基于集对分析模型的新疆水资源开发利用评价

秦 萌,王润峰

(西北大学 城市与环境学院,陕西西安 710127)

0 前言

新疆地处欧亚大陆中心,是我国西北的边陲,属干旱、半干旱地区。由于降水稀少,蒸发强烈,水资源成为是新疆可持续发展最关键的基础性自然资源,水资源能否高效利用、有效保护和合理配置,关系到新疆经济和生态环境保护与恢复等事业的成败。目前随着社会经济的发展,新疆工农业及生活用水快速增加,水资源短缺、供水压力增大以及其它问题也日益严峻,合理利用和优化配置有限水资源的要求也越来越多,对水资源开发利用的研究已经是社会经济发展的迫切要求。本文通过对新疆水资源现状及开发利用现状进行分析和评价,可以为今后优化配置水资源提供一定依据,对政府进行宏观调控具有参考意义。

1 新疆水资源概述

1.1 水资源现状

新疆位于内陆干旱区,水资源主要由降水、高山冰雪融水补给,由河流经山区排泄到平原,通过水循环,蒸发消耗或消失于沙漠之中。而降水主要是来自大西洋的盛行西风气流,其次是来自北冰洋的冷湿气流,全疆平均年降水量仅145mm,为中国平均值(630 mm)的 23%,在全球同纬度各地中,新疆几乎是最少的,产水模数仅为 5.3亿 m3每平方公里,只有全国平均值的 18.1%,从自然生态角度来看,新疆应属缺水地区。

但由于新疆地幅辽阔且人口稀少,水资源总量相对于全国其它省区来说尚算丰富。据新疆统计年鉴,2007年新疆地表水为 816.60亿 m3,地下水为 514.10亿 m3,重复水为466.90亿 m3,总水资源量为 863.80亿 m3。2007年新疆人均占有水资源量为 4 168 m3,是全国人均占有水资源量2 200m3的 1.9倍,每公顷耕地平均占有水资源量为 20 942 m3,与全国平均相当[1]。

总体说来,新疆水资源由四部分组成：河流、湖泊、积雪、冰川和地下水。按照水文循环特征,可以把新疆河流划分为内陆河和外流河两大水系,内陆河共 570多条,外流河 6条。各河流水量相差悬殊,以小河流居多,大部分河流流程短水量小,年径流量为 1.00×108m3以下的河流有 487条,水量仅 8.3×109m3,占河流总条数的 85.4%;年径流量大于1.00×109m3的河流有 18条,径流量达 5.84×1010m3的河流占河流总数的 3%[2],具体分布见新疆水系图。

新疆湖泊众多,湖泊总面积 55 045 km2,居全国第四位。大于 1 km2的湖泊有 139个,其中大于 100 km2的有 11个。

图1 新疆水系图

新疆积雪水资源丰富,冬季积雪鼎盛时期平均积雪贮量(水当量)可达 342亿 m3,冰川面积达 24 479.3 km2,冰川储量达 25 835.7亿 m3,约占我国山岳冰川面积的 42%,占全国冰川总储量的 50%。每年的冰川融水量为 178.6亿 m3,对全疆每年用水都有着很强的调节作用,有人称之为“固体水库”[3]。由于有积雪和冰川资源的调节,新疆水资源总量比较稳定,年际变幅较小,但由于降水和融水的季节性,又导致新疆水资源年内分配明显不均,一般夏季水量集中,6～9月水量占整个年径流量的 70～83%,大部分河流的春季水量较小,少数地区秋季也缺水。

1.2 水资源开发利用现状

新疆现有耕地 411.354×104hm2,其中灌溉面积 393.2×104hm2。目前新疆引用地表水 496×108hm2,年均引水率62.5%,其中农业用水占引水的 84%。在水资源开发利用过程中存在着许多问题[4]：

(1)全疆各地水资源的利用主要以地表水供水为主,导致部分河道下游内径流量锐减,引起生态严重恶化。

(2)水污染严重。随着乡镇企业的发展,“三废”排放量增加造成了水污染。

(3)水土流失严重。全疆水土流失面积达 10万平方公里,占全国水土流失面积的 6.1%。由于新疆山地面积占土地总面积约 40%,森林和草地被破坏,加剧了山地侵蚀,大量泥沙下泄,带来水库被淤,库容减少,调洪能力降低,洪患日趋严重。

(4)现有水利工程维护及配套差,工程效益得不到充分发挥;缺少控制性调蓄工程,为抗春旱,新疆各地大量兴修平原性水库,平原性水库占全疆水库总数的 95%,蒸发、渗漏量较大。

(5)水力资源理论总蕴藏量达 3 355万千瓦,现利用较少。同时开采地下水仅占可开采资源总量的 10%左右,但部分地区出现地下水超量开采现象,致使地下水位不断下降。

2 集对分析模型及应用

目前,计算水资源开发利用程度的模式主要有集对分析法、属性识别法、可拓方法等,本次评价采用集对分析法对新疆水资源开发利用进行评价。集对分析法是我国学者赵克勤于 1989年提出的一种处理不确定性问题的系统分析方法,已在多方面得到广泛应用,在水资源开发利用评价中,它要比属性识别法和可拓方法更具有可操作性[5]。利用集对分析方法建立适用于新疆水资源开发利用程度的新模型并做出评判,模型概念清晰、理论严谨、评价结果直观、信息利用率高。

2.1 集对分析法原理

集对分析法的基本思路是：在一定的问题背景下对集合A和 B组成的集对特性展开分析,共得 N个特性。其中有 S个为集对中两个集合所共有,这两个集合又在另外 P个特性上相对立,在其余 F个特性上关系不确定,则两个集合的联系度

其中,μ为联系度,a为同一度,b为差异度,c为对立度,且满足 a+b+c=1;i为差异度系数,在[-1,1]中取值;j为对立系数,运算时恒取 -1。联系度的表达式同时体现了同一、差异、对立三者的联系、影响与转化。当 i=1时,差异度转化为同一度;当 i=-1时则转化为对立度;当 i在(-1,1)区间取值时,差异度中同一与对立各占一定比例。集对分析法认为在一个系统中不确定性与确定性互相联系、影响和制约,并在一定条件下互相转化,通过式子(2)来描述各种不确定性,从而把对不确定性的辩证认识转换成一个具体的数学工具,由此实现对系统的评价和决策。联系度μ与不确定系数 i是该理论的基石,通过该理论可以描述随机、模糊、灰色等常见的不确定现象[6]。

2.2 新疆水资源开发利用的集对分析

2.2.1 模式的建立

基于集对分析的水资源开发利用评价是将水资源评价指标与评价标准构筑一个集对,通过两者间的比照分析,即可获得水资源利用评价的量化指标。若该指标处于评价级别中,则认为是同一;若处于相隔的评价级别中,则认为是对立,若指标在相邻的评价级别中,则认为是差异;取差异系数i在[-1,1]之间变化,越接近所要评价的级别,i越接近 1,越接近相隔的评价级别,i越接近 -1。在评价过程中,对于同一、对立两种情况很容易确定联系度,评价中的核心是确定差异度系数和相应的联系度[7]。

对于一个区域水资源来说,设有 N个评价指标,其中有 S个评价指标优于Ⅰ级标准,有 P个指标劣于Ⅲ级标准,有 F个指标界于Ⅰ和Ⅲ级之间,运用式(1)即可计算出各评价样本的联系度,根据 a、b、c三者的大小关系可以初步分析水资源利用的情况。

从评价指标与水资源开发利用程度分级标准之间的数量关系可以看出,即使不同区域的水资源开发利用程度处于同一级别,也会因评价指标数值的差异而使水资源开发利用程度有所不同。因此,对于分级标准可继续作同一、差异、对立的集对分析。水资源开发利用程度评价的指标中一般主要包括效益型指标和成本型指标。

对于效益型指标

对于成本型指标

式(3)、(4)中：S1,S2,S3分别为评价标准的Ⅰ ,Ⅱ,Ⅲ级的门限值;x为各个被评价区域水资源状况的指标值;m为第 m个被评价区域;n为第 n个评价指标。由联系度(1)式进行计算,可得同一度、差异不确定度和对立度的大小以及对各个被评价区域的水资源开发利用程度进行评价排序。由式(3),(4)进行计算,可得各个评价区域的平均联系度 μmn,并由 μmn中同一度、差异不确定度和对立度的大小来确定待评价区域的水资源开发利用程度所属的等级[3]。

本文选择以下 7个相关指标来进行新疆水资源开发利用程度评价。

式中：I1为水资源利用率;I2为灌溉率;I3为重复利用率;I4为人均拥有水量;I5为人均供水量;I6为渠系水利用系数(经验值);I7为供水量模数。

表1 新疆水资源开发利用现状评价指标值

在评判分级指标时,采用国内一些地方所使用的分级指标(表2 )。

表2 综合评价指标的分级值等级

其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级分别代表了水资源开发的初级阶段,发展阶段及成熟阶段。

2.2.2 模型的计算

由(1)式计算得到各个区域的水资源开发利用程度的联系度(表3 )。

表3 各区域水资源开发利用程度的联系度

由式(3),(4)计算得到各个评价指标对各个被评价区域水资源开发利用程度的联系度(表 4)。

表4 新疆水资源开发利用程度评价因素指标值及其评价值

2.2.3 分析结果

各区域水资源开发利用程度的联系度数值可以反映各区各项水资源利用指标的同一性和矛盾性,b、c的数值越高表明该区水资源开发利用程度越高,反之则越低。对新疆各分区水资源开发利用程度的联系度排序结果是：北疆第 1,全疆和南疆并列第 2,东疆第 3。

根据各个评价指标对被评价区域的联系度求均值,可以对评价区域的水资源开发利用程度进行更准确的分级,进而确定各分区的水资源开发利用潜力如何。由表 5可以看出：新疆全疆及其各区域的水资源开发利用程度均属于Ⅰ级,处于水资源开发利用的初级阶段,北疆、东疆、南疆、全疆的Ⅰ级水平(同一度)值分别为 0.8 413,0.7 143,0.7 143和0.7 645,水资源的开发利用潜力还很大,而北疆更有潜力可挖。但从差异不确定度 b和对立度 c看,北疆、东疆、南疆、全疆的对立度依次为 0.0 438、0.2 857、0.1 991和 0.1 429,其中南疆和东疆的不协调度较大,又说明本区水资源的开发利用呈现一定的不协调状态。

东疆水资源利用的不协调度最大,为 0.2 857,则是因为其原本水资源量就偏少,2007年用水总量已超过其地区水资源总量,经济以农业为主,灌溉用水比例过高(见表 5),对该区水资源的供应造成较大压力,属结构型不协调区。

南疆的不协调度为 0.1991,其原因主要是农业用水比例过高(见表 5),亩灌溉定额过大,渠系系数较低,同时供水量模数较大,说明南疆对各河流的取水量过大,造成许多湖泊干涸、众多河流的下游生态系统因缺乏必要的生态用水而衰败,属结构型和管理型不协调区。

表5 新疆全疆及各分区农业用水比例

从总体看来,北疆的水资源开发协调度最好,供水压力相对较小。其原因应是该区本身水资源较其它分区丰富,是全疆工业集中地区,且农业节水较好,农业用水占总用水比例较其它区低的缘故。但该区由于经济发展水平较高,发展速度快,取水量也较大,对当地原先较好的生态环境也已经构成了一定压力,且北疆是全疆工业集中区,由于北疆各地区工业污水的处理不到位,乱排乱放,部分地区水资源已产生不同程度污染,若不注意控制管理,随着社会经济的不断发展和水资源的不断开发利用,北疆会逐渐演化为污染型不协调区。

3 结论和建议

新疆水资源开发利用属初级阶段,但存在着一定程度的不协调状态,其中南疆和东疆较严重,主要属用水结构与管理上的不谐调,对当地水资源供水设施和生态环境构成一定压力,采取一定的节水措施已经是迫在必行。

合理开发利用和保护新疆水资源,必须实施开源与节流并举,减少浪费,防治污染;特别是要规划用水,实施三水统调、相互结合、综合利用,建立健全管理制度。目前,新疆应加大修复生态环境的力度,同时防止社会经济用水盲目扩大,但也应充分兼顾经济社会发展的水资源合理需求。首先大力开展绿洲平原区节水灌溉工程建设,全面发展节水高效农业,通过节水措施缓解缺水问题,使新疆水资源开发利用配置格局逐步走向合理化;其次,大力开发新的隐性水资源,增加水资源的可利用量,进一步解决新疆缺水地区的水资源匮乏现状。

[1]《2009年新疆统计年鉴》[M].中国统计出版社 2009.7.

[2]章曙明,王志杰.新疆水资源可利用量与环境需水初步研究[J].水文,2007.27,(4)：88-90.

[3]邓铭江,新疆水资源战略问题探析[J].水资源管理.2009.17：23-27.

[4]唐德善,陈正虎.新疆用水水平及对策分析[J].人民长江.2005.36,(8)：18-20.

[5]管瑶,何仲林,张斌,李林.新疆水资源开发利用现状合理性分析[J].水土保持通报.2006.26(2)：104-106.

[6]侯保灯,赵庆绪,王焱,刘国东.基于集对分析模型的岷江上游流域震后水质综合评价[J].水力发电,2010,(36)：29-47.

[7]门宝辉,梁川,赵燮京.评价区域水资源开发利用程度的集对分析法[J].南水北调与水利科技,2003(6)：30-33.