王 艷, 石榮媛, 喬長錄
(1.石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院, 新疆 石河子 832000; 2.現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室,新疆 石河子 832000; 3.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團 第八師炮臺土壤改良試驗站, 新疆 石河子 832066)
水資源在自然資源中占有重要的地位,其不僅是人類賴以生存和社會經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ),也是制約人類生活質(zhì)量與社會經(jīng)濟發(fā)展的重要因素。隨著人口的增長、社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和生態(tài)環(huán)境問題的不斷突出,水資源的合理開發(fā)利用越來越引起社會各層面的重視。水資源承載力作為水資源開發(fā)利用的前提條件,近年來已開展了眾多的研究。水資源承載力的評價方法,目前主要有常規(guī)趨勢法、模糊綜合評判法、主成分分析法、系統(tǒng)動力學(xué)法、多目標(biāo)分析評價核心模型法、多目標(biāo)線性規(guī)劃方法、多目標(biāo)決策分析方法和密切值法等[1]。
關(guān)于新疆水資源承載力的研究已有多位學(xué)者針對不同的流域開展了眾多研究,如許有鵬[2]對和田流域進行了綜合分析,李吉玫[3]分析了伊犁河流域的水資源承載力,張占江等[4]分析了阿克蘇河流域水資源承載力,楊廣等[5]對瑪納斯河流域水資源承載力進行了研究,董雯等[6]分析了艾比湖流域水資源承載力;王暄[7]評價了塔里木河流域水資源承載力,段新光等[8]則對整個新疆的水資源承載力做出了評價。而針對天山北坡經(jīng)濟帶的水資源承載力研究目前還少有報道。
天山北坡經(jīng)濟帶資源豐富,是新疆經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的強勁資源儲備和動力,承擔(dān)著向內(nèi)陸開放重要的橋梁和紐帶作用[9]。然而,天山北坡經(jīng)濟帶所處的特殊地理環(huán)境,該地區(qū)水資源短缺且生態(tài)環(huán)境脆弱,加之頻繁的人類活動以及對水資源的不合理開發(fā)利用,使得水資源供需矛盾日益突出。在國家“一帶一路”倡議下,天山北坡經(jīng)濟帶迎來了千載難逢的發(fā)展機遇,因此,合理評價天山北坡經(jīng)濟帶水資源承載力,對該經(jīng)濟帶產(chǎn)業(yè)布局等總體規(guī)劃具有非常重要的意義。
本文擬根據(jù)社會統(tǒng)計年鑒資料,采用狀態(tài)變權(quán)向量對水資源承載力評價指標(biāo)體系進行指標(biāo)權(quán)重分配,構(gòu)建模糊評價模型,對天山北坡經(jīng)濟帶水資源承載力進行評價,以期為其今后水資源開發(fā)利用提供依據(jù)。
天山北坡經(jīng)濟帶東起哈密,西至伊寧,是以烏魯木齊、石河子、克拉瑪依為軸心的新疆準(zhǔn)噶爾盆地南緣天山北坡地帶,地理位置為:東經(jīng)79°53′—96°23′,北緯40°43′—47°15′。行政區(qū)劃包括烏魯木齊、石河子、克拉瑪依、昌吉、吐魯番、哈密、伊犁、塔城和博州;該經(jīng)濟帶東西相距約1 000 km,面積約9.54×104km2,人口總量約為4.58×106,占全疆人口的23.3%;屬典型內(nèi)陸干旱區(qū),年均氣溫6.9 ℃,多年平均降水量220 mm,蒸發(fā)潛力1 817 mm[10]。該帶是新疆經(jīng)濟最發(fā)達(dá)的地區(qū),資源稟賦好,區(qū)位條件優(yōu)越,是“一帶一路”面向中亞和歐洲的重要樞紐[11]。
模糊綜合評價模型(fuzzy comprehensive evaluation, FCE)的基本思想是利用模糊線性變換原理和最大隸屬度原則,充分考慮與被評價事物相關(guān)的各個因素以及各因素之間的關(guān)聯(lián)性,采用具有易于量化、針對性、代表性、便于互相比較的因素,彌補了過多考慮單因素的不足,對其作出合理的綜合評價。
模糊綜合評價的數(shù)學(xué)模型:
(1) 因素集。設(shè)與被評價對象相關(guān)的因素有m個,則因素集U={u1,u2,…,um}。
(2) 評判集。設(shè)所有可能出現(xiàn)的評語有n個,則評判集V={v1,v2,…,vn}。
(3) 單因素評判。即對單個因素ui(i=1,2,…,m)的評判,得到V上的F集,即為從U到V上的一個F映射f:U→F(V)。
綜合評價的單因素評價矩陣為:
(4) 變權(quán)向量W的確定。W(μ)=(w1,w2,…,wm),本文采用基于隸屬度的Hardarmard乘積變權(quán)模型:
(1)
其中A為常權(quán)向量:A=(a1,a2,…,am);Sμ為狀態(tài)影響量:
(2)
(5) 模糊綜合評價。根據(jù)權(quán)重W得到F綜合評價值B為:
(3)
水資源系統(tǒng)是一個巨大而復(fù)雜的系統(tǒng),并且水資源承載力等級的劃分具有不確定性和模糊性[12]。影響天山北坡經(jīng)濟帶水資源承載力的因素很多[13],如水資源條件及其開發(fā)利用現(xiàn)狀、生態(tài)環(huán)境、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等。因此,本文采用模糊綜合評價法對天山北坡經(jīng)濟帶水資源承載力進行應(yīng)用研究。在水資源承載力的評價中,選取適合該經(jīng)濟帶水資源承載力的評價指標(biāo),利用模糊綜合評價理論[14]建立數(shù)學(xué)模型,對天山北坡經(jīng)濟帶水資源承載力做出全面綜合評價。
水資源承載力評價最關(guān)鍵的是指標(biāo)體系的建立。在水資源這個復(fù)雜的系統(tǒng)中,不僅要考慮到自然環(huán)境因素,還需要考慮到社會經(jīng)濟發(fā)展因素[15]。本文天山北坡經(jīng)濟帶水資源承載力研究中特將其評價指標(biāo)體系分為3個層次,分別為目標(biāo)層、系統(tǒng)層和指標(biāo)層[16]。其中,目標(biāo)層(A)為“水資源承載力”;系統(tǒng)層(B)分為“水資源系統(tǒng)”(B1)、“社會經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)”(B2)和“生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)”(B3);指標(biāo)層(C)為3個系統(tǒng)層所包括的相應(yīng)的指標(biāo)。
評價指標(biāo)的選取應(yīng)以科學(xué)為依據(jù),能夠科學(xué)客觀的反映所研究經(jīng)濟帶的水資源承載力,盡量選取容易進行數(shù)據(jù)收集、易于解釋、易于定量化且具有代表性的評價指標(biāo)[12]。結(jié)合天山北坡經(jīng)濟帶自然條件、人類活動以及城市發(fā)展現(xiàn)狀等因素考慮[17],依據(jù)2015年《新疆維吾爾自治區(qū)統(tǒng)計年鑒》,根據(jù)水資源承載力評價指標(biāo)選取的原則,確定12個指標(biāo)為評價因素集,即U={u1產(chǎn)水模數(shù),u2供水模數(shù),u3水資源開發(fā)利用率,u4人均水資源量,u5年降水量,u6人口密度,u7人口自然增長率,u8GDP增長率,u9萬元GDP用水量,u10城鎮(zhèn)化率,u11生態(tài)環(huán)境用水率,u12植被覆蓋率}(表1)。
表1 天山北坡經(jīng)濟帶水資源承載力評價指標(biāo)體系
按照行政區(qū)劃將天山北坡經(jīng)濟帶劃分為9個單元:烏魯木齊(A1)、石河子(A2)、吐魯番(A3)、哈密(A4)、伊犁(A5)、塔城(A6)、克拉瑪依(A7)、昌吉(A8)、博州(A9),分析各單元的水資源承載力。
根據(jù)天山北坡經(jīng)濟帶水資源承載力評價指標(biāo)體系中各指標(biāo)的實際情況,并結(jié)合西部半干旱地區(qū)水資源、生態(tài)、環(huán)境等的研究成果,將上述12個水資源承載力評價指標(biāo)劃分為v1,v2,v3這3個等級[5],各評價指標(biāo)及其分級標(biāo)準(zhǔn)詳見表2。
其中v1表示被評價對象水資源承載力較高,且可開發(fā)利用空間大及潛力較大,為可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài);v3表示被評價對象水資源承載力較弱,水資源開發(fā)情況接近飽和狀態(tài),且易發(fā)生水資源短缺、環(huán)境惡化等問題,將影響社會經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展;v2介于v1,v3之間,表示被評價對象的水資源承載力一般,水資源開發(fā)利用已有一定規(guī)模但任具有開發(fā)利用的空間和潛力[18]。
表2 各評價因素分級評價指標(biāo)
在進行模糊綜合評判過程中,科學(xué)合理的定義隸屬度函數(shù)是綜合評判成功的關(guān)鍵,定義隸屬度函數(shù)常用的主要有二元比較排序法、三角形模糊分布法、待定系數(shù)法和模糊統(tǒng)計法[19]。三角形模糊分布法是較為簡單實用的方法,在對天山北坡經(jīng)濟帶水資源承載力的研究中,對上述12項指標(biāo)采用三角形模糊分布法,定義了其隸屬度函數(shù)(圖1)。
圖1 三角形分布法隸屬度函數(shù)的定義過程
三角形模糊分布法定義隸屬度函數(shù)的評語等級界定值為k1,k2,k3表示,即各因素指標(biāo)等級v1與v2的臨界值為k1;v2與v3的臨界值為k3;v2區(qū)間中點值為k2〔即k2=(k1+k3)/2〕[17]。
即對于因素C1,C5,C8,C12數(shù)值越大水資源承
載力水平越高的各指標(biāo)等級單因素評判矩陣計算公式為:
(4)
(5)
(6)
反之,對于因素C2—C4,C6,C7,C9—C11數(shù)值越小,水資源承載力水平越高的指標(biāo),各等級相對隸屬度函數(shù)的計算公式只需將以上公式右端“≤”改為“≥”,“<”改為“>”,“>”改為“<”即可。
根據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)建立的各評語等級v1,v2,v3的等級界定值詳見表3。
表3 三角形模糊分布法定義隸屬函數(shù)的等級界定值
根據(jù)單因素評價矩陣計算公式得到各地區(qū)各等級隸屬度矩陣R,即烏魯木齊R1,石河子R2,吐魯番R3,哈密R4,伊犁R5,塔城R6,克拉瑪依R7,昌吉R8,博州R9。
在水資源承載力的研究中,除考慮各個評價因子自身性質(zhì)對其的相對重要性,也要考慮它們組態(tài)對水資源承載力的影響。因此,本文采用常規(guī)權(quán)重與變權(quán)方法相結(jié)合的方式來確定諸因子的取值狀況對水資源承載力的影響[12,15]。
(1) 常權(quán)的確定。在綜合評價中,考慮各評價因子對水資源承載力的影響不同以及各個評價指標(biāo)之間的各個量綱不同一,故采用主成分分析法[20]。
基于天山北坡經(jīng)濟帶水資源承載力的原始數(shù)據(jù),運用SPSS軟件進行主成分分析,確定各個評價指標(biāo)的權(quán)重值,得出權(quán)重(表4)。
(2) 最低評語等級隸屬度向量。諸評價因子的狀態(tài)隸屬于天山北坡經(jīng)濟帶水資源承載力綜合評價最低評語等級的隸屬度組成的向量:
μ=〔μ(u1),μ(u2),…,μ(un)〕
(7)
(3) 狀態(tài)影響向量。
(8)
其中bj為調(diào)整水平(j=1,2,…,n),即某一因子的狀態(tài)隸屬于天山北坡水資源承載力綜合評價最低評語等級的隸屬度受調(diào)整的閾值,本文取bj=80%。
表4 天山北坡經(jīng)濟帶水資源承載力各指標(biāo)常權(quán)向量
(4) 基于隸屬度的Hardarnard乘積變權(quán)模型。
(9)
根據(jù)上述步驟得出天山北坡經(jīng)濟帶各單元變權(quán),詳見表5。
表5 天山北坡經(jīng)濟帶各區(qū)域水資源綜合評價變權(quán)向量
根據(jù)模糊綜合評判模型B=W·R得到天山北坡經(jīng)濟帶各區(qū)域水資源承載力模糊綜合評價結(jié)果B1—B9:
B3—B9計算方法與上述步驟一致。為了更好地反映水資源承載力的情況,對各指標(biāo)影響程度做定量化,對等級v1,v2,v3評分取α1=0.95,α2=0.5,α3=0.05[18]。即:A=v1·α1+v2·α2+v3·α3,數(shù)值越高,表示水資源承載力潛力越大。計算結(jié)果詳見表6。
表6 天山北坡經(jīng)濟帶各區(qū)域水資源綜合評價結(jié)果
結(jié)合選取的原始數(shù)據(jù),得到天山北坡經(jīng)濟帶各地區(qū)水資源承載力模糊綜合評價結(jié)果,根據(jù)計算的綜合評價值來對水資源承載力進行評價,綜合評價值越大,說明水資源承載力越強,水資源承載力開發(fā)潛力越大,反之,綜合評價值越小,水資源承載力越弱,水資源繼續(xù)開發(fā)潛力越小。
根據(jù)研究結(jié)果可知,天山北坡經(jīng)濟帶各地區(qū)綜合評價值除伊犁均小于0.6,說明天山北坡經(jīng)濟帶大部分地區(qū)水資源開發(fā)已具有一定的規(guī)模,超過承載力極限將造成流域的生態(tài)環(huán)境惡化[21]。伊犁水資源承載力對v1的隸屬度均大于v2,v3,說明該地區(qū)水資源承載力較強,水資源開發(fā)利用潛力大,該地區(qū)水資源有較高的開發(fā)利用空間;塔城地區(qū)水資源承載力對v2的隸屬度均大于v1,v3,說明該地區(qū)水資源承載力屬于適中程度,任具有可持續(xù)開發(fā)的能力,生活、生產(chǎn)、生態(tài)用水相對于平衡,暫不會發(fā)生水資源短缺現(xiàn)象;而烏魯木齊、石河子、克拉瑪依、昌吉、吐魯番、哈密地區(qū)水資源承載力對v3的隸屬度均大于v1,v2,水資源供需矛盾突出,需要對水資源利用上采取相應(yīng)措施,使水資源可持續(xù)利用,為社會經(jīng)濟的協(xié)調(diào)發(fā)展提供保障。
從水資源系統(tǒng)來看,各地區(qū)評價值由高到低分別為:伊犁、石河子、塔城、昌吉、哈密、克拉瑪依、吐魯番、博州、烏魯木齊,其中伊犁、烏魯木齊評分值分別為0.529,0.268;從社會發(fā)展系統(tǒng)來看,各地區(qū)評分值由高到低分別為伊犁、塔城、博州、昌吉、克拉瑪依、哈密、烏魯木齊、石河子、吐魯番,其中伊犁、吐魯番分別為0.499,0.24,評分低的地區(qū)應(yīng)該合理規(guī)劃產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),減少社會發(fā)展帶給水資源的壓力;從生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)來看,各地區(qū)評分值由高到低分別為:克拉瑪依、吐魯番、哈密、昌吉、石河子、博州、烏魯木齊、塔城、伊犁,其中克拉瑪依、伊犁評分值分別為0.456,0.124,評分高的地區(qū)應(yīng)注重生態(tài)的保護,減少生態(tài)惡化的危機。
從綜合評分值來看,天山北坡經(jīng)濟帶各地區(qū)水資源承載力由大到小排名依次為:伊犁、塔城、石河子、哈密、克拉瑪依、吐魯番、烏魯木齊。天山北坡經(jīng)濟帶中部烏魯木齊、石河子以及西部博州、克拉瑪依水資源承載力綜合評分值分別為0.41,0.49,0.48,0.45均小于0.5,水資源供需矛盾較為突出,應(yīng)提高農(nóng)業(yè)用水效率,調(diào)整產(chǎn)業(yè)布局,盡快采取相應(yīng)措施,以保證社會經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展;天山北坡經(jīng)濟帶東部伊犁、塔城和中部地區(qū)昌吉水資源承載力綜合評分值為0.76,0.56,0.51均大于0.5,水資源開發(fā)潛力較大,但是為了水資源的可持續(xù)利用應(yīng)注意進一步的水資源開發(fā)利用規(guī)劃;天山北坡經(jīng)濟帶西部(吐魯番、哈密)水資源承載力綜合評分值為0.43,0.45,水資源開發(fā)潛力較差,生態(tài)環(huán)境脆弱,為了加強生態(tài)建設(shè)需合理規(guī)劃水資源利用和保護。
本文采用模糊綜合評價法從水資源、社會經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)環(huán)境3個系統(tǒng)上選取了供水模數(shù)、水資源開發(fā)利用率、人均水資源利用量等12項指標(biāo)對天山北坡經(jīng)濟帶各經(jīng)濟帶水資源承載力進行了多因素綜合評價,從評判結(jié)果來看,天山北坡經(jīng)濟帶中烏魯木齊、石河子、吐魯番、哈密、塔城、伊犁、克拉瑪依、昌吉、博州的水資源承載力綜合評分值分別為:0.41,0.49,0.43,0.45,0.76,0.56,0.45,0.51,0.48。天山北坡經(jīng)濟帶的水資源開發(fā)已具有一定的規(guī)模,但水資源仍有一定的開發(fā)利用潛力,且東西部水資源承載力相差較大,應(yīng)合理規(guī)劃水資源開發(fā)利用和保護。在“十三五”時期不僅要完善水源保護體系還應(yīng)注重對水資源的深度和跨經(jīng)濟帶開發(fā),深化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,做到從源頭上節(jié)約用水、循環(huán)利用,加強水資源開發(fā)利用規(guī)劃與管理,防止水質(zhì)污染,科學(xué)合理利用有限的水資源。