最終形成決策.用多層級灰色理論對重金屬污染背景下的湘江長株潭段水資源開發(fā)潛力進(jìn)行評價，有助于對水資源的利用和保護做出正確的決策.采用灰色數(shù)學(xué)矩陣來推斷重金屬污染下湘江長株潭段水資源開發(fā)潛力大小，不僅可以為管理層提供可靠的實踐參數(shù)，同時可以為具有巨大不確定因素和不完整信息的水資源科學(xué)合理的應(yīng)用提供研究方法.

1研究方法

1.1指標(biāo)體系的建立

1.1.1指標(biāo)體系優(yōu)化原則

指標(biāo)本身就是客觀事實的現(xiàn)象和本質(zhì)的反應(yīng)，是描述矛盾系統(tǒng)的框架體系，也是研究目標(biāo)的集合.開展指標(biāo)選擇工作必須遵循5個優(yōu)化原則，即：統(tǒng)計原則、科學(xué)原則、綜合原則、等級原則和比較原則.

1.1.2指標(biāo)體系的構(gòu)建

根據(jù)上述五個優(yōu)化原則，在建立重金屬污染的湘江長株潭段水資源評價指標(biāo)體系時，水資源污染尤其是重金屬污染程度，水資源開發(fā)特質(zhì)，綜合信息以及水資源開發(fā)的現(xiàn)狀都是首要考慮因素.同時，位于湘江中下游的長株潭城市群達(dá)12.8%的高速發(fā)展的地方平均GDP水平，城市擴展速率，人口增長速率，城市水資源供需矛盾及重金屬污染程度短期內(nèi)的持續(xù)性等客觀因素也是必需考慮的因素.指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)系數(shù)則是準(zhǔn)確反應(yīng)水資源變化和發(fā)展的介質(zhì)參數(shù)，在受重金屬污染的湘江長株潭段水資源涉評的指標(biāo)中，現(xiàn)有水資源的可利用率是必然的第一參照指標(biāo)，可以記為X0k （k = 1， 2 ，…， N）， N為 指評價因子數(shù)，其他相關(guān)指標(biāo)記為Xik （i = 1， 2， 3，…，M）， M為可比較指標(biāo)數(shù)量）.通過層次分析法（AHP）的優(yōu)選，指標(biāo)最終分為三級.一級指標(biāo)是研究目標(biāo)W，二級指標(biāo)是Ui，主要包括長株潭城市群水資源的特點，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況，工業(yè)生產(chǎn)狀況和社會生活等指標(biāo)群.三級指標(biāo)為24個，記為Vj，指標(biāo)設(shè)定如表1所示.

其中工業(yè)污水、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污水，部分城市生活污水與城市公用事業(yè)用水等都不同程度地反映重金屬污染的載體.根據(jù)它們在現(xiàn)實生產(chǎn)生活中的重要性和在上一級指標(biāo)中的影響度，分別賦予不同的權(quán)重系數(shù).

1.2多層級灰色系統(tǒng)在湘江長株潭段水資源潛力

開發(fā)研究中的實踐運用

1.2.1灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)的建立

在確定最有效的評價指標(biāo)的基礎(chǔ)上，建立起各級各類研究指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，具體計算公式如式（1）：

由于湘江長株潭段地形地貌、徑流本身狀況和流經(jīng)地自然和經(jīng)濟環(huán)境的復(fù)雜性，使得本研究的原始研究信息過于分散，關(guān)聯(lián)系數(shù)計算結(jié)果不同，指標(biāo)的唯一性也難以計算，指標(biāo)間的比較相對困難.因此，筆者選擇最簡單的加權(quán)平均法將整個關(guān)聯(lián)系數(shù)集中設(shè)定在某個區(qū)域內(nèi)，從而推導(dǎo)出比較簡單實用的指標(biāo)關(guān)聯(lián)度的數(shù)學(xué)計算法：

后得出所設(shè)定的指標(biāo)關(guān)聯(lián)系數(shù)均在0.51之上，符合研究的一致性需要（表2）.

1.2.2分配各級指標(biāo)權(quán)重

由于各級各類指標(biāo) Ui 和 Vj 之間的相互聯(lián)系以及在長株潭水資源開發(fā)潛力的評價中的重要性不同，賦予它們的權(quán)重也不同，即三級指標(biāo)被分配了不同權(quán)重值. 在經(jīng)過多名專家的多輪篩選和評價后，對各指標(biāo)對應(yīng)最大特征值 λmax和對應(yīng)向量做出一致性判斷（按照本方法，如果研究的結(jié)果不符合研究假設(shè)，可以重復(fù)上述研究過程）.

1.2.3建立判斷矩陣

1）設(shè)定評價函數(shù)值域

在確立評價指標(biāo)轉(zhuǎn)化為量化指標(biāo)等級標(biāo)準(zhǔn)的前提下，組織至少5個專家對指標(biāo)進(jìn)行等級劃定.在關(guān)聯(lián)度一定、參照指標(biāo)固定以及現(xiàn)有水資源開發(fā)程度相對穩(wěn)定的情況下，設(shè)定以重金屬污染的湘江長株潭段水資源開發(fā)評價值域為4個判斷范圍，即評價系數(shù)所屬函數(shù)值域是：＼[3.250， 4.000＼] （最高區(qū)）， ＼[2.500， 3.250＼] （次高區(qū)）， ＼[1.250， 2.500＼] （普通區(qū)）， ＼[0.000， 1.250＼] （較低區(qū)）.

2）構(gòu)建矩陣模型

水資源潛力開發(fā)評價指標(biāo)的選擇和決定直接關(guān)系到綜合評價的準(zhǔn)確性＼[8＼].根據(jù)筆者近年來對長株潭地區(qū)水資源現(xiàn)狀的全面考察，重金屬污染背景下湘江長株潭段水資源灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)的分析及其他指標(biāo)的篩選和確定，以及運用等級量化分析法的專家打分，筆者將湘江該段水資源的利用率作為研究參照指標(biāo).設(shè)有許多評價專家，記做k，k=1，2，3，…，P，即有P位評估專家，要求他們按照預(yù)先設(shè)定的等級平定系統(tǒng)Vij對湘江長株潭段水資源開發(fā)潛力進(jìn)行評價，記為d（s）ijk，因而可得水資源開發(fā)評價潛力的矩陣模型D（s）.

3）構(gòu)建灰色束

確定水資源開發(fā)評價灰色束就是建立灰色層級、灰色量和白色系統(tǒng)的函數(shù)比重范圍＼[9＼].設(shè)重金屬污染背景下湘江長株潭段水資源灰色評價束的序列為h，1，2，3，…，h，即有h個灰色束將用于評價工作中，但本研究中只牽涉到4個范疇的灰色束.

第一是最高等級水資源開發(fā)潛力評價灰色束（h=1），其灰白權(quán)重函數(shù)是f1 （Fig.1（a）），第二是次高水資源開發(fā)潛力評價灰色束（h=2），其灰白權(quán)重函數(shù)為f2 （Fig.1（b））；第三是普通水資源開發(fā)評級灰色束（h=3），其函數(shù)是f3 （Fig.1（c））；第四則是較低水資源開發(fā)評價灰色束（h=4），其函數(shù)表達(dá)式是f4 （Fig.1（d）），每個具體函數(shù)表達(dá)式如式（4）～式（6）：

1.3推導(dǎo)與計算

1.3.1建立灰色權(quán)重矢量和判斷矩陣

如果評價指標(biāo)Vij的灰色評價束的灰色評價系數(shù)可記為x（s）ije，屬于每個評價灰色束的評價系數(shù)即可記做x（s）ij. 決定于灰色束h的灰色評價矢量評價指標(biāo)是Vi，記為：a（s）ijh，所以

1.3.3重金屬污染背景下湘江長株潭段水資源開

發(fā)潛力綜合評判價值和等級的計算

通過建立灰色束，每個評價灰色束又都被賦予了研究值域，因此，每個灰色束的值域矢量是

因此，可根據(jù)結(jié)果判斷湘江長株潭段水資源在區(qū)域發(fā)展建設(shè)中的影響程度.

2結(jié)果與討論

2.1湘江長株潭段水資源開發(fā)潛力評價結(jié)果的推斷

綜上研究，可得出每個灰色權(quán)重評價計算矩陣：

因此，湘江長株潭段水資源開發(fā)潛力評價系數(shù)計算結(jié)果是2.983，屬于次高層級范圍＼[2.500， 3.250＼]之內(nèi).也就是說，現(xiàn)階段到未來的一定時間內(nèi)，湘江長株潭段的水資源開發(fā)潛力較高，為長株潭城市群的建設(shè)提供了水資源方面的戰(zhàn)略保障.

2.2討論

長株潭城市群由長沙、株洲和湘潭三市組成，位于湖南省的中心地帶.湘江下游穿三城中心而過，為三市名符其實的母親河.近年來，由于該區(qū)域經(jīng)濟快速發(fā)展和城市化進(jìn)程加速，城市環(huán)境問題突出，湘江被重金屬污染程度高，范圍廣，導(dǎo)致水資源供需矛盾突出＼[10＼].據(jù)統(tǒng)計，長株潭城市群人均水資源擁有量約2 500～2 600 m3，多年平均水資源總量為24億m3，其中絕大部分來自流經(jīng)該區(qū)域全景的湘江，占該區(qū)域水資源總量的90%，其他約占10%（表3），是理論上的豐水區(qū).然而由于自然條件崎嶇，各種客觀原因復(fù)雜，該區(qū)域可供開發(fā)利用的湘江段江水資源略占該水域水資源總量的30%左右（表3）.因此，任何過度開發(fā)和無序使用湘江水資源都會對長株潭兩型社會城市群的建設(shè)造成巨大影響.

資料顯示＼[11＼]，在未來的15年，長株潭城市群僅工業(yè)用水每年將達(dá)3億多立方米，供需矛盾突出.筆者利用多層級灰色系統(tǒng)理論對重金屬污染背景下湘江長株潭段水資源的開發(fā)潛力進(jìn)行評價，目的是掌握現(xiàn)有湘江長株潭段水資源實際容量，對水資源進(jìn)行合理開發(fā)、利用.本研究中，筆者邀請了5位專家運用層次分析法（AHP）對研究指標(biāo)進(jìn)行篩選和優(yōu)化，使所選擇指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)大于0.51，符合研究的一致性需求.在此基礎(chǔ)上，對不同層級的指標(biāo)賦予了合理而可能的權(quán)重值，通過建立灰色層權(quán)重判斷值域函數(shù)以及評價矩陣，計算出長株潭城市群的水資源開發(fā)潛力系數(shù)為2.983，即湘江長株潭段水資源開發(fā)潛力屬于較高范圍.

然而，如何合理開發(fā)和使用水資源仍然是目前以及未來很長一段時間內(nèi)當(dāng)?shù)卣凸芾碚呙媾R的一項艱巨任務(wù).首先要開展環(huán)境教育活動，要求居民樹立對水資源的短缺、節(jié)水、護水意識，即要求人們要有主動參加節(jié)約和保護水資源的活動.倡導(dǎo)在家庭、社會、工廠、學(xué)校、機構(gòu)中安裝節(jié)約用水的設(shè)備設(shè)施，提高水資源的循環(huán)利用率，有助于長株潭城市群社會各個層面有效降低對水資源的直接消費.其次制定完整和科學(xué)的長株潭城市群經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略長期、中期、短期計劃＼[12＼].三是要提高水資源利用、節(jié)約與保護、水處理的技術(shù)，這不僅意味著利用和重復(fù)利用水資源成為可能，而且還能減少、杜絕重金屬對水資源的污染.最后是制定和推行嚴(yán)格的水資源利用和保護的政策和規(guī)范，實行區(qū)域水資源生態(tài)補償政策.只有這樣，才能充分、科學(xué)合理地把長株潭城市群打造成綠色、低碳，自然和社會環(huán)境和諧發(fā)展的兩型社會.

3結(jié)論

1） 利用多層級灰色系統(tǒng)理論首次評價了長株潭城市群水資源開發(fā)潛力，為重金屬污染背景下水資源開發(fā)潛力評價提供了參考研究的應(yīng)用工具.

2） 依照5個優(yōu)化原則，將現(xiàn)有水資源利用率確定為第一參照指標(biāo)，采用灰色類聚法和層次分析法建立四個灰色權(quán)重評價層級及函數(shù)值域，利用加權(quán)平均和推導(dǎo)計算方法得到指標(biāo)的權(quán)重判斷值.

3） 通過專家的評價和計算篩選優(yōu)化出三個層級24個關(guān)聯(lián)系數(shù)超過0.51的評價指標(biāo)，符合研究的一致性需求.

4） 通過建立灰色權(quán)重計算，推算出長株潭城市群水資源開發(fā)潛力系數(shù)約為2.983，屬于次高層級評價權(quán)重值范圍＼[2.500， 3.250＼]，即意味著長株潭城市群的水資源開發(fā)潛力屬于較高范圍.

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