基于AHP的阿拉爾市水資源系統評價研究

劉熙娟，于德珠，劉 云

(塔里木大學信息工程學院，新疆 阿拉爾 843300)

水資源是人類生存與社會經濟發展的基礎物資保障，是無法替代的自然資源。干旱地區社會經濟的發展受制于水資源尤為突出，在水資源量一定的情況下，隨著區域內人口的增加、經濟的發展以及農業種植面積的擴大，用水需求量不斷增大，加劇了水資源的供需矛盾。因此，當人類開發利用水資源時，必須按照水循環規律，合理利用水資源[1]。近年來，許多學者對水資源相關問題進行了大量卓有成效的研究，何鈺等[2]采用BP神經網絡模型和綜合指數評價法對嘉陵江南充段干流的水質進行了評價。楊子江等[3]，Changhai Wang等[4]，張斌等[5]利用系統動力學的方法分析了水資源承載力問題。Xijuan Liu等[6]利用系統動力學SD研究了阿拉爾市水資源承載能力。牛旭等[7]運用可拓層次分析法，研究了阿拉爾市水資源可持續發展問題。許麗[8]利用灰色系統模型分析了農業水資源供需平衡。劉昭陽[9]結合當地水資源自然賦存條件、開發利用現狀及其可持續利用發展要求，利用AHP層次分析法對莊河市水資源現狀進行了科學評價。艾亞迪等[10]應用AHP對西安市水資源開發利用狀況進行了Arcgis可視化分析。安強等[11]通過構建模糊綜合評價模型，綜合評價分析了河南省中原城市群水資源承載力水平。陳海濤等[12]基于熵權模糊綜合評價模型，對河南省近10年的水資源承載力展開了評價。綜上所述，前人關于水資源相關問題的研究可謂是碩果累累，為后續學者的研究提供了參考和經驗。本文參照前人研究成果，綜合利用層次分析法AHP和模糊綜合評價法FCE，選取影響水資源的相關客觀因素為評價指標，建立判斷矩陣，計算各指標權重，得到各指標的綜合評分，進而獲得客觀因素對評價指標權重的影響。這對阿拉爾市人口、環境、經濟、社會與水資源協調可持續發展有著重要的意義。

1 研究區現狀

新疆生產建設兵團第一師阿拉爾市，北起天山南麓山地，南至塔克拉瑪干沙漠邊緣，東臨沙雅縣，西抵柯坪縣，師市總面積693 968 hm2，其中阿拉爾市面積625 668 hm2。由塔里木的阿拉爾、沙井子2大墾區和四、五、六團3個獨立墾區組成。第一師阿拉爾市屬暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候，墾區平均氣溫10.8℃，極端最高氣溫35℃(沙井子墾區每隔5～10 a遇最高氣溫40℃)，極端最低氣溫-28℃(四團墾區最低氣溫為-33.2℃)。墾區長年氣候干燥、雨量稀少，冬季少雪，地表蒸發強烈，年均降水量為40.1～82.5 mm，年均蒸發量1 876.6～2 558.9 mm。

阿克蘇河、和田河、葉爾羌河在阿拉爾市交匯形成塔里木河,區域土壤由塔里木河沖積而成。市區處于塔里木河沖積平原二級階梯上，為地下水徑流排泄區，地下水埋深1.4～1.7 m，最低水位出現在1-2月，地下水位年度變化幅度為0.5～1.0 m。地下水徑流緩慢，流速為 0.02～0.05 m/晝夜，地下水流向自西向東，其水力坡度為0.04%～0.06%，地下水類型為河谷性沖積層潛水，地下水類型為硫酸鹽類水，礦度很高一般在1～5 g/L：普遍在3 g/L，局部高達10 g/L。

阿拉爾墾區緊鄰塔克拉瑪干沙漠，氣候極為干旱，水資源承載力薄弱。隨著墾區內土地耕種面積的不斷擴大以及新疆生產建設兵團在這里建市帶來人口的激增，使得墾區內水資源供需矛盾日益突出，嚴重影響著這一地區農業生產及社會經濟的發展。因此，合理開發利用水資源已成為阿拉爾市急需解決的問題之一。

2 評價方法

2.1 層次分析法AHP的應用

層次分析法[9,10,13,14](Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP)是將與決策有關的元素分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎上進行定性和定量分析的決策方法。該方法是美國運籌學家匹茨堡大學教授薩蒂于20世紀70年代初，提出的一種層次權重決策分析方法。層次分析法將復雜的決策系統層次化，通過逐層比較各種關聯因素的重要性來分析、決策提供定量的依據。

2.1.1 數據分層

從水資源的生態、社會、經濟效益這三個準則出發，分別選取若干能反應這三大效能的指標，建立水資源評價指標體系，見表1。

表1 水資源評價指標體系

2.1.2 層次分析法

1)水資源評價指標權重的確定

采用Santy的1-9標度方法[9，10]構建判斷矩陣，計算各指標權重，并對其進行一致性檢驗。以水資源評價指標體系中的目標層B的4個指標為例，構建水資源效益A-B判斷矩陣并進行一致性檢驗。

(1)構建判斷矩陣P，見表2。

表2 A-B判斷矩陣

(2)計算權重。

應用層次分析法計算權重的方法有很多，這里選取準確率比較高的方法——取列向量的算術平均[9,10]，計算矩陣對應的權重，得到如下結果：

W0=(0.480 4，0.254 2，0.207 2，0.058 2)

(3)一致性檢驗。

為了判斷上述權重值的合理性，需要進行一致性檢驗，具體過程如下所示：

計算矩陣的最大特征值

PW0=λmaxW0?λmax=4.177 4

進行一致性檢驗：根據下列公式進行一致性檢驗

式中：n為元素個數，RI(Random Index)為平均隨機一致性指標，取值可參考文獻[9，10]。可求得CI0=0.059 1，CR0=0.065 7<0.1，滿足一致性檢驗要求，說明各層次權重值可用于水資源評價。

2)子系統單個指標權重的確定

根據上述方法，可以計算目標層C中的10個指標的權重，并進行一致性檢驗，結果見表3～表6。

表3 B1-C判斷矩陣

表4 B2-C判斷矩陣

從表3～表6可以看出，文中選取的所有指標都滿足一致性檢驗要求，所確定的各層次的權重值具有一定的科學性。因而可以選取上述表中計算得出的權重進行后續的計算。

表5 B3-C判斷矩陣

表6 B4-C判斷矩陣

2.2 模糊綜合評價法FCE的應用

水資源承載力評價系統受自然、社會等多因素的綜合影響，具有隨機性、模糊性等特點，模糊綜合評價法[12,13](Fuzzy Comprehensive Evaluation，簡稱FCE)可以較好實現對水資源承載力進行多層次、多目標的綜合評價。模糊綜合評價法中評價因子主要是由隸屬度矩陣(評判矩陣)、因素集、評判集所構成。進行模糊綜合評價通常按以下步驟進行：

1)確定因素集：U={U1，U2，U3，…，Uk}(k=1，2，3，…)；

2)確定評判集：V={V1，V2，V3，…，Vk}(k=1，2，3，…)；

3)進行單因素評判得：ri={ri1，Vi2，Vi3，…，Vik}(k=1，2，3，…)；

4)構造綜合評判矩陣R；

5)綜合評判：結合層次分析法獲得的權重W，計算模糊綜合評價結果E，其中E=W×R。

3 結果分析

本文的數據來源于2008-2017年《新疆兵團第一師阿拉爾市統計年鑒》和知網數據平臺。將層次分析法和模糊綜合評價法結合，可以消除AHP中主觀因素的影響，也可以克服多層次評價的不足。本研究在層次分析法的基礎上使用模糊綜合評價法，根據社會、生態、經濟、水資源子系統，將數據分成4部分。以社會子系統為例，計算水資源綜合評價結果。原始數據如表7所示。

表7 社會子系統相關指標原始數據

使用FCE得到綜合評價結果E。詳細過程如下：

標準化數據。將表7中每年的數據使用歸一化方法標準化，結果如表8所示：

表8 標準化后的數據

2)確定評判矩陣。將表8中的數據處理后，可得到因素集的評判矩陣如下。

3)計算綜合隸屬度。計算權重和評判矩陣的乘積，可得到評價結果。

EB1=W1×RB1=(0.750 0 0.250 0)×

=(0.405 8 0.385 4 0.359 5 0.340 7 0.327 7 0.317 1 0.310 3 0.306 4 0.302 3 0.303 4)

對于其他3個子系統，可使用同樣的方法，得到B2, B3, B4對應的因素集評判矩陣，分別如下所示：

這3個子系統的權重分別為

W2=(0.549 9, 0.240 2, 0.209 8),W3=(0.486 9, 0.435 3, 0.077 8),W4=(0.857 1, 0.142 9)

計算得其他3個子系統的評價結果EB2，EB3，EB4如下

EB2=(0.476 4 0.498 6 0.512 9 0.521 0 0.488 6 0.474 1 0.535 1 0.532 7 0.534 0 0.533 0)

EB3=(0.081 8 0.082 0 0.082 7 0.083 1 0.082 9 0.083 0 0.082 7 0.083 8 0.081 9 0.081 9)

EB4=(0.797 6 0.777 8 0.759 7 0.701 0 0.672 8 0.626 3 0.604 5 0.591 1 0.568 6 0.539 4)

4)計算綜合評價結果。根據以上分析計算因子集的綜合評價結果，可用下式表示：

UE={UB1，UB2，UB3，UB4}

由此，可以得到綜合評價指標數據，如表9所示。

表9 綜合評價指標數據

考慮到生態子系統和經濟子系統對水資源評價有負向影響，故水資源評價指標實際權重為

WE=(0.445 5 -0.273 8 -0.219 3 0.061 4)

所以，水資源綜合評判結果為

E=WE×RE=(0.058 7 0.049 7 0.040 5 0.033 3 0.035 1 0.034 0 0.020 3 0.019 0 0.017 2 0.016 9)

為了更好地預測未來水資源發展狀況，對水資源綜合評分進行線性擬合和二次擬合，以便更好地觀測水資源安全問題隨著年份的增加所呈現的趨勢。所得結果如圖1和圖2所示。

圖1 線性擬合 圖2 二次擬合

將表9數據標準化后得到隸屬度矩陣

圖中橫軸t代表第幾年，比如1代表所選取數據的第1年即2008年，10為第10年即2017年。縱軸為綜合評分E。由圖1可以得到綜合評分E和時間t對應的擬合函數為

E=-0.004 6t+0.057 5

根據上述表達式，可以得到未來10年(2018-2027)的預測結果：0.006 9 0.002 3 -0.002 3 -0.006 9 -0.011 5 -0.016 1 -0.020 7 -0.025 3 -0.029 9 -0.034 5。

根據模糊綜合評價方法的結果分析[12,13]，模糊結果E的值越大，表明當地的水安全性就越高，也就是說，E值越大，表明該地區越不會出現水危機現象。

顯然，根據預測結果，2020年將出現水資源短缺情況。也就是說，這一年阿拉爾市水資源的供給遠遠趕不上水資源的需求，這種形勢在未來可能會越來越嚴重。如果未來10年，沒有特別的水資源供給，阿拉爾市的可用水資源將會缺乏，這將對當地的經濟發展和人民的生活帶來很大的壓力。隨著阿拉爾市社會經濟的不斷發展，需要引進外來水的供給，加大水資源重復利用，才能實現當地水資源可持續開發利用，解決日益突出的水資源供需矛盾。

4 結語

本文利用層次分析法構建了阿拉爾市水資源評價指標體系的層次模型，建立了判斷矩陣，對所獲得的指標權重進行了一致性檢驗，使得各層指標權重有效，并用模糊綜合評價方法獲得了各個指標的綜合評價結果。將AHP和FCE相結合進行討論，提高了評價結果的真實性和有效性，克服了AHP專家評分法主觀性太強的不足。研究結果表明，當前水資源使用不合理，阿拉爾市將會出現水危機現象。因而根據當地實際情況，積極推進節水型城市的建設，提高工業用水重復利用率，同時提高水資源的系統管理水平，加強水源地保護，嚴格控制取用水量；建議開發利用中水、微咸水等非常規水源，淘汰高耗水企業，引進外來水的供給，合理開發利用水資源，加強對生態環境的保護，努力打造人與自然和諧相處的局面。