基于模糊綜合評(píng)價(jià)模型的天山北坡經(jīng)濟(jì)帶水資源承載力評(píng)價(jià)

王 艷, 石榮媛, 喬長(zhǎng)錄

(1.石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院, 新疆 石河子 832000; 2.現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 石河子 832000; 3.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán) 第八師炮臺(tái)土壤改良試驗(yàn)站, 新疆 石河子 832066)

水資源在自然資源中占有重要的地位，其不僅是人類賴以生存和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，也是制約人類生活質(zhì)量與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。隨著人口的增長(zhǎng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和生態(tài)環(huán)境問題的不斷突出，水資源的合理開發(fā)利用越來(lái)越引起社會(huì)各層面的重視。水資源承載力作為水資源開發(fā)利用的前提條件，近年來(lái)已開展了眾多的研究。水資源承載力的評(píng)價(jià)方法，目前主要有常規(guī)趨勢(shì)法、模糊綜合評(píng)判法、主成分分析法、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法、多目標(biāo)分析評(píng)價(jià)核心模型法、多目標(biāo)線性規(guī)劃方法、多目標(biāo)決策分析方法和密切值法等[1]。

關(guān)于新疆水資源承載力的研究已有多位學(xué)者針對(duì)不同的流域開展了眾多研究，如許有鵬[2]對(duì)和田流域進(jìn)行了綜合分析，李吉玫[3]分析了伊犁河流域的水資源承載力，張占江等[4]分析了阿克蘇河流域水資源承載力，楊廣等[5]對(duì)瑪納斯河流域水資源承載力進(jìn)行了研究，董雯等[6]分析了艾比湖流域水資源承載力；王暄[7]評(píng)價(jià)了塔里木河流域水資源承載力，段新光等[8]則對(duì)整個(gè)新疆的水資源承載力做出了評(píng)價(jià)。而針對(duì)天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的水資源承載力研究目前還少有報(bào)道。

天山北坡經(jīng)濟(jì)帶資源豐富，是新疆經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的強(qiáng)勁資源儲(chǔ)備和動(dòng)力，承擔(dān)著向內(nèi)陸開放重要的橋梁和紐帶作用[9]。然而，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶所處的特殊地理環(huán)境，該地區(qū)水資源短缺且生態(tài)環(huán)境脆弱，加之頻繁的人類活動(dòng)以及對(duì)水資源的不合理開發(fā)利用，使得水資源供需矛盾日益突出。在國(guó)家“一帶一路”倡議下，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶迎來(lái)了千載難逢的發(fā)展機(jī)遇，因此，合理評(píng)價(jià)天山北坡經(jīng)濟(jì)帶水資源承載力，對(duì)該經(jīng)濟(jì)帶產(chǎn)業(yè)布局等總體規(guī)劃具有非常重要的意義。

本文擬根據(jù)社會(huì)統(tǒng)計(jì)年鑒資料，采用狀態(tài)變權(quán)向量對(duì)水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重分配，構(gòu)建模糊評(píng)價(jià)模型，對(duì)天山北坡經(jīng)濟(jì)帶水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為其今后水資源開發(fā)利用提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

天山北坡經(jīng)濟(jì)帶東起哈密，西至伊寧，是以烏魯木齊、石河子、克拉瑪依為軸心的新疆準(zhǔn)噶爾盆地南緣天山北坡地帶，地理位置為：東經(jīng)79°53′—96°23′，北緯40°43′—47°15′。行政區(qū)劃包括烏魯木齊、石河子、克拉瑪依、昌吉、吐魯番、哈密、伊犁、塔城和博州；該經(jīng)濟(jì)帶東西相距約1 000 km，面積約9.54×104km2，人口總量約為4.58×106，占全疆人口的23.3%；屬典型內(nèi)陸干旱區(qū)，年均氣溫6.9 ℃，多年平均降水量220 mm，蒸發(fā)潛力1 817 mm[10]。該帶是新疆經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)，資源稟賦好，區(qū)位條件優(yōu)越，是“一帶一路”面向中亞和歐洲的重要樞紐[11]。

2 模糊綜合評(píng)價(jià)模型(FCE)

模糊綜合評(píng)價(jià)模型(fuzzy comprehensive evaluation， FCE)的基本思想是利用模糊線性變換原理和最大隸屬度原則，充分考慮與被評(píng)價(jià)事物相關(guān)的各個(gè)因素以及各因素之間的關(guān)聯(lián)性，采用具有易于量化、針對(duì)性、代表性、便于互相比較的因素，彌補(bǔ)了過多考慮單因素的不足，對(duì)其作出合理的綜合評(píng)價(jià)。

模糊綜合評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型：

(1) 因素集。設(shè)與被評(píng)價(jià)對(duì)象相關(guān)的因素有m個(gè)，則因素集U={u1，u2，…，um}。

(2) 評(píng)判集。設(shè)所有可能出現(xiàn)的評(píng)語(yǔ)有n個(gè)，則評(píng)判集V={v1，v2，…，vn}。

(3) 單因素評(píng)判。即對(duì)單個(gè)因素ui(i=1，2，…，m)的評(píng)判，得到V上的F集，即為從U到V上的一個(gè)F映射f：U→F(V)。

綜合評(píng)價(jià)的單因素評(píng)價(jià)矩陣為：

(4) 變權(quán)向量W的確定。W(μ)=(w1，w2，…，wm)，本文采用基于隸屬度的Hardarmard乘積變權(quán)模型：

(1)

其中A為常權(quán)向量：A=(a1，a2，…，am)；Sμ為狀態(tài)影響量：

(2)

(5) 模糊綜合評(píng)價(jià)。根據(jù)權(quán)重W得到F綜合評(píng)價(jià)值B為：

(3)

3 模糊綜合評(píng)價(jià)

水資源系統(tǒng)是一個(gè)巨大而復(fù)雜的系統(tǒng)，并且水資源承載力等級(jí)的劃分具有不確定性和模糊性[12]。影響天山北坡經(jīng)濟(jì)帶水資源承載力的因素很多[13]，如水資源條件及其開發(fā)利用現(xiàn)狀、生態(tài)環(huán)境、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等。因此，本文采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)天山北坡經(jīng)濟(jì)帶水資源承載力進(jìn)行應(yīng)用研究。在水資源承載力的評(píng)價(jià)中，選取適合該經(jīng)濟(jì)帶水資源承載力的評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用模糊綜合評(píng)價(jià)理論[14]建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)天山北坡經(jīng)濟(jì)帶水資源承載力做出全面綜合評(píng)價(jià)。

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立

水資源承載力評(píng)價(jià)最關(guān)鍵的是指標(biāo)體系的建立。在水資源這個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)中，不僅要考慮到自然環(huán)境因素，還需要考慮到社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素[15]。本文天山北坡經(jīng)濟(jì)帶水資源承載力研究中特將其評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分為3個(gè)層次，分別為目標(biāo)層、系統(tǒng)層和指標(biāo)層[16]。其中，目標(biāo)層(A)為“水資源承載力”；系統(tǒng)層(B)分為“水資源系統(tǒng)”(B1)、“社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)”(B2)和“生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)”(B3)；指標(biāo)層(C)為3個(gè)系統(tǒng)層所包括的相應(yīng)的指標(biāo)。

評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取應(yīng)以科學(xué)為依據(jù)，能夠科學(xué)客觀的反映所研究經(jīng)濟(jì)帶的水資源承載力，盡量選取容易進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、易于解釋、易于定量化且具有代表性的評(píng)價(jià)指標(biāo)[12]。結(jié)合天山北坡經(jīng)濟(jì)帶自然條件、人類活動(dòng)以及城市發(fā)展現(xiàn)狀等因素考慮[17]，依據(jù)2015年《新疆維吾爾自治區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒》，根據(jù)水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)選取的原則，確定12個(gè)指標(biāo)為評(píng)價(jià)因素集，即U={u1產(chǎn)水模數(shù)，u2供水模數(shù)，u3水資源開發(fā)利用率，u4人均水資源量，u5年降水量，u6人口密度，u7人口自然增長(zhǎng)率，u8GDP增長(zhǎng)率，u9萬(wàn)元GDP用水量，u10城鎮(zhèn)化率，u11生態(tài)環(huán)境用水率，u12植被覆蓋率}(表1)。

表1 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)

按照行政區(qū)劃將天山北坡經(jīng)濟(jì)帶劃分為9個(gè)單元：烏魯木齊(A1)、石河子(A2)、吐魯番(A3)、哈密(A4)、伊犁(A5)、塔城(A6)、克拉瑪依(A7)、昌吉(A8)、博州(A9)，分析各單元的水資源承載力。

根據(jù)天山北坡經(jīng)濟(jì)帶水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各指標(biāo)的實(shí)際情況，并結(jié)合西部半干旱地區(qū)水資源、生態(tài)、環(huán)境等的研究成果，將上述12個(gè)水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)劃分為v1，v2，v3這3個(gè)等級(jí)[5]，各評(píng)價(jià)指標(biāo)及其分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)詳見表2。

其中v1表示被評(píng)價(jià)對(duì)象水資源承載力較高，且可開發(fā)利用空間大及潛力較大，為可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)；v3表示被評(píng)價(jià)對(duì)象水資源承載力較弱，水資源開發(fā)情況接近飽和狀態(tài)，且易發(fā)生水資源短缺、環(huán)境惡化等問題，將影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展；v2介于v1，v3之間，表示被評(píng)價(jià)對(duì)象的水資源承載力一般，水資源開發(fā)利用已有一定規(guī)模但任具有開發(fā)利用的空間和潛力[18]。

表2 各評(píng)價(jià)因素分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.3 隸屬度函數(shù)的確定

在進(jìn)行模糊綜合評(píng)判過程中，科學(xué)合理的定義隸屬度函數(shù)是綜合評(píng)判成功的關(guān)鍵，定義隸屬度函數(shù)常用的主要有二元比較排序法、三角形模糊分布法、待定系數(shù)法和模糊統(tǒng)計(jì)法[19]。三角形模糊分布法是較為簡(jiǎn)單實(shí)用的方法，在對(duì)天山北坡經(jīng)濟(jì)帶水資源承載力的研究中，對(duì)上述12項(xiàng)指標(biāo)采用三角形模糊分布法，定義了其隸屬度函數(shù)(圖1)。

圖1 三角形分布法隸屬度函數(shù)的定義過程

三角形模糊分布法定義隸屬度函數(shù)的評(píng)語(yǔ)等級(jí)界定值為k1，k2，k3表示，即各因素指標(biāo)等級(jí)v1與v2的臨界值為k1；v2與v3的臨界值為k3；v2區(qū)間中點(diǎn)值為k2〔即k2=(k1+k3)/2〕[17]。

即對(duì)于因素C1，C5，C8，C12數(shù)值越大水資源承

載力水平越高的各指標(biāo)等級(jí)單因素評(píng)判矩陣計(jì)算公式為：

(4)

(5)

(6)

反之，對(duì)于因素C2—C4，C6，C7，C9—C11數(shù)值越小，水資源承載力水平越高的指標(biāo)，各等級(jí)相對(duì)隸屬度函數(shù)的計(jì)算公式只需將以上公式右端“≤”改為“≥”,“<”改為“>”,“>”改為“<”即可。

根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)建立的各評(píng)語(yǔ)等級(jí)v1，v2，v3的等級(jí)界定值詳見表3。

表3 三角形模糊分布法定義隸屬函數(shù)的等級(jí)界定值

根據(jù)單因素評(píng)價(jià)矩陣計(jì)算公式得到各地區(qū)各等級(jí)隸屬度矩陣R，即烏魯木齊R1，石河子R2，吐魯番R3，哈密R4，伊犁R5，塔城R6，克拉瑪依R7，昌吉R8，博州R9。

3.4 指標(biāo)權(quán)重集確定

在水資源承載力的研究中，除考慮各個(gè)評(píng)價(jià)因子自身性質(zhì)對(duì)其的相對(duì)重要性，也要考慮它們組態(tài)對(duì)水資源承載力的影響。因此，本文采用常規(guī)權(quán)重與變權(quán)方法相結(jié)合的方式來(lái)確定諸因子的取值狀況對(duì)水資源承載力的影響[12,15]。

(1) 常權(quán)的確定。在綜合評(píng)價(jià)中，考慮各評(píng)價(jià)因子對(duì)水資源承載力的影響不同以及各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的各個(gè)量綱不同一，故采用主成分分析法[20]。

基于天山北坡經(jīng)濟(jì)帶水資源承載力的原始數(shù)據(jù)，運(yùn)用SPSS軟件進(jìn)行主成分分析，確定各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值，得出權(quán)重(表4)。

(2) 最低評(píng)語(yǔ)等級(jí)隸屬度向量。諸評(píng)價(jià)因子的狀態(tài)隸屬于天山北坡經(jīng)濟(jì)帶水資源承載力綜合評(píng)價(jià)最低評(píng)語(yǔ)等級(jí)的隸屬度組成的向量：

μ=〔μ(u1)，μ(u2)，…，μ(un)〕

(7)

(3) 狀態(tài)影響向量。

(8)

其中bj為調(diào)整水平(j=1，2，…，n)，即某一因子的狀態(tài)隸屬于天山北坡水資源承載力綜合評(píng)價(jià)最低評(píng)語(yǔ)等級(jí)的隸屬度受調(diào)整的閾值，本文取bj=80%。

表4 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶水資源承載力各指標(biāo)常權(quán)向量

(4) 基于隸屬度的Hardarnard乘積變權(quán)模型。

(9)

根據(jù)上述步驟得出天山北坡經(jīng)濟(jì)帶各單元變權(quán)，詳見表5。

表5 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶各區(qū)域水資源綜合評(píng)價(jià)變權(quán)向量

3.5 綜合評(píng)價(jià)計(jì)算

根據(jù)模糊綜合評(píng)判模型B=W·R得到天山北坡經(jīng)濟(jì)帶各區(qū)域水資源承載力模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果B1—B9：

B3—B9計(jì)算方法與上述步驟一致。為了更好地反映水資源承載力的情況，對(duì)各指標(biāo)影響程度做定量化，對(duì)等級(jí)v1，v2，v3評(píng)分取α1=0.95，α2=0.5，α3=0.05[18]。即：A=v1·α1+v2·α2+v3·α3，數(shù)值越高，表示水資源承載力潛力越大。計(jì)算結(jié)果詳見表6。

表6 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶各區(qū)域水資源綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

3.6 綜合評(píng)價(jià)分析與討論

結(jié)合選取的原始數(shù)據(jù)，得到天山北坡經(jīng)濟(jì)帶各地區(qū)水資源承載力模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，根據(jù)計(jì)算的綜合評(píng)價(jià)值來(lái)對(duì)水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)，綜合評(píng)價(jià)值越大，說明水資源承載力越強(qiáng)，水資源承載力開發(fā)潛力越大，反之，綜合評(píng)價(jià)值越小，水資源承載力越弱，水資源繼續(xù)開發(fā)潛力越小。

根據(jù)研究結(jié)果可知，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶各地區(qū)綜合評(píng)價(jià)值除伊犁均小于0.6，說明天山北坡經(jīng)濟(jì)帶大部分地區(qū)水資源開發(fā)已具有一定的規(guī)模，超過承載力極限將造成流域的生態(tài)環(huán)境惡化[21]。伊犁水資源承載力對(duì)v1的隸屬度均大于v2，v3，說明該地區(qū)水資源承載力較強(qiáng)，水資源開發(fā)利用潛力大，該地區(qū)水資源有較高的開發(fā)利用空間；塔城地區(qū)水資源承載力對(duì)v2的隸屬度均大于v1，v3，說明該地區(qū)水資源承載力屬于適中程度，任具有可持續(xù)開發(fā)的能力，生活、生產(chǎn)、生態(tài)用水相對(duì)于平衡，暫不會(huì)發(fā)生水資源短缺現(xiàn)象；而烏魯木齊、石河子、克拉瑪依、昌吉、吐魯番、哈密地區(qū)水資源承載力對(duì)v3的隸屬度均大于v1，v2，水資源供需矛盾突出，需要對(duì)水資源利用上采取相應(yīng)措施，使水資源可持續(xù)利用，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展提供保障。

從水資源系統(tǒng)來(lái)看，各地區(qū)評(píng)價(jià)值由高到低分別為：伊犁、石河子、塔城、昌吉、哈密、克拉瑪依、吐魯番、博州、烏魯木齊，其中伊犁、烏魯木齊評(píng)分值分別為0.529，0.268；從社會(huì)發(fā)展系統(tǒng)來(lái)看，各地區(qū)評(píng)分值由高到低分別為伊犁、塔城、博州、昌吉、克拉瑪依、哈密、烏魯木齊、石河子、吐魯番，其中伊犁、吐魯番分別為0.499，0.24，評(píng)分低的地區(qū)應(yīng)該合理規(guī)劃產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，減少社會(huì)發(fā)展帶給水資源的壓力；從生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)來(lái)看，各地區(qū)評(píng)分值由高到低分別為：克拉瑪依、吐魯番、哈密、昌吉、石河子、博州、烏魯木齊、塔城、伊犁，其中克拉瑪依、伊犁評(píng)分值分別為0.456，0.124，評(píng)分高的地區(qū)應(yīng)注重生態(tài)的保護(hù)，減少生態(tài)惡化的危機(jī)。

從綜合評(píng)分值來(lái)看，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶各地區(qū)水資源承載力由大到小排名依次為：伊犁、塔城、石河子、哈密、克拉瑪依、吐魯番、烏魯木齊。天山北坡經(jīng)濟(jì)帶中部烏魯木齊、石河子以及西部博州、克拉瑪依水資源承載力綜合評(píng)分值分別為0.41，0.49，0.48，0.45均小于0.5，水資源供需矛盾較為突出，應(yīng)提高農(nóng)業(yè)用水效率，調(diào)整產(chǎn)業(yè)布局，盡快采取相應(yīng)措施，以保證社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展；天山北坡經(jīng)濟(jì)帶東部伊犁、塔城和中部地區(qū)昌吉水資源承載力綜合評(píng)分值為0.76，0.56，0.51均大于0.5，水資源開發(fā)潛力較大，但是為了水資源的可持續(xù)利用應(yīng)注意進(jìn)一步的水資源開發(fā)利用規(guī)劃；天山北坡經(jīng)濟(jì)帶西部(吐魯番、哈密)水資源承載力綜合評(píng)分值為0.43，0.45，水資源開發(fā)潛力較差，生態(tài)環(huán)境脆弱，為了加強(qiáng)生態(tài)建設(shè)需合理規(guī)劃水資源利用和保護(hù)。

4 結(jié) 論

本文采用模糊綜合評(píng)價(jià)法從水資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境3個(gè)系統(tǒng)上選取了供水模數(shù)、水資源開發(fā)利用率、人均水資源利用量等12項(xiàng)指標(biāo)對(duì)天山北坡經(jīng)濟(jì)帶各經(jīng)濟(jì)帶水資源承載力進(jìn)行了多因素綜合評(píng)價(jià)，從評(píng)判結(jié)果來(lái)看，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶中烏魯木齊、石河子、吐魯番、哈密、塔城、伊犁、克拉瑪依、昌吉、博州的水資源承載力綜合評(píng)分值分別為：0.41，0.49，0.43，0.45，0.76，0.56，0.45，0.51，0.48。天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的水資源開發(fā)已具有一定的規(guī)模，但水資源仍有一定的開發(fā)利用潛力，且東西部水資源承載力相差較大，應(yīng)合理規(guī)劃水資源開發(fā)利用和保護(hù)。在“十三五”時(shí)期不僅要完善水源保護(hù)體系還應(yīng)注重對(duì)水資源的深度和跨經(jīng)濟(jì)帶開發(fā)，深化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，做到從源頭上節(jié)約用水、循環(huán)利用，加強(qiáng)水資源開發(fā)利用規(guī)劃與管理，防止水質(zhì)污染，科學(xué)合理利用有限的水資源。