水安全是一个国家或地区实际占有水资源数量、质量和供给结构,能够稳定、持续、及时与足量地保障该国(或地区) 社会、经济当前的发展需求和可持续发展需要的状态和能力〔1～7〕。我国西部地区是众多大河的源头,但由于恶劣的自然条件和过度的人类活动干扰,水资源形势极为严峻,时空分布不均,供需矛盾突出,水污染进一步加剧了水资源短缺,水资源已经成为关系到人类生存和社会可持续发展的战略问题,水安全问题的研究和解决迫在眉睫。考虑到区域水安全问题是多维因素的综合体,需要经过单因素的小综合到多因素的大综合对其进行评价,因此单因素评价无法得出以地域为单位的水安全状况的综合评语。20 世纪80 年代蔡文创立的可拓学恰能很好地解决这个问题,它是定性和定量结合的有力工具,已经在众多领域得到了成功运用〔8～12〕,同时也为水安全的综合评价提供了新的途径。本文在对水安全的概念进行充分理解的基础上,根据P - S - R 概念模型,构建中国西部地区水安全评价指标体系,并且把物元理论和可拓集合的原理及方法运用于区域水安全度的评价,从而建立物元评判模型,为我国西部地区水安全状况进行综合的实例评价。
1 多指标综合评价的物元模型
水安全多指标综合评价的物元分析方法分为4步(图1) 。基于物元理论和综合评价的基本原理,用可拓集合关联度的大小描述各种特征参数和研究对象的从属关系,从而把渐变分类关系由定性描述扩展为定量描述。对要评价的水安全等级,记为事物M ; 把反映水安全环境质量的n 个指标,看成是特征C = ( c1 , c2 , ?, cn ) T ;关于特征C 的量值,记为X = ( x1 , x2 , ?, x n ) T 。以有序三元R = ( M , C ,X) 组作为物元, 即
式中: xi 为M 关于ci 的量值, i = 1 ,2 , ?, n〔13〕。
1. 1 综合评价指标体系的建立
将水安全保护和建设的思想从理论阶段推进到可操作的应用阶段必须有一系列的指标支持,即落实到指标体系〔14〕。单纯的水资源量和水污染指标显然不能准确、全面地反映水资源、经济、社会和人口所构成的复合系统的状态,为了对区域的水安全状况进行全面的分析和诊断,必须尽可能全面地选取能反映区域水安全信息的指标。本研究利用P -S - R 模型可以将某一类环境问题表达成3 个不同、但又相互关联的指标类型:压力指标、状态指标和响应指标。其中,压力指标反映人类活动给环境造成的负荷;状态指标反映环境质量、自然资源和生态系统的状况;响应指标表征人类面临环境问题所采取的对策与措施。P - S - R 模型从人类与环境系统的相互作用与影响出发,对环境指标进行组织分类,具有很强的系统性。本研究根据P - S - R 模型〔15〕,从水安全压力、状态和响应3 个角度出发,综合考虑水资源供需状况、水环境、粮食安全、灾害控制等方面〔16 ,17〕,选取了21 个反映区域水安全的指标(表1) 。
本研究通过专家咨询和资料查阅确定各项指标在体系中的相对重要性,采用层次分析法(Analytical Hierarchy Process ,简称AHP 法) 计算得到各级指标的权重(表1) ,并且为保持可比性,对不同研究区采用相同的指标权重。该方法是美国运筹学家萨迪教授于20 世纪70 年代初,应用网络系统理论和多目标综合评价方法提出的一种层次权重决策分析方法〔18〕。它是将决策有关的元素分解成目标、准则、方案等层次,在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法。作为一种十分有效的系统分析方法,该方法广泛地应用在能源开发利用、水资源分析利用等方面〔19〕。
1. 2 确定经典域、节域和待判物元
按照水安全程度由高到低分为: Ⅰ级(安全) 、Ⅱ级(临界安全) 、Ⅲ级(不安全) 、Ⅳ级(极度不安全) ,从而辨识这个概念的层次关系。首先,将水安全度定量地概述为: 设P = { Ⅰ级→Ⅱ级→Ⅲ级→Ⅳ级} , N01 = { Ⅰ级} , N02 = { Ⅱ级} , N03 = { Ⅲ级} ,N04 = { Ⅳ级} ,则N01 , N02 , N03 , N04 ∈P ,对P集合中的任一元素p ,判断p 属于N01 , N02 , N03 或N04 ,并计算隶属的程度〔20〕。
节域物元和经典域物元的构建是建模的关键,其临界值是根据各地区各个指标水平及其相关关系分析得出(表2) ,具有重要的水资源规划指导意义。
待判物元为:
1. 3 计算待判标本p 与各个评价等级N0 j 的关联度Kj ( vi )
各个指标值到各评价等级范围值的距:
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}
在此基础上,计算待判标本p 与各个评价等级N0 j 的单项指标关联函数Kj ( vi ) :
若Km ( vi ) = max Kj ( vi ) , m ∈{1 ,2 , ?, j}则判定待判标本p 当中的指标vi 属于评价等级N0 m ;若Km ( vi ) ≤0 ,则表示vi 不属于评价等级N0 m 。
在计算待判标本p 与各个评价等级N0 j 的单项指标关联函数Kj ( vi ) 的基础上,得出p 与多项指标综合关联度Kj ( V ) :
式中: Kj ( V) 表示p 属于各评价等级N0 j的程度。若Km ( V) = max Kj ( V) , j ∈{1 ,2 ,3 ,4} , m ∈{1 ,2 ,?, j}则判定待判标本p 属于评价等级N0 m 。若对一切j , Km ( V) ≤0 ,则表示p 不属于评价等级N0 m 。
2 实例分析
2. 1 实例评价
以陕西省和云南省为例。将待判标本的原始指标值输入已建成的物元评判模型,进而可算得该样本与各评价等级的单指标关联度、多指标综合关联度以及相应的评价结果(表3) 。
2. 2 结果分析
结合上述评价结果和2 个地区的水资源实际状况进行结果分析:
(1) 从水安全状态和2 个子系统的评价可以看出,由于地域条件不同,陕西省有大面积的土地受干旱半干旱气候和对地表径流调蓄能力差等因素的影响,年平均产水模数与丰水地区相比相差甚远,水资源贫乏,且时空分布不均〔21〕;而云南省水资源相对丰富〔22〕,但2 个区域都存在水资源开发利用和保护相对滞后的问题。因此,引发了粮食减产、社会不稳定、阻碍经济发展、影响人民生活等一系列生产、生活问题〔23 ,24〕。
(2) 粮食安全水平低。从灌溉率、人均用水量、农业用水定额和万元GDP 用水量等单指标的评价结果来看,2 省用水结构和用水方式尚属合理,但实际上从整个社会来说,农田灌溉率虽有保障,但灌区普遍存在工程设施标准低、配套不全、调蓄能力差等问题,用水中普遍缺乏节水意识,水资源浪费较为严重。为改变这种现象应该增强节水意识,提高水资源利用效率, 特别是陕西省应大力发展节水灌溉〔25〕。
(3) 2 省的单位面积COD 排放量均在安全范围内,但是废水处理排放达标率却都很低,安全度为Ⅳ 级。这一方面,表明西部地区工业发达程度不高,经济尚欠发展,工业污染未对整体水环境造成太大的影响;另一方面,也表明西部地区的环境工程意识不强,缺乏利用环境工程手段将生产、生活中形成的不良环境效应去除的意识。
综上所述,陕西省是资源型缺水、水质型缺水和工程型缺水并存,不论是水资源总量、人均占有量和每公顷水资源量,还是饮用水水质和河流水质,或水利工程和水资源保护措施的实施,都是不安全的,已经严重阻碍社会经济发展,其水安全问题的改善迫在眉睫,应与生态保护相协调,从开源节流、改善水质、加强水利建设做起; 云南省属于工程型缺水地区,水资源量虽然丰富,但是受自然条件制约,开发利用难度高,且水资源开发利用和保护力度不够,已经造成水质恶化、水环境污染、自然灾害日益严重的趋势,应大力加强水利工程措施和污水处理设施建设,提高防灾防污能力。
3 结 论
本文用物元评判方法评价中国西部地区水安全,具有一定的可行性和实用性。水安全评价的界线模糊,一般的评价方法很难客观地确定水安全度,而物元评判模型首先在设计中保证了单指标识别的合理性,加之在权重分配中采用层次分析法,使评价指标逻辑判断量化,且保持判断思维全过程的一致性,模型评价结果是科学、客观和精确的。加之可拓数学的关联函数能揭示更多的分异信息,具有广泛的应用价值。
通过分析物元评判结果,得出陕西省属于资源型、水质型兼工程型缺水,而云南省则是工程型缺水地区。该结论对区域水资源的合理分配和安全利用,以及下一步水安全保障体系的建设提供了新的理论依据和技术指导。要改善西部地区水安全状况,核心是提高用水效率,建设节水型社会,并以节流优先、治污为本、多渠道开源为指导原则,建立水资源供给、高效利用体系和水资源安全保障体系,实现人水和谐相处,保障水资源安全,为全面建设和谐社会提供水资源保障。
由于物元评判模型方法在水安全评价中的运用尚处于探索阶段,在指标权重赋值、量值范围确定以及关联度计算等方面有待于进一步深入研究。
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