龍胤慧，郭中小，廖梓龍，徐曉民，劉華琳，宋一凡，2

（1.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，呼和浩特010020；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京100038）

中國(guó)是世界上草原資源最豐富的的國(guó)家之一，中國(guó)國(guó)土面積的40%被草原覆蓋著，主要分布在我國(guó)的東北和西北地區(qū)。根據(jù)生物學(xué)及生態(tài)特點(diǎn)，草原可以細(xì)分為草甸草原、典型草原、荒漠草原和高寒草原四種類型，其中典型草原區(qū)面積約為188萬(wàn)k m2，分布在內(nèi)蒙古、新疆、青海等省區(qū)，這些區(qū)域干旱少雨，氣候惡劣，風(fēng)沙等自然災(zāi)害頻繁，生態(tài)環(huán)境十分脆弱。盡管水資源貧乏，但有限的水資源成為了典型草原區(qū)生態(tài)系統(tǒng)得以維持的關(guān)鍵因素，水資源數(shù)量和質(zhì)量的變化都將對(duì)這一區(qū)域產(chǎn)生重大影響［1－3］，研究典型草原區(qū)水資源承載能力對(duì)促進(jìn)草原生態(tài)保護(hù)及牧區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。近幾年，水資源承載能力評(píng)價(jià)方法得到了廣泛的研究［4－6］，但關(guān)于典型草原區(qū)水資源承載能力評(píng)價(jià)的研究還很少。

1 評(píng)價(jià)方法研究

1.1 評(píng)價(jià)目的和要求

與其他水資源承載能力評(píng)價(jià)不同的是典型草原區(qū)既是我國(guó)北方重要的天然生態(tài)屏障，也是少數(shù)民族聚居地，社會(huì)經(jīng)濟(jì)亟待發(fā)展，典型草原區(qū)水資源承載能力評(píng)價(jià)要統(tǒng)籌兼顧好生態(tài)安全與牧區(qū)發(fā)展這一矛盾。典型草原區(qū)水資源承載能力評(píng)價(jià)的目標(biāo)是在一定時(shí)期和技術(shù)水平下，以維護(hù)草原區(qū)良好生態(tài)功能及促進(jìn)牧區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展為原則，考慮可預(yù)見的歷史文化、科學(xué)技術(shù)等影響下，實(shí)現(xiàn)水資源系統(tǒng)所能支撐的水—草—畜間平衡及其協(xié)調(diào)發(fā)展。

1.2 評(píng)價(jià)方法對(duì)比

目前，關(guān)于水資源承載能力評(píng)價(jià)的方法較多，大致可以歸為確定性評(píng)價(jià)方法和不確定性評(píng)價(jià)方法兩大類，詳見表1。

表1 水資源承載能力評(píng)價(jià)方法比較［7－8］

此外一些新的評(píng)價(jià)方法及某兩個(gè)評(píng)價(jià)方法的耦合等研究也陸續(xù)出現(xiàn)，如密切值法［9］、熵權(quán)模糊物元分析模型［10］、投影尋蹤與遺傳算法相結(jié)合［11］。

根據(jù)典型草原區(qū)水資源特點(diǎn)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的實(shí)際情況及草原生態(tài)保護(hù)的要求，需要對(duì)典型草原區(qū)水資源承載能力進(jìn)行定性與定量、靜態(tài)與動(dòng)態(tài)相結(jié)合的評(píng)價(jià)，因此本研究分別采用基于模糊評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系法、基于供需平衡法的承載能力計(jì)算模型和基于GIS的疊置分析法評(píng)價(jià)典型草原區(qū)水資源承載能力。

1.3 基于模糊評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系法

根據(jù)水資源承載能力評(píng)價(jià)的目標(biāo)和要求，將選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行有機(jī)組成，即建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系常見的基本結(jié)構(gòu)有指標(biāo)集、樹型、叢型及矩陣結(jié)構(gòu)形式，樹型結(jié)構(gòu)利于體系系統(tǒng)的層次性及多目標(biāo)性，因此本次評(píng)價(jià)指標(biāo)體系采用樹型結(jié)構(gòu)。

根據(jù)上述分析和指標(biāo)體系確定的原則，從水資源承載能力的承載主體、承載客體及其相互之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系綜合考慮，選取相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立三層樹型評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，第一層為目標(biāo)層，即水資源承載能力，用以衡量水資源系統(tǒng)支撐整個(gè)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)及生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展水平的能力；第二層為準(zhǔn)則層，即水資源承載能力對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的支撐能力，分為水資源層、社會(huì)層、經(jīng)濟(jì)層、生態(tài)環(huán)境層及耦合層5部分；第三層為指標(biāo)層，具體反映各子系統(tǒng)的發(fā)展情況，其中水資源層評(píng)價(jià)指標(biāo)有人均水資源量，水資源可利用比例，水資源開發(fā)利用率，社會(huì)層評(píng)價(jià)指標(biāo)有人口密度、人口增長(zhǎng)率、城鎮(zhèn)人均生活用水量、農(nóng)村人均生活用水量、城鎮(zhèn)化率；經(jīng)濟(jì)層評(píng)價(jià)指標(biāo)有人均GDP、有效灌溉面積比重、農(nóng)業(yè)GDP比重、工業(yè)GDP比重；生態(tài)環(huán)境層評(píng)價(jià)指標(biāo)有草地覆蓋率、牲畜超載率、水土保持率、干旱指數(shù)、水質(zhì)達(dá)標(biāo)率；耦合層評(píng)價(jià)指標(biāo)有工業(yè)用水重復(fù)率、供水模數(shù)、污水處理率。

本次評(píng)價(jià)采用模糊綜合評(píng)價(jià)法，1965年，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的Zadeh L A教授創(chuàng)立了模糊理論，提出了用隸屬函數(shù)來(lái)表達(dá)事物的模糊程度，特別是在控制論中，將條件或狀態(tài)都量化為一組模糊語(yǔ)言，為多目標(biāo)決策評(píng)價(jià)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。模糊評(píng)價(jià)的基本模型大致如下：

設(shè)評(píng)價(jià)的指標(biāo)集為：U＝｛u1，u2，…，um｝；評(píng)判的等級(jí)為：V＝｛v1，v2，…，vn｝

對(duì)U中每一因素根據(jù)V集合中的等級(jí)進(jìn)行評(píng)判，獲得評(píng)判矩陣

式中：rij——ui對(duì)vj的隸屬程度。（U，V，R）則構(gòu)成了一個(gè)模糊綜合評(píng)價(jià)模型。若設(shè)權(quán)重矩陣為A，與評(píng)判矩陣相乘可得：

歸一化處理后即可評(píng)判評(píng)價(jià)對(duì)象的等級(jí)。實(shí)際應(yīng)用中陳守煜等建立了淮河流域水資源承載能力的模糊評(píng)價(jià)模型［12］。根據(jù)達(dá)茂旗經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的實(shí)際情況，結(jié)合相關(guān)研究成果，參照相關(guān)的定額標(biāo)準(zhǔn)等資料，制定水資源承載能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并劃分為5個(gè)等級(jí)，即水資源承載能力弱、較弱、一般、較強(qiáng)、強(qiáng)，對(duì)于正相關(guān)指標(biāo)，指標(biāo)值越大則承載能力越強(qiáng)，對(duì)于負(fù)相關(guān)指標(biāo)，指標(biāo)值越大，承載能力越弱。

1.4 水資源承載能力計(jì)算模型

1.4.1 建模思路 分析評(píng)價(jià)區(qū)域水資源承載能力主要是以生產(chǎn)性用水為主，首先從用水結(jié)構(gòu)分析，生產(chǎn)性用水一般占總用水的絕大部分，是水資源消耗的主要構(gòu)成部分。其次，從前面承載能力與承載水平的關(guān)系可以看出，承載水平的高低除取決于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)方式外，主要取決于用水水平的高低，生產(chǎn)用水效率高，則承載的水平就高。因此，在草原生態(tài)保護(hù)和管理目標(biāo)的約束下，不同承載水平下的水資源承載能力計(jì)算應(yīng)以可用水資源對(duì)生產(chǎn)性用水的支撐程度為主，求出水資源可利用量對(duì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)用水的承載能力。

1.4.2 計(jì)算模型 本次研究水資源承載能力計(jì)算評(píng)價(jià)模型的建立，主要是基于上述指標(biāo)體系中部分指標(biāo)的含義，尤其是承載主體層指標(biāo)的內(nèi)涵及其與承載客體層指標(biāo)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，構(gòu)造相應(yīng)的水資源承載能力狀況的評(píng)價(jià)計(jì)算模型，計(jì)算典型草原區(qū)水資源承載能力。參照左其亭等在城市水資源承載能力中的研究成果［13］，結(jié)合典型草原區(qū)水資源特點(diǎn)，構(gòu)建計(jì)算模型如下：

式中：Ct——水資源人口承載能力；WP——水資源總量；ε——有效用水系數(shù)；Ep——人均綜合用水定額，其指標(biāo)值等于人均用水定額×365；CGDP——水資源經(jīng)濟(jì)承載能力；We——用于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的水資源量；EGDP——萬(wàn)元國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值用水量；Cg——水資源草地承載能力；Wa——第一產(chǎn)業(yè)可利用水資源量；Wi——農(nóng)田灌溉水資源量；Ws——牲畜綜合用水量；Eg——單位面積灌溉飼草料地和灌溉草地綜合用水定額。

1.5 基于GIS的水資源承載能力評(píng)價(jià)

1.5.1 地理信息系統(tǒng)用于典型草原區(qū)水資源承載能力評(píng)價(jià)的必要性 典型草原區(qū)水資源承載系統(tǒng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：第一，數(shù)據(jù)多元性。水資源承載系統(tǒng)涉及社會(huì)、經(jīng)濟(jì)及生態(tài)環(huán)境三個(gè)大方面的上百個(gè)具體

變量要素，不同方面的數(shù)據(jù)來(lái)源都不相同，甚至在同一方面也需要通過(guò)不同途徑收集變量要素。第二，動(dòng)態(tài)性。水資源承載能力評(píng)價(jià)必須隨著時(shí)空變化而進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)評(píng)價(jià)不同區(qū)域不同時(shí)間段上的發(fā)展?fàn)顩r，為評(píng)價(jià)區(qū)域各項(xiàng)指標(biāo)的預(yù)測(cè)及確定發(fā)展趨勢(shì)打下基礎(chǔ)。而地理信息系統(tǒng)在處理上述問(wèn)題時(shí)擁有較大的優(yōu)勢(shì)，GIS擁有動(dòng)態(tài)顯示的功能，提高了系統(tǒng)在區(qū)域范圍內(nèi)運(yùn)行狀況的動(dòng)態(tài)及時(shí)掌握。因此，本研究采用地理信息系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性地分析和研究典型草原區(qū)水資源承載能力評(píng)價(jià)。

1.5.2 基本原理 水資源承載能力包含水資源系統(tǒng)本身承載能力、水資源社會(huì)承載能力、水資源經(jīng)濟(jì)承載能力及水資源生態(tài)環(huán)境承載能力，

式中：C——水資源承載能力；Si——各個(gè)子系統(tǒng)承載能力；Wi——各個(gè)子系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，本次研究采用層次分析法確定的客觀權(quán)重與專家打分的主觀權(quán)重相結(jié)合的權(quán)重確定方法。在地理信息系統(tǒng)中，上述計(jì)算思路可以通過(guò)緩沖分析與疊置分析實(shí)現(xiàn)。

緩沖分析是指對(duì)一組要素按一定的條件設(shè)定不同的距離值，要素可以是點(diǎn)狀和線狀，也可以是面狀。例如，將人口密集區(qū)概化為若干個(gè)空間離散點(diǎn)，以點(diǎn)為中心劃定不同的影響范圍，離該點(diǎn)越遠(yuǎn)則水資源承載能力越強(qiáng)，其數(shù)學(xué)描述如下：

式中：P——緩沖區(qū)；A——給定的對(duì)象或緩沖區(qū)建立的條件；d——距離；r——領(lǐng)域半徑。疊置分析是將代表不同涵義的各個(gè)數(shù)據(jù)層在一定的規(guī)則下進(jìn)行組合，產(chǎn)生一個(gè)具有多層要素屬性的新數(shù)據(jù)層。在Arc GIS 9.3軟件中，可以通過(guò)疊置分析進(jìn)行數(shù)據(jù)層的疊加、合并等操作。由于各類數(shù)據(jù)的相關(guān)性不一致，有的指標(biāo)為正相關(guān)，有的為負(fù)相關(guān)，所以在疊置分析前，所有數(shù)據(jù)都需要進(jìn)行重分類處理，以達(dá)到消除量綱影響的目的。

1.5.3 計(jì)算流程 在GIS中，為了減少計(jì)算量，并不考慮所有水資源承載能力評(píng)價(jià)要素，每一系統(tǒng)只選相應(yīng)有針對(duì)性的數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析，如水資源數(shù)據(jù)是以河流水系及土地利用為基礎(chǔ)，社會(huì)數(shù)據(jù)主要關(guān)注人口空間分布，經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)側(cè)重農(nóng)田面積和工礦企業(yè)分布，生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)以牲畜分布為核心進(jìn)行研究。本研究采用Arc GIS 9.3軟件中的空間分析模塊進(jìn)行具體計(jì)算，基于GIS的水資源承載能力評(píng)價(jià)流程如圖1所示。

圖1 基于GIS的水資源承載能力評(píng)價(jià)流程

2 實(shí)例研究

2.1 研究區(qū)概況

本研究選擇內(nèi)蒙古自治區(qū)達(dá)爾罕茂明安聯(lián)合旗（簡(jiǎn)稱達(dá)茂旗）作為研究區(qū)，達(dá)茂旗屬于大陸型干旱氣候，冬季寒冷，春季干旱，年平均氣溫4.34℃，年平均降水量在260.73 mm左右，而多年平均水面蒸發(fā)量卻高達(dá)2 480.57 mm，約為降水量的9.5倍，達(dá)茂旗的天然草地植被大致可分為四類，一類是以旱生草本植物為主的典型草原，二類草地植被比一類分布稀疏，且伴有旱生灌木叢，屬于荒漠草原，三類則是加入了叢生禾草，形成草原化荒漠，多分散于沿河灘地和盆地，最后一類則是介于以上三類之間的非地帶性草地草原，四類草地植被群落結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單。達(dá)茂旗是一個(gè)以畜牧業(yè)經(jīng)濟(jì)為主的邊境牧業(yè)縣，同時(shí)也有著豐富的礦產(chǎn)資源，經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展，城鎮(zhèn)居民人均可支配收入年均增長(zhǎng)了14.9%，農(nóng)民人均純收入年均增長(zhǎng)了12.5%，工業(yè)總產(chǎn)值也突破了百億元大關(guān)。

2.2 現(xiàn)狀水資源承載能力評(píng)價(jià)

2.2.1 指標(biāo)體系評(píng)價(jià)結(jié)果 在水資源承載能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系法中，因?yàn)槿丝诿芏容^低、人口增長(zhǎng)得到有效控制，故全旗水資源社會(huì)承載能力均較強(qiáng)；北部的巴音花鎮(zhèn)及滿都拉鎮(zhèn)因工業(yè)較少，其水資源經(jīng)濟(jì)承載能力一般，其余承載均較弱。此外，各個(gè)區(qū)域的耦合層承載能力均為較弱或弱的狀態(tài)，說(shuō)明水資源承載能力系統(tǒng)中各層間的相互聯(lián)系作用較小，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)環(huán)境、水資源各個(gè)系統(tǒng)沒(méi)能協(xié)調(diào)一致可持續(xù)發(fā)展，這對(duì)達(dá)茂旗水資源的進(jìn)一步開發(fā)利用是極其不利的。圖2為指標(biāo)體系評(píng)價(jià)法水資源承載能力各層評(píng)價(jià)結(jié)果。

圖2 指標(biāo)體系評(píng)價(jià)法水資源承載能力評(píng)價(jià)結(jié)果

2.2.2 承載能力計(jì)算模型評(píng)價(jià)結(jié)果 在水資源承載能力計(jì)算模型中，在社會(huì)承載能力方面，人口數(shù)量大且分布密集的百靈廟鎮(zhèn)存在超載的情況；在經(jīng)濟(jì)方面，百靈廟鎮(zhèn)及滿都拉鎮(zhèn)出現(xiàn)了水資源經(jīng)濟(jì)承載能力的超載，而在生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中，只有巴音花鎮(zhèn)和滿都拉鎮(zhèn)的承載能力尚有富余。表2為水資源承載能力計(jì)算結(jié)果。2.2.3 GIS方法評(píng)價(jià)結(jié)果 圖3為現(xiàn)狀年達(dá)茂旗水資源承載能力評(píng)價(jià)結(jié)果圖，從圖上可以看出，全達(dá)茂旗有一半以上的土地水資源承載能力均為一般，在巴音花鎮(zhèn)南部、明安鎮(zhèn)西北部與滿都拉鎮(zhèn)中部，水資源承載能力為較強(qiáng)，極少數(shù)區(qū)域達(dá)到了水資源承載能力強(qiáng)的狀態(tài)。

表2 水資源承載能力計(jì)算結(jié)果

圖3 水資源承載能力評(píng)價(jià)結(jié)果

在基于GIS的水資源承載能力評(píng)價(jià)中，全旗的水資源承載能力在各行政分區(qū)的空間分布極不均勻，但人口集中、工農(nóng)業(yè)集中的百靈廟鎮(zhèn)、烏克鎮(zhèn)、石寶鎮(zhèn)等地水資源承載能力均處于較弱或弱的狀態(tài)，達(dá)茂旗北部的巴音花鎮(zhèn)、滿都拉鎮(zhèn)水資源農(nóng)業(yè)承載能力、水資源人口承載能力為較強(qiáng)或一般的狀況。

2.3 評(píng)價(jià)結(jié)果綜合分析

由以上計(jì)算結(jié)果可知，總體而言，現(xiàn)狀年達(dá)茂旗全旗的水資源承載能力均較弱。

比較三種評(píng)價(jià)方法，一些區(qū)域的評(píng)價(jià)結(jié)果有細(xì)微的不一致性，這是因?yàn)楦鞣N方法采用的原理及計(jì)算過(guò)程不同所造成的，三種方法評(píng)價(jià)的要素不一致，指標(biāo)體系法更多評(píng)價(jià)的是屬性類指標(biāo)，大多以比例的形式給出，水資源計(jì)算模型中采用的是定額法進(jìn)行反演計(jì)算出理論承載能力，而基于GIS的承載能力評(píng)價(jià)結(jié)果則受權(quán)重計(jì)算及數(shù)據(jù)圖層耦合方式的影響較大。三種評(píng)價(jià)方法各有利弊，在實(shí)例中均能達(dá)到良好的效果，水資源承載能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系便于管理中快速地分辨出不合理的指標(biāo)；水資源承載能力計(jì)算模型則是量化了指標(biāo)體系的評(píng)價(jià)結(jié)果，便宜管理人員從宏觀上更有效地管理水資源和優(yōu)化配置水資源；基于GIS的水資源承載能力評(píng)價(jià)則是更直觀地展現(xiàn)達(dá)茂旗全旗水資源承載能力的空間變化情況，便于科研人員和管理者采取更有效更細(xì)致的水資源保護(hù)措施。因此，三種評(píng)價(jià)方法的綜合運(yùn)用，在典型草原區(qū)實(shí)現(xiàn)了水資源承載能力評(píng)價(jià)定性與定量相結(jié)合、靜態(tài)與動(dòng)態(tài)相結(jié)合，三種評(píng)價(jià)方法均可用于預(yù)測(cè)規(guī)劃水平年水資源承載能力狀況表3。

表3 三種水資源承載能力評(píng)價(jià)方法對(duì)比

3 結(jié)論

（1）提出了基于模糊分析的指標(biāo)體系法、承載能力計(jì)算模型及GIS方法三種典型草原區(qū)水資源承載能力評(píng)價(jià)方法，三種方法評(píng)價(jià)結(jié)果均表明達(dá)茂旗2009年水資源承載能力較弱，其中草原超載嚴(yán)重，人口及經(jīng)濟(jì)在百靈廟鎮(zhèn)等區(qū)域存在超載情況。

（2）三種評(píng)價(jià)方法均表明達(dá)茂旗水資源承載能力屬于較弱的狀態(tài)，但評(píng)價(jià)結(jié)果在局部存在一定的差異，因此在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)水資源管理要求、數(shù)據(jù)資料收集程度等因素，因地制宜地選用評(píng)價(jià)方法。

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