高瑞忠，李和平，佟長福，格日樂

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，呼和浩特010018；2.中國水科院牧區(qū)水利科學(xué)研究所，呼和浩特010010；3.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院，呼和浩特010051）

1 研究區(qū)概況及評價分區(qū)

鄂爾多斯市位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西南部，與寧夏、陜西、山西三省區(qū)毗鄰，同呼和浩特市、包頭市共同構(gòu)成內(nèi)蒙古自治區(qū)黃河“金腰帶”上的“金三角”。鄂爾多斯市這幾年經(jīng)濟發(fā)展速度快，過去在內(nèi)蒙古12個盟市中曾排列倒數(shù)第2位，現(xiàn)在已位列內(nèi)蒙古各地區(qū)之首?！岸鯛柖嗨拱l(fā)展模式”得到中央的充分肯定和高度重視，已在全國宣傳推廣，成為改革開放30a全國18個典型地區(qū)之一。

水資源是一種戰(zhàn)略性資源，對于區(qū)域生態(tài)環(huán)境安全和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，水資源承載力是進行區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)和確定社會經(jīng)濟發(fā)展方向的基礎(chǔ)。鄂爾多斯市包括東勝區(qū)、達拉特旗、準(zhǔn)格爾旗、鄂托克旗、鄂托克前旗、杭錦旗、烏審旗和伊金霍洛旗等8個行政旗（區(qū)），本文通過對鄂爾多斯市及其各旗（區(qū)）水資源承載能力的綜合評價，實現(xiàn)對于鄂爾多斯市水資源的現(xiàn)狀及開發(fā)利用程度的總體把握，從而為鄂爾多斯市的經(jīng)濟發(fā)展提供理論依據(jù)。

2 評價方法

2.1 評價指標(biāo)

水資源承載力評價指標(biāo)體系的建立是水資源承載力研究中的一個關(guān)鍵問題，核心是用什么指標(biāo)體系反映“社會－經(jīng)濟－自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)”的發(fā)展規(guī)模與質(zhì)量，影響區(qū)域水資源承載能力的因素很多，涉及到水資源系統(tǒng)的各個方面，其指標(biāo)的選取也常因研究者而有不同［1－3］。在本次水資源承載力綜合評價中，選取了水資源開發(fā)利用率、灌溉率、地表水控制率、工業(yè)用水重復(fù)利用率、人均水資源可利用量、人均供水量、排污率、供水量模數(shù)和生態(tài)用水率等9個主要因素作為評價因素，各因素的含義如下：①水資源開發(fā)利用率X1（%），現(xiàn)狀水平年75%保證率的供水量與可利用的水資源總量之比；②灌溉率X2（%），灌溉面積與耕地面積之比；③地表水控制率X3（%），當(dāng)?shù)氐乇硭钏こ倘霂焖颗c當(dāng)?shù)氐乇硭Y源量之比；④工業(yè)用水重復(fù)利用率X4（%），工業(yè)重復(fù)利用水量與總用水量之比；⑤人均水資源可利用量X5（m3／人），可供水資源量與總?cè)丝跀?shù)之比；⑥人均供水量X6（m3／人），現(xiàn)狀水平年75%保證率的供水量與總?cè)丝跀?shù)之比；⑦排污率X7（%），污水排放量與總用水量之比；⑧供水量模數(shù)X8（萬m3／km2），供水量與土地面積之比；⑨生態(tài)用水率X9（%），生態(tài)用水總量與總需水量之比。

2.2 評價等級及模型建立樣本和驗證樣本的產(chǎn)生

水資源系統(tǒng)是自然和社會交互的動態(tài)系統(tǒng)，其開發(fā)利用程度隨著社會需求的增長和經(jīng)濟技術(shù)水平的提高而不斷增加，根據(jù)評價因素對區(qū)域水資源承載力的影響程度，將水資源承載能力劃分為3個等級［1－3］：①等級1，表示水資源有較大的承載能力，其開發(fā)利用程度和發(fā)展規(guī)模都較小，工農(nóng)業(yè)及整個經(jīng)濟都處于用水低效型，水資源綜合管理水平較低，因而區(qū)域國民經(jīng)濟發(fā)展對水資源的需求是有保障的；②等級2，表示水資源開發(fā)已具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模，經(jīng)濟類型由用水低效型逐步向用水高效型過渡，并開始重視水資源綜合管理，水資源開發(fā)仍具有一定的潛力，區(qū)域國民經(jīng)濟發(fā)展對水資源供給需求有一定的保證；③等級3，表示水資源承載能力處于飽和值，水資源開發(fā)利用程度接近極限，工農(nóng)業(yè)及整個經(jīng)濟處于用水高效型，水資源綜合管理達到相當(dāng)水平，水資源的進一步開發(fā)潛力較小，水資源將制約國民經(jīng)濟發(fā)展，這時應(yīng)采取相應(yīng)的對策。綜合評價指標(biāo)對應(yīng)的水資源承載能力等級見表1。

表1 水資源承載能力等級劃分

水資源承載能力評價模型建立和檢驗的樣本依據(jù)評價等級隨機產(chǎn)生，計算公式如式（1）。

式中：u——［0，1］之間的均勻隨機數(shù)；x（i，j）——第i個評價指標(biāo)產(chǎn)生的第j級的樣本；y上（j）——第i個評價指標(biāo)屬于第j級的上邊界值；y下（j）——第i個評價指標(biāo)屬于第j級的下邊界值。

2.3 評價模型

采用Shepard相似模型進行水資源承載能力評價，步驟如下：

（1）依據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)隨機產(chǎn)生模型建立樣本。樣本由標(biāo)準(zhǔn)評價等級y（i）和其對應(yīng)的評價指標(biāo)x′（i，j）組成，i為樣本編號，i＝1，2，…，n，j為指標(biāo)數(shù)目，j＝1，2，…，m。為了消除各評價指標(biāo)的量綱效應(yīng)，對樣本評價指標(biāo)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

（2）建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。當(dāng)已知評價對象的評價指標(biāo)x（n＋1，j），則插值的評價類別yc（n＋1）見式（3）。

其中

式中：di——第i個樣本評價指標(biāo)與評價對象的評價指標(biāo)之間的距離；wi——權(quán)重，表示第i個樣本對內(nèi)插評價對象的評價類別yc（n＋1）的貢獻大?。籦——模型待定參數(shù)，一般為大于1的常數(shù)。

在樣本序列中任取某樣本 ，由其它 個樣本進行Shepard插值，得到相應(yīng)于評價類別 的插值記為 ，建立如下目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化估計參數(shù)

以上優(yōu)化問題呈現(xiàn)非線性，傳統(tǒng)的優(yōu)化方法很難求解，因此可以采用人工智能優(yōu)化方法進行計算，如遺傳算法、模擬退火算法、蟻群算法、禁忌算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等。加速遺傳算法［5－6］在水科學(xué)研究中得到廣泛應(yīng)用和認(rèn)可，因此，本文采用加速遺傳算法進行模型參數(shù)的優(yōu)化計算。

（3）進行水資源承載能力評價。當(dāng)參數(shù)b確定以后，將評價對象的評價指標(biāo)代入公式（3），得由n個評價樣本內(nèi)插的評價對象的評價類別值yc（n＋1）。

3 評價結(jié)果與分析

3.1 評價模型的建立與檢驗

依據(jù)水資源承載能力等級標(biāo)準(zhǔn)，采用公式（1）隨機產(chǎn)生評價模型建立和檢驗所需要的樣本，如表2所示，其中模型建立樣本每個等級產(chǎn)生8個，共24個，模型檢驗樣本每個等級產(chǎn)生2個，共6個。

表2 水資源承載能力綜合評價相似模型的建立與檢驗

基于建模樣本，以加速遺傳算法求解公式（4），從而識別相似模型參數(shù)b＝0.985，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)值為0.21。以檢驗樣本代入相似模型，從而檢驗?zāi)Ｐ偷挠行?，?給出了水資源承載能力綜合評價相似模型建立和檢驗階段的誤差分析，從表3可以看出，模型在建立階段和檢驗階段，取得了較好的評價效果，因此，模型可以用于實際的水資源承載能力的綜合評價。

表3 水資源承載能力綜合評價相似模型建立和檢驗階段的誤差分析

3.2 評價結(jié)果與分析

利用加速遺傳算法識別計算而建立的水資源承載能力綜合評價相似模型對鄂爾多斯市及其各旗（區(qū)）的水資源承載能力進行評價，評價結(jié)果見表4。

從表4可以看出，對于鄂爾多斯市，水資源承載能力評價結(jié)果為2級，水資源開發(fā)利用程度已經(jīng)具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模，在現(xiàn)狀開發(fā)條件下，水資源開發(fā)仍具有一定的潛力，對區(qū)域國民經(jīng)濟發(fā)展的水資源供給有一定的保證，但應(yīng)當(dāng)開始重視水資源的綜合管理，以實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用；從鄂爾多斯市各旗（區(qū)）的評價結(jié)果來看，東勝區(qū)、達拉特旗、準(zhǔn)格爾旗、鄂托克旗及伊金霍洛旗的水資源承載能力等級大于2級，水資源開發(fā)利用程度已經(jīng)具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模，具有有限的承載能力，鄂托克前旗、杭錦旗及烏審旗的水資源承載能力等級介于1級和2級之間，水資源開發(fā)利用程度較低，具有較大的承載能力。在旗（區(qū)）評價結(jié)果中，東勝區(qū)的水資源承載能力等級最高，承載能力最小，杭錦旗的水資源承載能力等級最低，承載能力最大。

為進一步驗證模型評價的有效性，將計算結(jié)果與灰色關(guān)聯(lián)分析［8］的結(jié)果進行對比分析，如表5所示。

表4 鄂爾多斯市及其各旗（區(qū)）的水資源承載能力綜合評價結(jié)果

表5 相似模型與灰色關(guān)聯(lián)法計算結(jié)果對比

從表5可以看出，兩種方法對于鄂爾多斯市水資源承載能力的總體評價結(jié)果基本一致，均為2級，對于各旗（區(qū)）的評價結(jié)果略有差異，灰色關(guān)聯(lián)法對于東勝區(qū)，達拉特旗，準(zhǔn)格爾旗和伊金霍洛旗的評價等級要大于相似模型評價等級，其它旗（區(qū)）評價結(jié)果基本一致，究其原因，作者認(rèn)為，方法上講相似模型經(jīng)過嚴(yán)格的模型建立和檢驗，進而內(nèi)插出實際數(shù)據(jù)的評價結(jié)果，評價過程更加客觀準(zhǔn)確，從各地區(qū)的實際水資源開發(fā)利用調(diào)查情況來看，相似模型的評價結(jié)果更加符合實際。

4 結(jié)論

利用水資源承載能力等級標(biāo)準(zhǔn)隨機產(chǎn)生了評價模型的建立樣本和檢驗樣本，以加速遺傳算法識別相似評價模型的參數(shù)，進而將相似模型應(yīng)用到鄂爾多斯市水資源承載能力的綜合評價中，該評價過程計算簡便，可操作性好，評價結(jié)果符合鄂爾多斯市的實際情況。

通過對鄂爾多斯市水資源承載能力的綜合評價可以看出：鄂爾多斯市水資源開發(fā)利用程度已經(jīng)具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模，盡管水資源開發(fā)仍具有一定的潛力，對區(qū)域國民經(jīng)濟發(fā)展的水資源供給具有一定的保證，但應(yīng)當(dāng)開始重視水資源的綜合管理，以實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用；對于鄂爾多斯市各旗（區(qū)）來說，水資源的開發(fā)利用程度不同，承載能力不同。

鄂爾多斯地區(qū)屬資源型缺水，社會經(jīng)濟的的快速發(fā)展需要水資源的保障，增強鄂爾多斯市水資源承載能力，應(yīng)當(dāng)從社會、經(jīng)濟的進一步發(fā)展和保護生態(tài)環(huán)境出發(fā)，全面加強節(jié)水戰(zhàn)略的實施，合理利用本地水資源，另外，鄂爾多斯市水資源空間分布不均，開發(fā)利用程度不同，可以實施跨區(qū)域調(diào)水工程，解決區(qū)域水資源緊缺的問題，提高水資源利用率，保障鄂爾多斯市社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

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