基于AHP的阿拉爾市水資源系統(tǒng)評(píng)價(jià)研究

劉熙娟，于德珠，劉 云

(塔里木大學(xué)信息工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

水資源是人類生存與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)物資保障，是無法替代的自然資源。干旱地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展受制于水資源尤為突出，在水資源量一定的情況下，隨著區(qū)域內(nèi)人口的增加、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及農(nóng)業(yè)種植面積的擴(kuò)大，用水需求量不斷增大，加劇了水資源的供需矛盾。因此，當(dāng)人類開發(fā)利用水資源時(shí)，必須按照水循環(huán)規(guī)律，合理利用水資源[1]。近年來，許多學(xué)者對(duì)水資源相關(guān)問題進(jìn)行了大量卓有成效的研究，何鈺等[2]采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法對(duì)嘉陵江南充段干流的水質(zhì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。楊子江等[3]，Changhai Wang等[4]，張斌等[5]利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法分析了水資源承載力問題。Xijuan Liu等[6]利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)SD研究了阿拉爾市水資源承載能力。牛旭等[7]運(yùn)用可拓層次分析法，研究了阿拉爾市水資源可持續(xù)發(fā)展問題。許麗[8]利用灰色系統(tǒng)模型分析了農(nóng)業(yè)水資源供需平衡。劉昭陽(yáng)[9]結(jié)合當(dāng)?shù)厮Y源自然賦存條件、開發(fā)利用現(xiàn)狀及其可持續(xù)利用發(fā)展要求，利用AHP層次分析法對(duì)莊河市水資源現(xiàn)狀進(jìn)行了科學(xué)評(píng)價(jià)。艾亞迪等[10]應(yīng)用AHP對(duì)西安市水資源開發(fā)利用狀況進(jìn)行了Arcgis可視化分析。安強(qiáng)等[11]通過構(gòu)建模糊綜合評(píng)價(jià)模型，綜合評(píng)價(jià)分析了河南省中原城市群水資源承載力水平。陳海濤等[12]基于熵權(quán)模糊綜合評(píng)價(jià)模型，對(duì)河南省近10年的水資源承載力展開了評(píng)價(jià)。綜上所述，前人關(guān)于水資源相關(guān)問題的研究可謂是碩果累累，為后續(xù)學(xué)者的研究提供了參考和經(jīng)驗(yàn)。本文參照前人研究成果，綜合利用層次分析法AHP和模糊綜合評(píng)價(jià)法FCE，選取影響水資源的相關(guān)客觀因素為評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立判斷矩陣，計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重，得到各指標(biāo)的綜合評(píng)分，進(jìn)而獲得客觀因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的影響。這對(duì)阿拉爾市人口、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與水資源協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。

1 研究區(qū)現(xiàn)狀

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師阿拉爾市，北起天山南麓山地，南至塔克拉瑪干沙漠邊緣，東臨沙雅縣，西抵柯坪縣，師市總面積693 968 hm2，其中阿拉爾市面積625 668 hm2。由塔里木的阿拉爾、沙井子2大墾區(qū)和四、五、六團(tuán)3個(gè)獨(dú)立墾區(qū)組成。第一師阿拉爾市屬暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候，墾區(qū)平均氣溫10.8℃，極端最高氣溫35℃(沙井子墾區(qū)每隔5～10 a遇最高氣溫40℃)，極端最低氣溫-28℃(四團(tuán)墾區(qū)最低氣溫為-33.2℃)。墾區(qū)長(zhǎng)年氣候干燥、雨量稀少，冬季少雪，地表蒸發(fā)強(qiáng)烈，年均降水量為40.1～82.5 mm，年均蒸發(fā)量1 876.6～2 558.9 mm。

阿克蘇河、和田河、葉爾羌河在阿拉爾市交匯形成塔里木河,區(qū)域土壤由塔里木河沖積而成。市區(qū)處于塔里木河沖積平原二級(jí)階梯上，為地下水徑流排泄區(qū)，地下水埋深1.4～1.7 m，最低水位出現(xiàn)在1-2月，地下水位年度變化幅度為0.5～1.0 m。地下水徑流緩慢，流速為 0.02～0.05 m/晝夜，地下水流向自西向東，其水力坡度為0.04%～0.06%，地下水類型為河谷性沖積層潛水，地下水類型為硫酸鹽類水，礦度很高一般在1～5 g/L：普遍在3 g/L，局部高達(dá)10 g/L。

阿拉爾墾區(qū)緊鄰塔克拉瑪干沙漠，氣候極為干旱，水資源承載力薄弱。隨著墾區(qū)內(nèi)土地耕種面積的不斷擴(kuò)大以及新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)在這里建市帶來人口的激增，使得墾區(qū)內(nèi)水資源供需矛盾日益突出，嚴(yán)重影響著這一地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此，合理開發(fā)利用水資源已成為阿拉爾市急需解決的問題之一。

2 評(píng)價(jià)方法

2.1 層次分析法AHP的應(yīng)用

層次分析法[9,10,13,14](Analytic Hierarchy Process，簡(jiǎn)稱AHP)是將與決策有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法。該方法是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家匹茨堡大學(xué)教授薩蒂于20世紀(jì)70年代初，提出的一種層次權(quán)重決策分析方法。層次分析法將復(fù)雜的決策系統(tǒng)層次化，通過逐層比較各種關(guān)聯(lián)因素的重要性來分析、決策提供定量的依據(jù)。

2.1.1 數(shù)據(jù)分層

從水資源的生態(tài)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益這三個(gè)準(zhǔn)則出發(fā)，分別選取若干能反應(yīng)這三大效能的指標(biāo)，建立水資源評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見表1。

表1 水資源評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.1.2 層次分析法

1)水資源評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

采用Santy的1-9標(biāo)度方法[9，10]構(gòu)建判斷矩陣，計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重，并對(duì)其進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。以水資源評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的目標(biāo)層B的4個(gè)指標(biāo)為例，構(gòu)建水資源效益A-B判斷矩陣并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

(1)構(gòu)建判斷矩陣P，見表2。

表2 A-B判斷矩陣

(2)計(jì)算權(quán)重。

應(yīng)用層次分析法計(jì)算權(quán)重的方法有很多，這里選取準(zhǔn)確率比較高的方法——取列向量的算術(shù)平均[9,10]，計(jì)算矩陣對(duì)應(yīng)的權(quán)重，得到如下結(jié)果：

W0=(0.480 4，0.254 2，0.207 2，0.058 2)

(3)一致性檢驗(yàn)。

為了判斷上述權(quán)重值的合理性，需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，具體過程如下所示：

計(jì)算矩陣的最大特征值

PW0=λmaxW0?λmax=4.177 4

進(jìn)行一致性檢驗(yàn)：根據(jù)下列公式進(jìn)行一致性檢驗(yàn)

式中：n為元素個(gè)數(shù)，RI(Random Index)為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，取值可參考文獻(xiàn)[9，10]?？汕蟮肅I0=0.059 1，CR0=0.065 7<0.1，滿足一致性檢驗(yàn)要求，說明各層次權(quán)重值可用于水資源評(píng)價(jià)。

2)子系統(tǒng)單個(gè)指標(biāo)權(quán)重的確定

根據(jù)上述方法，可以計(jì)算目標(biāo)層C中的10個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，結(jié)果見表3～表6。

表3 B1-C判斷矩陣

表4 B2-C判斷矩陣

從表3～表6可以看出，文中選取的所有指標(biāo)都滿足一致性檢驗(yàn)要求，所確定的各層次的權(quán)重值具有一定的科學(xué)性。因而可以選取上述表中計(jì)算得出的權(quán)重進(jìn)行后續(xù)的計(jì)算。

表5 B3-C判斷矩陣

表6 B4-C判斷矩陣

2.2 模糊綜合評(píng)價(jià)法FCE的應(yīng)用

水資源承載力評(píng)價(jià)系統(tǒng)受自然、社會(huì)等多因素的綜合影響，具有隨機(jī)性、模糊性等特點(diǎn)，模糊綜合評(píng)價(jià)法[12,13](Fuzzy Comprehensive Evaluation，簡(jiǎn)稱FCE)可以較好實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源承載力進(jìn)行多層次、多目標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)。模糊綜合評(píng)價(jià)法中評(píng)價(jià)因子主要是由隸屬度矩陣(評(píng)判矩陣)、因素集、評(píng)判集所構(gòu)成。進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)通常按以下步驟進(jìn)行：

1)確定因素集：U={U1，U2，U3，…，Uk}(k=1，2，3，…)；

2)確定評(píng)判集：V={V1，V2，V3，…，Vk}(k=1，2，3，…)；

3)進(jìn)行單因素評(píng)判得：ri={ri1，Vi2，Vi3，…，Vik}(k=1，2，3，…)；

4)構(gòu)造綜合評(píng)判矩陣R；

5)綜合評(píng)判：結(jié)合層次分析法獲得的權(quán)重W，計(jì)算模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果E，其中E=W×R。

3 結(jié)果分析

本文的數(shù)據(jù)來源于2008-2017年《新疆兵團(tuán)第一師阿拉爾市統(tǒng)計(jì)年鑒》和知網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺(tái)。將層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法結(jié)合，可以消除AHP中主觀因素的影響，也可以克服多層次評(píng)價(jià)的不足。本研究在層次分析法的基礎(chǔ)上使用模糊綜合評(píng)價(jià)法，根據(jù)社會(huì)、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、水資源子系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)分成4部分。以社會(huì)子系統(tǒng)為例，計(jì)算水資源綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。原始數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 社會(huì)子系統(tǒng)相關(guān)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)

使用FCE得到綜合評(píng)價(jià)結(jié)果E。詳細(xì)過程如下：

標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)。將表7中每年的數(shù)據(jù)使用歸一化方法標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)果如表8所示：

表8 標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)

2)確定評(píng)判矩陣。將表8中的數(shù)據(jù)處理后，可得到因素集的評(píng)判矩陣如下。

3)計(jì)算綜合隸屬度。計(jì)算權(quán)重和評(píng)判矩陣的乘積，可得到評(píng)價(jià)結(jié)果。

EB1=W1×RB1=(0.750 0 0.250 0)×

=(0.405 8 0.385 4 0.359 5 0.340 7 0.327 7 0.317 1 0.310 3 0.306 4 0.302 3 0.303 4)

對(duì)于其他3個(gè)子系統(tǒng)，可使用同樣的方法，得到B2, B3, B4對(duì)應(yīng)的因素集評(píng)判矩陣，分別如下所示：

這3個(gè)子系統(tǒng)的權(quán)重分別為

W2=(0.549 9, 0.240 2, 0.209 8),W3=(0.486 9, 0.435 3, 0.077 8),W4=(0.857 1, 0.142 9)

計(jì)算得其他3個(gè)子系統(tǒng)的評(píng)價(jià)結(jié)果EB2，EB3，EB4如下

EB2=(0.476 4 0.498 6 0.512 9 0.521 0 0.488 6 0.474 1 0.535 1 0.532 7 0.534 0 0.533 0)

EB3=(0.081 8 0.082 0 0.082 7 0.083 1 0.082 9 0.083 0 0.082 7 0.083 8 0.081 9 0.081 9)

EB4=(0.797 6 0.777 8 0.759 7 0.701 0 0.672 8 0.626 3 0.604 5 0.591 1 0.568 6 0.539 4)

4)計(jì)算綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。根據(jù)以上分析計(jì)算因子集的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，可用下式表示：

UE={UB1，UB2，UB3，UB4}

由此，可以得到綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)，如表9所示。

表9 綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)

考慮到生態(tài)子系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)對(duì)水資源評(píng)價(jià)有負(fù)向影響，故水資源評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)際權(quán)重為

WE=(0.445 5 -0.273 8 -0.219 3 0.061 4)

所以，水資源綜合評(píng)判結(jié)果為

E=WE×RE=(0.058 7 0.049 7 0.040 5 0.033 3 0.035 1 0.034 0 0.020 3 0.019 0 0.017 2 0.016 9)

為了更好地預(yù)測(cè)未來水資源發(fā)展?fàn)顩r，對(duì)水資源綜合評(píng)分進(jìn)行線性擬合和二次擬合，以便更好地觀測(cè)水資源安全問題隨著年份的增加所呈現(xiàn)的趨勢(shì)。所得結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 線性擬合 圖2 二次擬合

將表9數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后得到隸屬度矩陣

圖中橫軸t代表第幾年，比如1代表所選取數(shù)據(jù)的第1年即2008年，10為第10年即2017年?？v軸為綜合評(píng)分E。由圖1可以得到綜合評(píng)分E和時(shí)間t對(duì)應(yīng)的擬合函數(shù)為

E=-0.004 6t+0.057 5

根據(jù)上述表達(dá)式，可以得到未來10年(2018-2027)的預(yù)測(cè)結(jié)果：0.006 9 0.002 3 -0.002 3 -0.006 9 -0.011 5 -0.016 1 -0.020 7 -0.025 3 -0.029 9 -0.034 5。

根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)方法的結(jié)果分析[12,13]，模糊結(jié)果E的值越大，表明當(dāng)?shù)氐乃踩跃驮礁?，也就是說，E值越大，表明該地區(qū)越不會(huì)出現(xiàn)水危機(jī)現(xiàn)象。

顯然，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，2020年將出現(xiàn)水資源短缺情況。也就是說，這一年阿拉爾市水資源的供給遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上水資源的需求，這種形勢(shì)在未來可能會(huì)越來越嚴(yán)重。如果未來10年，沒有特別的水資源供給，阿拉爾市的可用水資源將會(huì)缺乏，這將對(duì)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展和人民的生活帶來很大的壓力。隨著阿拉爾市社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，需要引進(jìn)外來水的供給，加大水資源重復(fù)利用，才能實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)厮Y源可持續(xù)開發(fā)利用，解決日益突出的水資源供需矛盾。

4 結(jié)語

本文利用層次分析法構(gòu)建了阿拉爾市水資源評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的層次模型，建立了判斷矩陣，對(duì)所獲得的指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行了一致性檢驗(yàn)，使得各層指標(biāo)權(quán)重有效，并用模糊綜合評(píng)價(jià)方法獲得了各個(gè)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。將AHP和FCE相結(jié)合進(jìn)行討論，提高了評(píng)價(jià)結(jié)果的真實(shí)性和有效性，克服了AHP專家評(píng)分法主觀性太強(qiáng)的不足。研究結(jié)果表明，當(dāng)前水資源使用不合理，阿拉爾市將會(huì)出現(xiàn)水危機(jī)現(xiàn)象。因而根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，積極推進(jìn)節(jié)水型城市的建設(shè)，提高工業(yè)用水重復(fù)利用率，同時(shí)提高水資源的系統(tǒng)管理水平，加強(qiáng)水源地保護(hù)，嚴(yán)格控制取用水量；建議開發(fā)利用中水、微咸水等非常規(guī)水源，淘汰高耗水企業(yè)，引進(jìn)外來水的供給，合理開發(fā)利用水資源，加強(qiáng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，努力打造人與自然和諧相處的局面。