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南水北調(diào)東線一期工程生態(tài)安全評價研究

2022-06-16 00:56陳小軍孫夕明張秀娟
山東水利 2022年4期
關(guān)鍵詞:東線南水北調(diào)趨勢

陳小軍,孫夕明,張秀娟

(濟(jì)南市水利工程服務(wù)中心,山東 濟(jì)南 250000)

隨著科技進(jìn)步與社會經(jīng)濟(jì)環(huán)境發(fā)展變化,人們在實(shí)際決策中需要處理的信息日益復(fù)雜與模糊,通常存在一定程度的知識缺乏或表現(xiàn)出一定程度的猶豫,使得做出準(zhǔn)確的決策更加困難。1986 年保加利亞學(xué)者ATANASSOV 引入非隸屬度概念到ZADEH 教授提出的傳統(tǒng)模糊集,提出了直覺模糊集(intuitionistic fuzzy sets,IFSs)的概念。由于IFSs 能夠從隸屬度和非隸屬度兩個維度更準(zhǔn)確地描述決策問題中的模糊性本質(zhì),在處理不確定性和模糊性MDAM 問題時存在著較大的優(yōu)勢和特點(diǎn),許多國內(nèi)外學(xué)者將VIKOR 法擴(kuò)展到直覺模糊環(huán)境下處理MDAM 問題,取得了豐碩的研究成果[1]。

生態(tài)安全評價需要從定性與定量兩個方面綜合分析,而各項(xiàng)指標(biāo)則均具有模糊性。模糊隸屬函數(shù)是解決該類問題的有效手段之一。然而,由于水資源系統(tǒng)和人類思維的復(fù)雜性,傳統(tǒng)的隸屬度已不能滿足實(shí)際決策需求。直覺模糊集從隸屬和非隸屬兩個角度綜合反映現(xiàn)實(shí)狀態(tài),使評價信息更為客觀。擬結(jié)合直覺模糊度量與VIKOR多目標(biāo)決策方法,對南水北調(diào)東線一期工程的生態(tài)安全狀態(tài)進(jìn)行定量評價及態(tài)勢分析,進(jìn)而提出調(diào)控策略。

1 評價過程

1.1 評價單元設(shè)置

南水北調(diào)東線工程利用江蘇省江水北調(diào)工程,擴(kuò)大規(guī)模,向北延伸,分水兩路,一路向北穿黃河后自流到天津;另一路向東經(jīng)新辟的膠東地區(qū)輸水干線接引黃濟(jì)青渠道,向膠東地區(qū)供水。

研究區(qū)域覆蓋范圍包含江蘇段,穿黃段和膠東輸水段,結(jié)合地域分布、調(diào)水影響及數(shù)據(jù)可獲取性等,選取11 個城市作為研究區(qū)。其中:駱馬湖以南(江蘇段)選擇淮安、揚(yáng)州2 市;駱馬湖以北(江蘇段)選擇徐州市;穿黃干線(山東段)選擇濟(jì)寧、聊城、德州3 市;膠東支線(山東段)選擇濟(jì)南、煙臺、濰坊、青島、威海5 市。

1.2 獲取指標(biāo)體系

根據(jù)壓力狀態(tài)相應(yīng)模型,結(jié)合文獻(xiàn)梳理和資料查閱,以南水北調(diào)工程東線一期工程實(shí)際情況為基礎(chǔ),得到了30 個評價指標(biāo)。在評價過程中,指標(biāo)數(shù)量過大容易造成維度災(zāi)難,此外權(quán)重分配可能會造成信息丟失,導(dǎo)致評價結(jié)果的客觀性損失。本文利用粗糙集理論中的基于屬性重要度的屬性約簡方法對以上獲取的指標(biāo)體系進(jìn)行冗余篩查與刪減,設(shè)置閾值90%,得到含有15 個指標(biāo)的評價指標(biāo)體系,其重要度之和為91.6%[2]。

在PSR 框架下構(gòu)建了評價指標(biāo)體系見表1。

1.3 劃分等級標(biāo)準(zhǔn)

查閱各地市統(tǒng)計年鑒、水資源公報和環(huán)境保護(hù)公報,獲取各指標(biāo)的數(shù)據(jù),并進(jìn)行有效性檢驗(yàn)與異常分析,確定生態(tài)安全評價的原始數(shù)據(jù),為模型構(gòu)建與實(shí)施提供準(zhǔn)備。參考以往研究和專家經(jīng)驗(yàn),設(shè)定生態(tài)安全等級為五級(I 級,優(yōu);II 級,良;III 級,中;IV 級,差;V 級,劣)。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)際數(shù)據(jù),劃分各指標(biāo)的等級范圍見表2。

表1 壓力-狀態(tài)-響應(yīng)指標(biāo)

1.4 獲取直覺模糊決策數(shù)

根據(jù)所得指標(biāo)數(shù)據(jù)及劃分的各生態(tài)安全指標(biāo)范圍,計算各市各指標(biāo)相對于各等級的相對隸屬度,進(jìn)而得到直覺模糊決策矩陣。

1.5 直覺模糊VIKOR 評價排序

為了全面細(xì)致地評價總體的生態(tài)安全,利用所構(gòu)建的模型進(jìn)行多準(zhǔn)則決策排序。根據(jù)層次分析法與決策直覺模糊熵和散度[3],求解各指標(biāo)的權(quán)重,見表3。計算群體效用值,個體后悔值和利益比率。按照評價對象進(jìn)行排序,進(jìn)行狀態(tài)評估及演化分析。

表2 生態(tài)安全各指標(biāo)的等級范圍

表3 指標(biāo)權(quán)重

2 評價結(jié)果分析

結(jié)合壓力指標(biāo)、狀態(tài)指標(biāo)、相應(yīng)指標(biāo)和生態(tài)安全指標(biāo),將2010—2018 年南水北調(diào)東線一期工程沿線總體情況進(jìn)行匯總,如圖1 示。其中,數(shù)字0-1 代表等級順序,表征該指標(biāo)的程度,越接近1,表示狀態(tài)越好,接近0 則相反。

圖1 南水北調(diào)東線一期工程沿線生態(tài)安全情況

由圖1 可知,南水北調(diào)東線一期工程沿線生態(tài)安全自2010 年起總體呈現(xiàn)逐漸提升的良性發(fā)展態(tài)勢,2013—2014 年,提升的程度較之前增大,2014—2015 年有略微的下降。從指標(biāo)來看,人均耕地面積和生態(tài)保護(hù)和環(huán)境治理業(yè)投資比例為主要擾動因子。結(jié)合南水北調(diào)東線工程通水時間,可認(rèn)為南水北調(diào)東線一期工程對整個工程區(qū)域的生態(tài)安全具有正面的影響。壓力指標(biāo)波動幅度較大,但自2011 年起呈現(xiàn)上升的趨勢,且2012年后壓力指標(biāo)逐漸平穩(wěn),總體呈上升的趨勢。根據(jù)壓力指標(biāo)包括人均水資源量、用電總量、化肥施用強(qiáng)度等,由于經(jīng)濟(jì)及農(nóng)業(yè)發(fā)展所需的用電量及化肥施用量在2013 年前后差別不大,差異較大的指標(biāo)為水資源總量,所以認(rèn)為工程通水所帶來的水資源總量的增加使得工程區(qū)所受壓力趨于平穩(wěn),且處于一個較好的狀態(tài)。狀態(tài)指標(biāo)包括工程污水排放量、地下水資源量等,由圖可知,狀態(tài)指標(biāo)起伏較大,且2014 年最低,后又逐步上升,說明調(diào)水工程帶來的缺水地區(qū)的水資源的增加使得地下水得到補(bǔ)充,地下水量逐年增加。響應(yīng)指標(biāo)包括污水處理率、生態(tài)保護(hù)和環(huán)境治理業(yè)投資比例等,總體呈現(xiàn)逐步上升的趨勢,說明政府對于生態(tài)環(huán)境的治理與保護(hù)越來越重視。

由于南水北調(diào)東線一期工程跨越了兩省,不同的區(qū)域、不同的自然狀況及取水區(qū)和供水區(qū)的情況都會有所不同,因此按照前文所分的4 段區(qū)域來分別分析生態(tài)安全情況,見表4~7。

表4 東線一期駱馬湖以南生態(tài)安全評價結(jié)果

表5 東線一期駱馬湖以北生態(tài)安全評價結(jié)果

表6 東線一期穿黃干線生態(tài)安全評價結(jié)果

江蘇段駱馬湖以南區(qū)域大多為取水區(qū),生態(tài)安全水平自2012 年起趨于平穩(wěn);壓力指標(biāo)與生態(tài)安全指標(biāo)趨勢相似,生態(tài)安全形勢良好;狀態(tài)指標(biāo)較為平穩(wěn),自2016 年開始下降,且2018 年達(dá)到了最低水平,由于駱馬湖以南地區(qū)水資源量充沛,不存在地下水超采等情況,因此認(rèn)為是污水排放量增加;響應(yīng)指標(biāo)整體具有波動,自2013年以后波動趨于平緩。

表7 東線一期膠東支線生態(tài)安全評價結(jié)果

江蘇段駱馬湖以北多為受水區(qū),生態(tài)安全指標(biāo)與壓力指標(biāo)趨勢相似,且與駱馬湖以南段較為相似,自2012 年開始區(qū)域平緩,且處于較好水平;狀態(tài)指標(biāo)趨勢逐步上升,說明污水排放量有所減少,地下水資源量增加;響應(yīng)指標(biāo)波動趨勢較大,且于2014 年達(dá)到最大,之后又下降,但生態(tài)安全指標(biāo)、狀態(tài)指標(biāo)和壓力指標(biāo)皆處于較好的狀態(tài),這說明在2014 年以后,駱馬湖以北地區(qū)生態(tài)安全水平穩(wěn)定向好,不需要在治理問題上投資過多的費(fèi)用。南水北調(diào)東線一期工程于2013 年底通水,可認(rèn)為南水北調(diào)工程對江蘇段駱馬湖以北地區(qū)的生態(tài)安全水平具有正面的影響。

與江蘇段不同,山東段穿黃干線的生態(tài)安全指標(biāo)與響應(yīng)指標(biāo)趨勢較為相似,雖整體呈現(xiàn)向好的趨勢,但具有一定的波動。2015 年以后的水平明顯高于2013 年以前的水平,說明生態(tài)環(huán)境正在向好的方向發(fā)展,且政府對于生態(tài)環(huán)境治理的投資與生態(tài)安全情況相對應(yīng)。壓力指標(biāo)呈現(xiàn)上升的趨勢,并逐漸趨于平穩(wěn),說明南水北調(diào)東線工程對于外部環(huán)境的壓力越來越小;狀態(tài)指標(biāo)于2014 年之前處于下降的趨勢,之后便逐步上升,考慮到山東穿黃段存在地下水壓采的情況,可認(rèn)為在2013 年南水北調(diào)東線工程通水后,山東穿黃段地下水資源量得到了補(bǔ)充,使得狀態(tài)指標(biāo)情況逐步上升,且生態(tài)安全情況也平穩(wěn)向好。與穿黃段相似,膠東半島段的生態(tài)安全指標(biāo)的情況與響應(yīng)指標(biāo)較為一致,皆為向好的趨勢;壓力指標(biāo)于2012 年之后趨于平穩(wěn);狀態(tài)指標(biāo)于2014 年后開始上升,趨勢大體與穿黃段類似,可認(rèn)為造成這種趨勢的原因也相同。

總體來看,南水北調(diào)東線一期工程區(qū)域生態(tài)安全情況是逐步向好的,四個地區(qū)均呈現(xiàn)上升的趨勢,其中2011 年以后江蘇段的駱馬湖以南和駱馬湖以北兩個地區(qū)均大幅度上升;2015 年以后,山東段穿黃段和膠東半島段兩個地區(qū)開始上升。結(jié)合南水北調(diào)東線工程實(shí)際,2011 年為工程建設(shè)期,還未正式通水,江蘇段和山東段分別作為供水地區(qū)和受水地區(qū),都要保證工程水質(zhì)及生態(tài)的安全,所以在調(diào)水之前便開始了水質(zhì)及生態(tài)的整治。通水后,江蘇省生態(tài)安全情況平穩(wěn)向好,山東省由于地下水資源得到了補(bǔ)充,于2015 年開始有再次上升的趨勢,生態(tài)安全情況再次得到提高。

3 結(jié) 語

本文主要結(jié)合壓力狀態(tài)響應(yīng)模型篩選生態(tài)安全影響因子,構(gòu)建多指標(biāo)直覺模糊VIKOR 評價排序模型,針對東線一期工程的生態(tài)安全變化情況進(jìn)行評估分析。結(jié)果表明:南水北調(diào)東線一期工程沿線生態(tài)安全自2010 年起總體呈現(xiàn)逐漸提升的良性發(fā)展態(tài)勢。江蘇段駱馬湖以南區(qū)域大多為取水區(qū),生態(tài)安全水平自2012 年起趨于平穩(wěn);江蘇段駱馬湖以北多為受水區(qū),生態(tài)安全指標(biāo)趨勢與駱馬湖以南段較為相似;山東段穿黃干線的生態(tài)安全指標(biāo)雖整體呈現(xiàn)向好的趨勢,但具有一定的波動,2015 年以后的水平明顯高于2013 年以前的水平,說明生態(tài)環(huán)境正向好的方向發(fā)展,且政府對于生態(tài)環(huán)境治理的投資與生態(tài)安全情況相對應(yīng);膠東半島段的生態(tài)安全指標(biāo)的情況與響應(yīng)指標(biāo)較為一致,皆為向好的趨勢??傮w可認(rèn)為南水北調(diào)東線一期工程對整個工程區(qū)域的生態(tài)安全具有正面的影響。

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