基于承载指数与模糊识别评价邯郸市水资源承载力研究

赵国丽

河北省邯郸水文水资源勘测局，河北  邯郸056001

摘要：以邯郸市2015年水资源承载力为基准，在分析了基准年水资源负载指数的基础上，构建了模糊识别评价模型，然后选取6项评价指标计算分析了邯郸市2006~2015年的承载力现状，对该区域规划年水资源承载力变化趋势进行了分析。结果显示：邯郸市下辖的武安市水资源负载指数明显大于其他各区域，邯郸市水资源承载力整体处于可承载状态；承载力水平在近几年呈现出上升趋势，仍具有较大的发展潜力；规划年在枯水干旱条件下均表现出水资源超载现象。

关键词：负载指数、模糊识别、承载力、邯郸市

引言

水资源是支撑城市发展的重要资源条件，其承载力水平是影响区域经济发展规划以及城市生态建设的主要因素之一^[1]。可将其定义为在某特定区域和经济发展条件下对维护该区域人类活动和经济发展支撑能力的最大值，且该经济发展以保持生态环境为基本原则并具有可预见性和可持续性等特征，结合水资源科学合理配置和高效利用基本理论最终实现人与生态环境的和谐相处^[2]。在可持续发展理论中许多外国学者对水资源承载力进行了研究，如Ding^[3]等对水资源系统的不确定性和变化特征进行研究分析，并探讨了人水之间的复杂关系评价了城市人水和谐状况；黄林楠^[4]等建立了基于产量与均衡因子的评价模型，并将其应用于实际研究；Lei^[5]等通过评价分析多个国家的资源与消耗承载力，探讨了人类社会的可持续发展能力。

在提倡可持续发展与生态文明建设的时代背景下，研究分析水资源能够持续支撑生态、人口与经济发展规模的相关内容已成为目前的热点。国内水文学者对此开展了很多研究，如左其亭^[6]等基于人水和谐理论给出了相应的量化准则；马峰^[7]等以石家庄为例，利用投影寻踪法和MATLAB软件分析了影响该区域承载力的主要因素；周念清^[8]等对宿迁市地下环境状况利用MODFLOW软件进行了模拟，并客观科学的评价其水资源利用现状；段青春^[9]等对水资源承载力利用可支撑合理摸过进行描述，并从复合系统的角度探讨了节水设施的影响作用。

在一定的时空条件下水资源系统具有动态性和相对性的特征，并且在评价承载力时往往存在不确定性和复杂性，因此本文考虑引入承载指数，并用模糊识别理论构建评价模型，分别对各区域历年、规划年承载力水平进行分析，以期为促进该区域社会经济与水资源的合理配置提供一定参考。

1 邯郸市概况

邯郸市位于河北省南部，东临华北平原区域，西接太行山脉，介于东经114°03＇~40＇，北纬36°20＇~44＇范围，占地面积1.2万km²；属于温暖带大陆性季风气候，年平均气温13.5℃，年降水量为560mm且主要集中在汛期。地形地貌以低山丘陵、平原为主，地势高差较大由西向东呈现出阶梯状下降趋势。

邯郸市2015年总人口1049.7万，年均增长率为2.0%，人口在空间分布上极不均匀并以中心城区为主，主要下辖一市、四区、14个县。全市生产总值在2015年达到3145.4亿元，相对于上年增长约6.8%，三产业结构比例为12.8:47.7:39.5。经济的快速发展与人口数量的急剧增加对该区域水资源供给能力造成了严重威胁，并对水资源可持续发展提出了挑战^[10]。

2 基于承载指数与模糊识别的承载力评价

2.1 水资源利用潜力

区域水资源开发利用程度可根据水资源负载指数进行评价，因此可根据人口、降水量、农田灌溉与水资源之间的作用关系反映区域现状和未来水资源的开采难易程度。近年来，邯郸市经济发展速度较快，仅仅采用农业灌溉面积并不能全面、客观的反映该区域水资源现状，因此考虑引入国内生产总值指标对负载指数进行求解，如下：

                        （1）

其中：

上式中：——水资源负载指数；

——分别为人口和GDP；

——为降水量、水资源总量及其与降水相关的系数；

对利用潜力可根据负载指数进行等级的划分，然后以邯郸市2015年为基准，结合邯郸市水资源公报、统计年鉴、降水量等数据资料，可进行水资源负载指数的计算。邯郸市各区域2015年水资源负载指数及其等级等级划分如表1所示。

表1 水资源负载指数及分级标准

由上表可以看出，邯郸市下辖的武安市水资源负载指数为2.870，明显大于其他各区域，该区域水资源开发潜力不大，而其他各区域负载指数在0.452~0.937范围均低于1。研究表明，邯郸市下辖的各市、区2015年水资源开发利用程度整体处于较低水平，为进一步提高水资源开发利用水平可考虑兴建中小型水利工程等措施。

2.2 构建模糊识别模型

在一定的时空条件下水资源系统具有动态性和相对性的特征，并且在评价承载力时往往存在模糊性和复杂性，因此对承载力评价时可采用模糊识别法，其主要内容是对相对隶属度、差异度和模糊可变集合的计算分析，具体流程如下：

步骤一：引入n个样本集合为承载力评价对象，并采用m个指标特征值为第j个样本特性，因此可建立作为指标特征值矩阵，其中指标i在样本中的特征值可表示为。根据m个指标识别样本的c个级别标准特征值，则可构造矩阵，作为指标i的标准特征值，其中指标i在h级别下的标准特征值可表示为。

步骤二：根据待评价年份的承载力实际状况和指标标准值矩阵，确定可变集合的范围域矩阵与吸引域矩阵，然后参考评价指标各级别的实际状况，确定点的相对差异度时的矩阵。以点为基准对样本特征值落在该点的左侧或右侧进行识别判断，并对h级别下指标的相对隶属度和差异度进行求解，在满足的条件下联立可变模数识别模型，如下所示：

            （2）

上式中：——非归一化相对隶属度；

——指标权重；

——模型优化准则参数，其值为1、2分别为最小一乘、二乘方准则；

——距离参数，其值为1、2分别对应于明海距离、欧式距离。

步骤三：根据不同的模型优化准则和距离参数可分别设定模糊综合、理想点、神经网络以及模糊优选模型。根据上述非归一化隶属度矩阵可建立综合矩阵，然后经归一化处理可有：

                  （3）

考虑到模糊概念分析时的不适用性特征，可对评价样本利用级别特征根进行评价，矩阵形式如下：

                  （4）

根据判断准则公式和级别特征根对承载力水平进行判断，其中H值位于小于1.0时，应隶属于Ⅰ级，水资源很有承载潜力；H值位于1.0~2.0之间，应隶属于Ⅱ级，水资源有承载潜力；H值在2.0~3.0之间时，应隶属于Ⅲ级，具有一定承载力；H值3.0~4.0之间时，应隶属于Ⅳ级，承载力过大；H值大于等于4.0时，应隶属于Ⅴ级，水资源处于严重超载状态。按照最大隶属度原则和级别特征根，并考虑其他隶属度的影响作用，最终可得到更加全面、客观的评价结果。

2.3 水资源承载力分析

水资源不仅与人类意识形态及活动能力等因素相关，而且还受汽系统自身特性的影响，它是一个涉及多目标、多因素的庞大复杂的综合系统。惠泱河等从承载对象的角度对水资源的供需关系和用水结构进行探讨，所构建的评价指标体系可反映区域用水多少和经济效益主要包括人均日用水量、单位耗水产值、重复利用率等指标；夏军等从影响因素的角度对西北地区水资源承载现状、未来发展趋势利用综合评判法进行评价和对比，建立了有效的指标体系。据此，本文参考我国水资源评价体系、分级标准以及相关资料，本文在遵循可行性、准确性、系统性原则的基础上筛选出了6项代表性承载力指标，然后结合河北省2006~2015年统计年鉴、水资源公报等资料，对哦指标数据值进行提取，结果如表2所示。

表2 水资源承载力指标及特征值

年份	C1（m3）	C2（m3）	C3（m3/hm2）	C4（m3）	C5（%）	C6（10m4/km2）
指标内涵	人均用 水量	万元GDP用水量	农田灌溉单位面积用水量	人均水资源占有量	水资源 利用率	供水 模数
2006	198.5	248.2	130.6	150	146	16.5
2007	167.8	205.4	120.8	385	45	15.2
2008	178.2	152.6	106.8	276	68	16.8
2009	191.6	148.7	140.7	215	90	17.6
2010	188.5	125.6	96.2	228	88	17.2
2011	174.8	90.5	88.7	216	79	15.8
2012	166.2	68.7	73.6	168	92	14.2
2013	168.5	65.4	72.7	190	86	15.5
2014	160.4	47.6	70.5	240	70	15.6
2015	185.2	48.2	72.0	186	85	15.8
Ⅰ级	150	25	25	1000	15	1
Ⅱ级	300	50	50	800	30	5
Ⅲ级	450	100	75	500	50	8
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