新疆博州地區(qū)水資源時間分布規(guī)律與綜合評價研究

烏仁娜

(新疆博爾塔拉水文勘測局，新疆 博爾塔拉 834000)

水資源安全問題已經(jīng)成為了國內(nèi)相關(guān)學(xué)科研究的熱點[1- 2]。是能否持續(xù)保障國家可持續(xù)發(fā)展的前提，水資源安全水平是一個地區(qū)水資源優(yōu)化配置前提下，城市水資源整體水平的體現(xiàn)，對其分布規(guī)律和整體水平的評價是實施水資源安全發(fā)展戰(zhàn)略的前提[4]。研究水資源安全問題最主要的就是研究水資源的分布規(guī)律與水資源綜合評價的度量標(biāo)準(zhǔn)[3]。

目前針對水資源分布規(guī)律，已有了部分研究。李文清[5]研究了沂州市河川徑流分布規(guī)律，指出掌握各流域河川徑流量在時空上的分布規(guī)律，可為緩解地區(qū)水資源壓力提供科學(xué)依據(jù)；劉斌濤等[6]研究了云南省水資源時空分布的格局，指出云南省水資源分布極不均衡，且春季水資源較少；呂立新[7]研究了吉林省地表水資源的分布規(guī)律，指出年徑流量與下墊面的不同有關(guān)。

目前針對水資源安全評價，同樣有了部分研究。趙西寧等[8]在黃土高原評價了雨水資源化綜合效益，基于AHP法建立了水資源安全指標(biāo)綜合評價體系；趙洪杰和唐善德[9]、周維博和李佩成[10]分別在黑河中游灌區(qū)和干旱半干旱地區(qū)灌區(qū)，利用層次分析法，建立了水資源效益綜合評價指標(biāo)體系，并對灌區(qū)水資源綜合效益進行了評價，結(jié)果與實際情況較為一致。

新疆位于我國西北部，氣候干燥，降水量少，多年平均降水量僅為150mm左右，其水資源含量較低，目前對新疆地區(qū)水資源分布規(guī)律與綜合評價的研究較少。本文以新疆博州地區(qū)為研究區(qū)域，基于水文站實測資料，研究當(dāng)?shù)厮Y源年際及年內(nèi)變化規(guī)律，并依據(jù)TOPSIS模型構(gòu)建水資源綜合評價體系。

1 研究方法與研究區(qū)域概況

1.1 研究區(qū)域概況

本文選擇新疆博州地區(qū)精河山口站、溫泉站和沙爾托海站為代表站點，基于當(dāng)?shù)?988—2016年近29年的實測數(shù)據(jù)，對當(dāng)?shù)厮Y源時間分布規(guī)律進行分析，站點經(jīng)度最大相差1°53′，最大落差1072.6m，具體研究區(qū)域及站點分布圖，如圖1所示及文獻[11]。

圖1 研究區(qū)域位置圖

圖2 水資源綜合效益評價指標(biāo)體系構(gòu)建

1.2 研究方法

1.2.1 評價指標(biāo)體系選擇

本文從工程效益、管理效益和社會效益3個方面對水資源效益進行評價。基于G1法和熵權(quán)法計算指標(biāo)權(quán)重，依據(jù)TOPSIS模型建立新疆博州地區(qū)水資源效益綜合評價模型，綜合判定區(qū)域水資源綜合效益。其指標(biāo)體系構(gòu)建如圖2所示。

1.2.2 綜合權(quán)重確定

為得出最能反映每個指標(biāo)體系的權(quán)重，選擇主觀權(quán)重賦值法的G1法和客觀權(quán)重賦值法的熵權(quán)法對不同指標(biāo)進行權(quán)重計算，最終得出綜合權(quán)重，以下為綜合權(quán)重的計算步驟。

(1)G1法權(quán)重賦值

假設(shè)評價指標(biāo)體系中有n個評價指標(biāo)α1，α2，…，αn，由專家經(jīng)驗判斷不同指標(biāo)的重要性，設(shè)置不同指標(biāo)的重要性程度為γn，則不同權(quán)重賦值為：

(1)

ωk+1=ωk×γkk=1，2，3……n

(2)

式中，ωk、ωk+1—第k、k+1個指標(biāo)的權(quán)重；γk—該指標(biāo)的重要性程度。

(2)熵權(quán)法權(quán)重賦值

假設(shè)有m個對象，n個被評價指標(biāo)，熵定義為：

(3)

(4)

式中，Hj—計算的信息熵；m—評價對象個數(shù)；n—待評價指標(biāo)個數(shù)；bij—計算的相對隸屬度；fij—相對隸屬度所占比例。

對各項指標(biāo)進行無量綱化處理，得出相對隸屬度：

(5)

式中，bij—所求的相對隸屬度；aij—每個計算指標(biāo)；ajmax—某項指標(biāo)最大值；ajmin—某項指標(biāo)最小值。

計算第j項指標(biāo)的變異度：

Dj=1-Hj

(6)

式中，Dj—所求的變異度；Hj—指標(biāo)的信息熵。

計算該指標(biāo)所對應(yīng)的熵權(quán)重(客觀權(quán)重)：

(7)

式中，ωbj—所求的客觀權(quán)重；Dj—某項指標(biāo)的變異度。

(3)綜合權(quán)重賦值

根據(jù)專家經(jīng)驗得出的主觀權(quán)重與計算得出的客觀權(quán)重，得出綜合權(quán)重：

(8)

式中，ωj—所求的綜合權(quán)重；ωaj—通過G1法所得的主觀權(quán)重；ωbj—熵權(quán)法所得的客觀權(quán)重。

1.2.3 TOPSIS水資源效益綜合評價模型構(gòu)建

(1)形成無量綱決策矩陣

假設(shè)目標(biāo)體系的方案層矩陣為N=(N1，N2……，Nm)，指標(biāo)層矩陣為A=(A1，A2……，An)，矩陣Z表示N對于C的比值，無量綱化矩陣用M表示可用下式表示。

(9)

(10)

(2)計算最優(yōu)解，找出各方案與最優(yōu)解的相對貼近程度

將無量綱化矩陣M，與計算得出的權(quán)重相乘，得出加權(quán)決策矩陣R：

R=ωj×mij

(11)

找出不同指標(biāo)的最優(yōu)解，采用文獻[12]的方法找出最優(yōu)解。通過下式計算不同指標(biāo)與最優(yōu)解的正負(fù)理想解距離，通過公式(14)計算相對貼近度矩陣。

(12)

(13)

(14)

根據(jù)ε值的大小，對不同方案進行排序，其值越大，則方案更優(yōu)。

2 結(jié)果與分析

2.1 年際變化趨勢分析

博州地區(qū)3個水文站點實測徑流值的年際變化及累積距平值如圖3所示。圖3顯示，3個水文站1988—2016年多年徑流量基本變化較平穩(wěn)，呈緩慢上升的趨勢，精河山口站、溫泉站和沙爾托海站徑流量多年變化趨勢分別為0.391、0.287、

0.209mm/10a，上升趨勢均不明顯。3個站點在1988—1997年呈下降趨勢，在1997—2007年呈上升趨勢，在2007—2016年呈降低趨勢，3個站點徑流變化趨勢基本一致。

2.2 年內(nèi)變化趨勢分析

博州地區(qū)3個水文站點實測徑流值的年內(nèi)變化及累積距平值如圖4所示。圖4顯示，3個水文站1—12月年內(nèi)基本呈先升高后降低的二次拋物線形式，3個站點徑流值的年內(nèi)分布基本在4—10月變化較劇烈，在其余月份基本不變，同時4—10月的徑流值較大，占了全年徑流了的65.4%～87.4%。各站點累積距平曲線變化趨勢基本一致，呈“減少-增加-減少”趨勢，3個時段分別為1—5月、5—9月和9—12月。

2.3 水資源評價結(jié)果分析

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，將水資源評價指標(biāo)體系進行分級，采用標(biāo)準(zhǔn)差分級法進行，該方法適用于呈正態(tài)分布的數(shù)據(jù)集，具體指標(biāo)分級情況見表1。

通過調(diào)查3個水文站附近區(qū)域的各項資料，得出多年平均資料用于進行3個站的水資源效益評價，通過式(1)～(8)計算不同指標(biāo)的客觀權(quán)重和主觀權(quán)重，最終得到不同指標(biāo)的最終權(quán)重，結(jié)果見表2。通過表1中的數(shù)據(jù)，結(jié)合表2中的權(quán)重和式(11)～(14)，可得出水資源效益具體等級評價標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果見表3。通過實測數(shù)據(jù)，可得出不同站點多年評價的水資源效益相對貼近度值，結(jié)果見表4。表4顯示，3個站點水資源效益由高到低排名依次為精河山口站、溫泉站、沙爾托海站，精河山口站水資源評價等級為一般，其余2個站點為較差，該評價結(jié)果與當(dāng)?shù)貙嶋H情況基本一致。

圖3 當(dāng)?shù)貜搅髂觌H變化及累積距平值

圖4 當(dāng)?shù)貜搅髂陜?nèi)變化及累積距平值

指標(biāo)好較好一般較差差ⅠⅡⅢⅣⅤ人均地區(qū)生產(chǎn)總值C11/元≥80006000～80004000～60002000～4000≤2000當(dāng)?shù)赜盟緾12/(106m3/億)≥7560～7545～6030～45≤30已建水利工程覆蓋率C13/%≥7555～7535～5515～35≤15工程總投資C14/萬元≥15001200～1500900～1200600～900≤600新型作物推廣面積比C21/%≥5040～5030～4020～30≤20農(nóng)民年收入C22/元≥60005000～60004000～50003000～4000≤3000作物水分生產(chǎn)率C23≥1.801.60～1.801.40～1.601.20～1.40≤1.20政府支持程度C24≥8.07.0～8.06.0～7.05.0～6.0≤5.0計劃用水水平C31≥6.56.0～6.55.5～6.05.0～5.5≤5.0節(jié)水機制健全水平C32≥5.455.05～5.454.65～5.054.25～4.65≤4.25新型節(jié)水工程覆蓋率C33/%≥5540～5525～4010～25≤10技術(shù)推廣體系水平C34≥0.850.70～0.850.55～0.700.40～0.55≤0.40

表2 不同指標(biāo)權(quán)重確定

表3 不同等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

表4 不同站點水資源綜合效益排名

3 結(jié)語

通過分析實測數(shù)據(jù)，掌握了新疆博州地區(qū)近年來的水資源時間分布規(guī)律，指出近年來當(dāng)?shù)厮Y源呈緩慢上升的趨勢，且年內(nèi)呈二次拋物線趨勢。水資源效益評價是一個多指標(biāo)、多屬性的過程，文章從工程效益、社會效益和管理效益3個層面建立的水資源效益綜合評價模型體系，可較好地反映當(dāng)?shù)厮Y源的發(fā)展情況，同時本文權(quán)重確定的方法，可從主觀和客觀多角度反映評價指標(biāo)的現(xiàn)狀，具有一定的現(xiàn)實意義。本文僅建立了12項評價指標(biāo)體系，在今后的研究中，可圍繞建立更多指標(biāo)體系角度進行。