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上海市水资源承载力的评价分析_地理信息系统(GIS)

时间:2013-05-15  作者:彭海琴,李娟,马晋,何国富

论文导读::随着上海市房价每天突破性的上涨。上海市水资源承载力的评价分析。
论文关键词:水资源承载力,多级综合评价模型,地理信息系统(GIS),上海市
 

1.引言

水资源是人类社会不可替代的重要资源。随着水资源短缺形势的日益严峻, 时空分布不均匀, 人口、生产力、资源的匹配状况不理想、生态与环境相对脆弱, 以及在区域水资源的开发利用中存在种种问题,使得区域可持续发展在很大程度上取决于水资源的可持续开发利用。只要对水资源的开发利用不超过其承载能力和环境容量, 水资源就可以持续利用[1]中国学术期刊网。因此水资源承载力的研究十分必要, 有重大的现实意义。

目前,影响区域自然资源承载力的因素是多方面的,而且具有模糊性和层次性. 常用于自然资源承载力评价的方法有:单因素评价法、背景分析法、多因素模糊综合评判法、多目标规划方法、多目标决策分析法等[2-3]。其中模糊综合评判方法已被应用于水资源和土地资源的承载能力评价。但已有文献中自然资源承载能力评价所使用的综合评判方法没有考虑到影响因素的层次性,将不同类型、不同层次的因子罗列在一起所给出的权重结果不能反映实际情况。因此地理信息系统(GIS),本文采用了水资源承载力的多级综合评价模型,该模型不仅考虑了影响因素的模糊性还考虑了其多层次性[4]。同时,将GIS空间数据的分析和存储功能应用于水资源评价中,利用GIS的可视化功能将评价结果表现在图形上,取得了良好的效果。

本文建立了基于GIS技术的多级综合评价模型,以上海市为例,分析了其2008年各个区县的水资源承载力空间变化情况,为上海市水资源的合理利用及区域之间协调发展提供一定的参考价值中国学术期刊网

2.上海市概况

上海现辖18个区,全市总面积为6430.5km2地理信息系统(GIS),是长江三角洲冲积平原的一部分,平均高度为海拔4m 左右,陆地地势总趋势是由东向西低微倾斜。全市水资源总量指逐年可以利用和更新的水量约610.5亿m3[5],多年平均降水量约为1043~1513mm[6]

上海作为中国重要的经济和科技中心,受到水质型水资源短缺的严重挑战[7],另外,随着近年来工农业迅速发展,水资源大量开采利用、浪费以及污染,导致水资源已不能满足全市经济建设和人民生活的需要。为了保证上海市经济的可持续发展和人民生活水平的不断提高地理信息系统(GIS),对上海市水资源承载力进行研究,提出切实可行的措施是十分必要的。

3.水资源承载力评价模型的建立

区域水资源承载力是指在一定时期,某区域在一定的社会经济发展水平下,在维持水资源系统本身完整性和满足生态系统可持续发展对水资源的需求条件下,以保证水资源对社会、经济、人口等方面的支撑为持续增长的前提下,最大可利用水资源对区域社会发展的支撑能力[4]

3.1评价指标的确定

根据水资源承载能力评价指标的选择遵循可测性、可靠性及充分性原则,在前人研究的基础上[2-5],充分考虑上海市水资源开发利用特点和资料的可获取性基础上,以2008年的指标数据为评价标准。最终确定水资源承载力评价指标体系由1个总目标层地理信息系统(GIS),3个准则层,8项评价指标组成,具体评价指标体系如表1所示,各区的评价指标值来源于《上海统计年鉴2009》和《2009年上海市水资源公报》中国学术期刊网。

表1 评价指标体系

Table 1 Evaluation index system

 

目标层

准则层

因素层

上海市水资

源承载力评价

经济因素(v1)

u11:人均GDP(元)

u12:三产比重(%)

u13:人口密度(人/平方公里)

生态环境因素(v2)

u21:绿化覆盖率(%)

u22:污水处理能力(万m3/d)

水资源因素(v3)

u31:火电工业用水量(万m3/年)

u32:原水工程人均水资源量(m3/人)

u33:水厂供应能力(万m3/d)

3.2评价模型的建立

设有m个影响因素,得到影响因素集合为:V ={ v1 ,v2 ,… vm },而vi又有n个影响因素,再进行划分地理信息系统(GIS),则vi= { ui1,ui2 ,… uin },依次类推,可以根据需要继续下去。本文将评价指标划分了两层,采用多目标线性加权函数法,二级综合评判模型的数学表达如下[37]

(1)

式中:D—— 一级和二级综合评分值

W—— 一级影响因子和二级影响因子的权重

U ij—— 二级影响因子

V ij—— 一级影响因子

3.3评价指标的标准化处理

在区域水资源可持续利用综合评价的指标体系中,一是对可持续利用起正作用的指标,如年降水量、人均GDP、原水工程供水模数等;二是对可持续利用起负作用的指标地理信息系统(GIS),如万元GDP用水量、万元工业增加值用水量等,这种指标越小越好,因此应采取不同无量纲化方法[49]

对可持续发展起正作用的指标,其无量纲化方法如下: (2)

对可持续利用起负作用的指标,其无量纲化方法为: (3)

式中 Z ij—指标的无量纲值且0≤Zij≤1;ujmax、ujmin —指标的最大值、最小值。

因此,根据上述公式可以计算出各区评价指标的标准化值及经济、环境、水资源D值,见表2。

表2 各区县评价指标的标准化值及各区县经济、环境、水资源D值

Table 2 The value of Standardized evaluation of all districts and counties and the value D ofeconomy, environment, water resource of all districts and counties

 

地区

人均GDP

三产比重

人口密度

各区经济D值

绿化覆盖率

污水处理能力

各区生态环境D值

火电工业用水量

原水工程人均水资源量

水厂供应能力

各区水资源D值

浦东新区

0.823

0.401

0.879

0.6677

0.761

1.000

0.8716

0.000

0.429

1.000

0.4025

黄浦区

1.000

0.966

0.000

0.6508

0.000

0.809

0.3748

1.000

0.429

0.161

0.6013

卢湾区

0.739

1.000

0.218

0.6720

0.102

0.039

0.0728

1.000

0.429

0.010

0.5591

徐汇区

0.562

0.789

0.595

0.6667

0.295

0.038

0.1759

1.000

0.429

0.415

0.6720

长宁区

0.464

0.907

0.606

0.6947

0.417

0.016

0.2316

1.000

0.429

0.235

0.6219

静安区

0.872

0.944

0.224

0.6845

0.091

0.035

0.0651

1.000

0.429

0.000

0.5565

普陀区

0.428

0.773

0.551

0.6113

0.198

0.010

0.1113

1.000

0.429

0.166

0.6026

闸北区

0.271

0.794

0.419

0.5368

0.150

0.089

0.1217

1.000

0.429

0.067

0.5752

虹口区

0.705

0.870

0.237

0.6165

0.149

0.010

0.0846

1.000

0.429

0.078

0.5781

杨浦区

0.363

0.225

0.554

0.3700

0.149

0.000

0.0802

0.860

0.429

0.197

0.5506

宝山区

0.566

0.049

0.892

0.4617

0.651

0.175

0.4307

0.004

0.429

0.258

0.1982

闵行区

0.415

0.018

0.900

0.4133

0.880

0.023

0.4828

0.230

0.121

0.440

0.2568

嘉定区

0.427

0.039

0.961

0.4457

0.805

0.089

0.4732

1.000

0.295

0.160

0.5620

金山区

0.277

0.061

0.988

0.4259

0.598

0.131

0.3817

1.000

0.000

0.151

0.4739

松江区

0.477

0.000

0.972

0.4459

0.707

0.134

0.4421

1.000

0.129

0.174

0.5176

青浦区

0.399

0.126

0.986

0.4828

0.813

0.082

0.4744

1.000

0.145

0.151

0.5158

奉贤区

0.264

0.028

0.986

0.4083

1.000

0.080

0.5742

0.993

0.203

0.151

0.5295

崇明县

0.000

0.134

1.000

0.3905

0.532

0.014

0.2920

0.952

1.000

0.086

0.7253

注:原水工程年供水量和自来水厂到各区供应量均按人口所占比重计算

3.4评价指标权重的确定

本文采用均方差决策综合分析方法来确定指标权重。该方法的基本思路是:以各评价指标为随机变量,各方案在指标的无量纲化的属性值为该随机变量的取值,首先求出这些随机变量的均方差,将这些均方差归一化地理信息系统(GIS),其结果即为各指标的权重系数[9],该方法的计算步骤为:

(1)求随机变量的均值E()

(4)

(2)求的均方差

地理信息系统(GIS)(5)

(3)求指标的权重系数

(6)

因此,根据上述公式可以计算出各项评价指标的权重系数,见表3。

表3各评价指标的权重系数计算表

Table 3 The weight of every evaluation index calculating coefficienttable

 

评价指标

v1

v2

v3

u11

u12

u13

u21

u22

u31

u32

u33

一级权重

0.414

0.308

0.278

二级权重

0.252

0.413

0.335

0.537

0.463

0.432

0.29

0.278

3.5综合评价分级值

本文参照前人研究的基础上,将综合评价分为三个等级D=[D1,D2,D3],其中D1表示该区仍有较大的承载能力:D3表示水资源的承载能力己接近饱和值,进一步开发利用的潜力较小;D2介于D1和D3之间地理信息系统(GIS),表示该区水资源开发利用已有相当规模,但仍有一定的开发潜力中国学术期刊网。具体分级值见表4所示。

 

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