張志君，陳伏龍，龍愛華,2，何新林，喬長錄

(1.石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000；2.中國水利水電科學研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038)

水作為一種自然資源，是維持人生命、促進社會經(jīng)濟發(fā)展、保障良好生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)物質(zhì)。在全球氣候變暖背景下，可利用的水資源與人類日益增長的用水需求之間的矛盾日益凸顯，導致水資源短缺、水土流失和水生態(tài)環(huán)境破壞等一系列水安全問題[1]。新疆位于我國西北干旱地區(qū)，水安全環(huán)境顯得尤其脆弱，主要體現(xiàn)在：不合理的開發(fā)利用方式與灌溉定額導致低水平的用水效益及區(qū)域土壤鹽漬化；農(nóng)業(yè)用水擠占生態(tài)用水，使得下游天然綠洲萎縮，生態(tài)環(huán)境進一步惡化；上游與中下游用水需求的競爭關(guān)系，擴大了區(qū)域生產(chǎn)用水的矛盾[1-2]。

目前，區(qū)域水資源安全評價方法主要有模糊綜合評價法[3]、物元分析法[4]、投影尋蹤法[5]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[6]和綜合指數(shù)法[7]等。以上方法為區(qū)域水資源安全評價提供了有效的手段，但同時存在一些不足之處，例如:神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法需要用大量典型樣本作為測試集進行訓練，算法易陷入局部極值而導致訓練失??；模糊綜合評價方法存在較難確定合理的隸屬度函數(shù)的問題[8]，且由于隸屬度函數(shù)的差異會導致評價同一個對象的評價結(jié)果差異較大。集對分析法是一種處理事物確定與不確定性關(guān)系的有效方法，是我國學者趙克勤[9]在1989年提出的，2009年王文圣等[10]在此基礎(chǔ)上提出了簡單折線式的模糊集對分析法，已廣泛應(yīng)用于水資源安全[11]、水資源承載力[12]、水資源可持續(xù)利用[13]、調(diào)水效益[14]等方面的評價。目前對新疆水資源研究多關(guān)注于水資源承載力[15]、水資源與社會經(jīng)濟發(fā)展協(xié)調(diào)度[16]等方面，對新疆水資源安全評價研究較少。本文利用基于模糊集對分析的水安全評價方法對新疆水資源安全進行評價。

1 研究區(qū)概況

新疆位于我國西北地區(qū)，地理坐標73°40′E～96°18′E、34°25′N～48°10′N，總面積166萬km2，具有氣候干燥、降雨量少、水資源短缺等典型干旱區(qū)特征。新疆分為南疆(巴州、阿克蘇地區(qū)、克州、喀什地區(qū)和和田地區(qū))、北疆(烏魯木齊市、克拉瑪依市、昌吉州、博州、伊犁州、塔城地區(qū)、阿勒泰地區(qū)和石河子市)和東疆(吐魯番市和哈密市)3部分，綠洲多位于沿河流域及盆地邊緣，水資源受典型干旱區(qū)山地-綠洲-荒漠的自然因素和人文因素的雙重影響[16]。2016年新疆的年降水量229.7 mm，水資源總量為 1 093億m3，年需水總量為565.4億m3，其中農(nóng)業(yè)用水533.4億m3，占總需水量的94.3%，比全國平均水平高50.6%。生態(tài)環(huán)境用水率1.1%，僅為全國平均值的1/2。近年來，隨著新疆城鎮(zhèn)、工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的不斷發(fā)展，用水總量已經(jīng)超過其紅線控制值，地下水利用程度增加過快，水資源開發(fā)過度導致生態(tài)趨于惡化，水資源安全問題日益突出。

2 評價方法

基于模糊集對分析法的新疆水資源安全評價流程為：①建立新疆區(qū)域水資源安全評價指標體系；②確定各評價指標等級劃分標準；③通過熵權(quán)法確定評價指標的權(quán)重；④采用模糊集對分析法求得單指標聯(lián)系度；⑤將單指標聯(lián)系度與準則層及目標層權(quán)重結(jié)合，得到準則層及目標層水資源安全評價綜合聯(lián)系度；⑥運用置信度準則與級別特征值法確定水資源安全的評價等級；⑦利用減法集對勢確定需要調(diào)控的區(qū)域；⑧將評價結(jié)果與物元分析法及綜合指數(shù)法進行比較分析。

2.1 建立評價指標體系

區(qū)域水資源安全評價指標體系是反映評價結(jié)果客觀、真實的有效依據(jù)。評價指標的選取遵循可靠性、代表性和可獲性等原則，采用定量與定性相結(jié)合的方法[3]，結(jié)合區(qū)域水資源現(xiàn)狀，建立全面、綜合反映新疆水資源安全狀況的評價指標體系如表1所示(表中括號中數(shù)據(jù)為各指標權(quán)重，其中C1～C4、C8、C11、C12、C14～C17為越大越優(yōu)型指標(效益型指標)，其他為越小越優(yōu)型指標(成本型指標)。本文將水資源安全評價指標體系分為目標層A、準則層B和指標層C，其中目標層A為“區(qū)域水資源安全”，共16個對象(即A1～A16，其中北疆8個、南疆5個、東疆2個及新疆整體)，準則層分別為“水資源層B1”“社會經(jīng)濟層B2”“生態(tài)環(huán)境層B3”和“供需層B4”，指標層由指標C1～C18組成，見表1。

表1 新疆水資源安全評價指標體系及權(quán)重
Table1Regionalwaterresourcessafetyevaluationindexsystemandweight

2.2 確定指標等級標準

依據(jù)新疆水資源安全評價指標體系，借鑒與研究區(qū)相似地區(qū)的水資源安全評價成果[3,17-19]，將水資源安全評價等級劃分為5級。其中1級(非常安全)表示被評價對象水資源系統(tǒng)自我修復能力較強，各項功能良好，基本無水危機及水災(zāi)害事件；2級(安全)表示水資源系統(tǒng)自我修復能力良好，各項功能比較正常，水危機及水災(zāi)害事件較少；3級(基本安全)表示水資源系統(tǒng)自我修復能力基本正常，各項功能大部分正常，發(fā)生部分水危機及水災(zāi)害事件；4級(不安全)表示水資源系統(tǒng)自我修復能力和各項功能遭受較大破壞，水危機及水災(zāi)害事件增加；5級(極不安全)表示水資源系統(tǒng)自我修復能力和各項功能遭受嚴重破壞，水危機及水災(zāi)害事件頻率極高[20]，具體參數(shù)見表2。

2.3 熵權(quán)法確定權(quán)重

權(quán)重是反映評價指標相對于評價對象的重要性程度，熵權(quán)法是一種可以盡量消除人為主觀干擾的賦權(quán)法，參照文獻[21]，采用熵權(quán)法確定評價指標權(quán)重的步驟如下：①選取m個評價對象，n個指標，形成初始數(shù)據(jù)矩陣X=(xij)m×n(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)；②將初始數(shù)據(jù)分成效益型指標和成本性指標，形成標準化矩陣R=(rij)m×n；③確定第j個評價指標的熵值；④確定第j個評價指標的權(quán)重：

表2 新疆水資源安全評價等級劃分標準Table 2 Xinjiang Water Resources Safety Evaluation Grade Classification Standard

(1)

式中：wj為第j個評價指標權(quán)重；n為評價指標總數(shù)；h′j為第j個評價指標的熵值。

2.4 模糊集對分析法確定聯(lián)系度

2.4.1模糊集對分析法評價原理

在利用模糊集對分析法對水資源安全進行評價時，設(shè)由n個指標構(gòu)成的評價對象集合為A={x1,x2,…,xn}，指標xj第k級評價標準集合為Zk(k為評價等級數(shù)，k=1,2,…,K)，則集合A與Zk形成集對H(A,Zk)，為了方便計算，同時避免評價指標間作用差距較大引起的差異[10-11]，將Zk特定為指標xj第1級標準構(gòu)成的集合Z1，則集合A與Z1構(gòu)成集對H(A,Z1)，指標j的聯(lián)系度μj[10]為

μj=μA～Z1=a+b1I1+b2I2+b3I3+cJ

(2)

其中

a+b1+b2+b3+c=1

式中：a為集對H(A，Z1)的同一度分量，表示指標xj隸屬于1級標準的可能性；b1、b2、b3為集對H(A，Z1)的差異度分量，表示指標xj隸屬于2、3、4級標準的可能性；c為對立度分量，表示指標xj隸屬于5級標準的可能性[22]；I1、I2、I3為差異度分量系數(shù)；J為對立度系數(shù)，通常取-1[10]。

2.4.2單指標聯(lián)系度計算

區(qū)域水資源安全評價等級標準分5級，一個門限值對應(yīng)一個等級區(qū)間，4個門限值分別為S1、S2、S3、S4，等級門限邊界的模糊性問題采用差異度分量處理。效益型指標(S1≥S2≥S3≥S4)和成本型指標(S1≤S2≤S3≤S4)聯(lián)系度μj的計算公式[10-11]分別為

μj=μA～Z1=

(3)

μj=μA～Z1=

(4)

2.4.3樣本綜合聯(lián)系度計算

a. 準則層綜合聯(lián)系度。利用單指標聯(lián)系度，結(jié)合準則層內(nèi)部各指標權(quán)重，得準則層綜合聯(lián)系度[23]：

(5)

式中：s是各準則層中指標個數(shù)；wj是準則層第j個指標的權(quán)重。

b. 目標層綜合聯(lián)系度。依據(jù)單指標聯(lián)系度，結(jié)合指標層權(quán)重，得目標層綜合聯(lián)系度[10,23]：

(6)

式中：n是目標層中指標總數(shù)；wj是目標層第j個指標的權(quán)重。

2.5 確定評價等級

采用置信度準則確定水資源安全狀態(tài)等級[11,14]，判斷隸屬度等級的公式為

hk=f1+f2+…+fK>λ

(7)

式中：hk為屬性測度；λ為置信度，取值范圍通常為[0.5,0.7][11,23]；f1、f2、f3、f4、f5為5個評價等級(本文k=5)的聯(lián)系度分量[23]，對于給定的λ，當hk-1≤λ，且hk>λ時，評價結(jié)果屬于第k級，λ取值越大，評價結(jié)果越偏向于保守[11]。

利用級別特征值法[24]能夠克服模糊隸屬度函數(shù)判別結(jié)果失真的缺點，增強評價結(jié)果的合理性。結(jié)合式(5)、式(6)，得出對應(yīng)水資源安全評價級別的特征值gk為

gk=f1+2f2+3f3+4f4+5f5

(8)

2.6 識別水資源安全調(diào)控區(qū)域

在集對分析理論中，減法集對勢是式(6)樣本綜合聯(lián)系度的伴隨函數(shù)，能將差異度分量b值按比率值法進行分配[8]，根據(jù)金菊良等[25]提出的n元減法集對勢函數(shù)sf(u)=(a-c)(1+b1+b2+…+bK-2)，利用“均分原則”[9]，將sf(u)劃分為5個勢級[24]，當sf(u)∈[-1.0,-0.6)時為反勢，sf(u)∈[-0.6,-0.2)時為偏反勢，sf(u)∈[-0.2,0.2]時為均勢，sf(u)∈(0.2,0.6]時為偏同勢，sf(u)∈(0.6,1.0]時為同勢。處于反勢或偏反勢的區(qū)域，是水資源安全調(diào)控的主要區(qū)域[24-25]。

3 評價結(jié)果與分析

根據(jù)2017年《新疆統(tǒng)計年鑒》《石河子統(tǒng)計年鑒》及2016年《新疆水資源公報》等相關(guān)文獻中的數(shù)據(jù)，運用Matlab軟件編程，取λ=0.5,依據(jù)置信度準則確定評價等級，得到2016年新疆15個行政區(qū)及新疆整體水資源安全準則層綜合評價等級如表3所示，其中水資源層和社會經(jīng)濟層各等級評價對象面積占新疆總面積比例見表4。

表3 新疆水資源準則層安全等級Table 3 Xinjiang water resources standards layer safety level

表4 水資源層和社會經(jīng)濟層等級分布區(qū)域占新疆總面積比例Table 4 The proportion of water resources and socio-economic level distribution to the total area of Xinjiang

由表3可得，新疆整體的水資源準則層水資源安全評價等級均屬于基本安全等級(3級)，在生態(tài)環(huán)境層中，北疆偏向于4級，南疆、東疆屬于4級；在供需層中，北疆偏向于2級，南疆和東疆屬于3級。

結(jié)合表4可見，在水資源層中，北疆、南疆水資源安全評價等級分級明顯，北疆分布在1級、3～5級，南疆偏向于2級，東疆屬于4級。在社會經(jīng)濟層中，北疆水資源安全等級分布在2、3級，南疆分布在3～5級，東疆分布在3、4級。結(jié)合相關(guān)水資源論證的規(guī)劃報告及實際社會經(jīng)濟發(fā)展情況，該評價結(jié)果與實際情況較為符合。

結(jié)合模糊集對分析方法評價步驟，利用置信度準則法、級別特征值法得出新疆水資源目標層的水資源安全評價等級，并用減法集對勢法進行空間診斷分析，結(jié)果見表5。

表5 新疆水資源安全評價等級及減法集對勢值Table 5 Xinjiang water resources safety evaluation level and subtraction set against potential values

由表5可知，新疆水資源安全等級屬于3級，北疆分布在2～4級，南疆分布在3、4級，東疆屬于4級。依據(jù)置信度準則判斷水資源安全等級，位于同一個等級，hk越大安全程度越高，屬于3級由高到低的順序為：塔城、博州、阿勒泰、巴州、克州、克拉瑪依、昌吉、和田、烏魯木齊；屬于4級由高到低的順序為：吐魯番、阿克蘇、哈密、喀什、石河子。級別特征值法判斷出伊犁水資源安全等級最優(yōu)(2級)，吐魯番市水資源安全等級最差(4級)，其余地區(qū)評價結(jié)果大體相同。由減法集對勢判斷出吐魯番、哈密、喀什、阿克蘇、石河子5個地區(qū)處于偏反勢，是區(qū)域水資源安全調(diào)控的主要對象。

將本文綜合評價結(jié)果與物元分析法[4]及綜合指數(shù)法[7]的評價結(jié)果進行比較分析，結(jié)果見表6。本文基于模糊集對分析法的評價結(jié)果與物元分析法相比有14個相同，有2個相差1級；與綜合指數(shù)法相比，評價結(jié)果有12個相同，有4個相差1級，3種評價方法的評價結(jié)果相近，表明模糊集對分析法的評價結(jié)果具有合理性。

4 結(jié) 論

a. 新疆整體水資源安全狀況屬于基本安全等級，水資源安全等級空間分布上北疆最好、南疆其次，東疆最弱。減法集對勢法識別出需要重點調(diào)控的5個地區(qū)是吐魯番、哈密、喀什、阿克蘇、石河子，與目標層評價結(jié)果較為符合，減法集對勢法能較為簡便、直觀地識別出水資源安全的脆弱性樣本。

b. 新疆水資源層安全等級空間分布上，呈現(xiàn)南、北強東弱格局，社會經(jīng)濟層中呈現(xiàn)北、東強南弱格局，生態(tài)環(huán)境層普遍處于不安全水平，供需狀況基本滿足要求。

表6 3種評價方法評價結(jié)果比較Table 6 Comparison of evaluation results of three evaluation methods

c. 基于模糊集對分析的水資源安全評價方法與物元分析法和綜合指數(shù)法評價結(jié)果大體相同，應(yīng)用于干旱區(qū)水資源安全評價具有一定的推廣價值。