基于模糊理論的博爾塔拉蒙古自治州水資源利用和諧度分析

侯艷軍,安瓦爾?買買提明,侯貞霞

(1.新疆師范大學地理科學與旅游學院,新疆烏魯木齊 830054;2.安陽市公路局,河南安陽 455000)

基于模糊理論的博爾塔拉蒙古自治州水資源利用和諧度分析

侯艷軍1,安瓦爾?買買提明1,侯貞霞2

(1.新疆師范大學地理科學與旅游學院,新疆烏魯木齊 830054;2.安陽市公路局,河南安陽 455000)

通過對博爾塔拉蒙古自治州2002—2007年水資源統計數據及其相關的社會、經濟與生態環境數據分析,構建了水資源利用和諧度評價指標體系,運用AHP法確定各評價指標的相對權重,借助模糊理論中的和諧度概念,建立了評價水資源利用和諧度的數學模型,定量分析博爾塔拉蒙古自治州的水資源利用和諧度。結果表明:①2002—2007年間博州地區的水資源配置和諧度呈逐年上升的態勢;②博樂、精河和溫泉三市縣的水資源利用和諧度基本呈上升趨勢,2007年處于較和諧狀態,和諧度差異很小。提出了提高水資源配置和諧度的對策。

水資源利用;模糊理論;AHP法;和諧度;博爾塔拉蒙古自治州

我國干旱區主要包括新疆全境、甘肅河西走廊以及內蒙古賀蘭山以西地區,土地面積約占全國的24.5%[1],但是該地區地表水和地下水分別占全國的3.3%和5.5%,且時空分布不均,導致水資源十分短缺,生態問題嚴峻,影響著干旱區地理系統的穩定性,引起眾多學者關注。李元壽等[2]通過對西北干旱區水資源利用引起的生態環境問題研究,提出了水資源利用的生態環境保護對策;任倩[3]通過對干旱區水資源的流域管理分析,提出了干旱區流域可持續利用的對策;李海濤等[4]通過對民勤綠洲水資源利用分析,指出水資源開采將維持在高強度,地下水質會惡化,生態危機將加重;周宏飛等[5]通過對新疆的水資源利用量及其承載能力分析,指出新疆水資源可以支撐社會經濟的可持續發展;葉茂等[6]通過對塔里木河水資源利用面臨的問題分析,提出了塔里木河流域水資源可持續利用的基本對策;桂東偉等[7]通過用虛擬水理論探討干旱區生態用水問題,提出了干旱區水資源合理利用的措施。上述研究多是從水資源利用與生態自然環境的關系進行研究,少有水資源利用與社會、經濟、生態環境的綜合的、定量的研究。筆者擬采用模糊理論中的和諧度概念對新疆博爾塔拉蒙古自治州(以下簡稱博州)水資源利用與社會、經濟、生態系統的和諧性進行綜合的、定量的分析,試圖從時間和空間上找出博州地區水資源利用和諧度的變化特征,并給出對策。

1 研究區概況

博州位于新疆準噶爾盆地西南部,東經79°53′～ 83°53′,北緯 44°02′～ 45°23′。東西長 315km,南北寬125km,總面積2.7萬km2。該自治州轄博樂市、精河縣、溫泉縣和阿拉山口口岸行政管理區。博州多年平均降水量為73.2mm,降水深為291.6mm,平均徑流深為100.32mm。博州水資源具有干旱少雨的特點,干旱指數高達5.2～24.1,屬于極干旱區,生態環境極其脆弱。長期以來,在經濟建設中由于忽視對水資源保護并進行過度開發,社會經濟需水量與生態環境需水量比例嚴重失調,導致天然生態系統退化,水土矛盾突出[8]。

2 和諧度概念與評價方法

2.1 和諧度概念

和諧度是對系統和諧性的度量,反映系統中各個子系統之間相互聯系、相互適應、相互協調運行的程度,是在科學分析和計算基礎上對某一事物或現象的協調一致性進行評判的數量指標[9]。系統和諧性是描述系統是否形成了充分發揮系統成員和子系統能動性、創造性的條件及環境,以及系統成員和子系統活動的總體協調性[10]。

水資源利用和諧度是度量水資源系統的要素構成、運行狀況以及與外部環境是否協調、和諧的一個綜合指標。其基本內涵有:①系統地評價水資源系統的內部功能,反映系統中各要素的組成和互相匹配關系;②綜合地反映水資源的供給與社會經濟發展、生態環境對水資源的需求之間的平衡關系;③總體反映在一定的技術條件、一定時期、一定區域內水資源系統與外部環境的基本關系;④具體反映水資源利用的合理程度[11]。本文研究的水資源利用和諧度是水資源利用與經濟、社會和生態系統和諧性的綜合反映。

2.2 評價指標體系構建

以研究區域實際發展為基礎,遵循科學性、系統性、動態性和可操作性原則,選擇11個指標(表1),運用AHP法建立評價指標體系。

表1 水資源利用和諧度指標體系

C1指城市用水的非農業人口數(不包括臨時人口和流動人口)與城市非農業人口總數之比;C2指農村供水總量與農村人口總數之比;C3指城鎮供水總量與城鎮人口總數之比;C4指具有一定的水源、地塊比較平整、灌溉工程或設備已經配套、在一般年景下當年能夠進行正常灌溉的耕地面積;C5指第一產業耗水量與第一產業產值之比;C6指第二產業耗水量與第二產業產值之比;C7指第三產業耗水量與第三產業產值之比;C8指城市綠地面積與城市人口總數之比;C9指當年總用水量與水資源總量之比;C10指區域內排放污水總量;C11指包括河湖人工補水和城市環境用水量。以上指標比較科學性、代表性、整體性地反映了博州水源利用的特征,同時也兼顧了資料的可得性。

2.3 AHP法確定指標權重

2.3.1 建立兩兩比較的判斷矩陣

選擇對新疆干旱區水資源利用研究較多的11名專家,以問卷調查的形式進行指標間兩兩相對的重要性比較,通過幾何平均法獲得比較的最終標定值,在此基礎上建立各指標間兩兩比較的判斷矩陣:

2.3.2 層次單排列

運用方根法求出判斷矩陣的最大特征根所對應的特征向量 W,W=(W1,W2,…,Wn)T為所求的特征向量的近似解(即權重值)。其中:

計算判斷矩陣的最大特征根λmax:

式中bij表示判斷矩陣的第i行第j列的值。

2.3.3 判斷矩陣一致性指標CI的檢驗

AHP法不能保證每個判斷矩陣具有完全一致性,因此必須通過一致性檢驗檢查各個指標的權重之間是否存在矛盾之處。進行一致性檢驗的公式如下:

與隱爆角礫巖有著密切空間聯系的花崗閃長斑巖具有形成深度淺，富含揮發分，富強不相容元素Cs，Rb，K等；以及輕稀土元素La，Ce，Na和非活動性元素Nb，V，Hf；貧高場強元素Nb，Sr，Ti，Zr，P等；具有形成隱爆角礫巖及相關礦床的條件。

式中:RI為平均隨機一致性指標(見表2),其取值由判斷矩陣的階數所決定;CR為判斷矩陣的隨機一致性比例,當CR≤0.10時判斷矩陣才具有滿意的一致性,否則應予調整。

表2 平均隨機一致性指標

2.3.4 層次綜合排序

經過一致性檢驗,每個矩陣的CR≤0.10,具有滿意的一致性,求出中端層、末端層指標權重值(見表1)。

2.4 數據處理

各指標數據(表3)來源于文獻[12-19]。

為了消除量綱,使各異的指標具有無量剛性和可比性,并且能體現其本身對系統和諧度的影響力,需要對原始數據進行標準化處理[20](表4)。在指標體系中有些指標呈正相關的關系,成為正向型指標;有些指標呈負相關的關系,成為負向型指標。標準化的方法如下:

表3 2002—2007年研究區原始數據

表4 2002—2007年研究區標準化數據

式中:C為標準化的指標值;Ca為實際評價指標值;Cmax為評價指標中的最大值;Cmin為評價指標中的最小值。

2.5 和諧度模型的構建

由于水資源利用和諧度取決于多因素的相互作用,各因素的關系與作用機理具有相當程度的模糊性,用一般的方法很難給出一個定量的數學模型[21]。模糊數學在研究客觀事物彼此之間的差異在其中間過渡的不分明性具有相對的優勢,模糊評價法通過較為科學的確定模糊集合中各變量的隸屬度,運用層次分析法原理確定評價指標中的相對權重,通過對各個關聯指標進行分析,在模糊集合中查出其隸屬度,通過判別模型確定和諧度的等級[22]。水資源利用和諧度模型為:

H的取值在0～1之間,最大和諧度取值為1,最小和諧度取值為0,和諧度值越高表示系統越和諧。一般定義H＞0.9為和諧,0.7＜H≤0.9為較和諧,0.5＜H≤0.7為一般和諧,0.3＜H≤0.5為不和諧,0.1＜H≤0.3為極不和諧。

3 結果分析

根據式(5)(6)對原始數據標準化后,由式(7)可計算出博州地區及博州各市縣2002—2007年社會系統和諧度、經濟系統和諧度、生態系統和諧度及水資源利用和諧度(表5、表6)。

表5 博州地區2002—2007年和諧度計算結果

3.1 博州地區水資源利用和諧度的時間變化分析

2002年博州地區水資源利用和諧度處于極不和諧狀態,2003—2004年處于不和諧狀態,2005—2006年處于一般和諧狀態,2007年處于較和諧狀態。在研究期間博州地區水資源利用和諧度處于持續改善的趨勢,表明博州地區水資源利用系統不斷得到優化。社會系統和諧度表現出同水資源利用和諧度相似的變化特征,從2002年的極不和諧狀態上升到2007年的較和諧狀態,系統和諧度得到持續改善;在研究期間經濟系統和諧度也同樣處于改善態勢,但其上升幅度大于水資源利用和諧度上升幅度,從2002年的極不和諧上升到2007的和諧;生態系統和諧度呈現出與上述和諧度指標不同的變化特征,生態系統和諧度是波動變化的,從2002年的不和諧上升為2003年的一般和諧,2004年又下降為不和諧,2005—2007年又上升為一般和諧,其間3年也出現上升—下降的變化特征,波動幅度較大。

表6 博州各市縣2002—2007年水資源利用和諧度計算結果

博州地區水資源利用和諧度呈持續改善趨勢的原因如下:①在研究期間博州地區由于社會加大了對城市給排水系統和農村飲水及農田水利水電設施的建設,使社會供水系統不斷改善,從而使城市用水普及率得到提高,居民用水得到合理的供給,農田有效灌溉面積逐年增加,這些有利因素促使社會系統和諧度持續改善,進而對水資源利用和諧度產生了積極的影響。②在研究期間博州地區通過調整產業結構、加強農業節水技術運用,以及加強對工業耗水的控制,提高工業用水的重復利用率,使第一、第二、第三產業萬元耗水量逐年下降,2007年與2002年相比,3項產業的萬元耗水量分別下降了43%、72%、58%,使經濟系統和諧度得到了大幅度上升,進而促進了水資源利用和諧度的改善。③在研究期間博州地區通過對污水排放的嚴格管理,尤其是對工業污水排放的管理,加強保證生態環境用水,使污水排放量處于基本下降的趨勢(除2007年污水排放量大于2006年),生態用水基本保持小幅度增加,正作用于生態環境系統的改善,但是由于人均綠地面積的減小和水資源開發率的增加,給生態環境系統的完善帶來一定的負面作用,正負2種因素的相互作用促使生態系統和諧度的波動變化,但總體而言,由于具有社會、經濟系統和諧度的拉升力,仍使水資源利用和諧度呈上升趨勢。

3.2 博州地區水資源利用和諧度的空間變化分析

博樂市水資源利用和諧度從2002年的不和諧狀態,到2007成為較和諧狀態,其水資源利用和諧度基本呈上升趨勢(除2004年低于2003年),位序從2002年的第2位上升到2007年的第1位。溫泉縣水資源利用和諧度從2002年的不和諧狀態上升為2007年較和諧狀態,其水資源利用和諧度基本呈上升趨勢(除2005年略低于2004年),位序從2002年的第1位下降到2007年的第3位。精河縣水資源利用和諧度從2002年的極不和諧狀態上升為2007年的較為和諧狀態,其水資源利用和諧度基本呈上升趨勢(除2006年略低于 2005年),位序從2002年的第3位上升為2007年的第2位。博州各市縣水資源利用和諧度的變化特征是基本呈上升趨勢,2007年都處于較和諧狀態,并且各市縣和諧度差異很小。從各市縣水資源利用和諧度在研究期間的均值來分析,溫泉縣處于第1位,精河縣處于第2位,博樂市處于第3位。博州各市縣水資源利用和諧度基本呈上升趨勢的原因基本上與博州地區水資源利用和諧度逐年改善的原因相似。

博州各市縣水資源利用和諧度在空間上表現出差異的原因在于:①在社會系統和諧度的子評價因素中溫泉縣在農村人均供水量、城市人均供水量和農田有效灌溉面積上的評價因素中優于精河縣,精河縣優于博樂市,因而就社會系統和諧度而言溫泉縣排第1,精河縣排第2,博樂市排第3。②在經濟系統和諧度的子評價因素中博樂市關于第一產業、第二產業和第三產業的萬元耗水量方面優于精河縣,精河縣優于溫泉縣,因而就經濟系統和諧度而言博樂市排第1,精河縣排第2,溫泉縣排第3。③在生態系統和諧度的子評價因素中溫泉縣關于人均綠地面積、水資源開發率和污水排放量方面優于精河縣,精河縣優于博樂市,因而就生態系統和諧度而言溫泉排第1,精河縣排第2,博樂市排第3。綜合分析得出水資源利用和諧度排序為溫泉縣第1,精河縣第2,博樂市第3。

4 結論與對策

4.1 結論

在2002—2007年間博州地區的水資源利用和諧度呈逐年上升的態勢,表明博州地區水資源利用系統處于不斷優化狀態;博州各市縣水資源利用和諧度的變化特征是基本呈上升趨勢,2007年都處于較和諧狀態,并且各市縣的和諧度差異很小。從各市縣水資源利用和諧度在研究期間的均值上分析,溫泉縣處于第1位,精河縣處于第2位,博樂市處于第3位。

4.2 主要對策

a.根據水資源的承載能力,合理確定城市經濟結構和產業布局;加強流域水資源的管理,合理安排生態、生活和生產用水。

b.加強城鄉居民供水和農村水利水電基礎設施的建設和完善,保證居民安全、正常地用水和農田的有效灌溉;加強水資源節約意義的宣傳,提高居民的節水意識,減少水資源的浪費。

c.在保證糧食安全的前提下穩定耕地面積,避免過多地開墾新的耕地,減少新增農業用水,推廣低耗水的農作物和經濟作物,采用耐旱性優良的農作物品種,應用工程節水技術,推廣滴灌等節水灌溉模式,降低農業用水定額;在缺水地區嚴禁建設高耗水的工業項目,加強企業節水技術改造,實現冷卻水循環利用,降低工業用水定額。

d.加強對工業污水、農業污水、生活污水的有效治理,減少污水排放量,提高水質量,保護水環境;科學、合理地開發水資源,增加生態用水量,提高公共綠地面積,促進生態系統的穩定和優化。

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Analysis on harmony degree of water resources utilization based on fuzzy theory:a case study of Bortala Mongol Autonomous Prefecture

HOU Yan-jun1,Anwaer MAIMAITIMING1,HOU Zhen-xia2
(1.School of Geographic Science and Tourism,Xinjiang Normal University,Urumqi 830054,China;2.High Way Bureau of Anyang,Anyang 455000,China)

Evaluation index system of harmony degree of water resources utilization was established by analysis of water resources,social,economical and ecological statistical data in Bortala Mongol Autonomous Prefecture between 2002 and 2007.The mathematical model of assessing harmony degree of water resources utilization was established in virtue of harmony degree concept of fuzzy theory and relative weight of each assessing index was determined by AHP method.The harmony degree of water resources utilization was analyzed quantitatively in Bortala Mongol Autonomous Prefecture.The results showed as followed:(1)the harmony degree of water resources allocation increased year after year in Bortala region between 2002 and 2007;(2)water resources utilization harmony degree in Bole,Jinghe andWarm spring County of Bortala presented ascending tendency basically,whichwas in the harmony state each in 2007 and their harmony degree differenceswere small.The countermeasures to increase harmony degree of water resources utilization were put forward.

water resources utilization;fuzzy theory;AHP method;harmony degree;Bortala Mongol Autonomous Prefecture

TV213.9

A

1004-6933(2011)03-0001-06

10.3969/j.issn.1004-6933.2011.03.001

國家自然科學基金(40761008)

侯艷軍(1981—),男,河南安陽人,碩士研究生,從事城市地理與規劃研究。E-mail:yjhou1223@163.com

安瓦爾?買買提明,副教授。E-mail:anwaer@xjnu.edu.cn

(收稿日期:2010-04-26 編輯:高建群)