基于模糊划分理论的山西省多层次水资源系统评价

　　摘要：针对山西省水资源系统存在的水资源短缺、节水潜力挖掘不足、河川基流不能保障和地下水超采严重等问题，构建多层次水资源系统矩阵，以最严格水资源管理、节水评价技术要求和地下水压采计划等为依据选取各个指标的模糊评判标准，采用改进的模糊划分隶属函数模型，逐层计算山西省水资源系统3个子系统14个指标154个因子对应于劣、中、优模糊等级的隶属度，得出3个子系统16个指标11个地市的排序结果及综合系统的3个子系统11个地市的模糊级别和排序结果。结果表明，太原、晋中和运城水资源综合评价模糊级别较差，其余地市相对较好。

　　关键词：模糊划分理论;隶属度;高质量发展;水资源系统;水资源开发;水资源节约;水资源保护

　　1引言

　　山西省为极度缺水的省份，人均拥有水资源量323m3。超指标取用地下水、大量发展高耗水产业、河湖污染严重和地下水超采、岩溶泉断流等问题严重。为贯彻落实“加强生态环境保护、推进水资源节约集约利用和黄河流域高质量发展”重要精神，科学有效地制定山西省水资源高质量发展规划，完善区域内水资源系统的空间布局，有必要客观、全面地评价山西省水资源系统。目前，水资源评价常见方法有灰色关联法[1]、神经网络评价法[2]、模糊综合评价法[3]等。

　　其中灰色关联法和神经网络法适合缺少标准约束的情况，通过数据间的关联推理完成，更适用于时空预测;模糊数学方法适用于具有定量评判标准，相关指标比较复杂的水资源系统评价。本文在水文水资源系统模糊识别理论[3]的基础上，以山西省水资源高质量发展和山西省节水型社会“十四五”规划为基础研究内容，构建小区间的多层变权重模糊评价模型，选择子系统和评价指标时针对山西省水资源系统存在的突出问题，选择评价标准时综合考虑国家和山西省在水资源发展和管理方面开发、节约和保护的严格要求，旨在为水资源系统发展的宏观决策和水资源指标的微观管理提供可靠的技术支撑。

　　2研究方法

　　2.1评价体系构建

　　遵循全面性、层次性、客观性的原则，基于山西省水资源系统复杂性和层次性的特点，重视当前节水优先及水生态保护的要求，构建多层次的水资源评价体系。本文选取水资源开发利用子系统X1、水资源节约子系统X2、水资源保护子系统X3共3个子系统。设水资源系统为X，子系统为Xk，则：X=(Xk)(1)Xk=()xi，j(2)式中，k为子系统排序，k=1，2，…，b，本文选取3个子系统，b=3;xi，j为第i个指标第j个因子的数值;i为第k子系统第i个指标的排序，i=1，2，…，m，不同子系统的m取值不同;j为第k子系统第j个因子的排序，j=1，2，…，n，不同子系统n取值相同(11个地市)。

　　2.2评价指标选取

　　针对山西省水资源系统存在的问题选取各个子系统的评价指标，其中水资源开发利用子系统X1选4个指标(m=4)，水资源节约子系统X2选5个指标(m=5)，水资源保护子系统X3选5个指标(m=5)。人均水资源量、地表水资源开发利用率和地下水资源开发利用率依据《山西省第三次水资源评价》初步成果和《山西省水资源公报》[5]计算得出;地下水超采区依据《山西省人民政府办公厅关于加强地下水管理与保护工作的通知》[6]中各地市超采面积;其余数据均来自2018年《山西省水资源公报》。

　　2.3各指标模糊评价

　　对水资源系统X的3个子系统Xk的各个指标分别对照各自的标准进行评价，评价结果用隶属于模糊级别劣、中、优的隶属度描述。由此计算系统综合评价的权重，作为针对存在问题微观控制各项指标的依据。

　　2.3.1构建模糊评判矩阵

　　模糊评判矩阵为不同子系统、不同指标相对于不同模糊级别的评价标准矩阵：Yk=()yi，h(3)式中，Yk为第k个子系统的模糊评判标准矩阵;yi，h为第k个子系统第i个指标对应于第h个模糊级别的评判标准;h为模糊评判级别序号，h=1，2，…，c，本文模糊评价分为3级，c=3。2.3.2计算模糊评判矩阵步骤1人均水资源标准参考联合国系统制定的缺水标准，选择难以维持生存标准300m3/人、极度缺水500m3/人和中度缺水1000m3/人。步骤2地表水开发利用率、城乡生态用水利用率和城市污水排放率标准根据《2018年中国水资源公报》北方6区、黄河流域和海河流域的数据，选取最小数值为劣级，平均数值为中级，全国平均数值为优级。

　　步骤3农业灌溉每公顷取水量、节水灌溉率、万元工业增加值取水量标准均依据《规划建设项目节水评价技术要求》附表中统计数据，全国最劣值、华北分区的平均值和先进值分别代表劣、中和优的标准。步骤4城镇居民生活和农村居民生活人均日用水量，依据山西省用水定额中特大城市、大城市和中等城市的定额。步骤5地下水超采面积比率，依据《山西省人民政府关于山西省地下水超采区综合治理实施方案(2018～2020年度)的批复》中的实施目标。步骤6地下水占农业灌溉取水比率和地下水占工业生产取水比率的标准，依据山西省到2025年压采地下水7×108m3，2030年压采地下水9×108m3的压采计划分级确定。步骤7外调水利用率标准依据《关于开展山西大水网县域供水规划设计工作的通知》黄河干流水分配到相关地市的结果分级确定。

　　2.3.3指标隶属函数的选用

　　本文在《水文水资源系统模糊识别理论》[3]中隶属函数公式的基础上进行改进，将原隶属函数改进为划小区间的隶属函数。对于数值越大模糊级别越优的指标(如人均水资源量、节水灌溉率)。

　　2.4水资源综合系统模糊评价

　　水资源综合系统不同子系统存在指标之间涵义跨度大、量纲不一致、评判标准依据来源不统一等问题，因此不能用以往简单的模糊聚类分析方法进行评价，应采用考虑不同子系统不同指标的小区间变权重进行评价。

　　①水资源开发利用子系统中阳泉、晋城、忻州、吕梁和临汾模糊级别优的隶属度较大，太原、大同、长治、朔州、晋中、运城模糊级别中的隶属度较大。②水资源节约子系统中大同、长治、晋城、朔州、忻州、吕梁、晋中、临汾、运城模糊级别优的隶属度较大;太原和阳泉模糊级别劣的隶属度较大。③水资源保护方面，晋城、忻州、临汾模糊级别优的隶属度大;阳泉、长治、吕梁、运城模糊级别中的隶属度较大;太原、大同、朔州和晋中模糊级别劣的隶属度偏大。

　　太原、晋中、运城水资源综合评价模糊级别较差，其余地市相对较好，但这只是地市间的相对比较，全省水资源系统仍存在各种问题。由此建议：①针对全省普遍缺水的现状，优化配置水资源，充分利用非传统水源，优先使用当地地表水，采用跨流域调水替代地下水。

　　②每公顷灌溉取水量高的太原、阳泉、忻州、吕梁和临汾，节水灌溉率低的忻州、朔州和运城，应加快农业高效节水的发展步伐;针对全省万元工业增加值取水量均高于华北区先进水平的现状，应调整产业结构，限制高耗水产业发展;对城镇居民生活日用水量高的太原和阳泉等地应控制人口高速增长。③地下水超采较严重的太原、大同、晋中、晋城、运城等地区，应加大地下水超采区综合治理和岩溶大泉保护力度;各地均应加强废污水和矿坑水的处理及回用。

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　　3结论

　　a.从水资源开发、节约和保护出发，所选指标突出山西省水资源的短板，依据国家和山西省对水资源的定量约束，构建模糊评判矩阵，采用小区间多层次计算隶属度，比简单的模糊聚类方法更加客观科学。

　　b.本文方法对其他区域水资源评价有借鉴作用，但地市分区相对宏观，应对县域分区进行深入研究。

　　参考文献：

　　[1]王先庆，李博，郑建.基于灰色关联-网络层次分析模型的水资源安全综合评价[J].南水北调与水利科技，2019，17(4)：87-93.

　　[2]余金龙.基于BP神经网络的水环境承载力研究[D].宁夏：宁夏大学，2018.

　　[3]陈守煜.水文水资源系统模糊识别理论[M]，大连：大连理工大学出版社，1992

　　作者：杨士荣，狄帆