新疆瑪納斯河流域水資源可持續(xù)利用水平評(píng)價(jià)

周學(xué)磊

(新疆瑪納斯河流域管理局，新疆 瑪納斯 832200)

0 引 言

水資源屬于保障國(guó)家和區(qū)域生產(chǎn)發(fā)展不可或缺的重要資源，水污染和水資源短缺問(wèn)題的進(jìn)一步加劇，使得學(xué)者和有關(guān)政府越來(lái)越注重流域水資源可持續(xù)利用能力的評(píng)價(jià)研究，其對(duì)促進(jìn)人水和諧發(fā)展及充分合理的利用水資源發(fā)揮著重要作用[1]。

瑪納斯河流域橫跨多個(gè)地(州)、兵團(tuán)，其占地面積8.432萬(wàn)km2，地形呈北低南高的變化特征。該流域?yàn)榇箨懶愿珊禋夂颍嗄昶骄邓?10-200mm，屬新疆維吾爾自治區(qū)重要的糖、棉、糧生產(chǎn)基地和主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)。其中，呼圖壁河、巴音溝河、瑪納斯河和金溝河等為構(gòu)成瑪納斯河流域的主干支流，人口的增長(zhǎng)、農(nóng)業(yè)耕地面積的增加以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)規(guī)模的發(fā)展壯大等，使得流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境區(qū)域惡化及水資源供需矛盾更加突出，對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生直接的不利影響。為解決以上問(wèn)題，當(dāng)前亟需運(yùn)用科學(xué)的方法綜合評(píng)價(jià)綠洲水資源可持續(xù)利用能力水平[2-6]。文章結(jié)合現(xiàn)有文獻(xiàn)資料和流域水資源利用現(xiàn)狀，綜合考慮生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和水資源等方面要素建立評(píng)價(jià)體系，運(yùn)用改進(jìn)障礙因子診斷模型和突變級(jí)數(shù)法識(shí)別了流域水資源利用影響因素及可持續(xù)利用能力，以期流域水資源管理規(guī)劃和合理高效利用水資源提供決策依據(jù)[7-10]。

1 評(píng)價(jià)方法

1.1 突變級(jí)數(shù)法

1972年法國(guó)學(xué)者勒內(nèi)托姆基于各參評(píng)因子的相對(duì)重要度，創(chuàng)立了一種運(yùn)算簡(jiǎn)便、結(jié)果客觀、準(zhǔn)確度高的突變理論法，現(xiàn)已在績(jī)效考核、資源環(huán)境評(píng)價(jià)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。然而，該方法對(duì)于主、次控制變量的選擇易受主觀判斷的影響，從而導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果受主觀干擾的影響較大。所以，文章將主成分分析法與突變級(jí)數(shù)法有機(jī)結(jié)合，用于確定評(píng)價(jià)模型的主、次控制變量，其主要流程為：

1)步驟1：根據(jù)水資源利用現(xiàn)狀和流域水源管理要求，考慮各方面影響要素構(gòu)建可持續(xù)利用突變?cè)u(píng)價(jià)體系。

2)步驟2：考慮評(píng)價(jià)體系結(jié)構(gòu)層次確定突變類型，其中國(guó)內(nèi)學(xué)者廣泛應(yīng)用的有燕尾、蝴蝶、突變和尖點(diǎn)突變3種類型，一般適用于4個(gè)或2個(gè)子系統(tǒng)的評(píng)價(jià)分析。

3)步驟3：將水資源利用評(píng)價(jià)因子初始數(shù)據(jù)利用突變系統(tǒng)的分歧方程式處理，轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)形式。

4)步驟4：采用合適的方法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)水資源可持續(xù)利用水平，歸一化處理后的各突變系統(tǒng)數(shù)據(jù)屬于一種模糊性多維度的隸屬函數(shù)，將其按照不同的函數(shù)類型劃分為多個(gè)類別，對(duì)控制變量按照互補(bǔ)準(zhǔn)則取平均值作為最終的評(píng)價(jià)結(jié)果。

1.2 改進(jìn)障礙度模型

充分了解不同時(shí)期和各個(gè)區(qū)域的水資源開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀為評(píng)價(jià)分析水資源可持續(xù)利用的重要條件，同時(shí)還要準(zhǔn)確識(shí)別顯著影響水資源系統(tǒng)的關(guān)鍵因素，進(jìn)一步分析其內(nèi)在關(guān)系，進(jìn)而提高水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確度和可靠性。所以，本文將突變級(jí)數(shù)模型和障礙因子診斷模型相耦合用于流域水資源的評(píng)價(jià)研究，先利用公式(1)獲取參評(píng)因子的偏離度，即：

Iij=1-xij

(1)

式中：xij、Iij為參評(píng)因子i關(guān)于評(píng)價(jià)時(shí)期(或地區(qū))j的標(biāo)準(zhǔn)化值和偏離度。

然后將各控制變量的偏離度利用歸一化方法處理，由此得到被診斷指標(biāo)的突變級(jí)數(shù)，評(píng)價(jià)體系的上一級(jí)障礙度即為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的該級(jí)數(shù)值；將其它各層次中被診斷對(duì)象的障礙水平反復(fù)利用該歸一化方法處理，可實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)的障礙度測(cè)算，依據(jù)障礙水平準(zhǔn)確識(shí)別關(guān)鍵性要素。

1.3 主成分分析PCA法

突變級(jí)數(shù)模型的綜合評(píng)價(jià)體系中，各控制變量的主次關(guān)系運(yùn)用主成分法獲取。樣本數(shù)據(jù)的最大變異方向可利用PCA法的第一主成分表征，同時(shí)初始變量與第一主成分存在較強(qiáng)的相關(guān)性，所以水資源可持續(xù)利用水平各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重選用存在最大特征根的特征向量的各分量，由此實(shí)現(xiàn)各參評(píng)要素的重要性排序。將突變級(jí)數(shù)模型與主成分分析法有機(jī)結(jié)合，為突變級(jí)數(shù)模型的應(yīng)用創(chuàng)造了條件，保證了各層次參評(píng)因子的橫向排序和評(píng)估結(jié)果的客觀準(zhǔn)確性。

1.4 水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)體系

新疆瑪納斯河流域管理局作為流域管理單位，統(tǒng)籌全流域水資源的調(diào)配，依據(jù)瑪納斯河水資源利用現(xiàn)狀和現(xiàn)有文獻(xiàn)研究成果，從生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和水資源4個(gè)方面選擇13項(xiàng)水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)因子，按照梯階層次結(jié)構(gòu)建立適用于該流域的綜合評(píng)價(jià)體系，瑪納斯河流域綜合評(píng)價(jià)體系及其初始值，見(jiàn)表1。然后借鑒瑪納斯河流域水資源公報(bào)、各地區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒、水資源發(fā)展規(guī)劃等資料提取現(xiàn)狀水平年各參評(píng)因子初始數(shù)據(jù)，結(jié)合以往數(shù)據(jù)資料和當(dāng)前發(fā)展規(guī)劃預(yù)測(cè)2025年各因子值。根據(jù)國(guó)家公認(rèn)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)和流域水資源特點(diǎn)，將可持續(xù)利用水平劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)，各層級(jí)下參評(píng)因子值，流域水系統(tǒng)評(píng)價(jià)等級(jí)，見(jiàn)表2，其中Ⅰ級(jí)代表流域水資源可持續(xù)利用潛力較小、總體水平較低；Ⅲ代表流域水資源可持續(xù)利用潛力巨大、總體水平較高；Ⅱ級(jí)處于以上兩級(jí)之間，即流域水資源存在一定的利用潛力，總體處于中等水平。

表1 瑪納斯河流域綜合評(píng)價(jià)體系及其初始值

表2 流域水系統(tǒng)評(píng)價(jià)等級(jí)

2 實(shí)例應(yīng)用

根據(jù)瑪納斯河流域2005年、2015年和2025年水資源利用各參評(píng)因子值，運(yùn)用改進(jìn)障礙因子診斷模型、突變級(jí)數(shù)法和評(píng)價(jià)體系臨界值，識(shí)別分析流域水資源可持續(xù)利用障礙性因子以及不同時(shí)期的變化特征。

2.1 數(shù)據(jù)處理

為便于構(gòu)建突變級(jí)數(shù)模型及消除不同參評(píng)要素間的量綱差異，應(yīng)先利用下述公式歸一化處理正向和負(fù)向評(píng)價(jià)因子的初始數(shù)據(jù)，即：

(2)

(3)

式中：x(i,j)、v(i,j)為參評(píng)因子i對(duì)于評(píng)價(jià)時(shí)期j的初始數(shù)據(jù)和歸一化評(píng)價(jià)值；xmax(j)、xmin(j)為參評(píng)因子i對(duì)于各評(píng)價(jià)時(shí)期的最大與最小值。將表1中各參評(píng)指標(biāo)初始數(shù)據(jù)采用公式(2)、(3)作歸一化處理，歸一化處理的各參評(píng)指標(biāo)值，見(jiàn)表3。

表3 歸一化處理的各參評(píng)指標(biāo)值

通過(guò)歸一化處理各參評(píng)因子數(shù)據(jù)，對(duì)評(píng)價(jià)體系中間層次的單個(gè)指標(biāo)所包含的相對(duì)重要度利用主成分分分析，依據(jù)分析結(jié)果排列各指標(biāo)；同時(shí)，將中間層單個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)運(yùn)用突變級(jí)數(shù)法處理，多次重復(fù)運(yùn)算后獲取所有層次的評(píng)價(jià)因子數(shù)據(jù)，為避免各單項(xiàng)評(píng)估因子突變級(jí)數(shù)處理過(guò)程中出現(xiàn)的聚集現(xiàn)象，運(yùn)用歸一化公式(2)處理后作主成分分析，依據(jù)重要度大小排列目標(biāo)層單個(gè)指標(biāo)，從而獲取最終評(píng)價(jià)等級(jí)。

2.2 可持續(xù)利用水平分析

采用突變級(jí)數(shù)法評(píng)價(jià)分析瑪納斯河流域水資源利用水平，2005年、2015年、2025年不同時(shí)期的可持續(xù)利用水平，瑪納斯河流域水資源可持續(xù)利用綜合評(píng)估值及其排序，見(jiàn)表4。

表4 瑪納斯河流域水資源可持續(xù)利用綜合評(píng)估值及其排序

根據(jù)各子系統(tǒng)得分、排序及其綜合評(píng)價(jià)值可知：

1)2005年生態(tài)環(huán)境與水資源系統(tǒng)總體處于Ⅰ級(jí)狀態(tài)，水系統(tǒng)可持續(xù)利用水平較低；經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展子系統(tǒng)總體處于Ⅰ級(jí)狀態(tài)，流域水系統(tǒng)可持續(xù)利用整體為中等，總體而言瑪納斯河流域總體處于中等可持續(xù)利用狀態(tài)。

2)2015年瑪納斯河流域各子系統(tǒng)值均呈現(xiàn)出一定的上升趨勢(shì)，除水資源系統(tǒng)為Ⅰ級(jí)(低)水平外生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展系統(tǒng)均達(dá)到Ⅱ級(jí)水平，水系統(tǒng)可持續(xù)利用總體處于中等狀態(tài)；總而言之，該時(shí)期仍處于Ⅱ級(jí)中等水平，較2005年該時(shí)期綜合評(píng)價(jià)值得以大幅度提升，從最初的0.686上升至0.781。

3)2025年瑪納斯河流域各子系統(tǒng)值仍表現(xiàn)出上升趨勢(shì)，生態(tài)環(huán)境、水資源、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展系統(tǒng)均達(dá)到Ⅱ級(jí)水平，流域水系統(tǒng)可持續(xù)利用處于中等狀態(tài)；總而言之，該時(shí)期仍處于Ⅱ級(jí)中等水平，較2010年該時(shí)期綜合評(píng)價(jià)值得以大幅度提升，從2015南的0.781上升至0.830。

綜上分析，瑪納斯河流域不同時(shí)期的水資源可持續(xù)利用水平總體呈良性循環(huán)發(fā)展趨勢(shì)，水系統(tǒng)環(huán)境、水資源、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)各子系統(tǒng)之間相互協(xié)調(diào)，該流域今后的發(fā)展模式仍以優(yōu)質(zhì)高效發(fā)展模式為主。

2.3 障礙因子診斷

根據(jù)瑪納斯河流域不同時(shí)期的評(píng)價(jià)結(jié)果，采用改進(jìn)診斷模型進(jìn)一步識(shí)別關(guān)鍵性障礙因子，各評(píng)價(jià)指標(biāo)和子系統(tǒng)的障礙度運(yùn)算?，敿{斯河流域評(píng)價(jià)體系中各子系統(tǒng)障礙度，見(jiàn)表5。

表5 瑪納斯河流域評(píng)價(jià)體系中各子系統(tǒng)障礙度

從表5可知，在不同時(shí)期4個(gè)子系統(tǒng)阻礙程度存在較大的差異。其中，生態(tài)環(huán)境、社會(huì)發(fā)展和水資源子系統(tǒng)為抑制2005年水資源可持續(xù)利用的關(guān)鍵因子；社會(huì)發(fā)展和水資源系統(tǒng)為抑制2015年水資源可持續(xù)利用的關(guān)鍵因子，該時(shí)期的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)得到一定程度的改善；社會(huì)發(fā)展和水資源系統(tǒng)為抑制2025年水系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵因子。所以，社會(huì)發(fā)展模式及資源性缺水為阻礙西北內(nèi)陸干旱區(qū)可持續(xù)發(fā)展的根本原因。

表6 瑪納斯河流域評(píng)價(jià)體系中各子系統(tǒng)障礙度

由于瑪納斯河流域水資源系統(tǒng)覆蓋范圍廣、參評(píng)要素多，文章按照指標(biāo)層障礙度的大小將可持續(xù)利用水平障礙因素排序，貢獻(xiàn)率較大的前5位障礙因素，瑪納斯河流域評(píng)價(jià)體系中各子系統(tǒng)障礙度，見(jiàn)表6。從表6可以看出，2005年、2015年、2025年不同時(shí)期影響作用明顯的障礙因素相差不大。其中，不同時(shí)期排名靠前的要素有C2、C3、C11，可見(jiàn)瑪納斯河流域水資源可持續(xù)利用水平主要受到林草覆蓋率較低、單位面積水資源量不足及水資源開(kāi)發(fā)利用率過(guò)高等因素制約。所以，應(yīng)提倡中水、微咸水資源化及高效節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣應(yīng)用，采取保護(hù)水生態(tài)環(huán)境、發(fā)展節(jié)水型工業(yè)和減少農(nóng)業(yè)用水總量等措施，以實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與流域水資源的協(xié)調(diào)持續(xù)利用。

3 結(jié) 論

1)2005年、2015年和2025年瑪納斯河流域水資源可持續(xù)利用綜合評(píng)價(jià)值為0.686、0.781、0.830，可持續(xù)利用均處于Ⅱ級(jí)中等水平，該流域總體呈良性循環(huán)、健康發(fā)展趨勢(shì)，生態(tài)環(huán)境、水資源、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)各子系統(tǒng)之間相互協(xié)調(diào)，且今后的發(fā)展模式仍以優(yōu)質(zhì)高效發(fā)展模式為主。

2)為進(jìn)一步識(shí)別阻礙流域水資源可持續(xù)利用的關(guān)鍵因子，從指標(biāo)層和子系統(tǒng)兩個(gè)方面運(yùn)用改進(jìn)障礙因子法分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，瑪納斯河流域水資源可持續(xù)利用水平主要受到水系統(tǒng)開(kāi)發(fā)率過(guò)高、植被覆蓋度低及資源性缺水等因素制約。為實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與流域水資源的協(xié)調(diào)持續(xù)利用，應(yīng)提倡中水、微咸水資源化及高效節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣應(yīng)用，采取保護(hù)水生態(tài)環(huán)境、發(fā)展節(jié)水型工業(yè)和減少農(nóng)業(yè)用水總量等措施。