基于模糊集對分析法的新疆水資源安全評價

張志君，陳伏龍，龍愛華,2，何新林，喬長錄

(1.石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000；2.中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038)

水作為一種自然資源，是維持人生命、促進社會經濟發展、保障良好生態環境的基礎物質。在全球氣候變暖背景下，可利用的水資源與人類日益增長的用水需求之間的矛盾日益凸顯，導致水資源短缺、水土流失和水生態環境破壞等一系列水安全問題[1]。新疆位于我國西北干旱地區，水安全環境顯得尤其脆弱，主要體現在：不合理的開發利用方式與灌溉定額導致低水平的用水效益及區域土壤鹽漬化；農業用水擠占生態用水，使得下游天然綠洲萎縮，生態環境進一步惡化；上游與中下游用水需求的競爭關系，擴大了區域生產用水的矛盾[1-2]。

目前，區域水資源安全評價方法主要有模糊綜合評價法[3]、物元分析法[4]、投影尋蹤法[5]、神經網絡法[6]和綜合指數法[7]等。以上方法為區域水資源安全評價提供了有效的手段，但同時存在一些不足之處，例如:神經網絡法需要用大量典型樣本作為測試集進行訓練，算法易陷入局部極值而導致訓練失敗；模糊綜合評價方法存在較難確定合理的隸屬度函數的問題[8]，且由于隸屬度函數的差異會導致評價同一個對象的評價結果差異較大。集對分析法是一種處理事物確定與不確定性關系的有效方法，是我國學者趙克勤[9]在1989年提出的，2009年王文圣等[10]在此基礎上提出了簡單折線式的模糊集對分析法，已廣泛應用于水資源安全[11]、水資源承載力[12]、水資源可持續利用[13]、調水效益[14]等方面的評價。目前對新疆水資源研究多關注于水資源承載力[15]、水資源與社會經濟發展協調度[16]等方面，對新疆水資源安全評價研究較少。本文利用基于模糊集對分析的水安全評價方法對新疆水資源安全進行評價。

1 研究區概況

新疆位于我國西北地區，地理坐標73°40′E～96°18′E、34°25′N～48°10′N，總面積166萬km2，具有氣候干燥、降雨量少、水資源短缺等典型干旱區特征。新疆分為南疆(巴州、阿克蘇地區、克州、喀什地區和和田地區)、北疆(烏魯木齊市、克拉瑪依市、昌吉州、博州、伊犁州、塔城地區、阿勒泰地區和石河子市)和東疆(吐魯番市和哈密市)3部分，綠洲多位于沿河流域及盆地邊緣，水資源受典型干旱區山地-綠洲-荒漠的自然因素和人文因素的雙重影響[16]。2016年新疆的年降水量229.7 mm，水資源總量為 1 093億m3，年需水總量為565.4億m3，其中農業用水533.4億m3，占總需水量的94.3%，比全國平均水平高50.6%。生態環境用水率1.1%，僅為全國平均值的1/2。近年來，隨著新疆城鎮、工農業經濟的不斷發展，用水總量已經超過其紅線控制值，地下水利用程度增加過快，水資源開發過度導致生態趨于惡化，水資源安全問題日益突出。

2 評價方法

基于模糊集對分析法的新疆水資源安全評價流程為：①建立新疆區域水資源安全評價指標體系；②確定各評價指標等級劃分標準；③通過熵權法確定評價指標的權重；④采用模糊集對分析法求得單指標聯系度；⑤將單指標聯系度與準則層及目標層權重結合，得到準則層及目標層水資源安全評價綜合聯系度；⑥運用置信度準則與級別特征值法確定水資源安全的評價等級；⑦利用減法集對勢確定需要調控的區域；⑧將評價結果與物元分析法及綜合指數法進行比較分析。

2.1 建立評價指標體系

區域水資源安全評價指標體系是反映評價結果客觀、真實的有效依據。評價指標的選取遵循可靠性、代表性和可獲性等原則，采用定量與定性相結合的方法[3]，結合區域水資源現狀，建立全面、綜合反映新疆水資源安全狀況的評價指標體系如表1所示(表中括號中數據為各指標權重，其中C1～C4、C8、C11、C12、C14～C17為越大越優型指標(效益型指標)，其他為越小越優型指標(成本型指標)。本文將水資源安全評價指標體系分為目標層A、準則層B和指標層C，其中目標層A為“區域水資源安全”，共16個對象(即A1～A16，其中北疆8個、南疆5個、東疆2個及新疆整體)，準則層分別為“水資源層B1”“社會經濟層B2”“生態環境層B3”和“供需層B4”，指標層由指標C1～C18組成，見表1。

表1 新疆水資源安全評價指標體系及權重
Table1Regionalwaterresourcessafetyevaluationindexsystemandweight

2.2 確定指標等級標準

依據新疆水資源安全評價指標體系，借鑒與研究區相似地區的水資源安全評價成果[3,17-19]，將水資源安全評價等級劃分為5級。其中1級(非常安全)表示被評價對象水資源系統自我修復能力較強，各項功能良好，基本無水危機及水災害事件；2級(安全)表示水資源系統自我修復能力良好，各項功能比較正常，水危機及水災害事件較少；3級(基本安全)表示水資源系統自我修復能力基本正常，各項功能大部分正常，發生部分水危機及水災害事件；4級(不安全)表示水資源系統自我修復能力和各項功能遭受較大破壞，水危機及水災害事件增加；5級(極不安全)表示水資源系統自我修復能力和各項功能遭受嚴重破壞，水危機及水災害事件頻率極高[20]，具體參數見表2。

2.3 熵權法確定權重

權重是反映評價指標相對于評價對象的重要性程度，熵權法是一種可以盡量消除人為主觀干擾的賦權法，參照文獻[21]，采用熵權法確定評價指標權重的步驟如下：①選取m個評價對象，n個指標，形成初始數據矩陣X=(xij)m×n(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)；②將初始數據分成效益型指標和成本性指標，形成標準化矩陣R=(rij)m×n；③確定第j個評價指標的熵值；④確定第j個評價指標的權重：

表2 新疆水資源安全評價等級劃分標準Table 2 Xinjiang Water Resources Safety Evaluation Grade Classification Standard

(1)

式中：wj為第j個評價指標權重；n為評價指標總數；h′j為第j個評價指標的熵值。

2.4 模糊集對分析法確定聯系度

2.4.1模糊集對分析法評價原理

在利用模糊集對分析法對水資源安全進行評價時，設由n個指標構成的評價對象集合為A={x1,x2,…,xn}，指標xj第k級評價標準集合為Zk(k為評價等級數，k=1,2,…,K)，則集合A與Zk形成集對H(A,Zk)，為了方便計算，同時避免評價指標間作用差距較大引起的差異[10-11]，將Zk特定為指標xj第1級標準構成的集合Z1，則集合A與Z1構成集對H(A,Z1)，指標j的聯系度μj[10]為

μj=μA～Z1=a+b1I1+b2I2+b3I3+cJ

(2)

其中

a+b1+b2+b3+c=1

式中：a為集對H(A，Z1)的同一度分量，表示指標xj隸屬于1級標準的可能性；b1、b2、b3為集對H(A，Z1)的差異度分量，表示指標xj隸屬于2、3、4級標準的可能性；c為對立度分量，表示指標xj隸屬于5級標準的可能性[22]；I1、I2、I3為差異度分量系數；J為對立度系數，通常取-1[10]。

2.4.2單指標聯系度計算

區域水資源安全評價等級標準分5級，一個門限值對應一個等級區間，4個門限值分別為S1、S2、S3、S4，等級門限邊界的模糊性問題采用差異度分量處理。效益型指標(S1≥S2≥S3≥S4)和成本型指標(S1≤S2≤S3≤S4)聯系度μj的計算公式[10-11]分別為

μj=μA～Z1=

(3)

μj=μA～Z1=

(4)

2.4.3樣本綜合聯系度計算

a. 準則層綜合聯系度。利用單指標聯系度，結合準則層內部各指標權重，得準則層綜合聯系度[23]：

(5)

式中：s是各準則層中指標個數；wj是準則層第j個指標的權重。

b. 目標層綜合聯系度。依據單指標聯系度，結合指標層權重，得目標層綜合聯系度[10,23]：

(6)

式中：n是目標層中指標總數；wj是目標層第j個指標的權重。

2.5 確定評價等級

采用置信度準則確定水資源安全狀態等級[11,14]，判斷隸屬度等級的公式為

hk=f1+f2+…+fK>λ

(7)

式中：hk為屬性測度；λ為置信度，取值范圍通常為[0.5,0.7][11,23]；f1、f2、f3、f4、f5為5個評價等級(本文k=5)的聯系度分量[23]，對于給定的λ，當hk-1≤λ，且hk>λ時，評價結果屬于第k級，λ取值越大，評價結果越偏向于保守[11]。

利用級別特征值法[24]能夠克服模糊隸屬度函數判別結果失真的缺點，增強評價結果的合理性。結合式(5)、式(6)，得出對應水資源安全評價級別的特征值gk為

gk=f1+2f2+3f3+4f4+5f5

(8)

2.6 識別水資源安全調控區域

在集對分析理論中，減法集對勢是式(6)樣本綜合聯系度的伴隨函數，能將差異度分量b值按比率值法進行分配[8]，根據金菊良等[25]提出的n元減法集對勢函數sf(u)=(a-c)(1+b1+b2+…+bK-2)，利用“均分原則”[9]，將sf(u)劃分為5個勢級[24]，當sf(u)∈[-1.0,-0.6)時為反勢，sf(u)∈[-0.6,-0.2)時為偏反勢，sf(u)∈[-0.2,0.2]時為均勢，sf(u)∈(0.2,0.6]時為偏同勢，sf(u)∈(0.6,1.0]時為同勢。處于反勢或偏反勢的區域，是水資源安全調控的主要區域[24-25]。

3 評價結果與分析

根據2017年《新疆統計年鑒》《石河子統計年鑒》及2016年《新疆水資源公報》等相關文獻中的數據，運用Matlab軟件編程，取λ=0.5,依據置信度準則確定評價等級，得到2016年新疆15個行政區及新疆整體水資源安全準則層綜合評價等級如表3所示，其中水資源層和社會經濟層各等級評價對象面積占新疆總面積比例見表4。

表3 新疆水資源準則層安全等級Table 3 Xinjiang water resources standards layer safety level

表4 水資源層和社會經濟層等級分布區域占新疆總面積比例Table 4 The proportion of water resources and socio-economic level distribution to the total area of Xinjiang

由表3可得，新疆整體的水資源準則層水資源安全評價等級均屬于基本安全等級(3級)，在生態環境層中，北疆偏向于4級，南疆、東疆屬于4級；在供需層中，北疆偏向于2級，南疆和東疆屬于3級。

結合表4可見，在水資源層中，北疆、南疆水資源安全評價等級分級明顯，北疆分布在1級、3～5級，南疆偏向于2級，東疆屬于4級。在社會經濟層中，北疆水資源安全等級分布在2、3級，南疆分布在3～5級，東疆分布在3、4級。結合相關水資源論證的規劃報告及實際社會經濟發展情況，該評價結果與實際情況較為符合。

結合模糊集對分析方法評價步驟，利用置信度準則法、級別特征值法得出新疆水資源目標層的水資源安全評價等級，并用減法集對勢法進行空間診斷分析，結果見表5。

表5 新疆水資源安全評價等級及減法集對勢值Table 5 Xinjiang water resources safety evaluation level and subtraction set against potential values

由表5可知，新疆水資源安全等級屬于3級，北疆分布在2～4級，南疆分布在3、4級，東疆屬于4級。依據置信度準則判斷水資源安全等級，位于同一個等級，hk越大安全程度越高，屬于3級由高到低的順序為：塔城、博州、阿勒泰、巴州、克州、克拉瑪依、昌吉、和田、烏魯木齊；屬于4級由高到低的順序為：吐魯番、阿克蘇、哈密、喀什、石河子。級別特征值法判斷出伊犁水資源安全等級最優(2級)，吐魯番市水資源安全等級最差(4級)，其余地區評價結果大體相同。由減法集對勢判斷出吐魯番、哈密、喀什、阿克蘇、石河子5個地區處于偏反勢，是區域水資源安全調控的主要對象。

將本文綜合評價結果與物元分析法[4]及綜合指數法[7]的評價結果進行比較分析，結果見表6。本文基于模糊集對分析法的評價結果與物元分析法相比有14個相同，有2個相差1級；與綜合指數法相比，評價結果有12個相同，有4個相差1級，3種評價方法的評價結果相近，表明模糊集對分析法的評價結果具有合理性。

4 結 論

a. 新疆整體水資源安全狀況屬于基本安全等級，水資源安全等級空間分布上北疆最好、南疆其次，東疆最弱。減法集對勢法識別出需要重點調控的5個地區是吐魯番、哈密、喀什、阿克蘇、石河子，與目標層評價結果較為符合，減法集對勢法能較為簡便、直觀地識別出水資源安全的脆弱性樣本。

b. 新疆水資源層安全等級空間分布上，呈現南、北強東弱格局，社會經濟層中呈現北、東強南弱格局，生態環境層普遍處于不安全水平，供需狀況基本滿足要求。

表6 3種評價方法評價結果比較Table 6 Comparison of evaluation results of three evaluation methods

c. 基于模糊集對分析的水資源安全評價方法與物元分析法和綜合指數法評價結果大體相同，應用于干旱區水資源安全評價具有一定的推廣價值。