新疆瑪納斯河流域水資源可持續利用水平評價

周學磊

(新疆瑪納斯河流域管理局，新疆 瑪納斯 832200)

0 引 言

水資源屬于保障國家和區域生產發展不可或缺的重要資源，水污染和水資源短缺問題的進一步加劇，使得學者和有關政府越來越注重流域水資源可持續利用能力的評價研究，其對促進人水和諧發展及充分合理的利用水資源發揮著重要作用[1]。

瑪納斯河流域橫跨多個地(州)、兵團，其占地面積8.432萬km2，地形呈北低南高的變化特征。該流域為大陸性干旱氣候，多年平均降水量110-200mm，屬新疆維吾爾自治區重要的糖、棉、糧生產基地和主要的農業生產區。其中，呼圖壁河、巴音溝河、瑪納斯河和金溝河等為構成瑪納斯河流域的主干支流，人口的增長、農業耕地面積的增加以及社會經濟規模的發展壯大等，使得流域內生態環境區域惡化及水資源供需矛盾更加突出，對當地生態-社會-經濟系統的可持續發展產生直接的不利影響。為解決以上問題，當前亟需運用科學的方法綜合評價綠洲水資源可持續利用能力水平[2-6]。文章結合現有文獻資料和流域水資源利用現狀，綜合考慮生態環境、經濟、社會和水資源等方面要素建立評價體系，運用改進障礙因子診斷模型和突變級數法識別了流域水資源利用影響因素及可持續利用能力，以期流域水資源管理規劃和合理高效利用水資源提供決策依據[7-10]。

1 評價方法

1.1 突變級數法

1972年法國學者勒內托姆基于各參評因子的相對重要度，創立了一種運算簡便、結果客觀、準確度高的突變理論法，現已在績效考核、資源環境評價等領域得到廣泛的應用。然而，該方法對于主、次控制變量的選擇易受主觀判斷的影響，從而導致評價結果受主觀干擾的影響較大。所以，文章將主成分分析法與突變級數法有機結合，用于確定評價模型的主、次控制變量，其主要流程為：

1)步驟1：根據水資源利用現狀和流域水源管理要求，考慮各方面影響要素構建可持續利用突變評價體系。

2)步驟2：考慮評價體系結構層次確定突變類型，其中國內學者廣泛應用的有燕尾、蝴蝶、突變和尖點突變3種類型，一般適用于4個或2個子系統的評價分析。

3)步驟3：將水資源利用評價因子初始數據利用突變系統的分歧方程式處理，轉化為標準數據形式。

4)步驟4：采用合適的方法準確評價水資源可持續利用水平，歸一化處理后的各突變系統數據屬于一種模糊性多維度的隸屬函數，將其按照不同的函數類型劃分為多個類別，對控制變量按照互補準則取平均值作為最終的評價結果。

1.2 改進障礙度模型

充分了解不同時期和各個區域的水資源開發現狀為評價分析水資源可持續利用的重要條件，同時還要準確識別顯著影響水資源系統的關鍵因素，進一步分析其內在關系，進而提高水資源可持續利用評價的準確度和可靠性。所以，本文將突變級數模型和障礙因子診斷模型相耦合用于流域水資源的評價研究，先利用公式(1)獲取參評因子的偏離度，即：

Iij=1-xij

(1)

式中：xij、Iij為參評因子i關于評價時期(或地區)j的標準化值和偏離度。

然后將各控制變量的偏離度利用歸一化方法處理，由此得到被診斷指標的突變級數，評價體系的上一級障礙度即為標準化處理后的該級數值；將其它各層次中被診斷對象的障礙水平反復利用該歸一化方法處理，可實現各子系統的障礙度測算，依據障礙水平準確識別關鍵性要素。

1.3 主成分分析PCA法

突變級數模型的綜合評價體系中，各控制變量的主次關系運用主成分法獲取。樣本數據的最大變異方向可利用PCA法的第一主成分表征，同時初始變量與第一主成分存在較強的相關性，所以水資源可持續利用水平各評價指標權重選用存在最大特征根的特征向量的各分量，由此實現各參評要素的重要性排序。將突變級數模型與主成分分析法有機結合，為突變級數模型的應用創造了條件，保證了各層次參評因子的橫向排序和評估結果的客觀準確性。

1.4 水資源可持續利用評價體系

新疆瑪納斯河流域管理局作為流域管理單位，統籌全流域水資源的調配，依據瑪納斯河水資源利用現狀和現有文獻研究成果，從生態環境、經濟、社會和水資源4個方面選擇13項水資源可持續利用評價因子，按照梯階層次結構建立適用于該流域的綜合評價體系，瑪納斯河流域綜合評價體系及其初始值，見表1。然后借鑒瑪納斯河流域水資源公報、各地區統計年鑒、水資源發展規劃等資料提取現狀水平年各參評因子初始數據，結合以往數據資料和當前發展規劃預測2025年各因子值。根據國家公認的評判標準和流域水資源特點，將可持續利用水平劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級，各層級下參評因子值，流域水系統評價等級，見表2，其中Ⅰ級代表流域水資源可持續利用潛力較小、總體水平較低；Ⅲ代表流域水資源可持續利用潛力巨大、總體水平較高；Ⅱ級處于以上兩級之間，即流域水資源存在一定的利用潛力，總體處于中等水平。

表1 瑪納斯河流域綜合評價體系及其初始值

表2 流域水系統評價等級

2 實例應用

根據瑪納斯河流域2005年、2015年和2025年水資源利用各參評因子值，運用改進障礙因子診斷模型、突變級數法和評價體系臨界值，識別分析流域水資源可持續利用障礙性因子以及不同時期的變化特征。

2.1 數據處理

為便于構建突變級數模型及消除不同參評要素間的量綱差異，應先利用下述公式歸一化處理正向和負向評價因子的初始數據，即：

(2)

(3)

式中：x(i,j)、v(i,j)為參評因子i對于評價時期j的初始數據和歸一化評價值；xmax(j)、xmin(j)為參評因子i對于各評價時期的最大與最小值。將表1中各參評指標初始數據采用公式(2)、(3)作歸一化處理，歸一化處理的各參評指標值，見表3。

表3 歸一化處理的各參評指標值

通過歸一化處理各參評因子數據，對評價體系中間層次的單個指標所包含的相對重要度利用主成分分分析，依據分析結果排列各指標；同時，將中間層單個指標數據運用突變級數法處理，多次重復運算后獲取所有層次的評價因子數據，為避免各單項評估因子突變級數處理過程中出現的聚集現象，運用歸一化公式(2)處理后作主成分分析，依據重要度大小排列目標層單個指標，從而獲取最終評價等級。

2.2 可持續利用水平分析

采用突變級數法評價分析瑪納斯河流域水資源利用水平，2005年、2015年、2025年不同時期的可持續利用水平，瑪納斯河流域水資源可持續利用綜合評估值及其排序，見表4。

表4 瑪納斯河流域水資源可持續利用綜合評估值及其排序

根據各子系統得分、排序及其綜合評價值可知：

1)2005年生態環境與水資源系統總體處于Ⅰ級狀態，水系統可持續利用水平較低；經濟和社會發展子系統總體處于Ⅰ級狀態，流域水系統可持續利用整體為中等，總體而言瑪納斯河流域總體處于中等可持續利用狀態。

2)2015年瑪納斯河流域各子系統值均呈現出一定的上升趨勢，除水資源系統為Ⅰ級(低)水平外生態環境、經濟和社會發展系統均達到Ⅱ級水平，水系統可持續利用總體處于中等狀態；總而言之，該時期仍處于Ⅱ級中等水平，較2005年該時期綜合評價值得以大幅度提升，從最初的0.686上升至0.781。

3)2025年瑪納斯河流域各子系統值仍表現出上升趨勢，生態環境、水資源、經濟和社會發展系統均達到Ⅱ級水平，流域水系統可持續利用處于中等狀態；總而言之，該時期仍處于Ⅱ級中等水平，較2010年該時期綜合評價值得以大幅度提升，從2015南的0.781上升至0.830。

綜上分析，瑪納斯河流域不同時期的水資源可持續利用水平總體呈良性循環發展趨勢，水系統環境、水資源、經濟、社會各子系統之間相互協調，該流域今后的發展模式仍以優質高效發展模式為主。

2.3 障礙因子診斷

根據瑪納斯河流域不同時期的評價結果，采用改進診斷模型進一步識別關鍵性障礙因子，各評價指標和子系統的障礙度運算。瑪納斯河流域評價體系中各子系統障礙度，見表5。

表5 瑪納斯河流域評價體系中各子系統障礙度

從表5可知，在不同時期4個子系統阻礙程度存在較大的差異。其中，生態環境、社會發展和水資源子系統為抑制2005年水資源可持續利用的關鍵因子；社會發展和水資源系統為抑制2015年水資源可持續利用的關鍵因子，該時期的生態環境系統得到一定程度的改善；社會發展和水資源系統為抑制2025年水系統開發的關鍵因子。所以，社會發展模式及資源性缺水為阻礙西北內陸干旱區可持續發展的根本原因。

表6 瑪納斯河流域評價體系中各子系統障礙度

由于瑪納斯河流域水資源系統覆蓋范圍廣、參評要素多，文章按照指標層障礙度的大小將可持續利用水平障礙因素排序，貢獻率較大的前5位障礙因素，瑪納斯河流域評價體系中各子系統障礙度，見表6。從表6可以看出，2005年、2015年、2025年不同時期影響作用明顯的障礙因素相差不大。其中，不同時期排名靠前的要素有C2、C3、C11，可見瑪納斯河流域水資源可持續利用水平主要受到林草覆蓋率較低、單位面積水資源量不足及水資源開發利用率過高等因素制約。所以，應提倡中水、微咸水資源化及高效節水灌溉技術的推廣應用，采取保護水生態環境、發展節水型工業和減少農業用水總量等措施，以實現生態環境、經濟、社會與流域水資源的協調持續利用。

3 結 論

1)2005年、2015年和2025年瑪納斯河流域水資源可持續利用綜合評價值為0.686、0.781、0.830，可持續利用均處于Ⅱ級中等水平，該流域總體呈良性循環、健康發展趨勢，生態環境、水資源、經濟與社會各子系統之間相互協調，且今后的發展模式仍以優質高效發展模式為主。

2)為進一步識別阻礙流域水資源可持續利用的關鍵因子，從指標層和子系統兩個方面運用改進障礙因子法分析。結果發現，瑪納斯河流域水資源可持續利用水平主要受到水系統開發率過高、植被覆蓋度低及資源性缺水等因素制約。為實現生態環境、經濟、社會與流域水資源的協調持續利用，應提倡中水、微咸水資源化及高效節水灌溉技術的推廣應用，采取保護水生態環境、發展節水型工業和減少農業用水總量等措施。