層次分析法-熵權(quán)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(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018;2.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

水資源承載力是分析一個國家或地區(qū)水資源開發(fā)利用狀況的重要參考指標(biāo),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(fā)展階段下,以可預(yù)見的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展水平為依據(jù),以可持續(xù)發(fā)展為原則,以地下水最大可利用量為前提,地下水資源對區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最大支撐能力[1]。

目前,關(guān)于水資源承載能力的研究方法主要有常規(guī)趨勢法、系統(tǒng)動力學(xué)法、多目標(biāo)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(jié)合鄂托克旗的地下水資源利用特點(diǎn),構(gòu)建了適用于鄂托克旗的地下水灌溉承載力評價指標(biāo)體系,并運(yùn)用層次分析法-熵權(quán)法對地下水灌溉承載力進(jìn)行綜合評價,同時提出水資源利用對策及建議,為該地區(qū)的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展及地下水資源可持續(xù)利用提供科學(xué)的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理概況

鄂托克旗位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市西部,總面積約20383.44km2,下轄4鎮(zhèn)2蘇木。區(qū)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(qū),多年平均年降水量271.9mm,多年平均年蒸發(fā)量2359.1mm。

根據(jù)2020年鄂托克旗統(tǒng)計年鑒,常住人口為16.27萬,其中城鎮(zhèn)人口12.88萬,農(nóng)村人口3.39萬,城鎮(zhèn)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(qū)域共有72個使用地下水灌溉的嘎查(村)。

1.2 水資源利用現(xiàn)狀

鄂托克旗共有4個主要供水水源,供水現(xiàn)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(shù)據(jù)來源于鄂托克旗水利局相關(guān)資料及水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所實(shí)地考察項(xiàng)目。

表1 水資源供水類型現(xiàn)狀

2 研究方法

2.1 評價指標(biāo)體系的選取

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

表2 地下水灌溉承載力評價指標(biāo)體系

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

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

b.壓力子系統(tǒng):主要反映社會發(fā)展水平給水資源系統(tǒng)帶來的壓力。

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

2.2 評價方法

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

2.2.1 層次分析法

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

層次分析法計算權(quán)重的步驟如下:

a.構(gòu)建判斷矩陣。通過邀請相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜?以調(diào)查問卷形式對構(gòu)建的地下水灌溉承載力評價指標(biāo)體系各層級進(jìn)行打分,構(gòu)成判斷矩陣。

b.通過算術(shù)平均法計算權(quán)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(jìn)行歸一化處理,得到最大特征值向量αi:

(3)

計算本層內(nèi)要素的權(quán)重Wi:

(4)

(5)

c.計算最大特征根λmax,并進(jìn)行一致性檢驗(yàn):

(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(biāo);CR為隨機(jī)一致性比率;RI為矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。

當(dāng)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(nèi),判定矩陣通過一致性檢驗(yàn);當(dāng)CR>0.1時,需要調(diào)整判斷矩陣A中的取值,并重復(fù)上述步驟,對判斷矩陣重新進(jìn)行一致性檢驗(yàn),直到符合CR<0.1的要求,滿足一致性檢驗(yàn)[7]。

2.2.2 熵權(quán)法

熵權(quán)法主要是根據(jù)樣本數(shù)據(jù)在各評價對象中的差異性來確定權(quán)重,是常見的一種客觀賦權(quán)法,人為主觀因素相對少,評價結(jié)果具有較高的可信度[8]。利用熵權(quán)法評價鄂托克旗地下水灌溉承載力,首先對評價指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,然后通過熵權(quán)法計算各評價指標(biāo)的權(quán)重,最后通過線性加權(quán)法對鄂托克旗地下水灌溉承載力進(jìn)行綜合評價[9]。熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)方法,根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)的離散程度,利用信息熵來確定指標(biāo)權(quán)重[10]。線性加權(quán)法運(yùn)算原理是通過疊加對承載力不同影響程度的各評價指標(biāo),計算出一個綜合值,根據(jù)綜合值對地下水灌溉承載力進(jìn)行評價,綜合值越大,承載力越強(qiáng);綜合值越小,承載力越弱。其主要計算步驟如下:

a.標(biāo)準(zhǔn)化處理。標(biāo)準(zhǔn)化處理是把所有數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)化為[0,1]的數(shù),其目的是取消各維數(shù)據(jù)間數(shù)量級差別,為消除負(fù)數(shù)和0的影響,同時對數(shù)據(jù)進(jìn)行平移,見式 (9) 和式(10)。

正向指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化公式:

(9)

負(fù)向指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)樣本數(shù)據(jù);xmax(i,j),xmin(i,j)分別為第j個指標(biāo)值的最大值和最小值;x*(i,j)為第i個樣本的第j個指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的指標(biāo)值。

b.求取指標(biāo)比重Pij:

(11)

c.求取指標(biāo)熵值ej:

(12)

k=1/lnn

式中:n為行數(shù);0≤ej≤1;當(dāng)Pij=0時,令PijlnPij=0。

d.求取熵權(quán)Wj:

(13)

e.計算綜合評價值Sj:

(14)

3 研究結(jié)果

3.1 一致性檢驗(yàn)結(jié)果

從判斷矩陣一致性檢驗(yàn)結(jié)果(見表3)可以看出,判斷矩陣均滿足一致性檢驗(yàn),說明層次排序的結(jié)構(gòu)符合數(shù)學(xué)邏輯,結(jié)果較為合理。

表3 判斷矩陣一致性檢驗(yàn)結(jié)果

3.2 評價指標(biāo)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)來源于《鄂托克旗第三次國土調(diào)查主要數(shù)據(jù)公報》,全旗總?cè)丝跀?shù)據(jù)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(shù)據(jù),大多由實(shí)地調(diào)查得到。根據(jù)原始數(shù)據(jù)計算得到鄂托克旗2020年地下水灌溉承載力評價指標(biāo)值,見表4。

表4 鄂托克旗2020年地下水灌溉承載力評價指標(biāo)值

由表4可以看出,阿爾巴斯蘇木和木凱淖爾鎮(zhèn)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(fā)利用率較高,可能形成地下水超采的狀態(tài)。棋盤井鎮(zhèn)和阿爾巴斯蘇木的地下水管理指數(shù)相較其他蘇木(鎮(zhèn))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(tài)(不收取水費(fèi)/水資源稅),導(dǎo)致用水浪費(fèi)現(xiàn)象較為嚴(yán)重,自主、自愿節(jié)水的積極性不高,不利于節(jié)水工作的健康發(fā)展。

3.3 綜合權(quán)重計算結(jié)果

本文在對指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行計算時,采用兩者結(jié)果的平均值作為指標(biāo)的最終權(quán)重。通過此方式可以取長補(bǔ)短,使權(quán)重計算結(jié)果更加科學(xué)準(zhǔn)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(biāo)體系中第j個指標(biāo)的綜合權(quán)重;aj為熵權(quán)法計算的第j個指標(biāo)的權(quán)重;bj為層次分析法計算的第j個指標(biāo)的權(quán)重。

根據(jù)上文介紹的指標(biāo)權(quán)重計算方法,可得到層次分析法、熵權(quán)法和綜合指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果,見表5～表7。

表5 層次分析法各指標(biāo)權(quán)重值

表6 熵權(quán)法各指標(biāo)權(quán)重值

表7 各指標(biāo)的綜合權(quán)重

3.4 綜合評價值

本文選取了3個準(zhǔn)則層共計10個指標(biāo)作為地下水灌溉承載力的評價指標(biāo)體系,屬于多因子評價,故可以采用綜合加權(quán)評價法,對本文所建立的評價指標(biāo)體系中的各個評價指標(biāo)逐層逐項(xiàng)地加權(quán)評分,計算出該區(qū)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(tǒng)評價值劃分各蘇木(鎮(zhèn))的評價等級,參照文獻(xiàn)建立分級評價標(biāo)準(zhǔn)[13],將評價標(biāo)準(zhǔn)劃分為Ⅰ級(理想狀態(tài))、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(quán)法計算得到鄂托克旗2020年各蘇木(鎮(zhèn))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(zhèn))地下水灌溉承載力差別較大,呈現(xiàn)出蘇米圖蘇木>烏蘭鎮(zhèn)>阿爾巴斯蘇木>木凱淖爾鎮(zhèn)>蒙西鎮(zhèn)>棋盤井鎮(zhèn)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(zhèn)和棋盤井鎮(zhèn)承載力最差,說明兩個地區(qū)存在地下水過度開發(fā)且對地下水的管理水平不足的現(xiàn)象。

表8 各蘇木(鎮(zhèn))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(shù)的72.22%;Ⅲ級(弱承載)的有17個,占總數(shù)的23.61%;數(shù)量最少的Ⅰ級(理想狀態(tài))的有3個,占總數(shù)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(fā)利用程度較大,但對地下水的管理調(diào)控能力較差,部分區(qū)域會出現(xiàn)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(tǒng)評價值

表9 各嘎查地下水灌溉承載力綜合評價等級統(tǒng)計

通過線性加權(quán)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(qū)近年來節(jié)水灌溉技術(shù)得到了發(fā)展,但由于農(nóng)田水利配套工程及工程運(yùn)行管理手段相對落后,工程運(yùn)行維護(hù)管理體制不夠完善等原因,導(dǎo)致系統(tǒng)的調(diào)控能力下降。近年來隨灌溉面積快速增加,地區(qū)的地下水嚴(yán)重超采,導(dǎo)致系統(tǒng)的壓力逐漸增大,該地區(qū)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(jié)約保護(hù)管理對策措施

綜合鄂托克旗當(dāng)前的自然條件、區(qū)域水資源條件、社會發(fā)展水平、工程技術(shù)現(xiàn)狀和管理水平,并充分考慮單項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重,鄂托克旗地下水資源規(guī)劃應(yīng)著重從以下方面入手:

a.推廣噴灌、滴灌等節(jié)水灌溉技術(shù)。

b.嚴(yán)格按照核定取水量取水,按計劃供水,同時應(yīng)按照取水許可管理要求,建立齊全的資料檔案,加強(qiáng)取水量、水質(zhì)管理,接受水行政主管部門的取水許可監(jiān)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(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和水質(zhì)保護(hù)的監(jiān)督管理機(jī)制。

e.促進(jìn)水資源開發(fā)利用管理。充分利用地表水資源,合理開發(fā)地下水資源,并根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況對工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水以及生活用水進(jìn)行合理有效的配置,盡可能對近期及遠(yuǎn)期的用水做出合理的規(guī)劃。

f.樹立依法管理水的理念,進(jìn)一步強(qiáng)化水資源的管理。

5 結(jié) 語

鄂托克旗是華北地區(qū)典型的大部分地區(qū)干旱少雨、重度缺水、生態(tài)環(huán)境脆弱的旗(縣),水資源對其社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約相對來說更明顯,因此水資源的合理開發(fā)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(chǔ)上,以支撐力子系統(tǒng)、壓力子系統(tǒng)和調(diào)控力子系統(tǒng)之間的關(guān)系為準(zhǔn)則,構(gòu)建了評價指標(biāo)體系,運(yùn)用主客觀耦合的方法對鄂托克旗各蘇木(鎮(zhèn))及各嘎查(村)的地下水灌溉承載力作出綜合評價。經(jīng)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(jìn)一步提升當(dāng)?shù)氐牡叵滤喔瘸休d力,提出了一系列水資源節(jié)約保護(hù)管理的對策措施。層次分析法-熵權(quán)法是評價地下水灌溉承載力的有效方法。