基于多层次模糊综合评价模型的沙漠绿洲水资源承载力评价与预测

张天宇, 卢玉东, 王正川

(1.长安大学 环境科学与工程学院, 陕西 西安 710054; 2.旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室, 陕西 西安 710054; 3.深圳市广汇源水利勘测设计有限公司, 广东 深圳 518000)

绿洲是我国西北干旱荒漠地区的沃土，在稳定水源的支持下具有较高的生产力，承载着地区绝大部分的人口和财富。腰坝绿洲属于西北干旱荒漠区典型的农业绿洲，为内蒙古阿拉善左旗重要的农畜产品生产基地。区内绝大多数沟谷只存在季节性间歇流水,沟系平均年径总流量为7.10×106m3，地下水年补给量为2.20×107m3，地下水允许开采量为2.00×107m3[1]。从20世纪70年代末开始大规模开发以来，由于不合理的开发利用及缺乏科学的地下水管理，地下水位不断下降，近40 a来区内地下水位总体下降了5 m以上，导致邻近湖泊萎缩，周边咸水入侵，水质恶化，土地盐碱化加重。因此，对腰坝绿洲未来水资源承载力进行评价和预测研究刻不容缓。本研究考虑到绿洲水资源系统的复杂性与不确定性，综合评价采用定性分析的模糊综合评价法，而指标权重则引入层次分析法。本文基于建立的研究情景，取2016年为现状水平年，2020,2025,2030年为规划水平年，分别计算水资源承载力。旨在通过评价预测未来影响水资源系统承载力变化的关键因素，为腰坝绿洲水资源的可持续利用及合理管理政策的制定提供决策依据，以期实现腰坝绿洲水资源和社会经济的可持续协调发展。

1 研究方法

1.1 水资源承载力评价指标体系构建

水资源承载力指标体系是以简明、综合和全面的方式，体现被评价地区的水资源对社会经济和生态环境的承载内容和过程，其总体效应能反映被承载对象的总体状况，可为水资源可持续利用和水资源合理配置以及其他政策的制定提供支持[2]。影响区域水资源承载力的因素主要有：水资源数量、质量以及开发利用程度、生态环境状态、社会经济技术条件、社会消费水平和结构、社会生产力水平、区际交流[3]。根据科学性、全面性和概括性相结合、系统性与独立性相结合、定性与定量相结合、可比性与可操作性相结合的原则[4]，借鉴全国水资源供需分析中的评价指标体系[5]，参考专家建议，根据腰坝绿洲的实际情况和特点，构建包括水资源、社会经济、生态环境3个子系统，森林覆盖率、草地覆盖率、水资源供需比、人均水资源可利用量、单位GDP用水量、城镇化率、灌溉用水定额、第一产业比例、人均GDP共9个评价指标的多层次水资源承载力评价指标体系。根据绿洲发展历史、现状及相关规划，对社会经济发展进行预测，进而对各水平年的需水进行预测，限于文章篇幅，具体预测方法见文献[6-8]，各指标现状值及预测值详见表1。

表1 水资源承载力评价指标现状值及预测值

1.2 评价指标分级标准确定

按照以上9个指标对水资源承载力的影响程度划分为3个等级，构建评语集V={v1，v2，v3}。其中v1级表示情况较好，水资源承载力较强，研究区水资源开发潜力较大，水资源供给情况较好，处于可持续利用的状态；v3级表示情况较差，水资源承载力已达到极限，水资源进一步开发利用的潜力十分有限，存在水资源短缺问题，社会经济发展受到制约；v2级的情况介于v1和v3两级之间，表示区域水资源开发利用已经达到相当的规模，仍具有一定程度的开发利用潜力，区域社会经济发展对水资源的需求有一定的保证。

根据腰坝绿洲的地域特点和现有研究成果[9-12]，确定各分级指标对应评语集V的阈值，具体分级值详见表2。为定量表达各等级因素对水资源承载力的影响程度，对评判集等级进行一分制数量化：α1=0.95，α2=0.5，α3=0.05，数值越高，表示水资源承载能力越强[13]。

表2 水资源承载力评价指标及其分级值

1.3 评价模型原理及评价步骤

模糊综合评价模型的原理为[14]：建立评判因素(指标)集C={c1，c2，…，cn}和评语集V={v1，v2，…，vm}，模糊综合评判为：

B=A·R

(1)

式中：A——C的模糊子集，A={a1，a2，…，an}，其中0≤ai≤1，ai——C对A的隶属度，表示单因素ci在评判因素中所起到的作用的大小；“·”——模糊算子，采用普通矩阵算法；B——V的模糊子集，B={b1，b2，…，bm}，其中0≤bi≤1，bi——等级vi对综合评判所得到的模糊子集B的隶属度，其表示综合评判的结果。隶属度(评判)矩阵为：

(2)

1.4 基于层次分析法指标权重的确定

层次分析法是一种定性与定量分析相结合的系统分析方法。该方法把复杂的问题分解为不同的组成因素，通过两两比较的方式确定同层次中各因素的相对重要性的排序权值，最后进行综合判断确定各因素的相对重要性的总排序权值[15]。首先建立层次结构模型(目标层、准则层和措施层)，然后采用相对尺度的方法构造两两指标比较判断矩阵，矩阵元素根据1—9标度法确定(具体标度准则详见表3)，并借助近似效果较优的根法推导出相应排序权向量，再对判断矩阵大体上的一致性进行检验，若检验结果满足要求，上述排序权向量(均一化后)可作为指标权重；否则修改判断矩阵再次进行检验，直至满足要求为止。具体过程不再赘述，下面将指标权重汇总于表4中。

表3 水资源评价指标体系的标度划分及准则详解

表4 水资源承载力各指标权重

1.5 隶属度矩阵的构造

单因素模糊评价是单独对一个因素进行评价，以确定评价对象对评价集合V的隶属度的评价。具体操作为根据评价因素ci的实际值，推求其对应等级vj的隶属度函数rij的值，最后得到隶属度矩阵R。对隶属度函数[16]进行模糊化处理，使其在各级间平滑过渡。对于v2级即中间区间，将评价因素落在评价中点的隶属度定为1，区间两端点的隶属度定为0.5，并令隶属度由中点向两端线性递减。对于v1或v3级一侧区间，在临界值对两侧等级的隶属度均为0.5，而距临界值越远对该侧区间的隶属度越大。按以上规则构造各等级隶属度函数计算公式，令v1和v2级的临界值为k1，v2级区间中点为k2=(k1+k3)/2，v2和v3级的临界值为k3。各评价因素对各等级隶属度函数的计算公式不再赘述。根据各评价指标不同水平年额预测数据可以计算整理得各水平年的各评价指标值(表5)及相应的各水平年的隶属度矩阵。

表5 各水平年评价指标值

1.6 综合评判值的计算

根据权重矩阵A和各水平年的隶属度矩阵R，对B=A·R采用普通矩阵算法求得各水平年的综合评判结果矩阵B，并根据公式(1.3)计算综合评判结果矩阵B的水资源承载力的综合评判值α，其值越大表示水资源承载力越强。计算结果详见表6。

(3)

式中：K——起到突出占优势等级的作用，对于干旱区一般取值为1[17]。

表6 各水平年水资源承载力综合评价结果

水资源承载力综合评价指数是衡量水资源承载程度的综合性指标，评价指数越高，水资源承载力的状况越好。根据相关研究成果[18-20]，腰坝绿洲自然生态环境特点及社会经济发展状况，确定综合评价指数分级标准(表7)。

表7 水资源承载力评价指数分级标准

2 结果与分析

根据最大隶属度原则和综合评判值，对评判结果进行分析，可以得出，2016年水资源承载力综合评价结果对v3级的隶属度最大，为0.575 5，而对v1级的隶属度最小，为0.022 6，综合评判值α仅为0.251 2，表明水资源承载力已达到饱和，处于较差的状态。至2020年，水资源承载力综合评判值α上升至0.288 8，综合评价结果对v3级的隶属度仍为最大，为0.514 7，水资源承载力仍处于超载状态。至2025年，综合评判值α进一步上升至0.358 8，综合评价结果对v2级的隶属度最大，为0.543 8。水资源承载力较2020年有较大的提高，处于可承载的状态。至2030年，综合评判值α上升至0.434 4，水资源承载力状况处于较高可承载水平，水资源供需比增至1.02，社会经济对水资源的需求有一定的保障，但综合评价结果对v1级的隶属度仍比v3级小，表明区内地下水资源开发潜力仍然有限。

3 讨 论

在生态环境系统中，在评价时间段内，森林覆盖率由5.65%，提高到8.37%，草地覆盖率由20.78%，提高到38.41%。总的来说，研究区生态环境将得到明显的改善，对水资源承载力的贡献率不断提高。在水资源系统中，人均水资源可利用量由1 920 m3/人，降至1 816 m3/人，水资源供需比由0.55，上升至1.02，说明该阶段研究区资源性缺水问题不突出,但应考虑到未来人口增长速度加快可能会给水资源的供需平衡带来压力。在社会经济系统中，灌溉用水定额大幅度下降，由7 215 m3/hm2降至3 630 m3/hm2，灌溉水利用率达到较高水平。第一产业比例由32.91%降至25.32%，第一产业比例依然偏大。单位GDP用水量由1 389 m3/万元降至384 m3/万元，距先进水平还有较大的距离。由此看来，腰坝绿洲的水资源问题主要是结构性缺水。综上分析讨论可知，今后14 a内通过采取以节水为核心的多种措施，研究区水资源承载力复合系统将呈良性的趋势发展。

4 结论及建议

(1) 目前，研究区水资源承载力处于超载状态，咸水入侵，生态环境形势严峻，绿洲系统稳定性受到严重威胁。2016—2030年水资源承载力呈上升趋势，其中生态环境质量的改善是主要驱动因素，而社会经济子系统是主要压力源，水资源系统中需关注未来人口迅速增长带来的压力。

(2) 社会经济子系统中，经济结构的不合理是水资源承载力提高的主要限制因素，未来应从这方面提高水资源承载能力，如，加快发展第二、三产业，限制发展高耗水、高污染工业，积极发展乡村游、风电游等旅游业。

(3) 针对腰坝绿洲地区特殊的水文环境和社会经济结构，未来应加快调整产业结构，推广节水灌溉技术，加强水资源科学管理，加强生态环境保护，提高水资源可利用量。

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