基于模糊集對分析法的新疆水資源安全評價(jià)

張志君，陳伏龍，龍愛華,2，何新林，喬長錄

(1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038)

水作為一種自然資源，是維持人生命、促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、保障良好生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)物質(zhì)。在全球氣候變暖背景下，可利用的水資源與人類日益增長的用水需求之間的矛盾日益凸顯，導(dǎo)致水資源短缺、水土流失和水生態(tài)環(huán)境破壞等一系列水安全問題[1]。新疆位于我國西北干旱地區(qū)，水安全環(huán)境顯得尤其脆弱，主要體現(xiàn)在：不合理的開發(fā)利用方式與灌溉定額導(dǎo)致低水平的用水效益及區(qū)域土壤鹽漬化；農(nóng)業(yè)用水?dāng)D占生態(tài)用水，使得下游天然綠洲萎縮，生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化；上游與中下游用水需求的競爭關(guān)系，擴(kuò)大了區(qū)域生產(chǎn)用水的矛盾[1-2]。

目前，區(qū)域水資源安全評價(jià)方法主要有模糊綜合評價(jià)法[3]、物元分析法[4]、投影尋蹤法[5]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[6]和綜合指數(shù)法[7]等。以上方法為區(qū)域水資源安全評價(jià)提供了有效的手段，但同時(shí)存在一些不足之處，例如:神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法需要用大量典型樣本作為測試集進(jìn)行訓(xùn)練，算法易陷入局部極值而導(dǎo)致訓(xùn)練失敗；模糊綜合評價(jià)方法存在較難確定合理的隸屬度函數(shù)的問題[8]，且由于隸屬度函數(shù)的差異會導(dǎo)致評價(jià)同一個(gè)對象的評價(jià)結(jié)果差異較大。集對分析法是一種處理事物確定與不確定性關(guān)系的有效方法，是我國學(xué)者趙克勤[9]在1989年提出的，2009年王文圣等[10]在此基礎(chǔ)上提出了簡單折線式的模糊集對分析法，已廣泛應(yīng)用于水資源安全[11]、水資源承載力[12]、水資源可持續(xù)利用[13]、調(diào)水效益[14]等方面的評價(jià)。目前對新疆水資源研究多關(guān)注于水資源承載力[15]、水資源與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展協(xié)調(diào)度[16]等方面，對新疆水資源安全評價(jià)研究較少。本文利用基于模糊集對分析的水安全評價(jià)方法對新疆水資源安全進(jìn)行評價(jià)。

1 研究區(qū)概況

新疆位于我國西北地區(qū)，地理坐標(biāo)73°40′E～96°18′E、34°25′N～48°10′N，總面積166萬km2，具有氣候干燥、降雨量少、水資源短缺等典型干旱區(qū)特征。新疆分為南疆(巴州、阿克蘇地區(qū)、克州、喀什地區(qū)和和田地區(qū))、北疆(烏魯木齊市、克拉瑪依市、昌吉州、博州、伊犁州、塔城地區(qū)、阿勒泰地區(qū)和石河子市)和東疆(吐魯番市和哈密市)3部分，綠洲多位于沿河流域及盆地邊緣，水資源受典型干旱區(qū)山地-綠洲-荒漠的自然因素和人文因素的雙重影響[16]。2016年新疆的年降水量229.7 mm，水資源總量為 1 093億m3，年需水總量為565.4億m3，其中農(nóng)業(yè)用水533.4億m3，占總需水量的94.3%，比全國平均水平高50.6%。生態(tài)環(huán)境用水率1.1%，僅為全國平均值的1/2。近年來，隨著新疆城鎮(zhèn)、工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，用水總量已經(jīng)超過其紅線控制值，地下水利用程度增加過快，水資源開發(fā)過度導(dǎo)致生態(tài)趨于惡化，水資源安全問題日益突出。

2 評價(jià)方法

基于模糊集對分析法的新疆水資源安全評價(jià)流程為：①建立新疆區(qū)域水資源安全評價(jià)指標(biāo)體系；②確定各評價(jià)指標(biāo)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)；③通過熵權(quán)法確定評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重；④采用模糊集對分析法求得單指標(biāo)聯(lián)系度；⑤將單指標(biāo)聯(lián)系度與準(zhǔn)則層及目標(biāo)層權(quán)重結(jié)合，得到準(zhǔn)則層及目標(biāo)層水資源安全評價(jià)綜合聯(lián)系度；⑥運(yùn)用置信度準(zhǔn)則與級別特征值法確定水資源安全的評價(jià)等級；⑦利用減法集對勢確定需要調(diào)控的區(qū)域；⑧將評價(jià)結(jié)果與物元分析法及綜合指數(shù)法進(jìn)行比較分析。

2.1 建立評價(jià)指標(biāo)體系

區(qū)域水資源安全評價(jià)指標(biāo)體系是反映評價(jià)結(jié)果客觀、真實(shí)的有效依據(jù)。評價(jià)指標(biāo)的選取遵循可靠性、代表性和可獲性等原則，采用定量與定性相結(jié)合的方法[3]，結(jié)合區(qū)域水資源現(xiàn)狀，建立全面、綜合反映新疆水資源安全狀況的評價(jià)指標(biāo)體系如表1所示(表中括號中數(shù)據(jù)為各指標(biāo)權(quán)重，其中C1～C4、C8、C11、C12、C14～C17為越大越優(yōu)型指標(biāo)(效益型指標(biāo))，其他為越小越優(yōu)型指標(biāo)(成本型指標(biāo))。本文將水資源安全評價(jià)指標(biāo)體系分為目標(biāo)層A、準(zhǔn)則層B和指標(biāo)層C，其中目標(biāo)層A為“區(qū)域水資源安全”，共16個(gè)對象(即A1～A16，其中北疆8個(gè)、南疆5個(gè)、東疆2個(gè)及新疆整體)，準(zhǔn)則層分別為“水資源層B1”“社會經(jīng)濟(jì)層B2”“生態(tài)環(huán)境層B3”和“供需層B4”，指標(biāo)層由指標(biāo)C1～C18組成，見表1。

表1 新疆水資源安全評價(jià)指標(biāo)體系及權(quán)重
Table1Regionalwaterresourcessafetyevaluationindexsystemandweight

2.2 確定指標(biāo)等級標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)新疆水資源安全評價(jià)指標(biāo)體系，借鑒與研究區(qū)相似地區(qū)的水資源安全評價(jià)成果[3,17-19]，將水資源安全評價(jià)等級劃分為5級。其中1級(非常安全)表示被評價(jià)對象水資源系統(tǒng)自我修復(fù)能力較強(qiáng)，各項(xiàng)功能良好，基本無水危機(jī)及水災(zāi)害事件；2級(安全)表示水資源系統(tǒng)自我修復(fù)能力良好，各項(xiàng)功能比較正常，水危機(jī)及水災(zāi)害事件較少；3級(基本安全)表示水資源系統(tǒng)自我修復(fù)能力基本正常，各項(xiàng)功能大部分正常，發(fā)生部分水危機(jī)及水災(zāi)害事件；4級(不安全)表示水資源系統(tǒng)自我修復(fù)能力和各項(xiàng)功能遭受較大破壞，水危機(jī)及水災(zāi)害事件增加；5級(極不安全)表示水資源系統(tǒng)自我修復(fù)能力和各項(xiàng)功能遭受嚴(yán)重破壞，水危機(jī)及水災(zāi)害事件頻率極高[20]，具體參數(shù)見表2。

2.3 熵權(quán)法確定權(quán)重

權(quán)重是反映評價(jià)指標(biāo)相對于評價(jià)對象的重要性程度，熵權(quán)法是一種可以盡量消除人為主觀干擾的賦權(quán)法，參照文獻(xiàn)[21]，采用熵權(quán)法確定評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的步驟如下：①選取m個(gè)評價(jià)對象，n個(gè)指標(biāo)，形成初始數(shù)據(jù)矩陣X=(xij)m×n(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)；②將初始數(shù)據(jù)分成效益型指標(biāo)和成本性指標(biāo)，形成標(biāo)準(zhǔn)化矩陣R=(rij)m×n；③確定第j個(gè)評價(jià)指標(biāo)的熵值；④確定第j個(gè)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重：

表2 新疆水資源安全評價(jià)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Xinjiang Water Resources Safety Evaluation Grade Classification Standard

(1)

式中：wj為第j個(gè)評價(jià)指標(biāo)權(quán)重；n為評價(jià)指標(biāo)總數(shù)；h′j為第j個(gè)評價(jià)指標(biāo)的熵值。

2.4 模糊集對分析法確定聯(lián)系度

2.4.1模糊集對分析法評價(jià)原理

在利用模糊集對分析法對水資源安全進(jìn)行評價(jià)時(shí)，設(shè)由n個(gè)指標(biāo)構(gòu)成的評價(jià)對象集合為A={x1,x2,…,xn}，指標(biāo)xj第k級評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)集合為Zk(k為評價(jià)等級數(shù)，k=1,2,…,K)，則集合A與Zk形成集對H(A,Zk)，為了方便計(jì)算，同時(shí)避免評價(jià)指標(biāo)間作用差距較大引起的差異[10-11]，將Zk特定為指標(biāo)xj第1級標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成的集合Z1，則集合A與Z1構(gòu)成集對H(A,Z1)，指標(biāo)j的聯(lián)系度μj[10]為

μj=μA～Z1=a+b1I1+b2I2+b3I3+cJ

(2)

其中

a+b1+b2+b3+c=1

式中：a為集對H(A，Z1)的同一度分量，表示指標(biāo)xj隸屬于1級標(biāo)準(zhǔn)的可能性；b1、b2、b3為集對H(A，Z1)的差異度分量，表示指標(biāo)xj隸屬于2、3、4級標(biāo)準(zhǔn)的可能性；c為對立度分量，表示指標(biāo)xj隸屬于5級標(biāo)準(zhǔn)的可能性[22]；I1、I2、I3為差異度分量系數(shù)；J為對立度系數(shù)，通常取-1[10]。

2.4.2單指標(biāo)聯(lián)系度計(jì)算

區(qū)域水資源安全評價(jià)等級標(biāo)準(zhǔn)分5級，一個(gè)門限值對應(yīng)一個(gè)等級區(qū)間，4個(gè)門限值分別為S1、S2、S3、S4，等級門限邊界的模糊性問題采用差異度分量處理。效益型指標(biāo)(S1≥S2≥S3≥S4)和成本型指標(biāo)(S1≤S2≤S3≤S4)聯(lián)系度μj的計(jì)算公式[10-11]分別為

μj=μA～Z1=

(3)

μj=μA～Z1=

(4)

2.4.3樣本綜合聯(lián)系度計(jì)算

a. 準(zhǔn)則層綜合聯(lián)系度。利用單指標(biāo)聯(lián)系度，結(jié)合準(zhǔn)則層內(nèi)部各指標(biāo)權(quán)重，得準(zhǔn)則層綜合聯(lián)系度[23]：

(5)

式中：s是各準(zhǔn)則層中指標(biāo)個(gè)數(shù)；wj是準(zhǔn)則層第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

b. 目標(biāo)層綜合聯(lián)系度。依據(jù)單指標(biāo)聯(lián)系度，結(jié)合指標(biāo)層權(quán)重，得目標(biāo)層綜合聯(lián)系度[10,23]：

(6)

式中：n是目標(biāo)層中指標(biāo)總數(shù)；wj是目標(biāo)層第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

2.5 確定評價(jià)等級

采用置信度準(zhǔn)則確定水資源安全狀態(tài)等級[11,14]，判斷隸屬度等級的公式為

hk=f1+f2+…+fK>λ

(7)

式中：hk為屬性測度；λ為置信度，取值范圍通常為[0.5,0.7][11,23]；f1、f2、f3、f4、f5為5個(gè)評價(jià)等級(本文k=5)的聯(lián)系度分量[23]，對于給定的λ，當(dāng)hk-1≤λ，且hk>λ時(shí)，評價(jià)結(jié)果屬于第k級，λ取值越大，評價(jià)結(jié)果越偏向于保守[11]。

利用級別特征值法[24]能夠克服模糊隸屬度函數(shù)判別結(jié)果失真的缺點(diǎn)，增強(qiáng)評價(jià)結(jié)果的合理性。結(jié)合式(5)、式(6)，得出對應(yīng)水資源安全評價(jià)級別的特征值gk為

gk=f1+2f2+3f3+4f4+5f5

(8)

2.6 識別水資源安全調(diào)控區(qū)域

在集對分析理論中，減法集對勢是式(6)樣本綜合聯(lián)系度的伴隨函數(shù)，能將差異度分量b值按比率值法進(jìn)行分配[8]，根據(jù)金菊良等[25]提出的n元減法集對勢函數(shù)sf(u)=(a-c)(1+b1+b2+…+bK-2)，利用“均分原則”[9]，將sf(u)劃分為5個(gè)勢級[24]，當(dāng)sf(u)∈[-1.0,-0.6)時(shí)為反勢，sf(u)∈[-0.6,-0.2)時(shí)為偏反勢，sf(u)∈[-0.2,0.2]時(shí)為均勢，sf(u)∈(0.2,0.6]時(shí)為偏同勢，sf(u)∈(0.6,1.0]時(shí)為同勢。處于反勢或偏反勢的區(qū)域，是水資源安全調(diào)控的主要區(qū)域[24-25]。

3 評價(jià)結(jié)果與分析

根據(jù)2017年《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》《石河子統(tǒng)計(jì)年鑒》及2016年《新疆水資源公報(bào)》等相關(guān)文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)，運(yùn)用Matlab軟件編程，取λ=0.5,依據(jù)置信度準(zhǔn)則確定評價(jià)等級，得到2016年新疆15個(gè)行政區(qū)及新疆整體水資源安全準(zhǔn)則層綜合評價(jià)等級如表3所示，其中水資源層和社會經(jīng)濟(jì)層各等級評價(jià)對象面積占新疆總面積比例見表4。

表3 新疆水資源準(zhǔn)則層安全等級Table 3 Xinjiang water resources standards layer safety level

表4 水資源層和社會經(jīng)濟(jì)層等級分布區(qū)域占新疆總面積比例Table 4 The proportion of water resources and socio-economic level distribution to the total area of Xinjiang

由表3可得，新疆整體的水資源準(zhǔn)則層水資源安全評價(jià)等級均屬于基本安全等級(3級)，在生態(tài)環(huán)境層中，北疆偏向于4級，南疆、東疆屬于4級；在供需層中，北疆偏向于2級，南疆和東疆屬于3級。

結(jié)合表4可見，在水資源層中，北疆、南疆水資源安全評價(jià)等級分級明顯，北疆分布在1級、3～5級，南疆偏向于2級，東疆屬于4級。在社會經(jīng)濟(jì)層中，北疆水資源安全等級分布在2、3級，南疆分布在3～5級，東疆分布在3、4級。結(jié)合相關(guān)水資源論證的規(guī)劃報(bào)告及實(shí)際社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況，該評價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況較為符合。

結(jié)合模糊集對分析方法評價(jià)步驟，利用置信度準(zhǔn)則法、級別特征值法得出新疆水資源目標(biāo)層的水資源安全評價(jià)等級，并用減法集對勢法進(jìn)行空間診斷分析，結(jié)果見表5。

表5 新疆水資源安全評價(jià)等級及減法集對勢值Table 5 Xinjiang water resources safety evaluation level and subtraction set against potential values

由表5可知，新疆水資源安全等級屬于3級，北疆分布在2～4級，南疆分布在3、4級，東疆屬于4級。依據(jù)置信度準(zhǔn)則判斷水資源安全等級，位于同一個(gè)等級，hk越大安全程度越高，屬于3級由高到低的順序?yàn)椋核?、博州、阿勒泰、巴州、克州、克拉瑪依、昌吉、和田、烏魯木齊；屬于4級由高到低的順序?yàn)椋和卖敺?、阿克蘇、哈密、喀什、石河子。級別特征值法判斷出伊犁水資源安全等級最優(yōu)(2級)，吐魯番市水資源安全等級最差(4級)，其余地區(qū)評價(jià)結(jié)果大體相同。由減法集對勢判斷出吐魯番、哈密、喀什、阿克蘇、石河子5個(gè)地區(qū)處于偏反勢，是區(qū)域水資源安全調(diào)控的主要對象。

將本文綜合評價(jià)結(jié)果與物元分析法[4]及綜合指數(shù)法[7]的評價(jià)結(jié)果進(jìn)行比較分析，結(jié)果見表6。本文基于模糊集對分析法的評價(jià)結(jié)果與物元分析法相比有14個(gè)相同，有2個(gè)相差1級；與綜合指數(shù)法相比，評價(jià)結(jié)果有12個(gè)相同，有4個(gè)相差1級，3種評價(jià)方法的評價(jià)結(jié)果相近，表明模糊集對分析法的評價(jià)結(jié)果具有合理性。

4 結(jié) 論

a. 新疆整體水資源安全狀況屬于基本安全等級，水資源安全等級空間分布上北疆最好、南疆其次，東疆最弱。減法集對勢法識別出需要重點(diǎn)調(diào)控的5個(gè)地區(qū)是吐魯番、哈密、喀什、阿克蘇、石河子，與目標(biāo)層評價(jià)結(jié)果較為符合，減法集對勢法能較為簡便、直觀地識別出水資源安全的脆弱性樣本。

b. 新疆水資源層安全等級空間分布上，呈現(xiàn)南、北強(qiáng)東弱格局，社會經(jīng)濟(jì)層中呈現(xiàn)北、東強(qiáng)南弱格局，生態(tài)環(huán)境層普遍處于不安全水平，供需狀況基本滿足要求。

表6 3種評價(jià)方法評價(jià)結(jié)果比較Table 6 Comparison of evaluation results of three evaluation methods

c. 基于模糊集對分析的水資源安全評價(jià)方法與物元分析法和綜合指數(shù)法評價(jià)結(jié)果大體相同，應(yīng)用于干旱區(qū)水資源安全評價(jià)具有一定的推廣價(jià)值。