范珊珊，任改娟，回廣榮，楊立順

（河北省地礦局秦皇島礦產(chǎn)水文工程地質(zhì)大隊(duì)，河北 秦皇島 066001）

秦皇島水資源可持續(xù)利用的模糊評(píng)價(jià)

范珊珊，任改娟，回廣榮，楊立順

（河北省地礦局秦皇島礦產(chǎn)水文工程地質(zhì)大隊(duì)，河北 秦皇島 066001）

應(yīng)用模糊模式識(shí)別模型對(duì)秦皇島市各分區(qū)的水資源可持續(xù)利用程度進(jìn)行了評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果表明，秦皇島市的水資源可持續(xù)利用程度整體上處于中級(jí)水平，還有較大的開(kāi)發(fā)潛力。其中海港區(qū)的水資源可持續(xù)利用程度處于中高級(jí)水平；北戴河區(qū)、昌黎縣、撫寧縣和盧龍縣的水資源可持續(xù)利用程度處于中級(jí)水平；山海關(guān)區(qū)和青龍縣的水資源可持續(xù)利用程度處于中低級(jí)水平。

水資源；可持續(xù)利用；模糊識(shí)別；秦皇島

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展以及人口數(shù)量的不斷增加，水資源短缺已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的制約因素，因此，水資源的可持續(xù)利用越來(lái)越受到人們的關(guān)注。對(duì)水資源可持續(xù)利用程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，要綜合考慮工業(yè)用水、生活用水以及農(nóng)業(yè)用水等，從中提取有代表性的、易于量化的指標(biāo)，采用適宜的評(píng)價(jià)方法，建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)[1]。評(píng)價(jià)水資源可持續(xù)利用的方法有很多[2-5]，陳守煜提出的模糊識(shí)別模型[6]是應(yīng)用較為廣泛的一種方法[7-11]。筆者采用模糊模式識(shí)別模型對(duì)秦皇島市各分區(qū)的水資源可持續(xù)利用程度作出了評(píng)價(jià)，為制定水資源可持續(xù)利用方案提供科學(xué)依據(jù)。

1 水資源可持續(xù)利用的模糊模式識(shí)別模型

1.1 指標(biāo)特征值矩陣與指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值矩陣

設(shè)有對(duì)水資源可持續(xù)利用A作識(shí)別的n個(gè)樣本集合X={x1，x2，…，xn}，每個(gè)樣本由m個(gè)指標(biāo)特征值描述，則這n個(gè)樣本可用m×n型的指標(biāo)特征值矩陣表示，即：

式中：xij為樣本j指標(biāo)i的特征值；i=1，2，…，m；j=1，2，…，n。

對(duì)n個(gè)樣本按m個(gè)指標(biāo)c個(gè)級(jí)別的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值進(jìn)行識(shí)別，則構(gòu)成m×c型的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值矩陣，即：

式中：yih為級(jí)別h指標(biāo)i的標(biāo)準(zhǔn)特征值；h= 1，2，…，c。

1.2 指標(biāo)的相對(duì)隸屬函數(shù)

指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值通常分為兩種類型：第一類指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值隨級(jí)別h的增大而減??；第二類指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值隨級(jí)別h的增大而增大。

則指標(biāo)對(duì)A的相對(duì)隸屬度公式為：

式中：rij為樣本j指標(biāo)i的特征值對(duì)A的相對(duì)隸屬度。

同理，可得到級(jí)別h指標(biāo)i標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)水資源可持續(xù)利用A的相對(duì)隸屬度公式為：

式中：sih為級(jí)別h指標(biāo)i的標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)A的相對(duì)隸屬度。

根據(jù)式（1）、式（2）將指標(biāo)特征值矩陣和指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值矩陣變換為相應(yīng)的相對(duì)隸屬度矩陣：

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重

由于m個(gè)指標(biāo)對(duì)識(shí)別評(píng)價(jià)的影響程度不同，以權(quán)重來(lái)表示各指標(biāo)的重要程度，評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重對(duì)于評(píng)價(jià)結(jié)果的合理性具有很大影響。確定各指標(biāo)權(quán)重的方法有多種，如二元比較模糊決策分析法、層次分析法、評(píng)價(jià)因素貢獻(xiàn)率法等，利用某一方法求得各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，得到指標(biāo)權(quán)向量為w=（w1，w2，…，wm），并且滿足歸一化要求，即

1.4 樣本集對(duì)各級(jí)別的相對(duì)隸屬度矩陣

設(shè)樣本集對(duì)各級(jí)別的相對(duì)隸屬度矩陣為U=（uhj），其中uhj為樣本j對(duì)級(jí)別h的相對(duì)隸屬度。由于樣本j的m個(gè)指標(biāo)的相對(duì)隸屬度都落在矩陣S的級(jí)別區(qū)間[aj，bj]內(nèi)，故矩陣U應(yīng)滿足：

由于樣本集中每個(gè)樣本的級(jí)別區(qū)間不同，所以從整體考慮，矩陣U應(yīng)滿足：

則樣本j對(duì)水資源可持續(xù)利用A級(jí)別h的相對(duì)隸屬度公式的完整形式為：

1.5 樣本級(jí)別的確定

應(yīng)用級(jí)別特征值公式[14]：求出各個(gè)地區(qū)水資源可持續(xù)利用程度的級(jí)別特征值，可以反映出各研究區(qū)的水資源可持續(xù)利用情況。

2 秦皇島水資源可持續(xù)利用程度模糊識(shí)別評(píng)價(jià)

利用上述水資源可持續(xù)利用的模糊模式識(shí)別模型對(duì)秦皇島市的水資源可持續(xù)利用程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。筆者引用的秦皇島市水資源基本資料見(jiàn)表1。

影響水資源可持續(xù)利用的因素很多，通過(guò)對(duì)秦皇島市水資源利用影響因素的綜合分析，并參照全國(guó)水資源供需分析中的指標(biāo)體系[12]，確定了6項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)：①灌溉率（%）：灌溉面積/耕地面積；②水資源利用率（%）：用水量/水資源總量；③水資源開(kāi)發(fā)程度（%）：供水量/水資源總量；④需水模數(shù)（104m3/km2）：需水量/土地面積；⑤供水模數(shù)（104m3/km2）：供水量/土地面積；⑥人均供水量（m3/人）：供水量/總?cè)丝凇?/p>

表1 秦皇島市水資源基本資料

根據(jù)表1中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)計(jì)算得到秦皇島市各分區(qū)的水資源指標(biāo)特征值如表2所示。

表2 秦皇島市各分區(qū)水資源指標(biāo)特征值

參照文獻(xiàn)中關(guān)于評(píng)價(jià)水資源可持續(xù)利用程度的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值[13]，本研究中6項(xiàng)指標(biāo)的4級(jí)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值見(jiàn)表3：

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)4級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值

根據(jù)表2和表3可以得到對(duì)應(yīng)的指標(biāo)特征值矩陣X和指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值矩陣Y：

應(yīng)用式（1）、式（2）將X、Y變換為相應(yīng)的相對(duì)隸屬度矩陣R和S：

為了得到6項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的指標(biāo)權(quán)向量，采用二元比較模糊決策分析法[14]來(lái)確定不同指標(biāo)的權(quán)重。對(duì)6項(xiàng)指標(biāo)根據(jù)重要性分別進(jìn)行比較，得到指標(biāo)重要性二元比較定性排序標(biāo)度矩陣E，通過(guò)檢驗(yàn)E滿足一致性的驗(yàn)證條件，則矩陣E為指標(biāo)重要性排序一致性標(biāo)度矩陣。

按矩陣E每行的和數(shù)從小到大排列，得到各指標(biāo)關(guān)于重要性的排序。以最重要的指標(biāo)②作為基準(zhǔn)，依次與其他5項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行重要性的二元比較，根據(jù)研究區(qū)域的實(shí)際情況，經(jīng)過(guò)慎重分析比較后，認(rèn)為指標(biāo)②與指標(biāo)①、④、⑤、⑥相比較處于“稍稍”與“略微”重要之間；指標(biāo)②與指標(biāo)③相比較，處于“較為”與“明顯”重要之間。

應(yīng)用表4中語(yǔ)氣算子與相對(duì)隸屬度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系[15]，得到6項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)非歸一化權(quán)向量為：

w'=（0.739，1，0.481，0.739，0.739，0.739）

則歸一化的指標(biāo)權(quán)向量為：

w=（0.167，0.225，0.108，0.167，0.167，0.167）

依據(jù)模糊模式識(shí)別模型式（7），計(jì)算得到秦皇島市各分區(qū)對(duì)各個(gè)級(jí)別水資源可持續(xù)利用程度的相對(duì)隸屬度矩陣U：

表4 語(yǔ)氣算子與相對(duì)隸屬度間的關(guān)系

根據(jù)級(jí)別特征值公式（8），計(jì)算得到秦皇島市各分區(qū)水資源可持續(xù)利用程度的級(jí)別特征值見(jiàn)表5：

表5 水資源可持續(xù)利用程度評(píng)價(jià)結(jié)果

3 結(jié)論

（1）由表5中的評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，秦皇島市各分區(qū)的水資源可持續(xù)利用程度處于2～3級(jí)之間，總體來(lái)說(shuō)各分區(qū)的水資源可持續(xù)利用水平相差不大，水資源開(kāi)發(fā)程度低于水資源承載力，還有較大的開(kāi)發(fā)潛力。其中，海港區(qū)的水資源可持續(xù)利用程度處于中高級(jí)水平，水資源利用率已經(jīng)達(dá)到一定水平，尚有一定的開(kāi)發(fā)潛力；北戴河區(qū)、昌黎縣、撫寧縣和盧龍縣的水資源可持續(xù)利用程度處于中級(jí)水平，水資源開(kāi)發(fā)程度與水資源承載力仍有較大差距，具有較大的開(kāi)發(fā)潛力；山海關(guān)區(qū)和青龍縣的水資源可持續(xù)利用程度處于中低級(jí)水平，水資源利用率較低，開(kāi)發(fā)潛力很大。

（2）利用模糊識(shí)別模型對(duì)水資源可持續(xù)利用程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，能夠綜合考慮各種水資源利用的影響因素，將各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)量化處理，使得水資源可持續(xù)利用具有可衡量性，其評(píng)價(jià)結(jié)果較為合理，可以作為制定水資源可持續(xù)利用發(fā)展方案的科學(xué)依據(jù)。

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（編輯：程 ?。?/p>

Fuzzy Evaluation of Sustainable Utilization of Water Resources in Qinhuangdao

Fan Shanshan,Ren Gaijuan,Hui Guangrong,Yang Lishun
（Qinhuangdao Mineral Resource and Hydrogeological Brigade,Hebei Geological Prospecting Bureau, Qinhuangdao Hebei 066001,China）

Evaluated the sustainable utilization degree of water resources in each partition of Qinhuangdao by the fuzzy pattern recognition model.The evaluation results indicated that the sustainable utilization degree of water resources is in the intermediate level on the whole,and the water resources still have a great development potential.The sustainable utilization degree of water resources for Haigang district is in the middle-senior level;Beidaihe district,Changli county, Funing county and Lulong county are in the intermediate level;Shanhaiguan district and Qinglong county are in the lower level.

water resources；sustainable utilization；fuzzy recognition；Qinhuangdao

TV213.9

A

1008-813X（2015）02-0047-04

2014-10-28

范珊珊（1987-），女，河北唐山人，畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）地下水科學(xué)與工程專業(yè)，碩士研究生，助理工程師，主要從事地下水?dāng)?shù)值模擬等方面的研究工作。