基于模糊綜合評價的新疆阿克蘇河流域環(huán)境承載力研究

魏光輝，姜振盈，張洛晨

(新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒 841000)

0 引 言

第二次世界大戰(zhàn)之后，世界經(jīng)濟快速發(fā)展，到20世紀(jì)六七十年代，西方各發(fā)達國家都面臨資源嚴(yán)重枯竭，環(huán)境大面積污染嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境遭到破壞，1968年日本學(xué)者開始在環(huán)境科學(xué)里引入“環(huán)境容量(environmental capacity)”的概念[1].20世紀(jì)90年代末，國際科學(xué)聯(lián)盟提將環(huán)境承載力與可持續(xù)發(fā)展、全球變化聯(lián)系起來，提出“未來地球”研究計劃[2-5].2013年《中共中央關(guān)于全面深化改革若干重大問題的決定》在黨的十八屆三中全會上通過，其中第52條明確指出“建立資源環(huán)境承載能力監(jiān)測預(yù)警機制，對水土資源、環(huán)境容量和海洋資源超載區(qū)域?qū)嵭邢拗菩源胧?目前，資源環(huán)境承載力已作為我國國家主體功能區(qū)規(guī)劃的重要核心和基礎(chǔ)[6].

塔里木河流域[7]是我國重要的能源化工基地和優(yōu)質(zhì)棉、特色林果生產(chǎn)基地，同時也是我國貧困人口與少數(shù)民族最為集中的區(qū)域之一.流域當(dāng)前存在嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題，具體來說，山區(qū)表現(xiàn)為水土流失，平原區(qū)表現(xiàn)為地下水位下降、河道斷流、沙塵暴增加、荒漠化程度加劇等.本文以塔里木河主要源流之一的阿克蘇河流域為例，構(gòu)建環(huán)境承載力評價體系，采用模糊綜合評價模型[8]，結(jié)合專家打分法[9]，估算研究區(qū)環(huán)境承載力，分析影響流域環(huán)境承載力的主要因子.研究結(jié)果對于改善流域環(huán)境承載力，促進人類社會活動與環(huán)境之間的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要指導(dǎo)意義.

1 研究區(qū)概況

阿克蘇河流域位于塔里木盆地西北邊緣(流域位置見圖1)，地勢上總體表現(xiàn)為西北高、東南低，地形自西北向東南傾斜，地貌差異大，可分為山區(qū)(天山山區(qū))和平原區(qū)(阿克蘇灌區(qū))兩部分.庫木艾日克河北部為天山山區(qū)，南部是谷地平原.流域內(nèi)，北部山區(qū)海拔在1 572～7 359 m之間，平原區(qū)海拔在931～1 485 m之間[10].流域干旱少雨，年均降水量僅63 mm，年均蒸發(fā)量高達1 632 mm.流域行政區(qū)域有阿克蘇市、阿瓦提縣、柯坪縣、烏什縣及部分的兵團第一師團場，主要種植糧食、瓜果、棉花等作物[11-12].

圖1 阿克蘇河流域地理位置

2 環(huán)境承載力評價模型構(gòu)建

2.1 影響因素識別及評價指標(biāo)篩選

流域生態(tài)系統(tǒng)是一個由水資源、土地資源、生態(tài)環(huán)境及社會經(jīng)濟系統(tǒng)共同組成的相互影響作用的復(fù)合系統(tǒng).本文考慮到環(huán)境承載力評價指標(biāo)的可獲取性、可比性、科學(xué)性、獨立性、動態(tài)性等因素，在遵循定性與定量結(jié)合的基礎(chǔ)上，通過問卷調(diào)查和專家打分的方法獲得影響流域環(huán)境承載力的評價指標(biāo)(見表1)，其中，水資源系統(tǒng)指標(biāo)包括：地表水資源可利用率、地下開采率、地下水位、生態(tài)用水比例、農(nóng)業(yè)用水比例、灌溉水利用系數(shù)、水網(wǎng)密度指數(shù)；土地資源系統(tǒng)指標(biāo)包括：土地退化指數(shù)、耕地面積、沙化土地面積、人均耕地面積；生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)指標(biāo)包括：人工綠洲與天然綠洲比例、生物豐富指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；社會經(jīng)濟系統(tǒng)指標(biāo)包括：人均GDP、人口密度、單方水GDP、農(nóng)業(yè)GDP比例.

2.2 評價模型構(gòu)建

2.2.1 確定評價因素集與等級

設(shè)定評估因素集U={U1，U2…，Un}，其中i=1，2，…，n，n為流域生態(tài)環(huán)境承載力一級評估指標(biāo)Ui的個數(shù).

Ui={Ui1，Ui2…，Uij，Uiq}，其中j=1，2，…，q，q為阿克蘇河流域生態(tài)環(huán)境承載力二級評估指標(biāo)Uij的個數(shù).

表1 阿克蘇河流域環(huán)境承載力評價指標(biāo)值

利用模糊綜合評判法[13-15]，即可得到不同評價樣本的環(huán)境承載力綜合評價值V.

2.2.2 確定評價因素權(quán)重集

本文通過對30位流域管理人員和研究專家進行問卷調(diào)查，根據(jù)每位專家和管理人員對環(huán)境承載力各指標(biāo)的重要程度進行打分結(jié)果的平均值作為指標(biāo)權(quán)重(見表2).

表2 流域環(huán)境承載力各指標(biāo)權(quán)重

2.2.3 確定評估因素評價集V

設(shè)定環(huán)境承載力評價集為V={V1，V2，…，Vm}，k=1，2，…，m，m為評價等級[16].

2.2.4 確立隸屬度函數(shù)及評價矩陣

用隸屬度來刻畫生態(tài)環(huán)境承載力的分級界線，采用降半梯形分布來刻畫隸屬度[16-20].

(1)

(2)

(3)

式中：Rij—因子ui對j級生態(tài)環(huán)境的隸屬度；

Ci—因子Ui的實測值；

Uij—因子Ui第j級生態(tài)環(huán)境承載力標(biāo)準(zhǔn)；

m—評價標(biāo)準(zhǔn)等級，這里為5.

2.2.5 環(huán)境承載力的綜合評價

環(huán)境承載力模糊綜合評判結(jié)果計算式如下：

C=W⊙R

式中：C—模糊綜合評判結(jié)果，是m維的模糊行向量；W—模糊評價因素權(quán)重集合，是n維的模糊行向量；R—從U到V的一個模糊關(guān)系，是一個n×m的矩陣；⊙—一種模糊向量運算，運算規(guī)則類似于矩陣的乘法，將行與列的元素分別相乘再相加作為運算結(jié)果.

設(shè)定評價集V=(V1，V2，…，V5)來表示環(huán)境承載力所處安全狀態(tài)(見表3).k=1，2，…，5，分別表示安全可載、可載、適載、超載、嚴(yán)重超載.

表3 阿克蘇河流域環(huán)境承載力分級標(biāo)準(zhǔn)

3 模型計算與結(jié)果分析

3.1 環(huán)境承載力計算

本文以新疆阿克蘇流域2012年環(huán)境承載力評價指標(biāo)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用模糊綜合評判法，計算得到各因素模糊矩陣(R).

(1)水資源承載力因素評價矩陣

(2)土地資源承載力因素評價矩陣

(3)生態(tài)環(huán)境承載力因素評價矩陣

(4)社會經(jīng)濟承載力因素評價矩陣

3.2 環(huán)境承載力等級評定

(1)水資源承載力因素綜合評價

C21=W21×R1=[0.212 0.212 0.196

0.145 0.111 0.125]

W21=[0.000 0 0.330 3 0.188 7 0.058 9 0.423 1]

(2)土地資源承載力因素評價

C22=W22×R2=[0.500 0.250 0.125

0.125]

W22=[0.337 5 0.079 1 0.176 9 0.457 8

0.161 3]

(3)生態(tài)環(huán)境承載力因素評價

C23=W23×R3=[0.330 0.333 0.333

0.003]

W23=[0.000 0 0.000 0 0.378 1 0.340 4

0.280 5]

(4)社會經(jīng)濟承載力因素評價

C24=W24×R3=[0.206 0.212 0.292 0.290]

W24=[0.403 8 0.092 2 0.023 7 0.477 3

0.002 9]

基于單要素模糊綜合評判結(jié)果C，對評價結(jié)果歸一化處理，可以得到一級評估因素U中各子集的綜合評判決策矩陣R：

最后根據(jù)一級因子的權(quán)重W和綜合評價決策矩陣R的模糊變換的合成運算，得到環(huán)境承載力一級評估因素綜合評價結(jié)果為：

C=W1×R=[0.4 0.2 0.3 0.1]

W1=[0.096 0 0.154 3 0.220 5 0.249 0

0.280 2]

根據(jù)公式：S=C×VT，求得最后的綜合評定值：

S=(0.096 0 0.154 3 0.220 5 0.249 0

0.280 2) (0.20 0.40 0.60 0.80 1.00)T=0.692 6

3.3 結(jié)果分析

從承載力計算結(jié)果可知，研究區(qū)環(huán)境承載力處于完全可載的概率為9.6%，可載狀態(tài)概率為15%，適載狀態(tài)概率為22%，超載狀態(tài)概率為25%，嚴(yán)重超載狀態(tài)概率為28%.根據(jù)最大隸屬度原則，阿克蘇流域環(huán)境承載力處于嚴(yán)重超載狀態(tài).根據(jù)綜合判定結(jié)果，研究區(qū)環(huán)境承載力綜合值為0.692 6，結(jié)合表3可知，環(huán)境承載力等級為Ⅳ級(超載)，說明阿克蘇河流域環(huán)境狀況處于超載狀態(tài).

4 結(jié) 論

本文以新疆阿克蘇河流域為例，基于可比性、獨立性、科學(xué)性等原則構(gòu)建了流域環(huán)境承載力評價指標(biāo)體系，并采用模糊綜合評判法對流域2012年環(huán)境承載力指標(biāo)進行評價.結(jié)果表明：流域環(huán)境承載力處于完全可載的概率為9.6%，可載狀態(tài)概率為15%，適載狀態(tài)概率為22%，超載狀態(tài)概率為25%，嚴(yán)重超載狀態(tài)概率為28%.根據(jù)最大隸屬度原則，研究區(qū)環(huán)境承載力處于嚴(yán)重超載狀態(tài).研究區(qū)環(huán)境承載力綜合值為0.692 6，環(huán)境承載力等級為Ⅳ級，處于超載狀態(tài).為提高流域現(xiàn)狀環(huán)境承載力，應(yīng)加強流域水資源統(tǒng)一管理，強化落實最嚴(yán)格水資源管理制度，嚴(yán)格控制流域灌溉面積.