水安全是一個(gè)國家或地區(qū)實(shí)際占有水資源數(shù)量、質(zhì)量和供給結(jié)構(gòu),能夠穩(wěn)定、持續(xù)、及時(shí)與足量地保障該國(或地區(qū)) 社會(huì)、經(jīng)濟(jì)當(dāng)前的發(fā)展需求和可持續(xù)發(fā)展需要的狀態(tài)和能力〔1～7〕。我國西部地區(qū)是眾多大河的源頭,但由于惡劣的自然條件和過度的人類活動(dòng)干擾,水資源形勢極為嚴(yán)峻,時(shí)空分布不均,供需矛盾突出,水污染進(jìn)一步加劇了水資源短缺,水資源已經(jīng)成為關(guān)系到人類生存和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略問題,水安全問題的研究和解決迫在眉睫?？紤]到區(qū)域水安全問題是多維因素的綜合體,需要經(jīng)過單因素的小綜合到多因素的大綜合對其進(jìn)行評價(jià),因此單因素評價(jià)無法得出以地域?yàn)閱挝坏乃踩珷顩r的綜合評語。20 世紀(jì)80 年代蔡文創(chuàng)立的可拓學(xué)恰能很好地解決這個(gè)問題,它是定性和定量結(jié)合的有力工具,已經(jīng)在眾多領(lǐng)域得到了成功運(yùn)用〔8～12〕,同時(shí)也為水安全的綜合評價(jià)提供了新的途徑。本文在對水安全的概念進(jìn)行充分理解的基礎(chǔ)上,根據(jù)P - S - R 概念模型,構(gòu)建中國西部地區(qū)水安全評價(jià)指標(biāo)體系,并且把物元理論和可拓集合的原理及方法運(yùn)用于區(qū)域水安全度的評價(jià),從而建立物元評判模型,為我國西部地區(qū)水安全狀況進(jìn)行綜合的實(shí)例評價(jià)。
1 多指標(biāo)綜合評價(jià)的物元模型
水安全多指標(biāo)綜合評價(jià)的物元分析方法分為4步(圖1) ?；谖镌碚摵途C合評價(jià)的基本原理,用可拓集合關(guān)聯(lián)度的大小描述各種特征參數(shù)和研究對象的從屬關(guān)系,從而把漸變分類關(guān)系由定性描述擴(kuò)展為定量描述。對要評價(jià)的水安全等級,記為事物M ; 把反映水安全環(huán)境質(zhì)量的n 個(gè)指標(biāo),看成是特征C = ( c1 , c2 , ?, cn ) T ;關(guān)于特征C 的量值,記為X = ( x1 , x2 , ?, x n ) T 。以有序三元R = ( M , C ,X) 組作為物元, 即
式中: xi 為M 關(guān)于ci 的量值, i = 1 ,2 , ?, n〔13〕。
1. 1 綜合評價(jià)指標(biāo)體系的建立
將水安全保護(hù)和建設(shè)的思想從理論階段推進(jìn)到可操作的應(yīng)用階段必須有一系列的指標(biāo)支持,即落實(shí)到指標(biāo)體系〔14〕。單純的水資源量和水污染指標(biāo)顯然不能準(zhǔn)確、全面地反映水資源、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和人口所構(gòu)成的復(fù)合系統(tǒng)的狀態(tài),為了對區(qū)域的水安全狀況進(jìn)行全面的分析和診斷,必須盡可能全面地選取能反映區(qū)域水安全信息的指標(biāo)。本研究利用P -S - R 模型可以將某一類環(huán)境問題表達(dá)成3 個(gè)不同、但又相互關(guān)聯(lián)的指標(biāo)類型:壓力指標(biāo)、狀態(tài)指標(biāo)和響應(yīng)指標(biāo)。其中,壓力指標(biāo)反映人類活動(dòng)給環(huán)境造成的負(fù)荷;狀態(tài)指標(biāo)反映環(huán)境質(zhì)量、自然資源和生態(tài)系統(tǒng)的狀況;響應(yīng)指標(biāo)表征人類面臨環(huán)境問題所采取的對策與措施。P - S - R 模型從人類與環(huán)境系統(tǒng)的相互作用與影響出發(fā),對環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行組織分類,具有很強(qiáng)的系統(tǒng)性。本研究根據(jù)P - S - R 模型〔15〕,從水安全壓力、狀態(tài)和響應(yīng)3 個(gè)角度出發(fā),綜合考慮水資源供需狀況、水環(huán)境、糧食安全、災(zāi)害控制等方面〔16 ,17〕,選取了21 個(gè)反映區(qū)域水安全的指標(biāo)(表1) 。
本研究通過專家咨詢和資料查閱確定各項(xiàng)指標(biāo)在體系中的相對重要性,采用層次分析法(Analytical Hierarchy Process ,簡稱AHP 法) 計(jì)算得到各級指標(biāo)的權(quán)重(表1) ,并且為保持可比性,對不同研究區(qū)采用相同的指標(biāo)權(quán)重。該方法是美國運(yùn)籌學(xué)家薩迪教授于20 世紀(jì)70 年代初,應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)理論和多目標(biāo)綜合評價(jià)方法提出的一種層次權(quán)重決策分析方法〔18〕。它是將決策有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次,在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法。作為一種十分有效的系統(tǒng)分析方法,該方法廣泛地應(yīng)用在能源開發(fā)利用、水資源分析利用等方面〔19〕。
1. 2 確定經(jīng)典域、節(jié)域和待判物元
按照水安全程度由高到低分為: Ⅰ級(安全) 、Ⅱ級(臨界安全) 、Ⅲ級(不安全) 、Ⅳ級(極度不安全) ,從而辨識(shí)這個(gè)概念的層次關(guān)系。首先,將水安全度定量地概述為: 設(shè)P = { Ⅰ級→Ⅱ級→Ⅲ級→Ⅳ級} , N01 = { Ⅰ級} , N02 = { Ⅱ級} , N03 = { Ⅲ級} ,N04 = { Ⅳ級} ,則N01 , N02 , N03 , N04 ∈P ,對P集合中的任一元素p ,判斷p 屬于N01 , N02 , N03 或N04 ,并計(jì)算隸屬的程度〔20〕。
節(jié)域物元和經(jīng)典域物元的構(gòu)建是建模的關(guān)鍵,其臨界值是根據(jù)各地區(qū)各個(gè)指標(biāo)水平及其相關(guān)關(guān)系分析得出(表2) ,具有重要的水資源規(guī)劃指導(dǎo)意義。
待判物元為:
1. 3 計(jì)算待判標(biāo)本p 與各個(gè)評價(jià)等級N0 j 的關(guān)聯(lián)度Kj ( vi )
各個(gè)指標(biāo)值到各評價(jià)等級范圍值的距:
ρ( vi ,V 0 ji ) = | vi - ( a0 ji + b0 ji )P2 | - ( b0 ji -a0 ji )P2 ,ρ( vi , V pi ) = | vi - ( api + bpi )P2 | - ( bpi -api )P2 ,i ∈{1 ,2 ,3 , ?,21} , j ∈{1 ,2 ,3 ,4}
在此基礎(chǔ)上,計(jì)算待判標(biāo)本p 與各個(gè)評價(jià)等級N0 j 的單項(xiàng)指標(biāo)關(guān)聯(lián)函數(shù)Kj ( vi ) :
若Km ( vi ) = max Kj ( vi ) , m ∈{1 ,2 , ?, j}則判定待判標(biāo)本p 當(dāng)中的指標(biāo)vi 屬于評價(jià)等級N0 m ;若Km ( vi ) ≤0 ,則表示vi 不屬于評價(jià)等級N0 m 。
在計(jì)算待判標(biāo)本p 與各個(gè)評價(jià)等級N0 j 的單項(xiàng)指標(biāo)關(guān)聯(lián)函數(shù)Kj ( vi ) 的基礎(chǔ)上,得出p 與多項(xiàng)指標(biāo)綜合關(guān)聯(lián)度Kj ( V ) :
式中: Kj ( V) 表示p 屬于各評價(jià)等級N0 j的程度。若Km ( V) = max Kj ( V) , j ∈{1 ,2 ,3 ,4} , m ∈{1 ,2 ,?, j}則判定待判標(biāo)本p 屬于評價(jià)等級N0 m 。若對一切j , Km ( V) ≤0 ,則表示p 不屬于評價(jià)等級N0 m 。
2 實(shí)例分析
2. 1 實(shí)例評價(jià)
以陜西省和云南省為例。將待判標(biāo)本的原始指標(biāo)值輸入已建成的物元評判模型,進(jìn)而可算得該樣本與各評價(jià)等級的單指標(biāo)關(guān)聯(lián)度、多指標(biāo)綜合關(guān)聯(lián)度以及相應(yīng)的評價(jià)結(jié)果(表3) 。
2. 2 結(jié)果分析
結(jié)合上述評價(jià)結(jié)果和2 個(gè)地區(qū)的水資源實(shí)際狀況進(jìn)行結(jié)果分析:
(1) 從水安全狀態(tài)和2 個(gè)子系統(tǒng)的評價(jià)可以看出,由于地域條件不同,陜西省有大面積的土地受干旱半干旱氣候和對地表徑流調(diào)蓄能力差等因素的影響,年平均產(chǎn)水模數(shù)與豐水地區(qū)相比相差甚遠(yuǎn),水資源貧乏,且時(shí)空分布不均〔21〕;而云南省水資源相對豐富〔22〕,但2 個(gè)區(qū)域都存在水資源開發(fā)利用和保護(hù)相對滯后的問題。因此,引發(fā)了糧食減產(chǎn)、社會(huì)不穩(wěn)定、阻礙經(jīng)濟(jì)發(fā)展、影響人民生活等一系列生產(chǎn)、生活問題〔23 ,24〕。
(2) 糧食安全水平低。從灌溉率、人均用水量、農(nóng)業(yè)用水定額和萬元GDP 用水量等單指標(biāo)的評價(jià)結(jié)果來看,2 省用水結(jié)構(gòu)和用水方式尚屬合理,但實(shí)際上從整個(gè)社會(huì)來說,農(nóng)田灌溉率雖有保障,但灌區(qū)普遍存在工程設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)低、配套不全、調(diào)蓄能力差等問題,用水中普遍缺乏節(jié)水意識(shí),水資源浪費(fèi)較為嚴(yán)重。為改變這種現(xiàn)象應(yīng)該增強(qiáng)節(jié)水意識(shí),提高水資源利用效率, 特別是陜西省應(yīng)大力發(fā)展節(jié)水灌溉〔25〕。
(3) 2 省的單位面積COD 排放量均在安全范圍內(nèi),但是廢水處理排放達(dá)標(biāo)率卻都很低,安全度為Ⅳ 級。這一方面,表明西部地區(qū)工業(yè)發(fā)達(dá)程度不高,經(jīng)濟(jì)尚欠發(fā)展,工業(yè)污染未對整體水環(huán)境造成太大的影響;另一方面,也表明西部地區(qū)的環(huán)境工程意識(shí)不強(qiáng),缺乏利用環(huán)境工程手段將生產(chǎn)、生活中形成的不良環(huán)境效應(yīng)去除的意識(shí)。
綜上所述,陜西省是資源型缺水、水質(zhì)型缺水和工程型缺水并存,不論是水資源總量、人均占有量和每公頃水資源量,還是飲用水水質(zhì)和河流水質(zhì),或水利工程和水資源保護(hù)措施的實(shí)施,都是不安全的,已經(jīng)嚴(yán)重阻礙社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,其水安全問題的改善迫在眉睫,應(yīng)與生態(tài)保護(hù)相協(xié)調(diào),從開源節(jié)流、改善水質(zhì)、加強(qiáng)水利建設(shè)做起; 云南省屬于工程型缺水地區(qū),水資源量雖然豐富,但是受自然條件制約,開發(fā)利用難度高,且水資源開發(fā)利用和保護(hù)力度不夠,已經(jīng)造成水質(zhì)惡化、水環(huán)境污染、自然災(zāi)害日益嚴(yán)重的趨勢,應(yīng)大力加強(qiáng)水利工程措施和污水處理設(shè)施建設(shè),提高防災(zāi)防污能力。
3 結(jié) 論
本文用物元評判方法評價(jià)中國西部地區(qū)水安全,具有一定的可行性和實(shí)用性。水安全評價(jià)的界線模糊,一般的評價(jià)方法很難客觀地確定水安全度,而物元評判模型首先在設(shè)計(jì)中保證了單指標(biāo)識(shí)別的合理性,加之在權(quán)重分配中采用層次分析法,使評價(jià)指標(biāo)邏輯判斷量化,且保持判斷思維全過程的一致性,模型評價(jià)結(jié)果是科學(xué)、客觀和精確的。加之可拓?cái)?shù)學(xué)的關(guān)聯(lián)函數(shù)能揭示更多的分異信息,具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
通過分析物元評判結(jié)果,得出陜西省屬于資源型、水質(zhì)型兼工程型缺水,而云南省則是工程型缺水地區(qū)。該結(jié)論對區(qū)域水資源的合理分配和安全利用,以及下一步水安全保障體系的建設(shè)提供了新的理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。要改善西部地區(qū)水安全狀況,核心是提高用水效率,建設(shè)節(jié)水型社會(huì),并以節(jié)流優(yōu)先、治污為本、多渠道開源為指導(dǎo)原則,建立水資源供給、高效利用體系和水資源安全保障體系,實(shí)現(xiàn)人水和諧相處,保障水資源安全,為全面建設(shè)和諧社會(huì)提供水資源保障。
由于物元評判模型方法在水安全評價(jià)中的運(yùn)用尚處于探索階段,在指標(biāo)權(quán)重賦值、量值范圍確定以及關(guān)聯(lián)度計(jì)算等方面有待于進(jìn)一步深入研究。
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