基于多層次模糊綜合評(píng)價(jià)模型的沙漠綠洲水資源承載力評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)

張?zhí)煊? 盧玉東, 王正川

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 陜西 西安 710054; 2.旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710054; 3.深圳市廣匯源水利勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司, 廣東 深圳 518000)

綠洲是我國(guó)西北干旱荒漠地區(qū)的沃土，在穩(wěn)定水源的支持下具有較高的生產(chǎn)力，承載著地區(qū)絕大部分的人口和財(cái)富。腰壩綠洲屬于西北干旱荒漠區(qū)典型的農(nóng)業(yè)綠洲，為內(nèi)蒙古阿拉善左旗重要的農(nóng)畜產(chǎn)品生產(chǎn)基地。區(qū)內(nèi)絕大多數(shù)溝谷只存在季節(jié)性間歇流水,溝系平均年徑總流量為7.10×106m3，地下水年補(bǔ)給量為2.20×107m3，地下水允許開(kāi)采量為2.00×107m3[1]。從20世紀(jì)70年代末開(kāi)始大規(guī)模開(kāi)發(fā)以來(lái)，由于不合理的開(kāi)發(fā)利用及缺乏科學(xué)的地下水管理，地下水位不斷下降，近40 a來(lái)區(qū)內(nèi)地下水位總體下降了5 m以上，導(dǎo)致鄰近湖泊萎縮，周邊咸水入侵，水質(zhì)惡化，土地鹽堿化加重。因此，對(duì)腰壩綠洲未來(lái)水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)研究刻不容緩。本研究考慮到綠洲水資源系統(tǒng)的復(fù)雜性與不確定性，綜合評(píng)價(jià)采用定性分析的模糊綜合評(píng)價(jià)法，而指標(biāo)權(quán)重則引入層次分析法。本文基于建立的研究情景，取2016年為現(xiàn)狀水平年，2020,2025,2030年為規(guī)劃水平年，分別計(jì)算水資源承載力。旨在通過(guò)評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)未來(lái)影響水資源系統(tǒng)承載力變化的關(guān)鍵因素，為腰壩綠洲水資源的可持續(xù)利用及合理管理政策的制定提供決策依據(jù)，以期實(shí)現(xiàn)腰壩綠洲水資源和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 研究方法

1.1 水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

水資源承載力指標(biāo)體系是以簡(jiǎn)明、綜合和全面的方式，體現(xiàn)被評(píng)價(jià)地區(qū)的水資源對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的承載內(nèi)容和過(guò)程，其總體效應(yīng)能反映被承載對(duì)象的總體狀況，可為水資源可持續(xù)利用和水資源合理配置以及其他政策的制定提供支持[2]。影響區(qū)域水資源承載力的因素主要有：水資源數(shù)量、質(zhì)量以及開(kāi)發(fā)利用程度、生態(tài)環(huán)境狀態(tài)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件、社會(huì)消費(fèi)水平和結(jié)構(gòu)、社會(huì)生產(chǎn)力水平、區(qū)際交流[3]。根據(jù)科學(xué)性、全面性和概括性相結(jié)合、系統(tǒng)性與獨(dú)立性相結(jié)合、定性與定量相結(jié)合、可比性與可操作性相結(jié)合的原則[4]，借鑒全國(guó)水資源供需分析中的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[5]，參考專家建議，根據(jù)腰壩綠洲的實(shí)際情況和特點(diǎn)，構(gòu)建包括水資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境3個(gè)子系統(tǒng)，森林覆蓋率、草地覆蓋率、水資源供需比、人均水資源可利用量、單位GDP用水量、城鎮(zhèn)化率、灌溉用水定額、第一產(chǎn)業(yè)比例、人均GDP共9個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的多層次水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。根據(jù)綠洲發(fā)展歷史、現(xiàn)狀及相關(guān)規(guī)劃，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)而對(duì)各水平年的需水進(jìn)行預(yù)測(cè)，限于文章篇幅，具體預(yù)測(cè)方法見(jiàn)文獻(xiàn)[6-8]，各指標(biāo)現(xiàn)狀值及預(yù)測(cè)值詳見(jiàn)表1。

表1 水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)現(xiàn)狀值及預(yù)測(cè)值

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)確定

按照以上9個(gè)指標(biāo)對(duì)水資源承載力的影響程度劃分為3個(gè)等級(jí)，構(gòu)建評(píng)語(yǔ)集V={v1，v2，v3}。其中v1級(jí)表示情況較好，水資源承載力較強(qiáng)，研究區(qū)水資源開(kāi)發(fā)潛力較大，水資源供給情況較好，處于可持續(xù)利用的狀態(tài)；v3級(jí)表示情況較差，水資源承載力已達(dá)到極限，水資源進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用的潛力十分有限，存在水資源短缺問(wèn)題，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展受到制約；v2級(jí)的情況介于v1和v3兩級(jí)之間，表示區(qū)域水資源開(kāi)發(fā)利用已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)?shù)囊?guī)模，仍具有一定程度的開(kāi)發(fā)利用潛力，區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水資源的需求有一定的保證。

根據(jù)腰壩綠洲的地域特點(diǎn)和現(xiàn)有研究成果[9-12]，確定各分級(jí)指標(biāo)對(duì)應(yīng)評(píng)語(yǔ)集V的閾值，具體分級(jí)值詳見(jiàn)表2。為定量表達(dá)各等級(jí)因素對(duì)水資源承載力的影響程度，對(duì)評(píng)判集等級(jí)進(jìn)行一分制數(shù)量化：α1=0.95，α2=0.5，α3=0.05，數(shù)值越高，表示水資源承載能力越強(qiáng)[13]。

表2 水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)及其分級(jí)值

1.3 評(píng)價(jià)模型原理及評(píng)價(jià)步驟

模糊綜合評(píng)價(jià)模型的原理為[14]：建立評(píng)判因素(指標(biāo))集C={c1，c2，…，cn}和評(píng)語(yǔ)集V={v1，v2，…，vm}，模糊綜合評(píng)判為：

B=A·R

(1)

式中：A——C的模糊子集，A={a1，a2，…，an}，其中0≤ai≤1，ai——C對(duì)A的隸屬度，表示單因素ci在評(píng)判因素中所起到的作用的大??；“·”——模糊算子，采用普通矩陣算法；B——V的模糊子集，B={b1，b2，…，bm}，其中0≤bi≤1，bi——等級(jí)vi對(duì)綜合評(píng)判所得到的模糊子集B的隸屬度，其表示綜合評(píng)判的結(jié)果。隸屬度(評(píng)判)矩陣為：

(2)

1.4 基于層次分析法指標(biāo)權(quán)重的確定

層次分析法是一種定性與定量分析相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法。該方法把復(fù)雜的問(wèn)題分解為不同的組成因素，通過(guò)兩兩比較的方式確定同層次中各因素的相對(duì)重要性的排序權(quán)值，最后進(jìn)行綜合判斷確定各因素的相對(duì)重要性的總排序權(quán)值[15]。首先建立層次結(jié)構(gòu)模型(目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和措施層)，然后采用相對(duì)尺度的方法構(gòu)造兩兩指標(biāo)比較判斷矩陣，矩陣元素根據(jù)1—9標(biāo)度法確定(具體標(biāo)度準(zhǔn)則詳見(jiàn)表3)，并借助近似效果較優(yōu)的根法推導(dǎo)出相應(yīng)排序權(quán)向量，再對(duì)判斷矩陣大體上的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)，若檢驗(yàn)結(jié)果滿足要求，上述排序權(quán)向量(均一化后)可作為指標(biāo)權(quán)重；否則修改判斷矩陣再次進(jìn)行檢驗(yàn)，直至滿足要求為止。具體過(guò)程不再贅述，下面將指標(biāo)權(quán)重匯總于表4中。

表3 水資源評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的標(biāo)度劃分及準(zhǔn)則詳解

表4 水資源承載力各指標(biāo)權(quán)重

1.5 隸屬度矩陣的構(gòu)造

單因素模糊評(píng)價(jià)是單獨(dú)對(duì)一個(gè)因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，以確定評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)評(píng)價(jià)集合V的隸屬度的評(píng)價(jià)。具體操作為根據(jù)評(píng)價(jià)因素ci的實(shí)際值，推求其對(duì)應(yīng)等級(jí)vj的隸屬度函數(shù)rij的值，最后得到隸屬度矩陣R。對(duì)隸屬度函數(shù)[16]進(jìn)行模糊化處理，使其在各級(jí)間平滑過(guò)渡。對(duì)于v2級(jí)即中間區(qū)間，將評(píng)價(jià)因素落在評(píng)價(jià)中點(diǎn)的隸屬度定為1，區(qū)間兩端點(diǎn)的隸屬度定為0.5，并令隸屬度由中點(diǎn)向兩端線性遞減。對(duì)于v1或v3級(jí)一側(cè)區(qū)間，在臨界值對(duì)兩側(cè)等級(jí)的隸屬度均為0.5，而距臨界值越遠(yuǎn)對(duì)該側(cè)區(qū)間的隸屬度越大。按以上規(guī)則構(gòu)造各等級(jí)隸屬度函數(shù)計(jì)算公式，令v1和v2級(jí)的臨界值為k1，v2級(jí)區(qū)間中點(diǎn)為k2=(k1+k3)/2，v2和v3級(jí)的臨界值為k3。各評(píng)價(jià)因素對(duì)各等級(jí)隸屬度函數(shù)的計(jì)算公式不再贅述。根據(jù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)不同水平年額預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)可以計(jì)算整理得各水平年的各評(píng)價(jià)指標(biāo)值(表5)及相應(yīng)的各水平年的隸屬度矩陣。

表5 各水平年評(píng)價(jià)指標(biāo)值

1.6 綜合評(píng)判值的計(jì)算

根據(jù)權(quán)重矩陣A和各水平年的隸屬度矩陣R，對(duì)B=A·R采用普通矩陣算法求得各水平年的綜合評(píng)判結(jié)果矩陣B，并根據(jù)公式(1.3)計(jì)算綜合評(píng)判結(jié)果矩陣B的水資源承載力的綜合評(píng)判值α，其值越大表示水資源承載力越強(qiáng)。計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表6。

(3)

式中：K——起到突出占優(yōu)勢(shì)等級(jí)的作用，對(duì)于干旱區(qū)一般取值為1[17]。

表6 各水平年水資源承載力綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

水資源承載力綜合評(píng)價(jià)指數(shù)是衡量水資源承載程度的綜合性指標(biāo)，評(píng)價(jià)指數(shù)越高，水資源承載力的狀況越好。根據(jù)相關(guān)研究成果[18-20]，腰壩綠洲自然生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，確定綜合評(píng)價(jià)指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表7)。

表7 水資源承載力評(píng)價(jià)指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

根據(jù)最大隸屬度原則和綜合評(píng)判值，對(duì)評(píng)判結(jié)果進(jìn)行分析，可以得出，2016年水資源承載力綜合評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)v3級(jí)的隸屬度最大，為0.575 5，而對(duì)v1級(jí)的隸屬度最小，為0.022 6，綜合評(píng)判值α僅為0.251 2，表明水資源承載力已達(dá)到飽和，處于較差的狀態(tài)。至2020年，水資源承載力綜合評(píng)判值α上升至0.288 8，綜合評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)v3級(jí)的隸屬度仍為最大，為0.514 7，水資源承載力仍處于超載狀態(tài)。至2025年，綜合評(píng)判值α進(jìn)一步上升至0.358 8，綜合評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)v2級(jí)的隸屬度最大，為0.543 8。水資源承載力較2020年有較大的提高，處于可承載的狀態(tài)。至2030年，綜合評(píng)判值α上升至0.434 4，水資源承載力狀況處于較高可承載水平，水資源供需比增至1.02，社會(huì)經(jīng)濟(jì)對(duì)水資源的需求有一定的保障，但綜合評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)v1級(jí)的隸屬度仍比v3級(jí)小，表明區(qū)內(nèi)地下水資源開(kāi)發(fā)潛力仍然有限。

3 討 論

在生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中，在評(píng)價(jià)時(shí)間段內(nèi)，森林覆蓋率由5.65%，提高到8.37%，草地覆蓋率由20.78%，提高到38.41%?？偟膩?lái)說(shuō)，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境將得到明顯的改善，對(duì)水資源承載力的貢獻(xiàn)率不斷提高。在水資源系統(tǒng)中，人均水資源可利用量由1 920 m3/人，降至1 816 m3/人，水資源供需比由0.55，上升至1.02，說(shuō)明該階段研究區(qū)資源性缺水問(wèn)題不突出,但應(yīng)考慮到未來(lái)人口增長(zhǎng)速度加快可能會(huì)給水資源的供需平衡帶來(lái)壓力。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中，灌溉用水定額大幅度下降，由7 215 m3/hm2降至3 630 m3/hm2，灌溉水利用率達(dá)到較高水平。第一產(chǎn)業(yè)比例由32.91%降至25.32%，第一產(chǎn)業(yè)比例依然偏大。單位GDP用水量由1 389 m3/萬(wàn)元降至384 m3/萬(wàn)元，距先進(jìn)水平還有較大的距離。由此看來(lái)，腰壩綠洲的水資源問(wèn)題主要是結(jié)構(gòu)性缺水。綜上分析討論可知，今后14 a內(nèi)通過(guò)采取以節(jié)水為核心的多種措施，研究區(qū)水資源承載力復(fù)合系統(tǒng)將呈良性的趨勢(shì)發(fā)展。

4 結(jié)論及建議

(1) 目前，研究區(qū)水資源承載力處于超載狀態(tài)，咸水入侵，生態(tài)環(huán)境形勢(shì)嚴(yán)峻，綠洲系統(tǒng)穩(wěn)定性受到嚴(yán)重威脅。2016—2030年水資源承載力呈上升趨勢(shì)，其中生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改善是主要驅(qū)動(dòng)因素，而社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)是主要壓力源，水資源系統(tǒng)中需關(guān)注未來(lái)人口迅速增長(zhǎng)帶來(lái)的壓力。

(2) 社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)中，經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的不合理是水資源承載力提高的主要限制因素，未來(lái)應(yīng)從這方面提高水資源承載能力，如，加快發(fā)展第二、三產(chǎn)業(yè)，限制發(fā)展高耗水、高污染工業(yè)，積極發(fā)展鄉(xiāng)村游、風(fēng)電游等旅游業(yè)。

(3) 針對(duì)腰壩綠洲地區(qū)特殊的水文環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，未來(lái)應(yīng)加快調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，推廣節(jié)水灌溉技術(shù)，加強(qiáng)水資源科學(xué)管理，加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)，提高水資源可利用量。

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