基于層次分析法的干旱內陸河流域生態環境需水評價——以新疆臺蘭河流域為例

孫棟元，趙成義，李菊燕，于 波，韓 明

（1.中國科學院 新疆生態與地理研究所 荒漠與綠洲生態國家重點實驗室，新疆 烏魯木齊830011；2.甘肅省水利科學研究院，甘肅 蘭州730000）

水作為生命的載體和源泉，是維系自然界一切生命活動與生態過程的基礎性自然資源［1］，特別在干旱區，水是維系生態系統和流域生態安全與經濟社會和諧發展的決定性因素［2］。由于水資源短缺和人類不合理的利用以及氣候變化的影響造成干旱區生態環境日益惡化，對生態環境需水的研究，特別是干旱內陸河流域生態環境需水問題的研究日益受到重視。生態環境需水是目前生態學和水科學研究的熱點領域，近年來已經引起許多學者的關注［3－5］。生態環境需水是在生態問題日益嚴重的背景下提出的，研究生態環境需水的目的是為水資源的合理配置提供科學依據，最終實現水資源的可持續利用以及流域（區域）生態與環境的保護。隨著我國生態環境需水研究的不斷深入，相關的理論逐漸趨于成熟，生態環境需水成為水資源規劃、水資源配置、水利工程建設項目中環境影響評價所必須考慮的重要內容，同時成為水生態系統修復、濕地與生物多樣性保護等的關鍵內容。因此，如何確定和評價生態環境需水，也成為各級有關政府部門和眾多學者關心的熱點問題。

國內外大量學者曾應用層次分析法（analytical hierarchy pr ocess，AHP），在各自的研究領域取得了一定 的 進 展［6－9］。Yedla等［10］應 用 A HP 法，評 價 印度德里市不同交通運輸工具對環境可持續發展產生的影響。李崧等［11］用AHP法評價黑龍江省生態環境質量。Kang［12］用A HP法確定韓國復合環境指標的權重，評價經濟發展對環境保護的影響。方燕等［13］應用A HP法對渭河水體的水環境質量進行評價，確定其水質優劣次序，為污染優先控制奠定基礎。饒碧玉等［14］建立了基于層次分析法的元陽梯田灌區生態環境需水評價模型。此外，還有研究者將層次分析法與其它分析方法相結合使用，如模糊評判層次分析法［15－17］和蒙特卡羅法［18］等。

然而，將層次分析法應用于干旱內陸河流域生態環境需水的研究還很少有報道。本文在借鑒前人研究成果的基礎上，以新疆臺蘭河流域為例，從流域實際情況與存在的環境問題出發，以緩解流域水資源矛盾，保護和改善流域生態環境，實現流域水資源的可持續利用為目標，在分析流域生態環境需水影響因素基礎上，將流域生態環境需水建設指標體系看作一個系統，對系統中各因素進行劃分，通過確定各因素的相對重要性，構建基于層次分析法的干旱內陸河流域生態環境需水評價指標的層次結構，并確定各層次影響因素的權重，評價現狀年流域生態環境需水狀況和生態環境建設取得的進展，從而為流域生態環境需水提供評判標準和具體的評判方法，為流域水資源的合理配置和生態系統的良性循環提供依據。

1 研究區概況

臺蘭河流域位于新疆阿克蘇地區溫宿縣境內，地理坐標80°21′44″—81°10′14″E，40°41′41″—42°15′13″N。從地形地貌上看，流域分為山區和沖洪積平原區，總體地勢北高南低，流域總面積5 800 k m2，其中山區1 300 k m2，平原區4 500 k m2，流流全長約90 k m。山區海拔1 600～1 200 m，植被稀少，多為礫石戈壁和少量耕地，平原區海拔在1 200～1 000 m，主要為灌區和易墾荒地，適宜于糧、棉、油等種植業的發展。年降水量山區500～700 mm，出山口區177.6 mm，而平原區僅62 mm。該區地處北溫帶干旱區，氣候干燥，日照充足，多風沙，降水稀少，蒸發較大，晝夜溫差大，年均氣溫7.9℃，年均風速1.7 m/s，多年平均蒸發量1 800 mm，屬典型干旱大陸性氣候。

多年來，人們不顧流域水資源承載能力有限的現實，盲目擴大灌溉面積，引起水資源過度開發利用，中下游相繼出現了嚴重的生態環境問題，中游表現為區域性地下水位持續下降，泉水資源不斷衰減，致使下游地區水資源嚴重短缺，不得不超采地下水以維持生計，導致了下游地區區域性地下水位持續下降，水質惡化，綠洲萎縮，植被衰亡，土地沙漠化等一系列生態環境問題。

2 干旱內陸河流域生態環境需水評價指標體系

2.1 指標體系的建立

內陸河流域生態環境需水評價指標是用來度量、分析干旱區生態環境需水體系好壞的重要手段，它既是內陸河流域生態環境需水現狀與水平和人類活動對水資源的影響程度的表達，也是內陸河流域水資源合理配置和高效利用的反映。所建成的指標體系須全面、完整、準確地反映水資源屬性，并能從多角度，全方位對生態環境需水進行評價。在遵循科學性、可表征性、系統性、可操作性等的原則基礎上，借鑒國內外有關生態環境需水評價的研究成果［6－22］作為指標選擇的依據，結合臺蘭河流域生態環境的實際情況，從影響流域生態環境需水的自然因素、水資源因素、經濟社會因素和生態環境因素4個方面出發，引用38個評價指標，建立由目標層（A）、準則層（B）、指標層（C）3個層次組成的評價干旱內陸河流域生態環境需水指標體系（表1）。

表1 干旱內陸河流域生態環境需水評價指標體系層次結構

2.2 指標分級標準

指標體系中，既有數值越大越好的指標，又有數值越小越好的指標，并且有些指標值不能直接測量，因此，在表示這些指標對生態需水影響程度時采用了等級制，即通過分級體現各層指標對生態環境需水影響程度的差異。借鑒有關研究成果［13－22］和研究區實際情況，選取相應的評價指標，并將影響程度閾值定為［1，5］用R表示，C層指標的影響閾值由臺蘭河流域生態環境需水的實際情況決定。生態環境需水各指標評判標準見表2。

表2 生態環境需水評價標準

2.3 指標分級

2.3.1 自然因素指標分級 自然因素是干旱內陸河流域生態環境需水評價的前提。從年平均蒸發量、年均溫度、地下水埋深、土壤狀況、地下水礦化度、平原區中度沙化面積、沙化面積上的植被覆蓋面積構建自然因素指標。研究區年均蒸發量在7—10月比較大，從而影響潛水蒸發，進一步影響地下水的補給，改變流域地表水與地下水之間的轉化（表3）。

表3 自然因素評價指標及分級

2.3.2 水資源因素指標分級 水資源條件是決定一個地區水資源緊張程度的重要因素，是支撐水資源可持續利用的主要指標，是流域生態環境需水的關鍵要素，同時也是衡量水資源可持續利用度的決定因素。目前在內陸河地區，資源性缺水、水質性缺水、工程性缺水等缺水情況都會引起工業、農業、環境及生活用水的緊張，而通過對流域生態環境需水評價，選取相應的評價指標，從而協調流域水資源的供需矛盾，改善因工農業擠占生態用水而引起的矛盾。因此，選取年平均降水量、年徑流量、地均水資源量、多年平均水資源總量、人均水資源量、缺水率、水資源利用率、徑流系數、供水模數、需水模數和畝均水資源量構建水資源因素評價指標，從而反映流域生態環境需水量、可供水量和水資源利用的變化情況等，用以說明進行流域生態環境需水評價的必要性和可行性。流域內降水量集中在7—10月，相應的徑流量也有所改變，從而對地下水的補給也有所影響，因此降水量的極值分布影響流域地表水和地下水的轉化（表4）。

表4 水資源因素評價指標及分級

2.3.3 經濟社會因素指標分級 經濟社會發展是水資源系統發展變化的最原始最關鍵的驅動力，經濟社會發展帶來了水問題，各種水問題也制約著經濟社會發展，同時水問題的解決也還是依靠經濟發展。選取人口自然增長率、耕地灌溉率、單位GDP水耗、人均GDP、單位面積農業生產總值、人均糧食占有量、人均收入、流域管理與行政管理的協調度、單位面積綠洲承載率來分析經濟社會因素對生態環境需水的影響，為流域生態環境的需水評價提供有力衡量指標（表5）。

表5 經濟社會因素評價指標及分級

2.3.4 生態環境因素指標分級 在干旱內陸河地區，由于水資源短缺和人類不合理的利用以及氣候變化的影響，由此引發綠洲萎縮、土地沙化、土壤鹽堿化、區域性地下水位持續下降、水質惡化、植被退縮等生態環境問題，使得干旱區流域水循環過程和生態格局發生了深刻變化。

因此，本文選取干燥度指數、植被覆蓋度、生物豐富度指數、退化土地恢復治理率、土壤鹽堿化率、土地沙化率、草場面積退縮比、載畜量變化率、天然植被率、人工植被率和綠洲面積率構建生態環境因素指標，來反映生態環境需水評價對流域生態環境的影響（表6）。

表6 生態環境因素評價指標及分級 %

3 基于層次分析法的內陸河流域生態環境需水評價

層次分析法是由美國運籌學家Saaty于20世紀70年代中期提出的一種多層次權重分析決策方法，具有系統性、靈活性和實用性等特點，現已被廣泛地應用于社會經濟系統的決策分析之中。AHP法能將復雜問題中的各種因素通過劃分為相互聯系的有序層次使之條理化，并能將數據、專家意見和分析者的客觀判斷直接而有效地結合起來。其基本原理是：將一個復雜問題看成一個系統，根據系統內部因素之間的隸屬關系，將一個復雜問題的各種要素轉化為有條理的有序層次，并以同一層次的各種要素按照上一層要素為準則，構造判斷矩陣，進行兩兩判斷比較，計算出各要素的權重。根據綜合權重按最大權重原則確定最優方案，進而得到方案或目標相對重要性的定量化描述。

3.1 指標權重的確定

采用層次分析法對指標進行權重值分析，使各指標之間具有可比性。

（1）判斷矩陣的構造和層次單排序的計算。構造層次單排序判斷矩陣時，邀請有關專家和有實踐經驗的專業人員共12人，依據上述表3至表6的評價指標和分級標準，對指標體系逐層因子進行兩兩比較，對重要性做出判斷，給出評判的構造矩陣，并進行分析計算，得到相應的計算結果。用標準的方法構造出準則層（B）對目標層（A），指標層（C）對準則層（B）共5個判斷矩陣，運算出層次單排序的重要性權重值結果，并對判斷矩陣進行一致性檢驗。

（2）層次總排序。層次總排序也就是計算C層、B層相對于A層的相對重要性排序權值，實際上是層次單排序的加權組合。C層對A層的權重值（Wi）見表7。

指標的組合權重值即為指標的權重。從表7可以看出，指標權重處于前5位的依次為土壤鹽堿化率、土地沙化率、多年平均水資源總量、地均水資源量、人均水資源量，其權重值分別為0.078 2，0.074 3，0.064 8，0.055 6，0.052 6。指標權重值處于后5位的依次為平原區中度沙化面積、沙化面積上的植被覆蓋面積、土壤狀況、流域管理與行政管理的協調度、單位面積綠洲承載率，其權重值分別為0.001 8，0.001 9，0.002 6，0.003 1，0.004 2。說明在臺蘭河流域生態環境需水中，生態環境因素和水資源因素處于主導地位，而自然因素和經濟社會因素處于相對次要的地位。

3.2 綜合評價指數的分析計算

根據指標層（C）各指標的實際值，在指標分級表（表3—6）中查得相應的指標分級值（Ri），同時從表7中查得各指標的權重值（Wi），分級值與權重值之積求和，可求得目標層（A）的分級值YT，即

式中：YT——干旱內陸河流域生態環境需水評價目標層分級值；Ri——指標層（C）第i個指標的評價標準分級值；Wi——指標層（C）第i個指標相對于A的權重值。把分級值YT與生態環境需水評判標準比較，則可得出內陸河流域生態環境需水總體狀況和變化程度。

表7 C層對A層的權重Wi

3.3 臺蘭河流域生態環境需水綜合評價結果

以臺蘭河流域現狀年生態環境需水為例，根據調查所得指標層的實際值，應用上述指標體系和方法對其流域生態環境需水狀況進行評價（表8）。

由表8可知，目標層分級值為1.989 7，由表2可以查得目標層的分級值在［1，2］之間，這說明臺蘭河流域生態環境需水總體狀況比較差，這與實際情況基本吻合。

表8 臺蘭河流域生態環境需水綜合評價指標權重

同時，從表8可以看出，水資源因素＞生態環境因素＞經濟社會因素＞自然因素，即水資源因素綜合評價指數大于生態環境因素綜合評價指數大于經濟社會因素綜合評價指數大于自然因素綜合評價指數，說明臺蘭河流域生態環境需水狀況主要受水資源因素影響，其次是生態環境因素，再次是經濟社會因素，影響最小的是自然因素。由于水資源因素和生態環境因素是影響臺蘭河流域生態環境需水的關鍵因素，在流域綜合治理方面應加強水資源方面的規劃管理與合理利用和注重生態環境方面的改善，從而實現流域水資源的合理配置和生態環境健康發展的良性循環模式，保障流域生態安全和水資源的可持續利用，提高水資源利用的生態和經濟效益。反映水資源狀況且權重較大的指標多年平均水資源總量、人均水資源量、地均水資源量；反映生態環境方面且權重較大的指標有土壤鹽堿化率、土地沙化率、天然植被率。因此應加強流域生態環境建設與水資源的規劃管理和保護利用。綜上所述，要從水土資源矛盾和水資源合理開發利用兩方面來進行，以改善流域生態環境狀況和水資源狀況。

4 結論

干旱內陸河流域生態環境需水評價是由自然因素、經濟社會因素和生態環境因素等許多因素組成的具有層次結構的復雜系統，評價的難點是如何合理地確定這些評價指標的權重。為此，本文根據干旱內陸河流域的實際情況和環境問題構建了由3個層次38個評估因子組成的評價內陸河流域生態環境需水狀況的指標體系，并制定了相應的指標分級標準，基于層次分析法對指標進行權重分析，提出了內陸河流域生態環境需水狀況評判標準和具體的評價方法。以新疆臺蘭河流域為例，對其生態環境需水狀況進行評判，結果與實際情況基本相符，證明本方法具有一定的應用價值。

通過對臺蘭河流域生態環境需水評價結果表明，臺蘭河流域生態環境需水的影響程度，水資源因素影響最大，生態環境因素和經濟社會因素次之，影響最小的是自然因素。同時評價結果說明，水是關鍵，因為水資源供需失調和時空分配不均勻會導致一系列生態環境的負面效應；生態環境是載體，是流域生態環境狀況好壞的折射和強度的反映；土地沙漠化、鹽堿化是表現；片面追求經濟社會的發展是生態環境退化的重要驅動力。以上幾方面是相互關聯的，其共同作用導致綜合流域生態環境需水評價結果，即臺蘭河流域生態環境需水狀況屬于差的狀態。

干旱內陸河流域生態環境需水評價是一項技術性和經驗性很強的復雜工作，受多方面因素的影響。本研究只是對內陸河流域生態環境需水評價的初步探討，而層次分析法的應用也是探索性的嘗試，評價指標體系的選取、指標分級標準的確定還存在一定的局限性，有待于在實踐中進一步補充和完善。

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