層次分析法-熵權法評價鄂托克旗地下水灌溉承載力

張 斌 鹿海員 高瑞忠

(1.內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院,內蒙古 呼和浩特 010018;2.水利部牧區水利科學研究所,內蒙古 呼和浩特 010020)

水資源承載力是分析一個國家或地區水資源開發利用狀況的重要參考指標,地下水資源承載力是水資源承載力研究的重要組成部分,是指在一定發展階段下,以可預見的技術、經濟和社會發展水平為依據,以可持續發展為原則,以地下水最大可利用量為前提,地下水資源對區域社會經濟發展的最大支撐能力[1]。

目前,關于水資源承載能力的研究方法主要有常規趨勢法、系統動力學法、多目標分析法[2]等。本文以鄂托克旗地下水灌溉承載力分析為研究對象,以嘎查(村)為單元,結合鄂托克旗的地下水資源利用特點,構建了適用于鄂托克旗的地下水灌溉承載力評價指標體系,并運用層次分析法-熵權法對地下水灌溉承載力進行綜合評價,同時提出水資源利用對策及建議,為該地區的社會經濟發展及地下水資源可持續利用提供科學的依據。

1 研究區概況

1.1 自然地理概況

鄂托克旗位于內蒙古自治區鄂爾多斯市西部,總面積約20383.44km2,下轄4鎮2蘇木。區域地勢西北高、東南低,以波狀高原為主。屬中溫帶干旱、半干旱大陸性氣候區,多年平均年降水量271.9mm,多年平均年蒸發量2359.1mm。

根據2020年鄂托克旗統計年鑒,常住人口為16.27萬,其中城鎮人口12.88萬,農村人口3.39萬,城鎮化率79.16%。

鄂托克旗的地下水灌溉面積為61.94萬畝,土地面積為3053.55萬畝,灌溉面積占比2.03%,其中噴灌面積15.80萬畝,微灌面積44.34萬畝,低壓管灌面積1.80萬畝。

本文以鄂托克旗各嘎查(村)為單元開展承載力評估,研究區域共有72個使用地下水灌溉的嘎查(村)。

1.2 水資源利用現狀

鄂托克旗共有4個主要供水水源,供水現狀見表1。從表1中可以看出,地下水是供水的主要來源,占供水量的60.66%;黃河水次之,占供水量的31.97%。數據來源于鄂托克旗水利局相關資料及水利部牧區水利科學研究所實地考察項目。

表1 水資源供水類型現狀

2 研究方法

2.1 評價指標體系的選取

本文參考金菊良等的研究成果[3],結合層級劃分的原則和地下水灌溉用水特點[4-5],構建評價指標體系,見表2。

表2 地下水灌溉承載力評價指標體系

按照與地下水灌溉水資源承載的物理過程相關的影響因素,將水資源承載力系統劃分為以下3個子系統。

a.支撐力子系統:主要反映區域與地下水灌溉相關的自然條件和區域本地水資源條件。

b.壓力子系統:主要反映社會發展水平給水資源系統帶來的壓力。

c.調控力子系統:從工程、技術和管理等方面反映灌溉用水水平及水資源承載的調控能力。

2.2 評價方法

科學合理地判定和計算評價指標權重,對研究目標量化結果的準確可信度具有重要作用。目前對計算評價指標權重的獲取,多采用主觀結合客觀的方法,主觀性和客觀性相互彌補,從而獲得更為直觀和準確的指標權重。本文以層次分析法-熵權法相結合求得綜合權重。

2.2.1 層次分析法

層次分析法主要依據yaahp軟件,通過專家打分判斷指標相互間的重要性,在一定程度上受評判專家的認知干擾,存在人為主觀性因素干擾[6]。

層次分析法計算權重的步驟如下:

a.構建判斷矩陣。通過邀請相關領域專家,以調查問卷形式對構建的地下水灌溉承載力評價指標體系各層級進行打分,構成判斷矩陣。

b.通過算術平均法計算權重。

將判斷矩陣的每一列歸一化,即

(1)

對歸一化后的判斷矩陣的每一行求和,得到向量mi:

(2)

對向量mi進行歸一化處理,得到最大特征值向量αi:

(3)

計算本層內要素的權重Wi:

(4)

(5)

c.計算最大特征根λmax,并進行一致性檢驗:

(6)

(7)

(8)

式中:λmax為最大特征根;A為判斷矩陣;CI為一致性指標;CR為隨機一致性比率;RI為矩陣的平均隨機一致性指標。

當計算所得CR<0.1時,則可以判定為判斷矩陣A具有比較滿意的一致性,或者此矩陣的不一致性在可以接受的范圍之內,判定矩陣通過一致性檢驗;當CR>0.1時,需要調整判斷矩陣A中的取值,并重復上述步驟,對判斷矩陣重新進行一致性檢驗,直到符合CR<0.1的要求,滿足一致性檢驗[7]。

2.2.2 熵權法

熵權法主要是根據樣本數據在各評價對象中的差異性來確定權重,是常見的一種客觀賦權法,人為主觀因素相對少,評價結果具有較高的可信度[8]。利用熵權法評價鄂托克旗地下水灌溉承載力,首先對評價指標數據進行標準化處理,然后通過熵權法計算各評價指標的權重,最后通過線性加權法對鄂托克旗地下水灌溉承載力進行綜合評價[9]。熵權法是一種客觀賦權方法,根據各項指標原始數據的離散程度,利用信息熵來確定指標權重[10]。線性加權法運算原理是通過疊加對承載力不同影響程度的各評價指標,計算出一個綜合值,根據綜合值對地下水灌溉承載力進行評價,綜合值越大,承載力越強;綜合值越小,承載力越弱。其主要計算步驟如下:

a.標準化處理。標準化處理是把所有數據都轉化為[0,1]的數,其目的是取消各維數據間數量級差別,為消除負數和0的影響,同時對數據進行平移,見式 (9) 和式(10)。

正向指標標準化公式:

(9)

負向指標標準化公式:

(10)

式中:x(i,j)為第i(i=1,2,…,m)個樣本的第j(j=1,2,…,n)個指標樣本數據;xmax(i,j),xmin(i,j)分別為第j個指標值的最大值和最小值;x*(i,j)為第i個樣本的第j個指標標準化處理后的指標值。

b.求取指標比重Pij:

(11)

c.求取指標熵值ej:

(12)

k=1/lnn

式中:n為行數;0≤ej≤1;當Pij=0時,令PijlnPij=0。

d.求取熵權Wj:

(13)

e.計算綜合評價值Sj:

(14)

3 研究結果

3.1 一致性檢驗結果

從判斷矩陣一致性檢驗結果(見表3)可以看出,判斷矩陣均滿足一致性檢驗,說明層次排序的結構符合數學邏輯,結果較為合理。

表3 判斷矩陣一致性檢驗結果

3.2 評價指標值的獲取

本文用到的地下水資源總量、地下水灌溉可用水量等數據來源于《鄂托克旗水資源公報2020》,地下水灌溉面積、土地面積等數據來源于《鄂托克旗第三次國土調查主要數據公報》,全旗總人口數據來源于《鄂托克旗第七次全國人口普查公報》,具體到各嘎查的數據,大多由實地調查得到。根據原始數據計算得到鄂托克旗2020年地下水灌溉承載力評價指標值,見表4。

表4 鄂托克旗2020年地下水灌溉承載力評價指標值

由表4可以看出,阿爾巴斯蘇木和木凱淖爾鎮的人均灌溉面積較高,可以間接說明兩地的地下水資源開發利用率較高,可能形成地下水超采的狀態。棋盤井鎮和阿爾巴斯蘇木的地下水管理指數相較其他蘇木(鎮)低,即兩地的地下水管理水平較低,地下水仍處于隨用隨取的狀態(不收取水費/水資源稅),導致用水浪費現象較為嚴重,自主、自愿節水的積極性不高,不利于節水工作的健康發展。

3.3 綜合權重計算結果

本文在對指標權重進行計算時,采用兩者結果的平均值作為指標的最終權重。通過此方式可以取長補短,使權重計算結果更加科學準確,其計算公式如下[11]:

(15)

式中:ωj為地下水灌溉承載力評價指標體系中第j個指標的綜合權重;aj為熵權法計算的第j個指標的權重;bj為層次分析法計算的第j個指標的權重。

根據上文介紹的指標權重計算方法,可得到層次分析法、熵權法和綜合指標權重計算結果,見表5～表7。

表5 層次分析法各指標權重值

表6 熵權法各指標權重值

表7 各指標的綜合權重

3.4 綜合評價值

本文選取了3個準則層共計10個指標作為地下水灌溉承載力的評價指標體系,屬于多因子評價,故可以采用綜合加權評價法,對本文所建立的評價指標體系中的各個評價指標逐層逐項地加權評分,計算出該區域地下水灌溉承載力的綜合評分值。計算公式如下[12]:

(16)

基于計算得到的綜合系統評價值劃分各蘇木(鎮)的評價等級,參照文獻建立分級評價標準[13],將評價標準劃分為Ⅰ級(理想狀態)、Ⅱ級(可承載)、Ⅲ級(弱承載)、Ⅳ級(弱不可承載)、Ⅴ級(不可承載)。其中:Ⅰ級評價值為0.8～1.0;Ⅱ級評價值為0.6～0.8;Ⅲ級評價值為0.4～0.6;Ⅳ級評價值為0.2～0.4;Ⅴ級評價值為0～0.2。

通過線性加權法計算得到鄂托克旗2020年各蘇木(鎮)地下水灌溉承載力綜合評價值,見表8。2020年鄂托克旗各蘇木(鎮)地下水灌溉承載力差別較大,呈現出蘇米圖蘇木>烏蘭鎮>阿爾巴斯蘇木>木凱淖爾鎮>蒙西鎮>棋盤井鎮的排名格局。在鄂托克旗自然條件相差不大的背景下,蒙西鎮和棋盤井鎮承載力最差,說明兩個地區存在地下水過度開發且對地下水的管理水平不足的現象。

表8 各蘇木(鎮)地下水灌溉承載力綜合評價值

3.5 各嘎查(村)綜合評價值

由表9和圖1可知,在鄂托克旗72個嘎查(村)中,地下水灌溉承載力綜合評價等級為Ⅱ級(可承載)的有52個,占總數的72.22%;Ⅲ級(弱承載)的有17個,占總數的23.61%;數量最少的Ⅰ級(理想狀態)的有3個,占總數的4.17%。綜合評價等級為Ⅲ級(弱承載)的嘎查(村),由于人口聚集,對地下水的開發利用程度較大,但對地下水的管理調控能力較差,部分區域會出現地下水超采的情況,因此地下水灌溉承載力偏弱。

圖1 鄂托克旗各嘎查地下水灌溉承載力綜合系統評價值

表9 各嘎查地下水灌溉承載力綜合評價等級統計

通過線性加權法計算得到鄂托克旗2020年各嘎查(村)地下水灌溉承載力綜合評分值,見圖2。鄂托克旗各嘎查(村)的地下水灌溉承載力綜合評分值在0.4628～0.8405之間,各嘎查(村)的綜合評分值差距較大。地下水灌溉承載力最好的為巴嘎額爾和圖嘎查,綜合評分值為0.8405,承載力最差的賽烏素草籽場的綜合評分值為0.4628。賽烏素草籽場水資源稟賦條件較好,并且該地區近年來節水灌溉技術得到了發展,但由于農田水利配套工程及工程運行管理手段相對落后,工程運行維護管理體制不夠完善等原因,導致系統的調控能力下降。近年來隨灌溉面積快速增加,地區的地下水嚴重超采,導致系統的壓力逐漸增大,該地區地下水灌溉承載力逐年下降,承載力總體偏低。

圖2 鄂托克旗各嘎查地下水灌溉承載力綜合評分值

4 水資源節約保護管理對策措施

綜合鄂托克旗當前的自然條件、區域水資源條件、社會發展水平、工程技術現狀和管理水平,并充分考慮單項指標權重,鄂托克旗地下水資源規劃應著重從以下方面入手:

a.推廣噴灌、滴灌等節水灌溉技術。

b.嚴格按照核定取水量取水,按計劃供水,同時應按照取水許可管理要求,建立齊全的資料檔案,加強取水量、水質管理,接受水行政主管部門的取水許可監督和管理。

c.建立健全地下水資源管理制度。

d.建立健全地下水動態監測網絡和水質保護的監督管理機制。

e.促進水資源開發利用管理。充分利用地表水資源,合理開發地下水資源,并根據當地的實際情況對工業用水、農業用水以及生活用水進行合理有效的配置,盡可能對近期及遠期的用水做出合理的規劃。

f.樹立依法管理水的理念,進一步強化水資源的管理。

5 結 語

鄂托克旗是華北地區典型的大部分地區干旱少雨、重度缺水、生態環境脆弱的旗(縣),水資源對其社會經濟發展的制約相對來說更明顯,因此水資源的合理開發利用顯得尤為重要。本文在充分考慮鄂托克旗地下水灌溉承載力影響因素的基礎上,以支撐力子系統、壓力子系統和調控力子系統之間的關系為準則,構建了評價指標體系,運用主客觀耦合的方法對鄂托克旗各蘇木(鎮)及各嘎查(村)的地下水灌溉承載力作出綜合評價。經分析,鄂托克旗地下水灌溉承載力不平衡主要是由于過度開采地下水及管理措施不利等因素造成的。為進一步提升當地的地下水灌溉承載力,提出了一系列水資源節約保護管理的對策措施。層次分析法-熵權法是評價地下水灌溉承載力的有效方法。