基于可變模糊集理論的生態(tài)脆弱地區(qū)水資源承載力時空變化研究

，

(華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南鄭州450046)

水資源是基礎(chǔ)性的自然資源和戰(zhàn)略性經(jīng)濟(jì)資源，是支持人類生存和可持續(xù)發(fā)展的重要資源[1]。除此之外，水資源還具有支持社會發(fā)展的潛力，具體而言，水資源不僅對于人口具有承載能力，還具有對經(jīng)濟(jì)發(fā)展的承載能力[2]。因此，有針對性地研究水資源承載力，對于區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。尤其是對于干旱、半干旱地區(qū)，水資源緊缺已成為限制地區(qū)發(fā)展的重要因素，因此正確客觀地評價水資源承載力已成為尋求區(qū)域可持續(xù)發(fā)展道路的重要依據(jù)[3-4]。

“承載力”一詞源自于生態(tài)學(xué)，是用來衡量特定區(qū)域在某一環(huán)境條件下能夠維持某一物種個體的最大數(shù)量[5]。隨著水資源開發(fā)利用與社會可持續(xù)發(fā)展之間存在的矛盾日益突出，20世紀(jì)90年代以來，專家、學(xué)者們對于水資源承載力的概念提出了不同的理解：①在一定的生活標(biāo)準(zhǔn)和生態(tài)條件下，不影響社會和生態(tài)和諧的情況下，特定區(qū)域內(nèi)可利用的水資源量可以支持城市規(guī)模、社會經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的限度或能力[6]；②在某歷史發(fā)展階段下，基于可持續(xù)發(fā)展的原則，以社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平為依據(jù)，以維護(hù)生態(tài)和諧發(fā)展為條件，經(jīng)過科學(xué)地優(yōu)化配置，能夠提供給該區(qū)域經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的最大支撐力[5]；③處于開發(fā)利用水資源的某個時期，滿足生態(tài)用水的可利用總水量能夠維系有限發(fā)展目標(biāo)的最大的社會—經(jīng)濟(jì)規(guī)模[4]；④關(guān)于水資源承載能力定義的表述方式類似，即水資源承載力是基于社會、經(jīng)濟(jì)、人口、生態(tài)資源等復(fù)雜系統(tǒng)的耦合，衡量一個地區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展受水資源制約的閾值[4]。

經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者多年的深入研究，水資源承載力的研究方法已從單一目標(biāo)、靜態(tài)分析發(fā)展到多目標(biāo)、動態(tài)綜合分析。施雅風(fēng)[7]等運(yùn)用常規(guī)趨勢法，結(jié)合烏魯木齊河流域?qū)嶋H情況，對其流域水資源承載力進(jìn)行了評價，此方法是一種數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析方法，通過選擇單項(xiàng)或者多項(xiàng)指標(biāo)，這些指標(biāo)雖然可以直觀、簡便的反映區(qū)域水資源承載力的狀況，但是此方法忽略了各指標(biāo)間的關(guān)系，不能全面地反映研究區(qū)域的水資源承載力；陳冰[8]等將系統(tǒng)動力學(xué)法運(yùn)用到柴達(dá)木流域水資源承載力評價中，此方法是一種復(fù)雜系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真模型。基于此方法的水資源承載力評價模型，分析速度快，但此方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，變量多，對數(shù)據(jù)的要求高；翁文斌[9]等采用多目標(biāo)分析法對華北地區(qū)水資源承載力進(jìn)行了分析評價，多目標(biāo)分析法通過降維算法，將研究問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)進(jìn)行規(guī)劃，然后利用優(yōu)化算法進(jìn)行求解，確立目標(biāo)函數(shù)和選擇合適的降維算法是該方法的重點(diǎn)和難點(diǎn)。綜合評價法通過建立評價指標(biāo)體系，綜合各指標(biāo)值的評價結(jié)果，獲得對水資源承載力更全面的判斷。目前，綜合評價的方法有很多，王順久[10]等采用投影尋蹤法對淮河流域水資源承載力進(jìn)行了分析評價。上述綜合評價法將水資源承載力評價標(biāo)準(zhǔn)或參照標(biāo)準(zhǔn)處理成點(diǎn)型，處理方法仍存在一定的不足。本文采用可變模糊集理論對瑪納斯河流域和塔里木河流域水資源承載力評價，能夠科學(xué)、合理地確定樣本指標(biāo)對各級指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間的相對隸屬度和相對隸屬函數(shù)，通過變化模型及其參數(shù)，可以合理確定出待評價樣本水資源承載力的評價等級。

1 可變模糊模糊集理論

本文提出的區(qū)域水資源承載力評價的多指標(biāo)、多級別的可變模糊集理論方法，基本原理如下[11-13]。

設(shè)區(qū)域水資源承載力有n個待評價的樣本，樣本集合如下：

x={x1,x2,…,xn}

(1)

用m個指標(biāo)特征值來表示逐個樣本的特性，待評價樣本的特征值矩陣如下：

(2)

參考指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值矩陣和研究區(qū)域?qū)嶋H情況確定水資源承載力可變集合的吸引域矩陣：

Iab=([a,b]in)

(3)

其中，i=1，2，…，m(m為評價指標(biāo)數(shù))；h=1，2，…，c(c為級別數(shù))。

根據(jù)已知Iab，可構(gòu)造變動區(qū)間的范圍域矩陣Icd：

Icd=([c,d]ih)

(4)

結(jié)合實(shí)際情況和標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間矩陣Iab，確定水資源承載力的M矩陣：

M=(mih)

(5)

應(yīng)用差異函數(shù)公式(6)—(9)，分別計(jì)算指標(biāo)i對h級的相對隸屬度矩陣：

當(dāng)xi落在Mih左側(cè)時：

(6)

(7)

當(dāng)xi落在Mih右側(cè)時：

(8)

(9)

h=1,2,…,c。

設(shè)m個指標(biāo)的權(quán)重為：

w={w1,w2,…,wm}

(10)

根據(jù)式(11)計(jì)算樣本j對各級別的綜合相對隸屬度：

(11)

式中wi——指標(biāo)權(quán)重；m——指標(biāo)特征參數(shù)；α——模型優(yōu)化準(zhǔn)則參數(shù)，α=1，最小一乘方準(zhǔn)則，α=2，最小二乘方準(zhǔn)則；P——距離參數(shù)，P=1，海明距離，P=2，歐式距離。

根據(jù)式(11)計(jì)算、歸一化，得綜合相對隸屬度矩陣：

U= (μ(j) h)

(12)

級別特征值公式：

H=(1,2,…,c)·U

(13)

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 瑪納斯河流域水資源承載力評價

2.1.1評價指標(biāo)及分級

水資源承載力評價指標(biāo)體系的制定基于研究區(qū)域的實(shí)際情況，均有差異，因此，沒有統(tǒng)一的適用于全國范圍的水資源承載力評價指標(biāo)體系。不同地區(qū)水資源承載力評價的不同方案會有所偏重,如偏重經(jīng)濟(jì),偏重生態(tài),偏重社會效應(yīng)等。衡量一個地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的水資源承載力通常要綜合考慮若干因素,使水資源承載的各項(xiàng)目標(biāo)與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)保持一致。根據(jù)水資源承載力評價指標(biāo)體系和本節(jié)研究區(qū)域的實(shí)際情況,并考慮到可操作性[6]，針對生態(tài)脆弱的內(nèi)陸干旱區(qū)特點(diǎn)，選取具有科學(xué)性、代表性、系統(tǒng)性等特點(diǎn)的指標(biāo)作為評價指標(biāo)，見表1。該指標(biāo)體系包括：水資源子系統(tǒng)、社會發(fā)展子系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展子系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)4個方面，具有一定代表性。各分級標(biāo)準(zhǔn)及意義如下：I級為較優(yōu)良，表示水資源的開發(fā)潛力較大，具有樂觀的供給形勢；III級為較差，表示水資源開發(fā)已趨于飽和，開發(fā)潛力小，如不采取相關(guān)政策、措施，將制約該地區(qū)的發(fā)展；II級則是介于I級、III級中間，表示該區(qū)域水資源的開發(fā)利用有一定規(guī)模，但仍有開發(fā)潛力，水資源量在一定程度上可以滿足該區(qū)域的發(fā)展需求[14]。

2.1.2指標(biāo)權(quán)重的確定

對于可變模糊集理論的水資源承載力評價模型，評價因子的重要程度由其指標(biāo)權(quán)重反映，不同權(quán)重分配方案會得出不同結(jié)果；由于本文采用可變模糊集理論的水資源承載力評價模型得到的結(jié)果與升半Г型分布指數(shù)公式法[15]所得結(jié)果進(jìn)行對比，升半Г型分布指數(shù)公式法采取的是等權(quán)重，為了使對比更客觀，本文也采用等權(quán)重。

2.1.3確定綜合隸屬度

根據(jù)上文所述可變模糊集理論的水資源承載力評價模型，分別采用4種不同組合的模型參數(shù)，計(jì)算出級別特征值，評價結(jié)果見表2。

表1瑪納斯河流域水資源承載力評價指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)及評價樣本

子系統(tǒng)序號評價指標(biāo)單位分級標(biāo)準(zhǔn)I高II中III低待評價樣本指標(biāo)值2000年2010年2020年水資源子系統(tǒng)x1人均水資源量m3/人≥1 700500～1 700≤5002 5823 3703 454x2水資源利用率%≤1030～10≥3090.390.187.9x3單位面積水資源量104 m3/km2≥4520～45≤2019.9726.0626.71社會發(fā)展子系統(tǒng)x4人口自然增長率%≤0.31.6～0.3≥1.61.1191.1990.6x5城鎮(zhèn)化率%≥7040～70≤405659.768.7x6生活用水定額L/(d·人)≤70130～70≥130108118.9137.9經(jīng)濟(jì)發(fā)展子系統(tǒng)x7工業(yè)萬元產(chǎn)值需水m3≤20100～20≥1001358354x8工業(yè)用水重復(fù)率%≥8030～80≤30536270x9人均GDP美元/人≥3 0001 000～3 000≤1 0009712 7806 527x10灌溉水利用系數(shù)≥0.90.5～0.9≤0.50.660.680.71x11第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占GDP比重%≥6030～60≤3033.938.340生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)x12林草覆蓋率%≥6015～60≤152.65.47.7x13生態(tài)環(huán)境用水率%≥52～5≤27.710.712.7x14污水處理率%≥7045～70≤45257080

表2 可變模糊集理論評價結(jié)果

2.1.4結(jié)果分析

4組不同參數(shù)組合的計(jì)算所得的4種組合級別特征值，求其均值后，直觀地反映出不同參數(shù)組合下的評價結(jié)果穩(wěn)定，證明了可變模糊評價法有著較高的可靠性。

表2中，2000、2010、2020年瑪納斯河流域的級別特征值分別為2.38、2.29、2.20，水資源承載力均處于II級，級別特征值隨年限的增長逐漸減小，表明水資源承載力水平隨年限的增長逐漸上升，與實(shí)際相符。

本文采用可變模糊集理論得到的水資源承載力等級和升半Г型分布指數(shù)公式法[15]結(jié)果在2000年和2010年一致，均為II級，但是在2020年略有差別，見表2。分析2020年瑪納斯河流域水資源承載能力，分析各指標(biāo)實(shí)測值落入各級別的標(biāo)準(zhǔn)值區(qū)間，其中7個指標(biāo)實(shí)測值落在II級區(qū)間，而4個指標(biāo)值實(shí)測值落在III級區(qū)間，顯然可變模糊集理論比升半Г型分布指數(shù)公式法[15]更加合理。

2.2 塔里木河流域水資源承載力評價

2.2.1評價指標(biāo)及分級

塔里木河流域水資源承載力評價指標(biāo)體系的選取原則如本文2.1.1所述，在此不再贅述。本節(jié)提出的塔里木河流域水資源承載力評價指標(biāo)體系，包含7個指標(biāo)，5個地區(qū)阿克蘇、和田、克州、喀什、巴州地區(qū)，見表3。塔里木河流域概況見圖1。

表3 塔里木河流域水資源承載力評價指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)及評價樣本

2.2.2指標(biāo)權(quán)重的確定

對于可變模糊集理論的水資源承載力評價模

型，評價因子的重要程度由其指標(biāo)權(quán)重反映，不同權(quán)重分配方案會得出不同結(jié)果；由于本文采用可變模糊集理論的水資源承載力評價模型得到的結(jié)果與升半Г型分布指數(shù)公式法[15]所得結(jié)果進(jìn)行對比，升半Г型分布指數(shù)公式法采取的是等權(quán)重，為了使對比更客觀，本文也采用等權(quán)重。

2.2.3確定綜合隸屬度

根據(jù)上文所述可變模糊集理論，分別采用4種不同組合的模型參數(shù)，計(jì)算出級別特征值，評價結(jié)果見表4。

表4 可變模糊集理論評價結(jié)果

2.2.4結(jié)果分析

由表3可見，塔里木河流域克州地區(qū)級別特征值為1.43，水資源承載力處于I級，阿克蘇、和田、喀什、巴州級別特征值分別為2.05、1.60、1.95、1.57，水資源承載力處于II級，其水資源承載力從大到小依次為克州、巴州、和田、喀什、阿克蘇。評價結(jié)果見圖2，顏色越深表示水資源承載力越大。

本節(jié)采用可變模糊集理論得到的水資源承載力評價結(jié)果和采用的投影尋蹤模型[16]得到的結(jié)果在地區(qū)水資源承載力排序上一致，與采用的升半Г型分布指數(shù)公式法[15]得到的結(jié)果在地區(qū)水資源承載力排序上大致相同，差別在于升半Г型分布指數(shù)公式法得到的水資源承載力評價結(jié)果是阿克蘇>喀什；分析兩地各指標(biāo)實(shí)測值落入各個級別的標(biāo)準(zhǔn)值區(qū)間，耕地灌溉率、水資源利用率2個評價指標(biāo)方面，阿克蘇和喀什兩地雖然一致，但是阿克蘇實(shí)測指標(biāo)值更大，水資源承載力更差；在水資源開發(fā)程度上，阿克蘇為III級，喀什為II級，人均供水量阿克蘇為II級，喀什為III級，且二文均采取的是等權(quán)重的情況，故可排除這2個評價指標(biāo)的影響；綜上所述，喀什水資源承載能力比阿克蘇好。經(jīng)過3種方法的對比可得，可變模糊集理論優(yōu)于升半Г型分布指數(shù)公式法。

3 結(jié)論與展望

a) 本文基于可變模糊集理論對生態(tài)脆弱地區(qū)水資源承載力時空變化進(jìn)行了研究，瑪納斯河流域水資源承載力水平逐年上升，塔里木河流域5個行政區(qū)水資源承載力水平存在差異；可變模糊集理論采用動態(tài)變化的標(biāo)準(zhǔn)值區(qū)間，能夠準(zhǔn)確計(jì)算出樣本指標(biāo)對于每一級指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間的相對隸屬函數(shù)、相對隸屬度，同時改變評價模型及參數(shù)，最終確定出待評價樣本的等級；通過與升半Г型分布指數(shù)公式法、投影尋蹤法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明，可變模糊集理論在水資源承載力評價中能夠取得科學(xué)、合理的結(jié)果。

b) 結(jié)合本文來看，瑪納斯河、塔里木河流域2個研究區(qū)域評價指標(biāo)體系及其標(biāo)準(zhǔn)存在差異，說明可變模糊集理論的關(guān)鍵在于建立科學(xué)、合理的評價指標(biāo)體系及標(biāo)準(zhǔn)，評價指標(biāo)能夠有效反映研究區(qū)域水資源承載力的大小，目前評價指標(biāo)的選擇多是根據(jù)專家實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)主觀確定，對于評價指標(biāo)體系的建立、評價標(biāo)準(zhǔn)的確定還有待深入。

c) 瑪納斯河、塔里木河流域水資源承載力等級近似均為II級，說明水資源開發(fā)潛力適中，為了實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用的目標(biāo)，結(jié)合評價指標(biāo)體系，分析各評價因子隸屬度，在研究區(qū)域未來的發(fā)展過程當(dāng)中，應(yīng)建立和實(shí)施合理的水資源開發(fā)、利用和保護(hù)措施。