閔泰善，郭新宇，杜 崇，陳則峰

（1.佳木斯市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，黑龍江 佳木斯154001；2.黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，哈爾濱150080；3.黑龍江農(nóng)墾勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱150090）

0 引 言

三江平原水土資源豐富，具有發(fā)展大規(guī)模農(nóng)業(yè)的有利條件，自20世紀(jì)50年代10萬(wàn)轉(zhuǎn)業(yè)官兵開(kāi)發(fā)北大荒以來(lái)，相繼建立了規(guī)模大、現(xiàn)代化程度高的國(guó)營(yíng)農(nóng)場(chǎng)，耕地面積逐年增加，目前耕地面積占全省耕地的30%，成為國(guó)家重要的商品糧基地。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，開(kāi)展了較大規(guī)模的旱田改水田工程，水田的面積大幅增加，這些新增的水田中約1／2是全部或部分地使用地下水進(jìn)行灌溉［1］，導(dǎo)致三江平原井灌水稻區(qū)地下水位普遍下降［2］，因此，加強(qiáng)三江平原地下水資源的可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用，對(duì)其地下水承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)顯得尤為重要。

目前地下水資源承載力評(píng)價(jià)的研究方法有主成分分析［3］、集對(duì)分析法［2，4］、熵權(quán)的灰色關(guān)聯(lián)模型［5］和物理元分析法［6］。這些理論方法的應(yīng)用，豐富了地下水承載力評(píng)價(jià)理論的研究?jī)?nèi)容，在這些理論方法的研究過(guò)程中，尋求物理概念清晰，方法簡(jiǎn)便的方法一直是這一理論研究的重要內(nèi)容之一，基于這一目的，采用模糊識(shí)別模型對(duì)地下水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)。模糊識(shí)別模型是上世紀(jì)80年代陳守煜教授提出建立的，已廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，本文以紅興隆分局各農(nóng)場(chǎng)地下水資源為例，應(yīng)用該模型，對(duì)該地區(qū)地下水資源承載力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并對(duì)該模型的物理意義及簡(jiǎn)便性進(jìn)行了分析闡述。

1 模糊識(shí)別的理論模型

模糊識(shí)別理論模型［7］，設(shè)有需要對(duì)模糊概念或模糊子集進(jìn)行識(shí)別的n個(gè)樣本組成的集合，有m個(gè)指標(biāo) （或目標(biāo)）特征值表示樣本的整體特征，則有樣本的指標(biāo) （或目標(biāo)）特征值矩陣：

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

如樣本集依據(jù)m個(gè)指標(biāo)按c個(gè)狀態(tài)或級(jí)別的已知指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值進(jìn)行識(shí)別，則有指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值矩陣：

式中yih為樣本h指標(biāo)i的標(biāo)準(zhǔn)特征值，h＝1，2，…，c；i＝1，2，…，m。

式 （3）和式 （5）應(yīng)用于越小越優(yōu)，式 （4）和式（6）應(yīng)用于越大越優(yōu)。

設(shè)指標(biāo)的權(quán)重向量為

應(yīng)用拉格朗日函數(shù)，推導(dǎo)模糊識(shí)別模型如下：

級(jí)別特征值向量：

2 應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)文獻(xiàn) ［2］，黑龍江農(nóng)墾紅興隆分局位于黑龍江省東部——三江平原中部，紅興隆分局的水稻種植面積由1996年的7.7×104hm2激增到2005年的17.1×104hm2（其中66%以上為井灌水田）。隨著水田面積的迅速增加，紅興隆分局的地下水位普遍下降，平均降幅為0.5～1.0m／a，局部地區(qū)形成暫時(shí)性的降落漏斗，已經(jīng)達(dá)到中度超采程度［8］，為了與文獻(xiàn) ［2］比較，本文采用文獻(xiàn) ［2］的區(qū)域地下水資源承載力的因素8個(gè)指標(biāo)作為地下水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系：①地下水資源耕地灌溉率I1：地下水資源灌溉面積與耕地面積之比；②地下水資源利用率I2：現(xiàn)狀年地下水供水量與可利用的地下水資源總量之比；③地下水資源開(kāi)發(fā)利用程度為I3：現(xiàn)狀年地下水供水量與地下水資源總量之比；④供水模數(shù)I4：地下水資源年供給量與土地面積之比；⑤需水模數(shù)I5：現(xiàn)狀年需水量與土地面積之比；⑥重復(fù)利用率I6：重復(fù)用水量與總用水量之比；⑦人均供水量I7：地下水年供給量與總?cè)丝谥?；⑧生態(tài)環(huán)境用水率I8：生態(tài)環(huán)境用水量與總水量之比。根據(jù)文獻(xiàn) ［2］和［9］的研究成果，本文確定各等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。選擇2006年為現(xiàn)狀年，農(nóng)墾紅興隆分局各農(nóng)場(chǎng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值見(jiàn)表2。

表1 地下水資源綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Comprehensive evaluation indicator and classification criteria of groundwater resources

表2 農(nóng)墾紅興隆分局各農(nóng)場(chǎng)地下水資源綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值Table 2 Value of comprehensive evaluation indicator of groundwater resources of Agricultural Hongxinglong Substation

應(yīng)用式 （3）和式 （4）將矩陣X轉(zhuǎn)換成指標(biāo) 的相對(duì)隸屬度矩陣見(jiàn)表3。

表3 指標(biāo)的相對(duì)隸屬度Table 3 Relative membership grade of indicators

前6項(xiàng)指標(biāo)應(yīng)用式 （5）將矩陣Y轉(zhuǎn)換成指標(biāo)相對(duì)隸屬度，而后2項(xiàng)指標(biāo)相關(guān)性與前6項(xiàng)指標(biāo)相反，應(yīng)用式 （6）得到指標(biāo)相對(duì)隸屬度見(jiàn)表4。

表4 指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的相對(duì)隸屬度Table 4 Relative membership grade of indicator criteria

設(shè)等權(quán)重，則權(quán)重向量為ω＝ （0.125，0.125，0.125，0.125，0.125，0.125，0.125， 0.125）。運(yùn)用識(shí)別模型式 （8）得到相對(duì)隸屬度矩陣見(jiàn)表5。

表5 三江平原水資源相對(duì)隸屬度Table 5 Relative membership grade of water resources in Sanjiang Plain

運(yùn)用式 （9）得到個(gè)樣本的級(jí)別特征值H見(jiàn)表6。

表6 地下水資源各樣本的級(jí)別特征值Table 6 Rank feather value of each sample of groundwater resources

3 結(jié)果分析

根據(jù)表6的評(píng)價(jià)結(jié)果可知，雙鴨山農(nóng)場(chǎng)地下水資源壓力相對(duì)較小，承載力級(jí)別為Ⅰ級(jí)；八五二、北興和紅旗嶺農(nóng)場(chǎng)承載力級(jí)別居Ⅰ～Ⅱ級(jí)之間；友誼、五九七、曙光農(nóng)場(chǎng)水資源壓力中等，承載力級(jí)別接近Ⅱ級(jí)；八五三、饒河和寶山農(nóng)場(chǎng)水資源壓力較大，承載力級(jí)別為Ⅱ級(jí)；二九一和江川農(nóng)場(chǎng)水資源壓力大于Ⅱ級(jí)，低于Ⅲ級(jí)。

本文采用模糊識(shí)別模型評(píng)價(jià)地下水資源承載力，方法簡(jiǎn)潔，模型本身的物理概念清晰，體現(xiàn)在：它是用待評(píng)價(jià)樣本指標(biāo)值與指標(biāo)各級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)特征值之間的廣義權(quán)距離，表示樣本與各級(jí)別之間的貼近程度，并按貼近度越大其對(duì)該級(jí)別隸屬度就越高的原則，加權(quán)得到樣本對(duì)各級(jí)別的隸屬度。然后用級(jí)別特征值綜合求得評(píng)價(jià)樣本的級(jí)別。經(jīng)與文獻(xiàn) ［2］評(píng)價(jià)結(jié)果比較，模糊識(shí)別模型同樣可以得到滿(mǎn)意的結(jié)果。

［1］張續(xù)望，才金山，黃 悅，等.三江平原農(nóng)業(yè)灌溉中的地下水資源合理利用問(wèn)題 ［J］.工程科技，2011，（36）：293.

［2］劉 東，付 強(qiáng)，孟 軍.集對(duì)分析法在三江平原井灌區(qū)地下水資源承載力評(píng)價(jià)中的應(yīng)用 ［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2009，（2）：1－8.

［3］魏光輝，馬 亮.基于主成分分析的塔里木河流域水資源承載力評(píng)價(jià) ［J］.廣東水利水電，2012， （2）：39－48.

［4］張 欣，陳華偉，仕玉治，等.基于集對(duì)分析的黃河三角洲東營(yíng)市水資源承載力評(píng)價(jià) ［J］.水資源保護(hù)，2012，28（1）：17－21.

［5］魏光輝.基于熵權(quán)的灰色關(guān)聯(lián)模型在水資源承載力評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］.云南水力發(fā)電，2011，27（2）：4－7.

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［7］陳守煜.工程模糊集理論與應(yīng)用 ［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1998.

［8］王韶華，劉文朝，劉群昌.三江平原農(nóng)業(yè)需水量及適宜水稻種植面積的研究 ［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，20（4）：50－53.