張?zhí)煊? 盧玉東, 王正川

(1.長安大學 環(huán)境科學與工程學院, 陜西 西安 710054; 2.旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應教育部重點實驗室, 陜西 西安 710054; 3.深圳市廣匯源水利勘測設計有限公司, 廣東 深圳 518000)

綠洲是我國西北干旱荒漠地區(qū)的沃土，在穩(wěn)定水源的支持下具有較高的生產力，承載著地區(qū)絕大部分的人口和財富。腰壩綠洲屬于西北干旱荒漠區(qū)典型的農業(yè)綠洲，為內蒙古阿拉善左旗重要的農畜產品生產基地。區(qū)內絕大多數(shù)溝谷只存在季節(jié)性間歇流水,溝系平均年徑總流量為7.10×106m3，地下水年補給量為2.20×107m3，地下水允許開采量為2.00×107m3[1]。從20世紀70年代末開始大規(guī)模開發(fā)以來，由于不合理的開發(fā)利用及缺乏科學的地下水管理，地下水位不斷下降，近40 a來區(qū)內地下水位總體下降了5 m以上，導致鄰近湖泊萎縮，周邊咸水入侵，水質惡化，土地鹽堿化加重。因此，對腰壩綠洲未來水資源承載力進行評價和預測研究刻不容緩。本研究考慮到綠洲水資源系統(tǒng)的復雜性與不確定性，綜合評價采用定性分析的模糊綜合評價法，而指標權重則引入層次分析法。本文基于建立的研究情景，取2016年為現(xiàn)狀水平年，2020,2025,2030年為規(guī)劃水平年，分別計算水資源承載力。旨在通過評價預測未來影響水資源系統(tǒng)承載力變化的關鍵因素，為腰壩綠洲水資源的可持續(xù)利用及合理管理政策的制定提供決策依據(jù)，以期實現(xiàn)腰壩綠洲水資源和社會經(jīng)濟的可持續(xù)協(xié)調發(fā)展。

1 研究方法

1.1 水資源承載力評價指標體系構建

水資源承載力指標體系是以簡明、綜合和全面的方式，體現(xiàn)被評價地區(qū)的水資源對社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境的承載內容和過程，其總體效應能反映被承載對象的總體狀況，可為水資源可持續(xù)利用和水資源合理配置以及其他政策的制定提供支持[2]。影響區(qū)域水資源承載力的因素主要有：水資源數(shù)量、質量以及開發(fā)利用程度、生態(tài)環(huán)境狀態(tài)、社會經(jīng)濟技術條件、社會消費水平和結構、社會生產力水平、區(qū)際交流[3]。根據(jù)科學性、全面性和概括性相結合、系統(tǒng)性與獨立性相結合、定性與定量相結合、可比性與可操作性相結合的原則[4]，借鑒全國水資源供需分析中的評價指標體系[5]，參考專家建議，根據(jù)腰壩綠洲的實際情況和特點，構建包括水資源、社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境3個子系統(tǒng)，森林覆蓋率、草地覆蓋率、水資源供需比、人均水資源可利用量、單位GDP用水量、城鎮(zhèn)化率、灌溉用水定額、第一產業(yè)比例、人均GDP共9個評價指標的多層次水資源承載力評價指標體系。根據(jù)綠洲發(fā)展歷史、現(xiàn)狀及相關規(guī)劃，對社會經(jīng)濟發(fā)展進行預測，進而對各水平年的需水進行預測，限于文章篇幅，具體預測方法見文獻[6-8]，各指標現(xiàn)狀值及預測值詳見表1。

表1 水資源承載力評價指標現(xiàn)狀值及預測值

1.2 評價指標分級標準確定

按照以上9個指標對水資源承載力的影響程度劃分為3個等級，構建評語集V={v1，v2，v3}。其中v1級表示情況較好，水資源承載力較強，研究區(qū)水資源開發(fā)潛力較大，水資源供給情況較好，處于可持續(xù)利用的狀態(tài)；v3級表示情況較差，水資源承載力已達到極限，水資源進一步開發(fā)利用的潛力十分有限，存在水資源短缺問題，社會經(jīng)濟發(fā)展受到制約；v2級的情況介于v1和v3兩級之間，表示區(qū)域水資源開發(fā)利用已經(jīng)達到相當?shù)囊?guī)模，仍具有一定程度的開發(fā)利用潛力，區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展對水資源的需求有一定的保證。

根據(jù)腰壩綠洲的地域特點和現(xiàn)有研究成果[9-12]，確定各分級指標對應評語集V的閾值，具體分級值詳見表2。為定量表達各等級因素對水資源承載力的影響程度，對評判集等級進行一分制數(shù)量化：α1=0.95，α2=0.5，α3=0.05，數(shù)值越高，表示水資源承載能力越強[13]。

表2 水資源承載力評價指標及其分級值

1.3 評價模型原理及評價步驟

模糊綜合評價模型的原理為[14]：建立評判因素(指標)集C={c1，c2，…，cn}和評語集V={v1，v2，…，vm}，模糊綜合評判為：

B=A·R

(1)

式中：A——C的模糊子集，A={a1，a2，…，an}，其中0≤ai≤1，ai——C對A的隸屬度，表示單因素ci在評判因素中所起到的作用的大??；“·”——模糊算子，采用普通矩陣算法；B——V的模糊子集，B={b1，b2，…，bm}，其中0≤bi≤1，bi——等級vi對綜合評判所得到的模糊子集B的隸屬度，其表示綜合評判的結果。隸屬度(評判)矩陣為：

(2)

1.4 基于層次分析法指標權重的確定

層次分析法是一種定性與定量分析相結合的系統(tǒng)分析方法。該方法把復雜的問題分解為不同的組成因素，通過兩兩比較的方式確定同層次中各因素的相對重要性的排序權值，最后進行綜合判斷確定各因素的相對重要性的總排序權值[15]。首先建立層次結構模型(目標層、準則層和措施層)，然后采用相對尺度的方法構造兩兩指標比較判斷矩陣，矩陣元素根據(jù)1—9標度法確定(具體標度準則詳見表3)，并借助近似效果較優(yōu)的根法推導出相應排序權向量，再對判斷矩陣大體上的一致性進行檢驗，若檢驗結果滿足要求，上述排序權向量(均一化后)可作為指標權重；否則修改判斷矩陣再次進行檢驗，直至滿足要求為止。具體過程不再贅述，下面將指標權重匯總于表4中。

表3 水資源評價指標體系的標度劃分及準則詳解

表4 水資源承載力各指標權重

1.5 隸屬度矩陣的構造

單因素模糊評價是單獨對一個因素進行評價，以確定評價對象對評價集合V的隸屬度的評價。具體操作為根據(jù)評價因素ci的實際值，推求其對應等級vj的隸屬度函數(shù)rij的值，最后得到隸屬度矩陣R。對隸屬度函數(shù)[16]進行模糊化處理，使其在各級間平滑過渡。對于v2級即中間區(qū)間，將評價因素落在評價中點的隸屬度定為1，區(qū)間兩端點的隸屬度定為0.5，并令隸屬度由中點向兩端線性遞減。對于v1或v3級一側區(qū)間，在臨界值對兩側等級的隸屬度均為0.5，而距臨界值越遠對該側區(qū)間的隸屬度越大。按以上規(guī)則構造各等級隸屬度函數(shù)計算公式，令v1和v2級的臨界值為k1，v2級區(qū)間中點為k2=(k1+k3)/2，v2和v3級的臨界值為k3。各評價因素對各等級隸屬度函數(shù)的計算公式不再贅述。根據(jù)各評價指標不同水平年額預測數(shù)據(jù)可以計算整理得各水平年的各評價指標值(表5)及相應的各水平年的隸屬度矩陣。

表5 各水平年評價指標值

1.6 綜合評判值的計算

根據(jù)權重矩陣A和各水平年的隸屬度矩陣R，對B=A·R采用普通矩陣算法求得各水平年的綜合評判結果矩陣B，并根據(jù)公式(1.3)計算綜合評判結果矩陣B的水資源承載力的綜合評判值α，其值越大表示水資源承載力越強。計算結果詳見表6。

(3)

式中：K——起到突出占優(yōu)勢等級的作用，對于干旱區(qū)一般取值為1[17]。

表6 各水平年水資源承載力綜合評價結果

水資源承載力綜合評價指數(shù)是衡量水資源承載程度的綜合性指標，評價指數(shù)越高，水資源承載力的狀況越好。根據(jù)相關研究成果[18-20]，腰壩綠洲自然生態(tài)環(huán)境特點及社會經(jīng)濟發(fā)展狀況，確定綜合評價指數(shù)分級標準(表7)。

表7 水資源承載力評價指數(shù)分級標準

2 結果與分析

根據(jù)最大隸屬度原則和綜合評判值，對評判結果進行分析，可以得出，2016年水資源承載力綜合評價結果對v3級的隸屬度最大，為0.575 5，而對v1級的隸屬度最小，為0.022 6，綜合評判值α僅為0.251 2，表明水資源承載力已達到飽和，處于較差的狀態(tài)。至2020年，水資源承載力綜合評判值α上升至0.288 8，綜合評價結果對v3級的隸屬度仍為最大，為0.514 7，水資源承載力仍處于超載狀態(tài)。至2025年，綜合評判值α進一步上升至0.358 8，綜合評價結果對v2級的隸屬度最大，為0.543 8。水資源承載力較2020年有較大的提高，處于可承載的狀態(tài)。至2030年，綜合評判值α上升至0.434 4，水資源承載力狀況處于較高可承載水平，水資源供需比增至1.02，社會經(jīng)濟對水資源的需求有一定的保障，但綜合評價結果對v1級的隸屬度仍比v3級小，表明區(qū)內地下水資源開發(fā)潛力仍然有限。

3 討 論

在生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中，在評價時間段內，森林覆蓋率由5.65%，提高到8.37%，草地覆蓋率由20.78%，提高到38.41%?？偟膩碚f，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境將得到明顯的改善，對水資源承載力的貢獻率不斷提高。在水資源系統(tǒng)中，人均水資源可利用量由1 920 m3/人，降至1 816 m3/人，水資源供需比由0.55，上升至1.02，說明該階段研究區(qū)資源性缺水問題不突出,但應考慮到未來人口增長速度加快可能會給水資源的供需平衡帶來壓力。在社會經(jīng)濟系統(tǒng)中，灌溉用水定額大幅度下降，由7 215 m3/hm2降至3 630 m3/hm2，灌溉水利用率達到較高水平。第一產業(yè)比例由32.91%降至25.32%，第一產業(yè)比例依然偏大。單位GDP用水量由1 389 m3/萬元降至384 m3/萬元，距先進水平還有較大的距離。由此看來，腰壩綠洲的水資源問題主要是結構性缺水。綜上分析討論可知，今后14 a內通過采取以節(jié)水為核心的多種措施，研究區(qū)水資源承載力復合系統(tǒng)將呈良性的趨勢發(fā)展。

4 結論及建議

(1) 目前，研究區(qū)水資源承載力處于超載狀態(tài)，咸水入侵，生態(tài)環(huán)境形勢嚴峻，綠洲系統(tǒng)穩(wěn)定性受到嚴重威脅。2016—2030年水資源承載力呈上升趨勢，其中生態(tài)環(huán)境質量的改善是主要驅動因素，而社會經(jīng)濟子系統(tǒng)是主要壓力源，水資源系統(tǒng)中需關注未來人口迅速增長帶來的壓力。

(2) 社會經(jīng)濟子系統(tǒng)中，經(jīng)濟結構的不合理是水資源承載力提高的主要限制因素，未來應從這方面提高水資源承載能力，如，加快發(fā)展第二、三產業(yè)，限制發(fā)展高耗水、高污染工業(yè)，積極發(fā)展鄉(xiāng)村游、風電游等旅游業(yè)。

(3) 針對腰壩綠洲地區(qū)特殊的水文環(huán)境和社會經(jīng)濟結構，未來應加快調整產業(yè)結構，推廣節(jié)水灌溉技術，加強水資源科學管理，加強生態(tài)環(huán)境保護，提高水資源可利用量。

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