基于突變級數(shù)模型的瑪納斯河流域水資源可持續(xù)利用評價(jià)

袁 勇

(新疆塔里木河流域阿克蘇管理局， 新疆 阿克蘇 841000)

基于突變級數(shù)模型的瑪納斯河流域水資源可持續(xù)利用評價(jià)

袁 勇

(新疆塔里木河流域阿克蘇管理局， 新疆 阿克蘇 841000)

水資源可持續(xù)利用能力評價(jià)是世界普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問題。本文以新疆瑪納斯河流域?yàn)槔瑯?gòu)建了水資源可持續(xù)利用評價(jià)指標(biāo)體系，該體系由水資源系統(tǒng)、社會系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)4個(gè)子系統(tǒng)13項(xiàng)指標(biāo)組成，將水資源可持續(xù)利用水平劃分為高中低3類。采用突變級數(shù)法與改進(jìn)障礙因子診斷模型對研究區(qū)不同時(shí)期水資源可持續(xù)利用水平進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果表明：不同時(shí)期(2000年、2010年與2020年)，研究區(qū)水資源可持續(xù)利用水平均處于中等水平(綜合值為0.689)，為Ⅱ級，但其綜合值由2000年的0.689提升至2020年的0.829； 水資源開發(fā)利用率過高、單位面積水資源量不足與林草覆蓋率較低，已成為制約研究區(qū)水資源可持續(xù)利用的普遍問題。研究結(jié)果為區(qū)域水資源優(yōu)化配置提供了重要參考。

水資源； 可持續(xù)利用； 改進(jìn)障礙因子診斷； 突變級數(shù)法； 主成分分析； 瑪納斯河流域

水資源是基礎(chǔ)性的自然資源和戰(zhàn)略性的經(jīng)濟(jì)資源，是一個(gè)國家和區(qū)域生存與發(fā)展的基本保障[1-2]。隨著當(dāng)前水資源短缺和水環(huán)境污染問題的加劇，區(qū)域水資源可持續(xù)利用能力評價(jià)研究已引起有關(guān)政府和學(xué)者的高度重視，其對合理、充分利用水資源以及促進(jìn)區(qū)域社會、經(jīng)濟(jì)及生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要指導(dǎo)意義[3-5]。

新疆瑪納斯河流域位于天山北坡準(zhǔn)噶爾盆地南緣，地形南高北低，流域總面積8.432萬km2。研究區(qū)屬于典型的大陸性干旱氣候，年均氣溫6.8℃，平原區(qū)年均降水量為110～200mm。該流域水系眾多，由瑪納斯河、呼圖壁河、金溝河、巴音溝河等眾多河流組成，是新疆維吾爾自治區(qū)主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，也是自治區(qū)重要的糧、棉、糖生產(chǎn)基地。近年來，隨著流域社會經(jīng)濟(jì)規(guī)模的發(fā)展壯大，農(nóng)業(yè)耕地面積的增加以及人口的增長，水資源供需矛盾日益突出，生態(tài)環(huán)境趨于惡化，直接影響著綠洲經(jīng)濟(jì)—社會—生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展[5]。為此，開展該地區(qū)的水資源可持續(xù)利用能力綜合評價(jià)便成為當(dāng)務(wù)之急。本文在前人研究基礎(chǔ)上，構(gòu)建區(qū)域水資源可持續(xù)利用水平評價(jià)體系，采用突變級數(shù)法結(jié)合改進(jìn)障礙因子診斷模型，剖析研究區(qū)水資源可持續(xù)利用能力及影響因素，以期為水資源高效合理利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供參考，為提高研究區(qū)水資源可持續(xù)利用水平提供新思路。

1 研究方法

1.1 突變級數(shù)法

突變理論由法國數(shù)學(xué)家勒內(nèi)托姆于1972年創(chuàng)立[6]，該方法能夠充分考慮各評價(jià)指標(biāo)的相對重要性，計(jì)算方法較為客觀、準(zhǔn)確，目前廣泛應(yīng)用于資源環(huán)境、績效考核等綜合評價(jià)。其缺點(diǎn)在于選擇主控變量和次控制變量時(shí)，往往依靠主觀判斷，這在一定程度上增加了主觀干擾。

因此，本文在將突變級數(shù)法引入水資源可持續(xù)利用評價(jià)的同時(shí)，結(jié)合主成分分析法，合理確定模型控制變量的主次。其計(jì)算步驟如下：

a.建立突變評價(jià)指標(biāo)體系。

b.確定指標(biāo)體系各層次的突變類型。常見的突變系統(tǒng)類型有尖點(diǎn)突變系統(tǒng)(具有2個(gè)子指標(biāo))、燕尾突變系統(tǒng)(具有2個(gè)子指標(biāo))和蝴蝶突變系統(tǒng)(具有4個(gè)子指標(biāo))。

c.根據(jù)突變系統(tǒng)的分歧方程式將原始評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。

d.進(jìn)行水資源可持續(xù)利用綜合評價(jià)。對各突變系統(tǒng)類型的歸一化處理，本質(zhì)上是一種多維度的模糊隸屬函數(shù)，根據(jù)模糊隸屬函數(shù)的不同，劃分不同的類別，本文按照互補(bǔ)準(zhǔn)則，對控制變量(即評價(jià)指標(biāo))取平均值[7]。

1.2 改進(jìn)障礙度模型

在進(jìn)行水資源可持續(xù)利用評價(jià)過程中，不僅要了解水資源在各個(gè)區(qū)域與不同時(shí)期的可持續(xù)利用水平，還應(yīng)關(guān)注影響水資源可持續(xù)利用水平的因素，并對其進(jìn)行內(nèi)在分析，進(jìn)而提高研究區(qū)的水資源可持續(xù)利用水平。因此，本文將障礙因子診斷模型與突變級數(shù)模型相結(jié)合進(jìn)行研究分析。

首先，計(jì)算指標(biāo)偏離度：

(1)

式中Iij——第j個(gè)地區(qū)(或時(shí)期)第i項(xiàng)指標(biāo)的偏離度；

xij——第j個(gè)地區(qū)(或時(shí)期)的第i個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值。

其次，利用歸一化方法計(jì)算各被診斷指標(biāo)控制變量偏離度的突變級數(shù)，并將該級數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化后作為指標(biāo)體系上一層的障礙度。同時(shí)反復(fù)利用該歸一化方法，計(jì)算被診斷對象各層的障礙水平，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)對水資源可持續(xù)利用水平評價(jià)的障礙度測算，并根據(jù)障礙水平判定影響因素[8]。

1.3 主成分分析(PCA)

在構(gòu)建突變級數(shù)模型時(shí)，采用主成分法來確定指標(biāo)體系中控制變量的主次關(guān)系。由于主成分法中的第一主成分代表了樣本數(shù)據(jù)變異的最大方向，并且其與原始變量的相關(guān)性最強(qiáng)，因此，可將最大特征值對應(yīng)的特征向量的各分量作為評價(jià)指標(biāo)權(quán)重[9]，從而對評價(jià)指標(biāo)重要性進(jìn)行排序。主成分分析法作為客觀賦權(quán)法，與突變級數(shù)模型結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了水資源可持續(xù)利用水平評價(jià)中各層次對應(yīng)指標(biāo)的橫向順序，也為突變級數(shù)模型的計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。

2 評價(jià)體系構(gòu)建

根據(jù)文獻(xiàn)[10]數(shù)據(jù)資料，研究區(qū)水資源可持續(xù)利用評價(jià)體系包括4個(gè)方面13項(xiàng)指標(biāo)。其中，水資源系統(tǒng)包括人均水資源量(C1，m3)、水資源利用率(C2，%)、單位面積水資源量(C3，萬m3/km2)這3項(xiàng)指標(biāo)；社會發(fā)展系統(tǒng)包括人口自然增長率(C4，%)、城鎮(zhèn)化率(C5，%)、生活用水定額[C6，L/(d·人)]3項(xiàng)指標(biāo)；經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)包括工業(yè)萬元產(chǎn)值需水量(C7，m3)、工業(yè)用水重復(fù)率(C8，%)、灌溉水利用系數(shù)(C9)、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占GDP比例(C10，%)這4項(xiàng)指標(biāo)；生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)包括林草覆蓋率(C11，%)、生態(tài)環(huán)境用水率(C12，%)、污水處理率(C13，%)這3項(xiàng)指標(biāo)。研究區(qū)水資源可持續(xù)利用評價(jià)指標(biāo)體系見表1。

表1 研究區(qū)水資源可持續(xù)利用評價(jià)指標(biāo)體系及指標(biāo)值

上述水資源可持續(xù)利用評價(jià)體系中，Ⅲ級表示水資源可持續(xù)水平高，潛力巨大；Ⅰ級表示水資源可持續(xù)水平低，潛力較?。虎蚣壗橛趦烧咧g，表示水資源可持續(xù)利用水平為中等，仍有一定的利用潛力。

3 模型應(yīng)用

本文以新疆瑪納斯河流域?yàn)槔?，根?jù)其2000年、2010年及2020年評價(jià)指標(biāo)值，結(jié)合評價(jià)體系臨界值，利用突變級數(shù)法結(jié)合改進(jìn)障礙因子診斷模型，剖析不同時(shí)期研究區(qū)水資源可持續(xù)利用水平變化及影響因素。

3.1 數(shù)據(jù)處理

為消除指標(biāo)間量綱的差異，也為了更加方便地建立突變級數(shù)模型，需對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。

對正指標(biāo)：

(2)

對負(fù)指標(biāo)：

(3)

式中υ(i,j)——評價(jià)指標(biāo)歸一化值；

x(i,j)——評價(jià)時(shí)期j對應(yīng)的第i個(gè)指標(biāo)值；

xmin(i)、xmax(i)——評價(jià)方案(評價(jià)時(shí)期)中第i個(gè)評價(jià)指標(biāo)的最小值和最大值。

評價(jià)指標(biāo)歸一化值見表2。

表2 評價(jià)指標(biāo)歸一化值

在對指標(biāo)數(shù)據(jù)歸一化基礎(chǔ)上，根據(jù)評價(jià)指標(biāo)體系，利用主成分分析單個(gè)中間層指標(biāo)所包含指標(biāo)的相對重要性，并對指標(biāo)進(jìn)行排序；利用突變級數(shù)法得到單個(gè)中間層指標(biāo)值，如此反復(fù)計(jì)算，直至得到所有中間層指標(biāo)值，為防止突變級數(shù)計(jì)算后中間層指標(biāo)出現(xiàn)聚集現(xiàn)象，對其利用式(2)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，之后結(jié)合主成分分析，對單個(gè)目標(biāo)層指標(biāo)所含中間層指標(biāo)進(jìn)行重要性排序，最終得到目標(biāo)層指標(biāo)值(水資源可持續(xù)利用水平值)。

3.2 水資源可持續(xù)利用水平分析

根據(jù)突變級數(shù)法的計(jì)算結(jié)果(見表3)，對瑪納斯河流域不同時(shí)期(2000年、2010年及2020年)可持續(xù)水平進(jìn)行分析。

表3 瑪納斯河流域水資源可持續(xù)利用評價(jià)系統(tǒng)綜合值及排名

比較不同時(shí)期水資源可持續(xù)利用水平綜合值與各子系統(tǒng)得分及排序：在2000年，研究區(qū)水資源系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)可持續(xù)利用水平較低，均處于Ⅰ級(低)水平。社會發(fā)展系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)的可持續(xù)利用水平均處于中等水平，為Ⅱ級。綜合評價(jià)，該時(shí)期研究區(qū)水資源可持續(xù)利用水平處于Ⅱ級；在2010年，研究區(qū)各子系統(tǒng)指標(biāo)值有所好轉(zhuǎn)，其中社會發(fā)展系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的可持續(xù)利用水平均處于中等水平，為Ⅱ級。水資源系統(tǒng)仍處于Ⅰ級(低)水平。綜合評價(jià)，該時(shí)期研究區(qū)水資源可持續(xù)利用水平仍處于Ⅱ級，但綜合值較2000年有較大提升，由0.689提高至0.785；在2020年，研究區(qū)各子系統(tǒng)指標(biāo)值仍持續(xù)保持好轉(zhuǎn)，水資源系統(tǒng)、社會發(fā)展系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的可持續(xù)利用水平均處于中等水平，為Ⅱ級。綜合評價(jià)該時(shí)期研究區(qū)水資源可持續(xù)利用水平，仍處于Ⅱ級，但綜合值較2010年有較大提升，由0.785提高至0.829。

綜上所述，不同時(shí)期研究區(qū)水資源可持續(xù)利用水平整體顯現(xiàn)出較好的發(fā)展態(tài)勢，但在今后的發(fā)展中，仍應(yīng)協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)的發(fā)展，堅(jiān)持優(yōu)質(zhì)高效可持續(xù)的水資源發(fā)展模式。

3.3 障礙因子診斷

在對研究區(qū)不同時(shí)期水資源可持續(xù)利用水平分析的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步挖掘影響水資源的障礙因素，對中間層(子系統(tǒng))和指標(biāo)層障礙度，理清主要的障礙因素，結(jié)果見表4和表5。

表4 中間層指標(biāo)(子系統(tǒng))障礙度

由表4可知，構(gòu)成中間層的4個(gè)子系統(tǒng)指標(biāo)在不同時(shí)期對水資源可持續(xù)利用水平的阻力作用具有明顯的差異性。其中，2000年水資源可持續(xù)利用水平的障礙因素主要體現(xiàn)在水資源系統(tǒng)、社會發(fā)展系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)三個(gè)方面；在2010年，生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)明顯改善，水資源可持續(xù)利用水平的障礙因素主要體現(xiàn)在水資源系統(tǒng)和社會發(fā)展系統(tǒng)兩個(gè)方面；在2020年，水資源可持續(xù)利用水平的障礙因素仍然主要體現(xiàn)在水資源系統(tǒng)和社會發(fā)展系統(tǒng)兩個(gè)方面。因此可以看出，對于西北內(nèi)陸干旱區(qū)而言，困擾其可持續(xù)發(fā)展的根本因素是水資源的匱乏(資源性缺水)及社會發(fā)展模式。

表5 評價(jià)指標(biāo)層障礙度

由于本文所構(gòu)建的水資源可持續(xù)利用評價(jià)指標(biāo)體系中指標(biāo)數(shù)目過多，為進(jìn)一步探究影響水資源可持續(xù)利用水平的障礙因素，按照指標(biāo)層障礙度的大小，列出障礙度排序在前5位的障礙因素(見表5)。由表5可知，在影響作用明顯的障礙指標(biāo)中，不同時(shí)期(2000年、2010年與2020年)障礙因素變化不大。其中，C2、C3、C11均在不同時(shí)期出現(xiàn)且排名靠前，這表明水資源開發(fā)利用率過高、單位面積水資源量不足與林草覆蓋率較低，已成為制約水資源可持續(xù)利用水平的主要問題。因此，為實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用，應(yīng)通過退地減水降低農(nóng)業(yè)用水總量，大力推廣高效節(jié)水灌溉技術(shù)，發(fā)展節(jié)水型工業(yè)，提倡微咸水、中水資源化等措施，還水于生態(tài)環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)區(qū)域水資源的可持續(xù)利用與社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié) 語

a. 2000年，研究區(qū)水資源可持續(xù)利用水平處于中等水平(綜合值為0.689)，為Ⅱ級；2010年，研究區(qū)水資源可持續(xù)利用水平有所提升，但仍處于中等水平(綜合值為0.785)，為Ⅱ級；2020年，研究區(qū)水資源可持續(xù)利用水平持續(xù)保持好轉(zhuǎn)，綜合值為0.829，仍處于Ⅱ級。

b.為找出影響研究區(qū)水資源可持續(xù)利用水平的主要因素，結(jié)合改進(jìn)障礙因子法，分別從中間層和指標(biāo)層對制約水資源可持續(xù)利用的主要因素進(jìn)行分析。結(jié)果表明：水資源開發(fā)利用率過高、單位面積水資源量不足與林草覆蓋率較低已成為制約研究區(qū)水資源可持續(xù)利用的普遍問題，應(yīng)在今后的水資源規(guī)劃利用中予以高度重視。

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Evaluation on sustainable utilization of water resources in Manas River basin based on the mutated series model

YUAN Yong

(XinjiangTarimRiverBasinAksuAdministration,Aksu841000,China)

Evaluation of sustainable utilization ability of water resources is a hot topic focused all over the world. In the paper, Xinjiang Manas River basin is adopted as an example to construct sustainable utilization evaluation index system of water resources. The system is composed of 13 indicators of 4 subsystems, namely water resources system, social system, economic system and ecological environment system. Sustainable utilization level of water resources is divided into three levels, namely high level, medium level and low level. Mutated series model and improved obstacle factor diagnosis model are adopted for evaluating sustainable utilization level of water resources during different periods. The results show that the sustainable utilization level of water resources in the study area is in the medium level (comprehensive value is 0.689), namely grade II. However, the comprehensive value was increased from 0.689 in 2000 to 0.829 in 2020. High development and utilization rate of water resource, insufficient water resource quantity per unit area and low forest coverage have become common problems restricting sustainable utilization of water resources in the study area. The research results provide important reference for the optimal allocation of water resources in the region.

water resources; sustainable utilization; diagnosis of improbable obstacle factors; mutated series method; analysis of principal components; Manas River basin

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.07.017

TV213

A

2096-0131(2017)07- 0056- 05