基于改进综合赋权法的塔里木河流域“三源一干”水资源承载力评价

陈 磊，梁新平

(新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司，乌鲁木齐 830002)

0 引 言

水是保障区域社会经济发展最为重要的自然资源之一[1]，近些年随着国民经济的发展，水问题已经成为制约区域可持续发展的主要因素。水资源承载力(WRCC)作为水资源可持续利用的重要组成，开展对水资源承载力的评价研究，是进行区域水资源优化配置、实现区域可持续发展和水安全战略的重要基础与保证[2,3]。

关于水资源承载力评价研究，国内外学者开展了大量研究，并取得了一系列成果[4-13]。目前，在水资源承载力评价方法研究中，存在两个问题：一是评价指标权重确定单纯采用客观赋权法或主观赋权法，不能对指标进行合理赋权；二是水资源承载力评价结果分级明显，不能反映实际情况。鉴于此，本文以新疆塔里木河流域“三源一干”为研究区，基于可变模糊集理论，引入综合赋权法建立水资源承载力评价模型，通过调整模型参数，提高水资源承载力评价结论的稳定性，为后续区域水资源的合理配置与优化提供参考。

1 水资源承载力评价指标体系构建

考虑到水资源承载力评价指标体系的完整性、代表性和可行性。本文参考有关研究成果，结合干旱区水资源特点，选取12项评价指标，建立水资源承载力评价体系(见表1)。

表1 水资源承载力评价指标体系

建立水资源承载力分级标准(见表2)。其中：V1为良好，表示该流域水资源开发利用尚处于初级，有很大承载潜力；V3表示较差，该流域水资源承载能力已经达到饱和值，继续发展下去将会导致环境恶化；V2介于两者之间。

表2 水资源承载力评价指标分级

2 水资源承载力评价方法

本文采用可变模糊集理论，基于综合赋权方法，构建水资源承载力评价模型[14]。

假设：

(1)

(2)

(3)

2.1 相对差异函数

首先，构建指标特征值矩阵：

S=(sij)

(4)

式中：sij为样本j指标i的特征值；i= 1，2，… ，m；j= 1，2，… ，n。

将指标特征值矩阵按照c个级别的指标标准特征值K进行计算

K=(kih)

(5)

式中：kih表示指标i在h级时的标准特征值，h=1，2，… ，c。

根据指标标准值矩阵和可变集合的吸引区间矩阵Rab与范围区间矩阵Rcd：

Rab=([aih,bih])

(6)

Rcd=([cih,dih])

(7)

s是S区间中的任意一点，若s位于M点左侧，则相对差异函数为：

(8)

若s位于M点右侧，则相对差异函数为：

(9)

2.2 改进综合赋权

本文将熵权法和层次分析法组合赋权，以便评价结果更科学合理，切合实际[15,16]。

σi=αωi+(1-α)wi, 0≤α≤1；

0<σi,ωi,wi<1,i=1,2,…,n

(10)

式中：σi为综合权重；ωi为层次分析法计算权重；wi为熵权法计算权重；α为决策系数，取0.5。

2.3 求解相对隶属度矩阵

评价样本对不同水资源承载力等级的相对隶属度计算式如下：

(11)

其中：

(12)

(13)

U=(uh)

(14)

其中：

(15)

根据式(16)计算样本级别分值：

H=(1,2,3,)·U

(16)

式中：H为评价样本水资源承载力等级分值。

3 研究区概况

塔里木河是我国最大的内陆河，其位于新疆维吾尔自治区南部，天山山脉和昆仑山山脉之间，地理位置介于73°10′～94°05′E，34°55′～43°08′N之间，流域总面积102.7 万km2，涵盖南疆五地州。塔里木河流域由阿克苏河、叶尔羌河等九大水系144条河流组成。目前，与塔里木河干流有地表水力联系的仅有阿克苏河、和田河与叶尔羌河，简称“三源一干”。塔里木河流域是新疆重要的石油石化基地，也是全国闻名的粮食、瓜果蔬菜基地，流域水系见图1。

图1 塔里木河流域水系

4 结果与分析

本文针对塔里木河流域“三源一干”2015年(现状年)水资源承载力情况进行评价。同时，参考《新疆地区国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》、《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》、《塔里木河流域综合规划》等资料，对流域“三源一干”2025年、2035年(规划水平年)水资源承载力情况进行预测评价。

4.1 现状年水资源承载力评价

根据塔里木河流域“三源一干”2015年水资源承载力评价指标数值(见表3)，构建现状指标特征值矩阵S与指标标准值矩阵K。

表3 塔里木河流域“三源一干”2015年水资源承载力评价指标

根据式(8)～式(16)，计算得到塔里木河流域“三源一干”现状年水资源承载力评分。

由表4可知，比较4组模型参数计算得到的“水资源承载力”级别特征值，其评价结果稳定。阿克苏河以及塔里木河干流水资源承载力综合评价为2级，形势不容乐观，因此必须加强水资源管理，提高水资源利用率，增强节水意识，提高水资源承载力。和田河流域与叶尔羌河流域水资源承载力已达到2～3级，接近该流域水资源承载极限，必须加强水资源监管，若继续恶化必将阻碍流域水资源可持续发展。

表4 研究区现状年WRCC评价结果

4.2 规划水平年水资源承载力变化分析

4.2.1 水资源承载力评价指标预测

对规划水平年研究区发展要素分析，得到水资源承载力评价指标值，见表5。

表5 研究区规划水平年水资源承载力评价指标值

4.2.2 结果与分析

采用可变模糊综合评价方法对塔里木河流域“三源一干”规划水平年水资源承载力进行评价，评价结果见表6与表7。

由表6与表7可知，叶尔羌河流域2015年水资源承载力分值为2.22～2.65，2025年为2.26～2.57，2035年为2.17～2.42，水资源承载力评价分值从现状年到规划年逐渐降低，由最初的2～3级降到2级，说明叶尔羌河流域水资源承载力水平逐渐提高，水资源复合系统逐渐好转；和田河流域水资源承载力分值由2015年的2.25～2.59降至2025年的2.16～2.32，至2035年，分值为2.14～2.28，评价等级也由2～3级降到2级，且置信区间逐渐缩小，评价结果趋于稳定；阿克苏河流域从现状年2015年到规划水平年2035年，水资源承载力评价等级均为2级，且分值变化幅度较小，说明该流域水资源复合系统相对稳定，若要进一步提高该流域水资源承载力则需要采取控制人口数量，进行产业结构调整等方法，结合工程与非工程措施共同作用；塔里木河干流2015年水资源承载力分值为1.89～1.96，2025年为2.10～2.2，2035年为2.07～2.21，较其他流域而言，水资源承载力分值较低，且稳定在2级阶段，说明该流域水资源复合系统正处于发展阶段，可支撑当的地生产生活与生态用水，且有一定的发展空间。

表6 规划水平年研究区水资源承载力分值

表7 不同水平年研究区水资源承载力分级

5 结 语

(1)现状水平年(2015年)，阿克苏河流域与塔里木河干流水资源承载力评价为2级，形势不容乐观，必须加强水资源管理，提高水资源利用效率；和田河流域与叶尔羌河流域水资源承载力已达到2～3级，接近水资源承载力极限，若继续恶化必将阻碍流域可持续发展。

(2)规划水平年(2035年)，叶尔羌河流域与和田河流域水资源承载力评价分值较现状年有所降低，流域水资源承载力评价等级均为2级，表明研究区水资源复合系统有好转趋势，承载力有所增强；阿克苏河流域水资源承载力评价等级均为2级，且分值变化幅度较小，说明该流域水资源复合系统相对稳定；塔里木河干流水资源承载力分值较其他流域较低，且稳定在2级阶段，说明该流域水资源复合系统可支撑当地的生产生活与生态用水，且有一定的发展空间。

(3)利用改进综合赋权法的可变模糊综合评价模型对塔里木河流域“三源一干”不同水平年水资源承载力评价，其评价分值波动区间变化不大，评价结果稳定度和精准度有所提升。因此，本文构建模型能够很好地反映研究区水资源承载力实际状况，为流域的发展与规划提供重要决策依据。