瑪納斯河流域水資源承載力模糊評(píng)價(jià)

李文賓，姚阿漫

(長(zhǎng)安大學(xué) 環(huán) 境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西 安710064)

河流作為流域內(nèi)城鄉(xiāng)居民生活、生產(chǎn)、灌溉用水的重要水源，其水資源系統(tǒng)的直接承載對(duì)象是區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，最終承載對(duì)象是人口及其生活質(zhì)量。合理的評(píng)價(jià)流域水資源承載力將為流域內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供保障，對(duì)保護(hù)流域生態(tài)環(huán)境具有重要意義。流域水資源系統(tǒng)是非常復(fù)雜且具有不確定性的系統(tǒng)，對(duì)流域水資源承載力的評(píng)價(jià)方法主要有:多目標(biāo)決策分析法、模糊評(píng)價(jià)法、主成分分析法、常規(guī)趨勢(shì)法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。許鐘民利用多目標(biāo)分析評(píng)價(jià)黑河流域水資源承載力。許有鵬、秦莉云利用模糊綜合評(píng)價(jià)分別對(duì)新疆和田河流域和淮河流域水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)。傅湘采用主成分分析法研究區(qū)域水資源承載力評(píng)價(jià)［1－2］。本文采用物元分析法對(duì)瑪納斯河流域水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期對(duì)流域水資源的開(kāi)發(fā)和水資源優(yōu)化配置提供參考，保障整個(gè)流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的水安全。

1 模糊物元分析法

物元有“事物、特征、量值”三個(gè)要素，如果量值要素具有模糊性，則該物元就是模糊物元。模糊物元分析分為以下6個(gè)步驟［3］:

1)建立復(fù)合物元矩陣。如果事物有n個(gè)特征C1、C2……Cn，相應(yīng)的量值為x1、x2……xn，這時(shí)則形成 n維物元。若有m 個(gè)事物 M1，M2，……，Mm，具有 n 個(gè)共同的特征 C1、C2……Cn及對(duì)應(yīng)的模糊量值 x1、x2……xn，則構(gòu)成某個(gè)事物的 n維復(fù)合模糊物元。

2)建立從優(yōu)隸屬度模糊物元。為了將模糊物元矩陣變化為隸屬度矩陣，需要引用從優(yōu)原則，從優(yōu)原則的計(jì)算模式如下:

越大越優(yōu)的指標(biāo)，其變換公式為:μij=xij/maxxij(2)

越小越優(yōu)的指標(biāo)，其變換公式為:μij=minxij/xij(3)

越接近某個(gè)常數(shù)越優(yōu)的指標(biāo)，其變換公式:μij=min(xij，u0)/max(xij，u0) (4)

根據(jù)計(jì)算公式可得到從優(yōu)隸屬度模糊物元Rμij。

3)建立標(biāo)準(zhǔn)模糊物元與差平方復(fù)合物元。模糊物元最終要依靠貼近度來(lái)判斷被評(píng)價(jià)對(duì)象與標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系，從而確定評(píng)價(jià)等級(jí)。因此需要構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)樣本n維模糊物元R0n，其中各項(xiàng)μ0i為Rμij內(nèi)評(píng)價(jià)樣本從優(yōu)隸屬度中的最大值。則差平方復(fù)合物RΔ元中各項(xiàng):

Δij=(μ0i－μij) (5)

4)確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重。變異系數(shù)法［4］是一種直接利用各項(xiàng)指標(biāo)所包含的信息求權(quán)重的客觀賦權(quán)法。變異系數(shù)是衡量評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)測(cè)值變異程度的另一個(gè)統(tǒng)計(jì)量。由于流域水資源承載力的評(píng)價(jià)指標(biāo)的量綱不同，所以變異系數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)差與平均數(shù)的比值(相對(duì)值)來(lái)比較。第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的變異系數(shù)為:

其中:σi表示標(biāo)準(zhǔn)差，xi表示平均值。

其權(quán)重則為:

5)構(gòu)建貼近度復(fù)合模糊物元。歐氏貼近度表示了被評(píng)價(jià)樣本和標(biāo)準(zhǔn)間的接近程度，其值越大兩者越接近，反之，兩者接近程度差。歐氏貼近度復(fù)合模糊物元:

6)判定等級(jí)。根據(jù)以上計(jì)算出的各評(píng)價(jià)對(duì)象的歐氏貼近度和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的歐氏貼近度，對(duì)其進(jìn)行比較排序，根據(jù)其大小關(guān)系確定評(píng)價(jià)等級(jí)。

2 瑪納斯河水資源承載力模糊評(píng)價(jià)

2.1 流域概況

瑪納斯河流域位于新疆天山北麓的準(zhǔn)噶爾盆地，東起塔西河，西至巴音溝河，南從天山分水嶺，北到瑪納斯湖，總面積約為1.76×104km。行政區(qū)包括昌吉州的瑪納斯縣，塔城地區(qū)的沙灣縣，石河子市，農(nóng)八師等。作為一條干旱區(qū)的內(nèi)流河，瑪納斯河流對(duì)流域內(nèi)的人民生活、工業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)保護(hù)提供了用水保障，瑪納斯河水資源承載力的評(píng)價(jià)對(duì)整個(gè)流域水資源可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

2.2 流域水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

根據(jù)已有的研究成果，結(jié)合流域內(nèi)實(shí)際情況和評(píng)價(jià)指標(biāo)的可獲取性，選取水資源利用率C1(%)、城市化率C2(%)、灌溉率 C3(%)、供水模數(shù) C4(104/km2)、缺水率 C5(%)、生態(tài)需水指數(shù)C6、和單位水量負(fù)荷C7(人/104m3)七個(gè)指標(biāo)構(gòu)成評(píng)價(jià)流域水資源承載力的指標(biāo)體系?，敿{斯河流域水資源承載力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。1級(jí)表示流域水資源承載力較強(qiáng)，2級(jí)表示流域水資源承載力為中等，3級(jí)表示流域水資源承載力較差，已接近飽和值，如果持續(xù)這種狀態(tài)，區(qū)域?qū)l(fā)生水資源短缺。

表1 瑪納斯河流域水資源承載力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

本次研究選取2005、2010年和2015年作為評(píng)價(jià)年份，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。其中2010年作為現(xiàn)狀年，2005年作為對(duì)比年份，2015年數(shù)據(jù)為預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。

表2 瑪納斯河流域水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.3 計(jì)算過(guò)程

1)復(fù)合模糊物元矩陣

2)從優(yōu)隸屬度模糊物元

3)標(biāo)準(zhǔn)模糊物元與差平方復(fù)合物元

4)利用變異系數(shù)法由式(6)－(7)得個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重為:

2.4 結(jié)果分析

由歐氏貼近度排序結(jié)果可看出，2005年瑪納斯河流域水資源綜合承載力屬于1級(jí)，2010年和2015年瑪納斯河流域水資源承載力屬于2級(jí)。但是，兩者雖都屬于2級(jí)的范疇，2010年更貼近2級(jí)，2015年有向3級(jí)貼近的趨勢(shì)，2010年瑪納斯河流域水資源承載力較2015年強(qiáng)。并將評(píng)價(jià)結(jié)果與文獻(xiàn)［5］的結(jié)果比較，結(jié)果相符。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)瑪納斯河2005年、2010年和2015年的流域水資源承載力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，基于變異系數(shù)法的模糊物元分析解決了權(quán)重和分級(jí)邊界模糊的問(wèn)題，能夠合理的評(píng)價(jià)流域水資源承載力。結(jié)果顯示，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，瑪納斯河流域的水資源開(kāi)發(fā)程度在不斷加強(qiáng)，其開(kāi)發(fā)利用也具有了相當(dāng)?shù)囊?guī)模，流域水資源承載力呈下降趨勢(shì)。應(yīng)當(dāng)采取措施加強(qiáng)區(qū)域水資源開(kāi)發(fā)利用規(guī)劃和管理，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化水資源配置，防止流域水資源發(fā)生短缺。

［1］許有鵬.干旱地區(qū)水資源承載力綜合評(píng)價(jià)［J］.自然資源學(xué)報(bào).1993，8(3):229 －237.

［2］陳守煜.復(fù)雜水資源系統(tǒng)優(yōu)化模糊識(shí)別理論與應(yīng)用［M］.吉林:吉林大學(xué)出版社.2002:281－283.

［3］蔡文.物元模型及應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社.1994.

［4］賈玲玲.條件變異系數(shù)的非參數(shù)估計(jì)方法［D］.濟(jì)南:山東大學(xué).2006.

［5］趙寶峰.干旱區(qū)水資源特征及其合理開(kāi)發(fā)模式研究—以瑪納斯河流域?yàn)槔跠］.陜西:長(zhǎng)安大學(xué).2010.