層次分析法-熵權(quán)法評(píng)價(jià)鄂托克旗地下水灌溉承載力

張 斌 鹿海員 高瑞忠

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018;2.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

水資源承載力是分析一個(gè)國(guó)家或地區(qū)水資源開(kāi)發(fā)利用狀況的重要參考指標(biāo),地下水資源承載力是水資源承載力研究的重要組成部分,是指在一定發(fā)展階段下,以可預(yù)見(jiàn)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展水平為依據(jù),以可持續(xù)發(fā)展為原則,以地下水最大可利用量為前提,地下水資源對(duì)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最大支撐能力[1]。

目前,關(guān)于水資源承載能力的研究方法主要有常規(guī)趨勢(shì)法、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法、多目標(biāo)分析法[2]等。本文以鄂托克旗地下水灌溉承載力分析為研究對(duì)象,以嘎查(村)為單元,結(jié)合鄂托克旗的地下水資源利用特點(diǎn),構(gòu)建了適用于鄂托克旗的地下水灌溉承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并運(yùn)用層次分析法-熵權(quán)法對(duì)地下水灌溉承載力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),同時(shí)提出水資源利用對(duì)策及建議,為該地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及地下水資源可持續(xù)利用提供科學(xué)的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理概況

鄂托克旗位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市西部,總面積約20383.44km2,下轄4鎮(zhèn)2蘇木。區(qū)域地勢(shì)西北高、東南低,以波狀高原為主。屬中溫帶干旱、半干旱大陸性氣候區(qū),多年平均年降水量271.9mm,多年平均年蒸發(fā)量2359.1mm。

根據(jù)2020年鄂托克旗統(tǒng)計(jì)年鑒,常住人口為16.27萬(wàn),其中城鎮(zhèn)人口12.88萬(wàn),農(nóng)村人口3.39萬(wàn),城鎮(zhèn)化率79.16%。

鄂托克旗的地下水灌溉面積為61.94萬(wàn)畝,土地面積為3053.55萬(wàn)畝,灌溉面積占比2.03%,其中噴灌面積15.80萬(wàn)畝,微灌面積44.34萬(wàn)畝,低壓管灌面積1.80萬(wàn)畝。

本文以鄂托克旗各嘎查(村)為單元開(kāi)展承載力評(píng)估,研究區(qū)域共有72個(gè)使用地下水灌溉的嘎查(村)。

1.2 水資源利用現(xiàn)狀

鄂托克旗共有4個(gè)主要供水水源,供水現(xiàn)狀見(jiàn)表1。從表1中可以看出,地下水是供水的主要來(lái)源,占供水量的60.66%;黃河水次之,占供水量的31.97%。數(shù)據(jù)來(lái)源于鄂托克旗水利局相關(guān)資料及水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所實(shí)地考察項(xiàng)目。

表1 水資源供水類(lèi)型現(xiàn)狀

2 研究方法

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的選取

本文參考金菊良等的研究成果[3],結(jié)合層級(jí)劃分的原則和地下水灌溉用水特點(diǎn)[4-5],構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,見(jiàn)表2。

表2 地下水灌溉承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

按照與地下水灌溉水資源承載的物理過(guò)程相關(guān)的影響因素,將水資源承載力系統(tǒng)劃分為以下3個(gè)子系統(tǒng)。

a.支撐力子系統(tǒng):主要反映區(qū)域與地下水灌溉相關(guān)的自然條件和區(qū)域本地水資源條件。

b.壓力子系統(tǒng):主要反映社會(huì)發(fā)展水平給水資源系統(tǒng)帶來(lái)的壓力。

c.調(diào)控力子系統(tǒng):從工程、技術(shù)和管理等方面反映灌溉用水水平及水資源承載的調(diào)控能力。

2.2 評(píng)價(jià)方法

科學(xué)合理地判定和計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重,對(duì)研究目標(biāo)量化結(jié)果的準(zhǔn)確可信度具有重要作用。目前對(duì)計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的獲取,多采用主觀結(jié)合客觀的方法,主觀性和客觀性相互彌補(bǔ),從而獲得更為直觀和準(zhǔn)確的指標(biāo)權(quán)重。本文以層次分析法-熵權(quán)法相結(jié)合求得綜合權(quán)重。

2.2.1 層次分析法

層次分析法主要依據(jù)yaahp軟件,通過(guò)專(zhuān)家打分判斷指標(biāo)相互間的重要性,在一定程度上受評(píng)判專(zhuān)家的認(rèn)知干擾,存在人為主觀性因素干擾[6]。

層次分析法計(jì)算權(quán)重的步驟如下:

a.構(gòu)建判斷矩陣。通過(guò)邀請(qǐng)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜?以調(diào)查問(wèn)卷形式對(duì)構(gòu)建的地下水灌溉承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系各層級(jí)進(jìn)行打分,構(gòu)成判斷矩陣。

b.通過(guò)算術(shù)平均法計(jì)算權(quán)重。

將判斷矩陣的每一列歸一化,即

(1)

對(duì)歸一化后的判斷矩陣的每一行求和,得到向量mi:

(2)

對(duì)向量mi進(jìn)行歸一化處理,得到最大特征值向量αi:

(3)

計(jì)算本層內(nèi)要素的權(quán)重Wi:

(4)

(5)

c.計(jì)算最大特征根λmax,并進(jìn)行一致性檢驗(yàn):

(6)

(7)

(8)

式中:λmax為最大特征根;A為判斷矩陣;CI為一致性指標(biāo);CR為隨機(jī)一致性比率;RI為矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。

當(dāng)計(jì)算所得CR<0.1時(shí),則可以判定為判斷矩陣A具有比較滿(mǎn)意的一致性,或者此矩陣的不一致性在可以接受的范圍之內(nèi),判定矩陣通過(guò)一致性檢驗(yàn);當(dāng)CR>0.1時(shí),需要調(diào)整判斷矩陣A中的取值,并重復(fù)上述步驟,對(duì)判斷矩陣重新進(jìn)行一致性檢驗(yàn),直到符合CR<0.1的要求,滿(mǎn)足一致性檢驗(yàn)[7]。

2.2.2 熵權(quán)法

熵權(quán)法主要是根據(jù)樣本數(shù)據(jù)在各評(píng)價(jià)對(duì)象中的差異性來(lái)確定權(quán)重,是常見(jiàn)的一種客觀賦權(quán)法,人為主觀因素相對(duì)少,評(píng)價(jià)結(jié)果具有較高的可信度[8]。利用熵權(quán)法評(píng)價(jià)鄂托克旗地下水灌溉承載力,首先對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,然后通過(guò)熵權(quán)法計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,最后通過(guò)線(xiàn)性加權(quán)法對(duì)鄂托克旗地下水灌溉承載力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[9]。熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)方法,根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)的離散程度,利用信息熵來(lái)確定指標(biāo)權(quán)重[10]。線(xiàn)性加權(quán)法運(yùn)算原理是通過(guò)疊加對(duì)承載力不同影響程度的各評(píng)價(jià)指標(biāo),計(jì)算出一個(gè)綜合值,根據(jù)綜合值對(duì)地下水灌溉承載力進(jìn)行評(píng)價(jià),綜合值越大,承載力越強(qiáng);綜合值越小,承載力越弱。其主要計(jì)算步驟如下:

a.標(biāo)準(zhǔn)化處理。標(biāo)準(zhǔn)化處理是把所有數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)化為[0,1]的數(shù),其目的是取消各維數(shù)據(jù)間數(shù)量級(jí)差別,為消除負(fù)數(shù)和0的影響,同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平移,見(jiàn)式 (9) 和式(10)。

正向指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化公式:

(9)

負(fù)向指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化公式:

(10)

式中:x(i,j)為第i(i=1,2,…,m)個(gè)樣本的第j(j=1,2,…,n)個(gè)指標(biāo)樣本數(shù)據(jù);xmax(i,j),xmin(i,j)分別為第j個(gè)指標(biāo)值的最大值和最小值;x*(i,j)為第i個(gè)樣本的第j個(gè)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的指標(biāo)值。

b.求取指標(biāo)比重Pij:

(11)

c.求取指標(biāo)熵值ej:

(12)

k=1/lnn

式中:n為行數(shù);0≤ej≤1;當(dāng)Pij=0時(shí),令PijlnPij=0。

d.求取熵權(quán)Wj:

(13)

e.計(jì)算綜合評(píng)價(jià)值Sj:

(14)

3 研究結(jié)果

3.1 一致性檢驗(yàn)結(jié)果

從判斷矩陣一致性檢驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表3)可以看出,判斷矩陣均滿(mǎn)足一致性檢驗(yàn),說(shuō)明層次排序的結(jié)構(gòu)符合數(shù)學(xué)邏輯,結(jié)果較為合理。

表3 判斷矩陣一致性檢驗(yàn)結(jié)果

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)值的獲取

本文用到的地下水資源總量、地下水灌溉可用水量等數(shù)據(jù)來(lái)源于《鄂托克旗水資源公報(bào)2020》,地下水灌溉面積、土地面積等數(shù)據(jù)來(lái)源于《鄂托克旗第三次國(guó)土調(diào)查主要數(shù)據(jù)公報(bào)》,全旗總?cè)丝跀?shù)據(jù)來(lái)源于《鄂托克旗第七次全國(guó)人口普查公報(bào)》,具體到各嘎查的數(shù)據(jù),大多由實(shí)地調(diào)查得到。根據(jù)原始數(shù)據(jù)計(jì)算得到鄂托克旗2020年地下水灌溉承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)值,見(jiàn)表4。

表4 鄂托克旗2020年地下水灌溉承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)值

由表4可以看出,阿爾巴斯蘇木和木凱淖爾鎮(zhèn)的人均灌溉面積較高,可以間接說(shuō)明兩地的地下水資源開(kāi)發(fā)利用率較高,可能形成地下水超采的狀態(tài)。棋盤(pán)井鎮(zhèn)和阿爾巴斯蘇木的地下水管理指數(shù)相較其他蘇木(鎮(zhèn))低,即兩地的地下水管理水平較低,地下水仍處于隨用隨取的狀態(tài)(不收取水費(fèi)/水資源稅),導(dǎo)致用水浪費(fèi)現(xiàn)象較為嚴(yán)重,自主、自愿節(jié)水的積極性不高,不利于節(jié)水工作的健康發(fā)展。

3.3 綜合權(quán)重計(jì)算結(jié)果

本文在對(duì)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行計(jì)算時(shí),采用兩者結(jié)果的平均值作為指標(biāo)的最終權(quán)重。通過(guò)此方式可以取長(zhǎng)補(bǔ)短,使權(quán)重計(jì)算結(jié)果更加科學(xué)準(zhǔn)確,其計(jì)算公式如下[11]:

(15)

式中:ωj為地下水灌溉承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中第j個(gè)指標(biāo)的綜合權(quán)重;aj為熵權(quán)法計(jì)算的第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重;bj為層次分析法計(jì)算的第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

根據(jù)上文介紹的指標(biāo)權(quán)重計(jì)算方法,可得到層次分析法、熵權(quán)法和綜合指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果,見(jiàn)表5～表7。

表5 層次分析法各指標(biāo)權(quán)重值

表6 熵權(quán)法各指標(biāo)權(quán)重值

表7 各指標(biāo)的綜合權(quán)重

3.4 綜合評(píng)價(jià)值

本文選取了3個(gè)準(zhǔn)則層共計(jì)10個(gè)指標(biāo)作為地下水灌溉承載力的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,屬于多因子評(píng)價(jià),故可以采用綜合加權(quán)評(píng)價(jià)法,對(duì)本文所建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)逐層逐項(xiàng)地加權(quán)評(píng)分,計(jì)算出該區(qū)域地下水灌溉承載力的綜合評(píng)分值。計(jì)算公式如下[12]:

(16)

基于計(jì)算得到的綜合系統(tǒng)評(píng)價(jià)值劃分各蘇木(鎮(zhèn))的評(píng)價(jià)等級(jí),參照文獻(xiàn)建立分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[13],將評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)劃分為Ⅰ級(jí)(理想狀態(tài))、Ⅱ級(jí)(可承載)、Ⅲ級(jí)(弱承載)、Ⅳ級(jí)(弱不可承載)、Ⅴ級(jí)(不可承載)。其中:Ⅰ級(jí)評(píng)價(jià)值為0.8～1.0;Ⅱ級(jí)評(píng)價(jià)值為0.6～0.8;Ⅲ級(jí)評(píng)價(jià)值為0.4～0.6;Ⅳ級(jí)評(píng)價(jià)值為0.2～0.4;Ⅴ級(jí)評(píng)價(jià)值為0～0.2。

通過(guò)線(xiàn)性加權(quán)法計(jì)算得到鄂托克旗2020年各蘇木(鎮(zhèn))地下水灌溉承載力綜合評(píng)價(jià)值,見(jiàn)表8。2020年鄂托克旗各蘇木(鎮(zhèn))地下水灌溉承載力差別較大,呈現(xiàn)出蘇米圖蘇木>烏蘭鎮(zhèn)>阿爾巴斯蘇木>木凱淖爾鎮(zhèn)>蒙西鎮(zhèn)>棋盤(pán)井鎮(zhèn)的排名格局。在鄂托克旗自然條件相差不大的背景下,蒙西鎮(zhèn)和棋盤(pán)井鎮(zhèn)承載力最差,說(shuō)明兩個(gè)地區(qū)存在地下水過(guò)度開(kāi)發(fā)且對(duì)地下水的管理水平不足的現(xiàn)象。

表8 各蘇木(鎮(zhèn))地下水灌溉承載力綜合評(píng)價(jià)值

3.5 各嘎查(村)綜合評(píng)價(jià)值

由表9和圖1可知,在鄂托克旗72個(gè)嘎查(村)中,地下水灌溉承載力綜合評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅱ級(jí)(可承載)的有52個(gè),占總數(shù)的72.22%;Ⅲ級(jí)(弱承載)的有17個(gè),占總數(shù)的23.61%;數(shù)量最少的Ⅰ級(jí)(理想狀態(tài))的有3個(gè),占總數(shù)的4.17%。綜合評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅲ級(jí)(弱承載)的嘎查(村),由于人口聚集,對(duì)地下水的開(kāi)發(fā)利用程度較大,但對(duì)地下水的管理調(diào)控能力較差,部分區(qū)域會(huì)出現(xiàn)地下水超采的情況,因此地下水灌溉承載力偏弱。

圖1 鄂托克旗各嘎查地下水灌溉承載力綜合系統(tǒng)評(píng)價(jià)值

表9 各嘎查地下水灌溉承載力綜合評(píng)價(jià)等級(jí)統(tǒng)計(jì)

通過(guò)線(xiàn)性加權(quán)法計(jì)算得到鄂托克旗2020年各嘎查(村)地下水灌溉承載力綜合評(píng)分值,見(jiàn)圖2。鄂托克旗各嘎查(村)的地下水灌溉承載力綜合評(píng)分值在0.4628～0.8405之間,各嘎查(村)的綜合評(píng)分值差距較大。地下水灌溉承載力最好的為巴嘎額爾和圖嘎查,綜合評(píng)分值為0.8405,承載力最差的賽烏素草籽場(chǎng)的綜合評(píng)分值為0.4628。賽烏素草籽場(chǎng)水資源稟賦條件較好,并且該地區(qū)近年來(lái)節(jié)水灌溉技術(shù)得到了發(fā)展,但由于農(nóng)田水利配套工程及工程運(yùn)行管理手段相對(duì)落后,工程運(yùn)行維護(hù)管理體制不夠完善等原因,導(dǎo)致系統(tǒng)的調(diào)控能力下降。近年來(lái)隨灌溉面積快速增加,地區(qū)的地下水嚴(yán)重超采,導(dǎo)致系統(tǒng)的壓力逐漸增大,該地區(qū)地下水灌溉承載力逐年下降,承載力總體偏低。

圖2 鄂托克旗各嘎查地下水灌溉承載力綜合評(píng)分值

4 水資源節(jié)約保護(hù)管理對(duì)策措施

綜合鄂托克旗當(dāng)前的自然條件、區(qū)域水資源條件、社會(huì)發(fā)展水平、工程技術(shù)現(xiàn)狀和管理水平,并充分考慮單項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重,鄂托克旗地下水資源規(guī)劃應(yīng)著重從以下方面入手:

a.推廣噴灌、滴灌等節(jié)水灌溉技術(shù)。

b.嚴(yán)格按照核定取水量取水,按計(jì)劃供水,同時(shí)應(yīng)按照取水許可管理要求,建立齊全的資料檔案,加強(qiáng)取水量、水質(zhì)管理,接受水行政主管部門(mén)的取水許可監(jiān)督和管理。

c.建立健全地下水資源管理制度。

d.建立健全地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和水質(zhì)保護(hù)的監(jiān)督管理機(jī)制。

e.促進(jìn)水資源開(kāi)發(fā)利用管理。充分利用地表水資源,合理開(kāi)發(fā)地下水資源,并根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況對(duì)工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水以及生活用水進(jìn)行合理有效的配置,盡可能對(duì)近期及遠(yuǎn)期的用水做出合理的規(guī)劃。

f.樹(shù)立依法管理水的理念,進(jìn)一步強(qiáng)化水資源的管理。

5 結(jié) 語(yǔ)

鄂托克旗是華北地區(qū)典型的大部分地區(qū)干旱少雨、重度缺水、生態(tài)環(huán)境脆弱的旗(縣),水資源對(duì)其社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約相對(duì)來(lái)說(shuō)更明顯,因此水資源的合理開(kāi)發(fā)利用顯得尤為重要。本文在充分考慮鄂托克旗地下水灌溉承載力影響因素的基礎(chǔ)上,以支撐力子系統(tǒng)、壓力子系統(tǒng)和調(diào)控力子系統(tǒng)之間的關(guān)系為準(zhǔn)則,構(gòu)建了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,運(yùn)用主客觀耦合的方法對(duì)鄂托克旗各蘇木(鎮(zhèn))及各嘎查(村)的地下水灌溉承載力作出綜合評(píng)價(jià)。經(jīng)分析,鄂托克旗地下水灌溉承載力不平衡主要是由于過(guò)度開(kāi)采地下水及管理措施不利等因素造成的。為進(jìn)一步提升當(dāng)?shù)氐牡叵滤喔瘸休d力,提出了一系列水資源節(jié)約保護(hù)管理的對(duì)策措施。層次分析法-熵權(quán)法是評(píng)價(jià)地下水灌溉承載力的有效方法。