基于模糊綜合評價模型的天山北坡經濟帶水資源承載力評價

王 艷, 石榮媛, 喬長錄

(1.石河子大學 水利建筑工程學院, 新疆 石河子 832000; 2.現代節水灌溉兵團重點實驗室,新疆 石河子 832000; 3.新疆生產建設兵團 第八師炮臺土壤改良試驗站, 新疆 石河子 832066)

水資源在自然資源中占有重要的地位，其不僅是人類賴以生存和社會經濟發展的基礎，也是制約人類生活質量與社會經濟發展的重要因素。隨著人口的增長、社會經濟的快速發展和生態環境問題的不斷突出，水資源的合理開發利用越來越引起社會各層面的重視。水資源承載力作為水資源開發利用的前提條件，近年來已開展了眾多的研究。水資源承載力的評價方法，目前主要有常規趨勢法、模糊綜合評判法、主成分分析法、系統動力學法、多目標分析評價核心模型法、多目標線性規劃方法、多目標決策分析方法和密切值法等[1]。

關于新疆水資源承載力的研究已有多位學者針對不同的流域開展了眾多研究，如許有鵬[2]對和田流域進行了綜合分析，李吉玫[3]分析了伊犁河流域的水資源承載力，張占江等[4]分析了阿克蘇河流域水資源承載力，楊廣等[5]對瑪納斯河流域水資源承載力進行了研究，董雯等[6]分析了艾比湖流域水資源承載力；王暄[7]評價了塔里木河流域水資源承載力，段新光等[8]則對整個新疆的水資源承載力做出了評價。而針對天山北坡經濟帶的水資源承載力研究目前還少有報道。

天山北坡經濟帶資源豐富，是新疆經濟可持續發展的強勁資源儲備和動力，承擔著向內陸開放重要的橋梁和紐帶作用[9]。然而，天山北坡經濟帶所處的特殊地理環境，該地區水資源短缺且生態環境脆弱，加之頻繁的人類活動以及對水資源的不合理開發利用，使得水資源供需矛盾日益突出。在國家“一帶一路”倡議下，天山北坡經濟帶迎來了千載難逢的發展機遇，因此，合理評價天山北坡經濟帶水資源承載力，對該經濟帶產業布局等總體規劃具有非常重要的意義。

本文擬根據社會統計年鑒資料，采用狀態變權向量對水資源承載力評價指標體系進行指標權重分配，構建模糊評價模型，對天山北坡經濟帶水資源承載力進行評價，以期為其今后水資源開發利用提供依據。

1 研究區概況

天山北坡經濟帶東起哈密，西至伊寧，是以烏魯木齊、石河子、克拉瑪依為軸心的新疆準噶爾盆地南緣天山北坡地帶，地理位置為：東經79°53′—96°23′，北緯40°43′—47°15′。行政區劃包括烏魯木齊、石河子、克拉瑪依、昌吉、吐魯番、哈密、伊犁、塔城和博州；該經濟帶東西相距約1 000 km，面積約9.54×104km2，人口總量約為4.58×106，占全疆人口的23.3%；屬典型內陸干旱區，年均氣溫6.9 ℃，多年平均降水量220 mm，蒸發潛力1 817 mm[10]。該帶是新疆經濟最發達的地區，資源稟賦好，區位條件優越，是“一帶一路”面向中亞和歐洲的重要樞紐[11]。

2 模糊綜合評價模型(FCE)

模糊綜合評價模型(fuzzy comprehensive evaluation， FCE)的基本思想是利用模糊線性變換原理和最大隸屬度原則，充分考慮與被評價事物相關的各個因素以及各因素之間的關聯性，采用具有易于量化、針對性、代表性、便于互相比較的因素，彌補了過多考慮單因素的不足，對其作出合理的綜合評價。

模糊綜合評價的數學模型：

(1) 因素集。設與被評價對象相關的因素有m個，則因素集U={u1，u2，…，um}。

(2) 評判集。設所有可能出現的評語有n個，則評判集V={v1，v2，…，vn}。

(3) 單因素評判。即對單個因素ui(i=1，2，…，m)的評判，得到V上的F集，即為從U到V上的一個F映射f：U→F(V)。

綜合評價的單因素評價矩陣為：

(4) 變權向量W的確定。W(μ)=(w1，w2，…，wm)，本文采用基于隸屬度的Hardarmard乘積變權模型：

(1)

其中A為常權向量：A=(a1，a2，…，am)；Sμ為狀態影響量：

(2)

(5) 模糊綜合評價。根據權重W得到F綜合評價值B為：

(3)

3 模糊綜合評價

水資源系統是一個巨大而復雜的系統，并且水資源承載力等級的劃分具有不確定性和模糊性[12]。影響天山北坡經濟帶水資源承載力的因素很多[13]，如水資源條件及其開發利用現狀、生態環境、產業結構等。因此，本文采用模糊綜合評價法對天山北坡經濟帶水資源承載力進行應用研究。在水資源承載力的評價中，選取適合該經濟帶水資源承載力的評價指標，利用模糊綜合評價理論[14]建立數學模型，對天山北坡經濟帶水資源承載力做出全面綜合評價。

3.1 評價指標體系建立

水資源承載力評價最關鍵的是指標體系的建立。在水資源這個復雜的系統中，不僅要考慮到自然環境因素，還需要考慮到社會經濟發展因素[15]。本文天山北坡經濟帶水資源承載力研究中特將其評價指標體系分為3個層次，分別為目標層、系統層和指標層[16]。其中，目標層(A)為“水資源承載力”；系統層(B)分為“水資源系統”(B1)、“社會經濟發展系統”(B2)和“生態環境系統”(B3)；指標層(C)為3個系統層所包括的相應的指標。

評價指標的選取應以科學為依據，能夠科學客觀的反映所研究經濟帶的水資源承載力，盡量選取容易進行數據收集、易于解釋、易于定量化且具有代表性的評價指標[12]。結合天山北坡經濟帶自然條件、人類活動以及城市發展現狀等因素考慮[17]，依據2015年《新疆維吾爾自治區統計年鑒》，根據水資源承載力評價指標選取的原則，確定12個指標為評價因素集，即U={u1產水模數，u2供水模數，u3水資源開發利用率，u4人均水資源量，u5年降水量，u6人口密度，u7人口自然增長率，u8GDP增長率，u9萬元GDP用水量，u10城鎮化率，u11生態環境用水率，u12植被覆蓋率}(表1)。

表1 天山北坡經濟帶水資源承載力評價指標體系

3.2 評價指標分級

按照行政區劃將天山北坡經濟帶劃分為9個單元：烏魯木齊(A1)、石河子(A2)、吐魯番(A3)、哈密(A4)、伊犁(A5)、塔城(A6)、克拉瑪依(A7)、昌吉(A8)、博州(A9)，分析各單元的水資源承載力。

根據天山北坡經濟帶水資源承載力評價指標體系中各指標的實際情況，并結合西部半干旱地區水資源、生態、環境等的研究成果，將上述12個水資源承載力評價指標劃分為v1，v2，v3這3個等級[5]，各評價指標及其分級標準詳見表2。

其中v1表示被評價對象水資源承載力較高，且可開發利用空間大及潛力較大，為可持續發展狀態；v3表示被評價對象水資源承載力較弱，水資源開發情況接近飽和狀態，且易發生水資源短缺、環境惡化等問題，將影響社會經濟的穩定發展；v2介于v1，v3之間，表示被評價對象的水資源承載力一般，水資源開發利用已有一定規模但任具有開發利用的空間和潛力[18]。

表2 各評價因素分級評價指標

3.3 隸屬度函數的確定

在進行模糊綜合評判過程中，科學合理的定義隸屬度函數是綜合評判成功的關鍵，定義隸屬度函數常用的主要有二元比較排序法、三角形模糊分布法、待定系數法和模糊統計法[19]。三角形模糊分布法是較為簡單實用的方法，在對天山北坡經濟帶水資源承載力的研究中，對上述12項指標采用三角形模糊分布法，定義了其隸屬度函數(圖1)。

圖1 三角形分布法隸屬度函數的定義過程

三角形模糊分布法定義隸屬度函數的評語等級界定值為k1，k2，k3表示，即各因素指標等級v1與v2的臨界值為k1；v2與v3的臨界值為k3；v2區間中點值為k2〔即k2=(k1+k3)/2〕[17]。

即對于因素C1，C5，C8，C12數值越大水資源承

載力水平越高的各指標等級單因素評判矩陣計算公式為：

(4)

(5)

(6)

反之，對于因素C2—C4，C6，C7，C9—C11數值越小，水資源承載力水平越高的指標，各等級相對隸屬度函數的計算公式只需將以上公式右端“≤”改為“≥”,“<”改為“>”,“>”改為“<”即可。

根據評價標準建立的各評語等級v1，v2，v3的等級界定值詳見表3。

表3 三角形模糊分布法定義隸屬函數的等級界定值

根據單因素評價矩陣計算公式得到各地區各等級隸屬度矩陣R，即烏魯木齊R1，石河子R2，吐魯番R3，哈密R4，伊犁R5，塔城R6，克拉瑪依R7，昌吉R8，博州R9。

3.4 指標權重集確定

在水資源承載力的研究中，除考慮各個評價因子自身性質對其的相對重要性，也要考慮它們組態對水資源承載力的影響。因此，本文采用常規權重與變權方法相結合的方式來確定諸因子的取值狀況對水資源承載力的影響[12,15]。

(1) 常權的確定。在綜合評價中，考慮各評價因子對水資源承載力的影響不同以及各個評價指標之間的各個量綱不同一，故采用主成分分析法[20]。

基于天山北坡經濟帶水資源承載力的原始數據，運用SPSS軟件進行主成分分析，確定各個評價指標的權重值，得出權重(表4)。

(2) 最低評語等級隸屬度向量。諸評價因子的狀態隸屬于天山北坡經濟帶水資源承載力綜合評價最低評語等級的隸屬度組成的向量：

μ=〔μ(u1)，μ(u2)，…，μ(un)〕

(7)

(3) 狀態影響向量。

(8)

其中bj為調整水平(j=1，2，…，n)，即某一因子的狀態隸屬于天山北坡水資源承載力綜合評價最低評語等級的隸屬度受調整的閾值，本文取bj=80%。

表4 天山北坡經濟帶水資源承載力各指標常權向量

(4) 基于隸屬度的Hardarnard乘積變權模型。

(9)

根據上述步驟得出天山北坡經濟帶各單元變權，詳見表5。

表5 天山北坡經濟帶各區域水資源綜合評價變權向量

3.5 綜合評價計算

根據模糊綜合評判模型B=W·R得到天山北坡經濟帶各區域水資源承載力模糊綜合評價結果B1—B9：

B3—B9計算方法與上述步驟一致。為了更好地反映水資源承載力的情況，對各指標影響程度做定量化，對等級v1，v2，v3評分取α1=0.95，α2=0.5，α3=0.05[18]。即：A=v1·α1+v2·α2+v3·α3，數值越高，表示水資源承載力潛力越大。計算結果詳見表6。

表6 天山北坡經濟帶各區域水資源綜合評價結果

3.6 綜合評價分析與討論

結合選取的原始數據，得到天山北坡經濟帶各地區水資源承載力模糊綜合評價結果，根據計算的綜合評價值來對水資源承載力進行評價，綜合評價值越大，說明水資源承載力越強，水資源承載力開發潛力越大，反之，綜合評價值越小，水資源承載力越弱，水資源繼續開發潛力越小。

根據研究結果可知，天山北坡經濟帶各地區綜合評價值除伊犁均小于0.6，說明天山北坡經濟帶大部分地區水資源開發已具有一定的規模，超過承載力極限將造成流域的生態環境惡化[21]。伊犁水資源承載力對v1的隸屬度均大于v2，v3，說明該地區水資源承載力較強，水資源開發利用潛力大，該地區水資源有較高的開發利用空間；塔城地區水資源承載力對v2的隸屬度均大于v1，v3，說明該地區水資源承載力屬于適中程度，任具有可持續開發的能力，生活、生產、生態用水相對于平衡，暫不會發生水資源短缺現象；而烏魯木齊、石河子、克拉瑪依、昌吉、吐魯番、哈密地區水資源承載力對v3的隸屬度均大于v1，v2，水資源供需矛盾突出，需要對水資源利用上采取相應措施，使水資源可持續利用，為社會經濟的協調發展提供保障。

從水資源系統來看，各地區評價值由高到低分別為：伊犁、石河子、塔城、昌吉、哈密、克拉瑪依、吐魯番、博州、烏魯木齊，其中伊犁、烏魯木齊評分值分別為0.529，0.268；從社會發展系統來看，各地區評分值由高到低分別為伊犁、塔城、博州、昌吉、克拉瑪依、哈密、烏魯木齊、石河子、吐魯番，其中伊犁、吐魯番分別為0.499，0.24，評分低的地區應該合理規劃產業結構，減少社會發展帶給水資源的壓力；從生態環境系統來看，各地區評分值由高到低分別為：克拉瑪依、吐魯番、哈密、昌吉、石河子、博州、烏魯木齊、塔城、伊犁，其中克拉瑪依、伊犁評分值分別為0.456，0.124，評分高的地區應注重生態的保護，減少生態惡化的危機。

從綜合評分值來看，天山北坡經濟帶各地區水資源承載力由大到小排名依次為：伊犁、塔城、石河子、哈密、克拉瑪依、吐魯番、烏魯木齊。天山北坡經濟帶中部烏魯木齊、石河子以及西部博州、克拉瑪依水資源承載力綜合評分值分別為0.41，0.49，0.48，0.45均小于0.5，水資源供需矛盾較為突出，應提高農業用水效率，調整產業布局，盡快采取相應措施，以保證社會經濟發展與生態環境的協調發展；天山北坡經濟帶東部伊犁、塔城和中部地區昌吉水資源承載力綜合評分值為0.76，0.56，0.51均大于0.5，水資源開發潛力較大，但是為了水資源的可持續利用應注意進一步的水資源開發利用規劃；天山北坡經濟帶西部(吐魯番、哈密)水資源承載力綜合評分值為0.43，0.45，水資源開發潛力較差，生態環境脆弱，為了加強生態建設需合理規劃水資源利用和保護。

4 結 論

本文采用模糊綜合評價法從水資源、社會經濟發展、生態環境3個系統上選取了供水模數、水資源開發利用率、人均水資源利用量等12項指標對天山北坡經濟帶各經濟帶水資源承載力進行了多因素綜合評價，從評判結果來看，天山北坡經濟帶中烏魯木齊、石河子、吐魯番、哈密、塔城、伊犁、克拉瑪依、昌吉、博州的水資源承載力綜合評分值分別為：0.41，0.49，0.43，0.45，0.76，0.56，0.45，0.51，0.48。天山北坡經濟帶的水資源開發已具有一定的規模，但水資源仍有一定的開發利用潛力，且東西部水資源承載力相差較大，應合理規劃水資源開發利用和保護。在“十三五”時期不僅要完善水源保護體系還應注重對水資源的深度和跨經濟帶開發，深化產業結構調整，做到從源頭上節約用水、循環利用，加強水資源開發利用規劃與管理，防止水質污染，科學合理利用有限的水資源。