基于改進(jìn)綜合賦權(quán)法的塔里木河流域“三源一干”水資源承載力評(píng)價(jià)

陳 磊，梁新平

(新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院(集團(tuán))有限責(zé)任公司，烏魯木齊 830002)

0 引 言

水是保障區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展最為重要的自然資源之一[1]，近些年隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水問(wèn)題已經(jīng)成為制約區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的主要因素。水資源承載力(WRCC)作為水資源可持續(xù)利用的重要組成，開(kāi)展對(duì)水資源承載力的評(píng)價(jià)研究，是進(jìn)行區(qū)域水資源優(yōu)化配置、實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展和水安全戰(zhàn)略的重要基礎(chǔ)與保證[2,3]。

關(guān)于水資源承載力評(píng)價(jià)研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量研究，并取得了一系列成果[4-13]。目前，在水資源承載力評(píng)價(jià)方法研究中，存在兩個(gè)問(wèn)題：一是評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定單純采用客觀賦權(quán)法或主觀賦權(quán)法，不能對(duì)指標(biāo)進(jìn)行合理賦權(quán)；二是水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果分級(jí)明顯，不能反映實(shí)際情況。鑒于此，本文以新疆塔里木河流域“三源一干”為研究區(qū)，基于可變模糊集理論，引入綜合賦權(quán)法建立水資源承載力評(píng)價(jià)模型，通過(guò)調(diào)整模型參數(shù)，提高水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)論的穩(wěn)定性，為后續(xù)區(qū)域水資源的合理配置與優(yōu)化提供參考。

1 水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

考慮到水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的完整性、代表性和可行性。本文參考有關(guān)研究成果，結(jié)合干旱區(qū)水資源特點(diǎn)，選取12項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立水資源承載力評(píng)價(jià)體系(見(jiàn)表1)。

表1 水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

建立水資源承載力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表2)。其中：V1為良好，表示該流域水資源開(kāi)發(fā)利用尚處于初級(jí)，有很大承載潛力；V3表示較差，該流域水資源承載能力已經(jīng)達(dá)到飽和值，繼續(xù)發(fā)展下去將會(huì)導(dǎo)致環(huán)境惡化；V2介于兩者之間。

表2 水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)

2 水資源承載力評(píng)價(jià)方法

本文采用可變模糊集理論，基于綜合賦權(quán)方法，構(gòu)建水資源承載力評(píng)價(jià)模型[14]。

假設(shè)：

(1)

(2)

(3)

2.1 相對(duì)差異函數(shù)

首先，構(gòu)建指標(biāo)特征值矩陣：

S=(sij)

(4)

式中：sij為樣本j指標(biāo)i的特征值；i= 1，2，… ，m；j= 1，2，… ，n。

將指標(biāo)特征值矩陣按照c個(gè)級(jí)別的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值K進(jìn)行計(jì)算

K=(kih)

(5)

式中：kih表示指標(biāo)i在h級(jí)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)特征值，h=1，2，… ，c。

根據(jù)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值矩陣和可變集合的吸引區(qū)間矩陣Rab與范圍區(qū)間矩陣Rcd：

Rab=([aih,bih])

(6)

Rcd=([cih,dih])

(7)

s是S區(qū)間中的任意一點(diǎn)，若s位于M點(diǎn)左側(cè)，則相對(duì)差異函數(shù)為：

(8)

若s位于M點(diǎn)右側(cè)，則相對(duì)差異函數(shù)為：

(9)

2.2 改進(jìn)綜合賦權(quán)

本文將熵權(quán)法和層次分析法組合賦權(quán)，以便評(píng)價(jià)結(jié)果更科學(xué)合理，切合實(shí)際[15,16]。

σi=αωi+(1-α)wi, 0≤α≤1；

0<σi,ωi,wi<1,i=1,2,…,n

(10)

式中：σi為綜合權(quán)重；ωi為層次分析法計(jì)算權(quán)重；wi為熵權(quán)法計(jì)算權(quán)重；α為決策系數(shù)，取0.5。

2.3 求解相對(duì)隸屬度矩陣

評(píng)價(jià)樣本對(duì)不同水資源承載力等級(jí)的相對(duì)隸屬度計(jì)算式如下：

(11)

其中：

(12)

(13)

U=(uh)

(14)

其中：

(15)

根據(jù)式(16)計(jì)算樣本級(jí)別分值：

H=(1,2,3,)·U

(16)

式中：H為評(píng)價(jià)樣本水資源承載力等級(jí)分值。

3 研究區(qū)概況

塔里木河是我國(guó)最大的內(nèi)陸河，其位于新疆維吾爾自治區(qū)南部，天山山脈和昆侖山山脈之間，地理位置介于73°10′～94°05′E，34°55′～43°08′N(xiāo)之間，流域總面積102.7 萬(wàn)km2，涵蓋南疆五地州。塔里木河流域由阿克蘇河、葉爾羌河等九大水系144條河流組成。目前，與塔里木河干流有地表水力聯(lián)系的僅有阿克蘇河、和田河與葉爾羌河，簡(jiǎn)稱(chēng)“三源一干”。塔里木河流域是新疆重要的石油石化基地，也是全國(guó)聞名的糧食、瓜果蔬菜基地，流域水系見(jiàn)圖1。

圖1 塔里木河流域水系

4 結(jié)果與分析

本文針對(duì)塔里木河流域“三源一干”2015年(現(xiàn)狀年)水資源承載力情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。同時(shí)，參考《新疆地區(qū)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要》、《中共中央關(guān)于制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃的建議》、《塔里木河流域綜合規(guī)劃》等資料，對(duì)流域“三源一干”2025年、2035年(規(guī)劃水平年)水資源承載力情況進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)。

4.1 現(xiàn)狀年水資源承載力評(píng)價(jià)

根據(jù)塔里木河流域“三源一干”2015年水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值(見(jiàn)表3)，構(gòu)建現(xiàn)狀指標(biāo)特征值矩陣S與指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值矩陣K。

表3 塔里木河流域“三源一干”2015年水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)式(8)～式(16)，計(jì)算得到塔里木河流域“三源一干”現(xiàn)狀年水資源承載力評(píng)分。

由表4可知，比較4組模型參數(shù)計(jì)算得到的“水資源承載力”級(jí)別特征值，其評(píng)價(jià)結(jié)果穩(wěn)定。阿克蘇河以及塔里木河干流水資源承載力綜合評(píng)價(jià)為2級(jí)，形勢(shì)不容樂(lè)觀，因此必須加強(qiáng)水資源管理，提高水資源利用率，增強(qiáng)節(jié)水意識(shí)，提高水資源承載力。和田河流域與葉爾羌河流域水資源承載力已達(dá)到2～3級(jí)，接近該流域水資源承載極限，必須加強(qiáng)水資源監(jiān)管，若繼續(xù)惡化必將阻礙流域水資源可持續(xù)發(fā)展。

表4 研究區(qū)現(xiàn)狀年WRCC評(píng)價(jià)結(jié)果

4.2 規(guī)劃水平年水資源承載力變化分析

4.2.1 水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)預(yù)測(cè)

對(duì)規(guī)劃水平年研究區(qū)發(fā)展要素分析，得到水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)值，見(jiàn)表5。

表5 研究區(qū)規(guī)劃水平年水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)值

4.2.2 結(jié)果與分析

采用可變模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)塔里木河流域“三源一干”規(guī)劃水平年水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表6與表7。

由表6與表7可知，葉爾羌河流域2015年水資源承載力分值為2.22～2.65，2025年為2.26～2.57，2035年為2.17～2.42，水資源承載力評(píng)價(jià)分值從現(xiàn)狀年到規(guī)劃年逐漸降低，由最初的2～3級(jí)降到2級(jí)，說(shuō)明葉爾羌河流域水資源承載力水平逐漸提高，水資源復(fù)合系統(tǒng)逐漸好轉(zhuǎn)；和田河流域水資源承載力分值由2015年的2.25～2.59降至2025年的2.16～2.32，至2035年，分值為2.14～2.28，評(píng)價(jià)等級(jí)也由2～3級(jí)降到2級(jí)，且置信區(qū)間逐漸縮小，評(píng)價(jià)結(jié)果趨于穩(wěn)定；阿克蘇河流域從現(xiàn)狀年2015年到規(guī)劃水平年2035年，水資源承載力評(píng)價(jià)等級(jí)均為2級(jí)，且分值變化幅度較小，說(shuō)明該流域水資源復(fù)合系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定，若要進(jìn)一步提高該流域水資源承載力則需要采取控制人口數(shù)量，進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等方法，結(jié)合工程與非工程措施共同作用；塔里木河干流2015年水資源承載力分值為1.89～1.96，2025年為2.10～2.2，2035年為2.07～2.21，較其他流域而言，水資源承載力分值較低，且穩(wěn)定在2級(jí)階段，說(shuō)明該流域水資源復(fù)合系統(tǒng)正處于發(fā)展階段，可支撐當(dāng)?shù)牡厣a(chǎn)生活與生態(tài)用水，且有一定的發(fā)展空間。

表6 規(guī)劃水平年研究區(qū)水資源承載力分值

表7 不同水平年研究區(qū)水資源承載力分級(jí)

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)現(xiàn)狀水平年(2015年)，阿克蘇河流域與塔里木河干流水資源承載力評(píng)價(jià)為2級(jí)，形勢(shì)不容樂(lè)觀，必須加強(qiáng)水資源管理，提高水資源利用效率；和田河流域與葉爾羌河流域水資源承載力已達(dá)到2～3級(jí)，接近水資源承載力極限，若繼續(xù)惡化必將阻礙流域可持續(xù)發(fā)展。

(2)規(guī)劃水平年(2035年)，葉爾羌河流域與和田河流域水資源承載力評(píng)價(jià)分值較現(xiàn)狀年有所降低，流域水資源承載力評(píng)價(jià)等級(jí)均為2級(jí)，表明研究區(qū)水資源復(fù)合系統(tǒng)有好轉(zhuǎn)趨勢(shì)，承載力有所增強(qiáng)；阿克蘇河流域水資源承載力評(píng)價(jià)等級(jí)均為2級(jí)，且分值變化幅度較小，說(shuō)明該流域水資源復(fù)合系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定；塔里木河干流水資源承載力分值較其他流域較低，且穩(wěn)定在2級(jí)階段，說(shuō)明該流域水資源復(fù)合系統(tǒng)可支撐當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)生活與生態(tài)用水，且有一定的發(fā)展空間。

(3)利用改進(jìn)綜合賦權(quán)法的可變模糊綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)塔里木河流域“三源一干”不同水平年水資源承載力評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)分值波動(dòng)區(qū)間變化不大，評(píng)價(jià)結(jié)果穩(wěn)定度和精準(zhǔn)度有所提升。因此，本文構(gòu)建模型能夠很好地反映研究區(qū)水資源承載力實(shí)際狀況，為流域的發(fā)展與規(guī)劃提供重要決策依據(jù)。