鄂爾多斯市水資源承載能力綜合評價與分析

高瑞忠，李和平，佟長福，格日樂

（1.內蒙古農業大學 水利與土木工程學院，呼和浩特010018；2.中國水科院牧區水利科學研究所，呼和浩特010010；3.內蒙古工業大學 管理學院，呼和浩特010051）

1 研究區概況及評價分區

鄂爾多斯市位于內蒙古自治區西南部，與寧夏、陜西、山西三省區毗鄰，同呼和浩特市、包頭市共同構成內蒙古自治區黃河“金腰帶”上的“金三角”。鄂爾多斯市這幾年經濟發展速度快，過去在內蒙古12個盟市中曾排列倒數第2位，現在已位列內蒙古各地區之首。“鄂爾多斯發展模式”得到中央的充分肯定和高度重視，已在全國宣傳推廣，成為改革開放30a全國18個典型地區之一。

水資源是一種戰略性資源，對于區域生態環境安全和區域可持續發展具有重要意義，水資源承載力是進行區域生態環境建設和確定社會經濟發展方向的基礎。鄂爾多斯市包括東勝區、達拉特旗、準格爾旗、鄂托克旗、鄂托克前旗、杭錦旗、烏審旗和伊金霍洛旗等8個行政旗（區），本文通過對鄂爾多斯市及其各旗（區）水資源承載能力的綜合評價，實現對于鄂爾多斯市水資源的現狀及開發利用程度的總體把握，從而為鄂爾多斯市的經濟發展提供理論依據。

2 評價方法

2.1 評價指標

水資源承載力評價指標體系的建立是水資源承載力研究中的一個關鍵問題，核心是用什么指標體系反映“社會－經濟－自然復合生態系統”的發展規模與質量，影響區域水資源承載能力的因素很多，涉及到水資源系統的各個方面，其指標的選取也常因研究者而有不同［1－3］。在本次水資源承載力綜合評價中，選取了水資源開發利用率、灌溉率、地表水控制率、工業用水重復利用率、人均水資源可利用量、人均供水量、排污率、供水量模數和生態用水率等9個主要因素作為評價因素，各因素的含義如下：①水資源開發利用率X1（%），現狀水平年75%保證率的供水量與可利用的水資源總量之比；②灌溉率X2（%），灌溉面積與耕地面積之比；③地表水控制率X3（%），當地地表水蓄水工程入庫水量與當地地表水資源量之比；④工業用水重復利用率X4（%），工業重復利用水量與總用水量之比；⑤人均水資源可利用量X5（m3／人），可供水資源量與總人口數之比；⑥人均供水量X6（m3／人），現狀水平年75%保證率的供水量與總人口數之比；⑦排污率X7（%），污水排放量與總用水量之比；⑧供水量模數X8（萬m3／km2），供水量與土地面積之比；⑨生態用水率X9（%），生態用水總量與總需水量之比。

2.2 評價等級及模型建立樣本和驗證樣本的產生

水資源系統是自然和社會交互的動態系統，其開發利用程度隨著社會需求的增長和經濟技術水平的提高而不斷增加，根據評價因素對區域水資源承載力的影響程度，將水資源承載能力劃分為3個等級［1－3］：①等級1，表示水資源有較大的承載能力，其開發利用程度和發展規模都較小，工農業及整個經濟都處于用水低效型，水資源綜合管理水平較低，因而區域國民經濟發展對水資源的需求是有保障的；②等級2，表示水資源開發已具有相當的規模，經濟類型由用水低效型逐步向用水高效型過渡，并開始重視水資源綜合管理，水資源開發仍具有一定的潛力，區域國民經濟發展對水資源供給需求有一定的保證；③等級3，表示水資源承載能力處于飽和值，水資源開發利用程度接近極限，工農業及整個經濟處于用水高效型，水資源綜合管理達到相當水平，水資源的進一步開發潛力較小，水資源將制約國民經濟發展，這時應采取相應的對策。綜合評價指標對應的水資源承載能力等級見表1。

表1 水資源承載能力等級劃分

水資源承載能力評價模型建立和檢驗的樣本依據評價等級隨機產生，計算公式如式（1）。

式中：u——［0，1］之間的均勻隨機數；x（i，j）——第i個評價指標產生的第j級的樣本；y上（j）——第i個評價指標屬于第j級的上邊界值；y下（j）——第i個評價指標屬于第j級的下邊界值。

2.3 評價模型

采用Shepard相似模型進行水資源承載能力評價，步驟如下：

（1）依據評價標準隨機產生模型建立樣本。樣本由標準評價等級y（i）和其對應的評價指標x′（i，j）組成，i為樣本編號，i＝1，2，…，n，j為指標數目，j＝1，2，…，m。為了消除各評價指標的量綱效應，對樣本評價指標進行標準化處理。

（2）建立優化目標函數。當已知評價對象的評價指標x（n＋1，j），則插值的評價類別yc（n＋1）見式（3）。

其中

式中：di——第i個樣本評價指標與評價對象的評價指標之間的距離；wi——權重，表示第i個樣本對內插評價對象的評價類別yc（n＋1）的貢獻大??；b——模型待定參數，一般為大于1的常數。

在樣本序列中任取某樣本 ，由其它 個樣本進行Shepard插值，得到相應于評價類別 的插值記為 ，建立如下目標函數優化估計參數

以上優化問題呈現非線性，傳統的優化方法很難求解，因此可以采用人工智能優化方法進行計算，如遺傳算法、模擬退火算法、蟻群算法、禁忌算法、神經網絡算法等。加速遺傳算法［5－6］在水科學研究中得到廣泛應用和認可，因此，本文采用加速遺傳算法進行模型參數的優化計算。

（3）進行水資源承載能力評價。當參數b確定以后，將評價對象的評價指標代入公式（3），得由n個評價樣本內插的評價對象的評價類別值yc（n＋1）。

3 評價結果與分析

3.1 評價模型的建立與檢驗

依據水資源承載能力等級標準，采用公式（1）隨機產生評價模型建立和檢驗所需要的樣本，如表2所示，其中模型建立樣本每個等級產生8個，共24個，模型檢驗樣本每個等級產生2個，共6個。

表2 水資源承載能力綜合評價相似模型的建立與檢驗

基于建模樣本，以加速遺傳算法求解公式（4），從而識別相似模型參數b＝0.985，優化目標函數值為0.21。以檢驗樣本代入相似模型，從而檢驗模型的有效性，表3給出了水資源承載能力綜合評價相似模型建立和檢驗階段的誤差分析，從表3可以看出，模型在建立階段和檢驗階段，取得了較好的評價效果，因此，模型可以用于實際的水資源承載能力的綜合評價。

表3 水資源承載能力綜合評價相似模型建立和檢驗階段的誤差分析

3.2 評價結果與分析

利用加速遺傳算法識別計算而建立的水資源承載能力綜合評價相似模型對鄂爾多斯市及其各旗（區）的水資源承載能力進行評價，評價結果見表4。

從表4可以看出，對于鄂爾多斯市，水資源承載能力評價結果為2級，水資源開發利用程度已經具有相當的規模，在現狀開發條件下，水資源開發仍具有一定的潛力，對區域國民經濟發展的水資源供給有一定的保證，但應當開始重視水資源的綜合管理，以實現水資源的可持續利用；從鄂爾多斯市各旗（區）的評價結果來看，東勝區、達拉特旗、準格爾旗、鄂托克旗及伊金霍洛旗的水資源承載能力等級大于2級，水資源開發利用程度已經具有相當的規模，具有有限的承載能力，鄂托克前旗、杭錦旗及烏審旗的水資源承載能力等級介于1級和2級之間，水資源開發利用程度較低，具有較大的承載能力。在旗（區）評價結果中，東勝區的水資源承載能力等級最高，承載能力最小，杭錦旗的水資源承載能力等級最低，承載能力最大。

為進一步驗證模型評價的有效性，將計算結果與灰色關聯分析［8］的結果進行對比分析，如表5所示。

表4 鄂爾多斯市及其各旗（區）的水資源承載能力綜合評價結果

表5 相似模型與灰色關聯法計算結果對比

從表5可以看出，兩種方法對于鄂爾多斯市水資源承載能力的總體評價結果基本一致，均為2級，對于各旗（區）的評價結果略有差異，灰色關聯法對于東勝區，達拉特旗，準格爾旗和伊金霍洛旗的評價等級要大于相似模型評價等級，其它旗（區）評價結果基本一致，究其原因，作者認為，方法上講相似模型經過嚴格的模型建立和檢驗，進而內插出實際數據的評價結果，評價過程更加客觀準確，從各地區的實際水資源開發利用調查情況來看，相似模型的評價結果更加符合實際。

4 結論

利用水資源承載能力等級標準隨機產生了評價模型的建立樣本和檢驗樣本，以加速遺傳算法識別相似評價模型的參數，進而將相似模型應用到鄂爾多斯市水資源承載能力的綜合評價中，該評價過程計算簡便，可操作性好，評價結果符合鄂爾多斯市的實際情況。

通過對鄂爾多斯市水資源承載能力的綜合評價可以看出：鄂爾多斯市水資源開發利用程度已經具有相當的規模，盡管水資源開發仍具有一定的潛力，對區域國民經濟發展的水資源供給具有一定的保證，但應當開始重視水資源的綜合管理，以實現水資源的可持續利用；對于鄂爾多斯市各旗（區）來說，水資源的開發利用程度不同，承載能力不同。

鄂爾多斯地區屬資源型缺水，社會經濟的的快速發展需要水資源的保障，增強鄂爾多斯市水資源承載能力，應當從社會、經濟的進一步發展和保護生態環境出發，全面加強節水戰略的實施，合理利用本地水資源，另外，鄂爾多斯市水資源空間分布不均，開發利用程度不同，可以實施跨區域調水工程，解決區域水資源緊缺的問題，提高水資源利用率，保障鄂爾多斯市社會經濟的可持續發展。

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