新疆博州地区水资源时间分布规律与综合评价研究

乌仁娜

(新疆博尔塔拉水文勘测局，新疆 博尔塔拉 834000)

水资源安全问题已经成为了国内相关学科研究的热点[1- 2]。是能否持续保障国家可持续发展的前提，水资源安全水平是一个地区水资源优化配置前提下，城市水资源整体水平的体现，对其分布规律和整体水平的评价是实施水资源安全发展战略的前提[4]。研究水资源安全问题最主要的就是研究水资源的分布规律与水资源综合评价的度量标准[3]。

目前针对水资源分布规律，已有了部分研究。李文清[5]研究了沂州市河川径流分布规律，指出掌握各流域河川径流量在时空上的分布规律，可为缓解地区水资源压力提供科学依据；刘斌涛等[6]研究了云南省水资源时空分布的格局，指出云南省水资源分布极不均衡，且春季水资源较少；吕立新[7]研究了吉林省地表水资源的分布规律，指出年径流量与下垫面的不同有关。

目前针对水资源安全评价，同样有了部分研究。赵西宁等[8]在黄土高原评价了雨水资源化综合效益，基于AHP法建立了水资源安全指标综合评价体系；赵洪杰和唐善德[9]、周维博和李佩成[10]分别在黑河中游灌区和干旱半干旱地区灌区，利用层次分析法，建立了水资源效益综合评价指标体系，并对灌区水资源综合效益进行了评价，结果与实际情况较为一致。

新疆位于我国西北部，气候干燥，降水量少，多年平均降水量仅为150mm左右，其水资源含量较低，目前对新疆地区水资源分布规律与综合评价的研究较少。本文以新疆博州地区为研究区域，基于水文站实测资料，研究当地水资源年际及年内变化规律，并依据TOPSIS模型构建水资源综合评价体系。

1 研究方法与研究区域概况

1.1 研究区域概况

本文选择新疆博州地区精河山口站、温泉站和沙尔托海站为代表站点，基于当地1988—2016年近29年的实测数据，对当地水资源时间分布规律进行分析，站点经度最大相差1°53′，最大落差1072.6m，具体研究区域及站点分布图，如图1所示及文献[11]。

图1 研究区域位置图

图2 水资源综合效益评价指标体系构建

1.2 研究方法

1.2.1 评价指标体系选择

本文从工程效益、管理效益和社会效益3个方面对水资源效益进行评价。基于G1法和熵权法计算指标权重，依据TOPSIS模型建立新疆博州地区水资源效益综合评价模型，综合判定区域水资源综合效益。其指标体系构建如图2所示。

1.2.2 综合权重确定

为得出最能反映每个指标体系的权重，选择主观权重赋值法的G1法和客观权重赋值法的熵权法对不同指标进行权重计算，最终得出综合权重，以下为综合权重的计算步骤。

(1)G1法权重赋值

假设评价指标体系中有n个评价指标α1，α2，…，αn，由专家经验判断不同指标的重要性，设置不同指标的重要性程度为γn，则不同权重赋值为：

(1)

ωk+1=ωk×γkk=1，2，3……n

(2)

式中，ωk、ωk+1—第k、k+1个指标的权重；γk—该指标的重要性程度。

(2)熵权法权重赋值

假设有m个对象，n个被评价指标，熵定义为：

(3)

(4)

式中，Hj—计算的信息熵；m—评价对象个数；n—待评价指标个数；bij—计算的相对隶属度；fij—相对隶属度所占比例。

对各项指标进行无量纲化处理，得出相对隶属度：

(5)

式中，bij—所求的相对隶属度；aij—每个计算指标；ajmax—某项指标最大值；ajmin—某项指标最小值。

计算第j项指标的变异度：

Dj=1-Hj

(6)

式中，Dj—所求的变异度；Hj—指标的信息熵。

计算该指标所对应的熵权重(客观权重)：

(7)

式中，ωbj—所求的客观权重；Dj—某项指标的变异度。

(3)综合权重赋值

根据专家经验得出的主观权重与计算得出的客观权重，得出综合权重：

(8)

式中，ωj—所求的综合权重；ωaj—通过G1法所得的主观权重；ωbj—熵权法所得的客观权重。

1.2.3 TOPSIS水资源效益综合评价模型构建

(1)形成无量纲决策矩阵

假设目标体系的方案层矩阵为N=(N1，N2……，Nm)，指标层矩阵为A=(A1，A2……，An)，矩阵Z表示N对于C的比值，无量纲化矩阵用M表示可用下式表示。

(9)

(10)

(2)计算最优解，找出各方案与最优解的相对贴近程度

将无量纲化矩阵M，与计算得出的权重相乘，得出加权决策矩阵R：

R=ωj×mij

(11)

找出不同指标的最优解，采用文献[12]的方法找出最优解。通过下式计算不同指标与最优解的正负理想解距离，通过公式(14)计算相对贴近度矩阵。

(12)

(13)

(14)

根据ε值的大小，对不同方案进行排序，其值越大，则方案更优。

2 结果与分析

2.1 年际变化趋势分析

博州地区3个水文站点实测径流值的年际变化及累积距平值如图3所示。图3显示，3个水文站1988—2016年多年径流量基本变化较平稳，呈缓慢上升的趋势，精河山口站、温泉站和沙尔托海站径流量多年变化趋势分别为0.391、0.287、

0.209mm/10a，上升趋势均不明显。3个站点在1988—1997年呈下降趋势，在1997—2007年呈上升趋势，在2007—2016年呈降低趋势，3个站点径流变化趋势基本一致。

2.2 年内变化趋势分析

博州地区3个水文站点实测径流值的年内变化及累积距平值如图4所示。图4显示，3个水文站1—12月年内基本呈先升高后降低的二次抛物线形式，3个站点径流值的年内分布基本在4—10月变化较剧烈，在其余月份基本不变，同时4—10月的径流值较大，占了全年径流了的65.4%～87.4%。各站点累积距平曲线变化趋势基本一致，呈“减少-增加-减少”趋势，3个时段分别为1—5月、5—9月和9—12月。

2.3 水资源评价结果分析

根据标准，将水资源评价指标体系进行分级，采用标准差分级法进行，该方法适用于呈正态分布的数据集，具体指标分级情况见表1。

通过调查3个水文站附近区域的各项资料，得出多年平均资料用于进行3个站的水资源效益评价，通过式(1)～(8)计算不同指标的客观权重和主观权重，最终得到不同指标的最终权重，结果见表2。通过表1中的数据，结合表2中的权重和式(11)～(14)，可得出水资源效益具体等级评价标准，结果见表3。通过实测数据，可得出不同站点多年评价的水资源效益相对贴近度值，结果见表4。表4显示，3个站点水资源效益由高到低排名依次为精河山口站、温泉站、沙尔托海站，精河山口站水资源评价等级为一般，其余2个站点为较差，该评价结果与当地实际情况基本一致。

图3 当地径流年际变化及累积距平值

图4 当地径流年内变化及累积距平值

指标好较好一般较差差ⅠⅡⅢⅣⅤ人均地区生产总值C11/元≥80006000～80004000～60002000～4000≤2000当地用水量C12/(106m3/亿)≥7560～7545～6030～45≤30已建水利工程覆盖率C13/%≥7555～7535～5515～35≤15工程总投资C14/万元≥15001200～1500900～1200600～900≤600新型作物推广面积比C21/%≥5040～5030～4020～30≤20农民年收入C22/元≥60005000～60004000～50003000～4000≤3000作物水分生产率C23≥1.801.60～1.801.40～1.601.20～1.40≤1.20政府支持程度C24≥8.07.0～8.06.0～7.05.0～6.0≤5.0计划用水水平C31≥6.56.0～6.55.5～6.05.0～5.5≤5.0节水机制健全水平C32≥5.455.05～5.454.65～5.054.25～4.65≤4.25新型节水工程覆盖率C33/%≥5540～5525～4010～25≤10技术推广体系水平C34≥0.850.70～0.850.55～0.700.40～0.55≤0.40

表2 不同指标权重确定

表3 不同等级划分标准

表4 不同站点水资源综合效益排名

3 结语

通过分析实测数据，掌握了新疆博州地区近年来的水资源时间分布规律，指出近年来当地水资源呈缓慢上升的趋势，且年内呈二次抛物线趋势。水资源效益评价是一个多指标、多属性的过程，文章从工程效益、社会效益和管理效益3个层面建立的水资源效益综合评价模型体系，可较好地反映当地水资源的发展情况，同时本文权重确定的方法，可从主观和客观多角度反映评价指标的现状，具有一定的现实意义。本文仅建立了12项评价指标体系，在今后的研究中，可围绕建立更多指标体系角度进行。