基于模糊集對(duì)分析的新疆水資源脆弱性評(píng)價(jià)

黃彥號(hào), 陳伏龍, 何朝飛, 劉 爽, 呂廷波, 孫懷衛(wèi)

(1.石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院, 新疆 石河子 832003; 2.寒旱區(qū)生態(tài)水利工程兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 石河子 832003; 3.華中科技大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院, 湖北 武漢 430074 )

1 研究背景

水資源作為寶貴的基礎(chǔ)性自然資源,對(duì)于人類(lèi)生存和社會(huì)發(fā)展起到不可或缺的支撐作用[1-2]。但近些年隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的進(jìn)步及工業(yè)的快速發(fā)展,水資源供需矛盾和水體環(huán)境污染等問(wèn)題日益嚴(yán)重[3],導(dǎo)致眾多地區(qū)水資源脆弱性程度不斷加劇,嚴(yán)重制約著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展。水資源脆弱性是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題之一,也是當(dāng)今世界水資源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[4]。位于我國(guó)西北邊陲的新疆維吾爾自治區(qū)(下文簡(jiǎn)稱(chēng)新疆)水資源短缺且水情差異顯著,而水污染及用水需求量日益凸顯,探究該地區(qū)水資源系統(tǒng)的脆弱性狀況對(duì)于當(dāng)?shù)匕l(fā)展和“一帶一路”建設(shè)至關(guān)重要。

20世紀(jì)60年代,生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的脆弱性概念被法國(guó)學(xué)者Albinet和Margat首次運(yùn)用到地下水資源的研究當(dāng)中[5],隨著水資源問(wèn)題的突出和研究的深入,水資源脆弱性的研究范疇逐漸擴(kuò)大到整個(gè)水資源系統(tǒng),涵蓋了地表水和地下水。Hamouda等[6]在2009年分析了東尼羅河流域整個(gè)水資源系統(tǒng)的脆弱性情況,對(duì)該流域的合理開(kāi)發(fā)與利用有重大意義。我國(guó)對(duì)于水資源脆弱性的研究起步相對(duì)較晚,但發(fā)展進(jìn)程很快。穆瑾等[7]通過(guò)層次分析法評(píng)價(jià)了貴陽(yáng)市的水資源脆弱性程度,結(jié)果顯示其在空間分布上差異明顯,且在2000—2015年間減弱和增強(qiáng)趨勢(shì)并存;陳俊旭等[8]將災(zāi)害事件可能性(risk, R)、暴露度(exposure, E)、敏感性(sensitivity, S)和抗壓性(adaptability, C)要素進(jìn)行耦合,構(gòu)建了物理機(jī)制較強(qiáng)的RESC模型研究我國(guó)東部季風(fēng)區(qū),發(fā)現(xiàn)其水資源脆弱性程度在空間上呈現(xiàn)出由華北平原向南北兩側(cè)減少的分布規(guī)律;楊法暄等[9]基于DPSIR(driving forces-pressure-state-impact-responses)模型選取了11個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),利用模糊綜合評(píng)價(jià)法從時(shí)空角度評(píng)價(jià)了西安市的水資源脆弱性狀況,研究表明2007—2017年西安市水資源脆弱性呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。

以上研究方法均科學(xué)有效地評(píng)價(jià)了區(qū)域水資源脆弱性,但亦有不足之處。層次分析法的缺點(diǎn)是判斷矩陣一致性檢驗(yàn)的難度會(huì)隨著涉及指標(biāo)因素的增多而加大,且過(guò)程中主觀性成分較多;RESC模型目前仍囿于未完全明晰各評(píng)價(jià)要素的耦合關(guān)系,模型機(jī)理與不確定性需進(jìn)一步探究;模糊綜合評(píng)價(jià)法在對(duì)權(quán)重矢量和隸屬度函數(shù)確定過(guò)程中的主觀因素較強(qiáng),且計(jì)算過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。相比而言,模糊集對(duì)分析法能夠從同、異、反三個(gè)角度直觀地反映出目標(biāo)對(duì)象與評(píng)價(jià)等級(jí)的對(duì)立與統(tǒng)一關(guān)系,可將水資源系統(tǒng)中脆弱性狀況的不確定性因素作定量化處理,準(zhǔn)確剖析出評(píng)價(jià)對(duì)象指標(biāo)層、準(zhǔn)則層和目標(biāo)層的等級(jí)狀態(tài),使評(píng)價(jià)結(jié)果更具全面性、客觀性和準(zhǔn)確性。王文圣等[10]在集對(duì)分析的基礎(chǔ)上提出的模糊集對(duì)分析法為調(diào)水效益綜合評(píng)價(jià)[11]、水資源承載力評(píng)價(jià)[12]、水資源脆弱性評(píng)價(jià)[13]、水資源安全評(píng)價(jià)[14-15]等開(kāi)拓了新思路并得到廣泛應(yīng)用。

本研究利用模糊集對(duì)分析模型從時(shí)空維度上對(duì)新疆各地區(qū)水資源脆弱性進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析與評(píng)價(jià),采用五元引力減法集對(duì)勢(shì)對(duì)目標(biāo)層的發(fā)展態(tài)勢(shì)進(jìn)行診斷和識(shí)別,有利于全面了解近年來(lái)新疆水資源脆弱性的空間分布格局及發(fā)展趨勢(shì),對(duì)后續(xù)新疆水資源合理開(kāi)發(fā)、保護(hù)及可持續(xù)利用具有重要的理論支撐意義和參考價(jià)值。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 研究區(qū)概況

我國(guó)新疆幅員遼闊,面積為166.49×104km2,約為我國(guó)領(lǐng)土面積的1/6。新疆地區(qū)從空間上可劃分為東疆、南疆和北疆,東疆包括天山東南部的吐魯番市和哈密市,南疆包括天山南部的克孜勒蘇柯?tīng)柨俗巫灾沃荨⒖颂K地區(qū)、巴音郭楞蒙古自治州、和田地區(qū)和喀什地區(qū),北疆包括天山北部的克拉瑪依市、伊犁州、博爾塔拉蒙古自治州、塔城地區(qū)、阿勒泰地區(qū)、昌吉回族自治州、石河子市和烏魯木齊市,各地(州、市)具體行政區(qū)劃見(jiàn)圖1。(本文中新疆地圖是基于自然資源部地圖技術(shù)審查中心標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站的標(biāo)準(zhǔn)地圖(審圖號(hào):GS(2021)5447號(hào))繪制,底圖無(wú)修改。)

圖1 新疆行政區(qū)劃圖

“三山夾兩盆”的特殊地貌導(dǎo)致新疆水資源空間分配不均,呈現(xiàn)出北多南少、西多東少的分布特征,且降雨稀少,年平均降水深約150 mm,僅為全國(guó)平均降水深的23%[16]。2019年全疆的年降水量為2 871×108m3,地下水資源量和地表水資源量分別為508.5×108和829.7×108m3,而用水總量達(dá)到554.43×108m3,其中農(nóng)業(yè)灌溉用水占到90%以上。近些年隨著當(dāng)?shù)毓I(yè)和農(nóng)業(yè)等經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng),水資源過(guò)度開(kāi)采、水體污染、水生態(tài)環(huán)境不斷惡化等問(wèn)題變得尤為突出。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究所用數(shù)據(jù)來(lái)源于2014—2019年的《新疆水資源公報(bào)》《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》以及各地(州、市)的水資源公報(bào)和統(tǒng)計(jì)年鑒。

3 研究方法

3.1 建立水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

水資源脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果與評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取緊密相關(guān),而研究區(qū)域、研究目的及數(shù)據(jù)獲得的差異也導(dǎo)致到目前為止沒(méi)有形成具有明確標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,但從作用于水資源脆弱性程度的因素來(lái)看可分為自然、人為和承載力3個(gè)方面。

自然脆弱性為系統(tǒng)內(nèi)非人為的自然因素維持水資源滿(mǎn)足人類(lèi)需求的敏感程度,體現(xiàn)在降水量、土壤、水資源量等;人為脆弱性為水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受人為因素主動(dòng)改變的程度,體現(xiàn)在水利設(shè)施對(duì)水資源的開(kāi)發(fā)和利用等;承載力脆弱性為水資源系統(tǒng)外人類(lèi)行為及各類(lèi)負(fù)荷對(duì)其造成的壓力程度,與人口規(guī)模、工農(nóng)業(yè)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)水平等相關(guān)[17]。

從新疆水資源實(shí)際情況出發(fā),根據(jù)科學(xué)性、全面性、易獲得性、可操作性以及定性和定量相結(jié)合的原則,借鑒相關(guān)研究的現(xiàn)有指標(biāo)體系[13,18],綜合經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)和水文等各方面因素,在信息龐雜的指標(biāo)中選出11個(gè)具有代表性的指標(biāo),構(gòu)建可反映自然、人為和承載力脆弱性的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,見(jiàn)表1。

表1 新疆水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

產(chǎn)水系數(shù)(X1)可體現(xiàn)降水轉(zhuǎn)為水資源的效率,產(chǎn)水模數(shù)(X2)則反映了地區(qū)的水資源儲(chǔ)量,二者均屬于自然脆弱性指標(biāo)。水資源開(kāi)發(fā)利用率(X3)、供水模數(shù)(X4)及地下水供水量比例(X5)體現(xiàn)了人為活動(dòng)對(duì)水資源的開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響,屬于人為脆弱性指標(biāo)。生態(tài)環(huán)境用水率(X6)、人均GDP(X7)、人均生活用水量(X8)、單位面積灌溉用水量(X9)、萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量(X10)、人均水資源量(X11)涉及到工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值和人口規(guī)模對(duì)水資源系統(tǒng)產(chǎn)生的需求與負(fù)荷,屬于承載力脆弱性指標(biāo)。

在上述各評(píng)價(jià)指標(biāo)中,X1、X2、X6和X11為效益型指標(biāo)(即正向指標(biāo)),其指標(biāo)值越大表明水資源脆弱性程度越低,水資源狀態(tài)越好,水資源系統(tǒng)面臨的壓力越小;X3、X4、X5、X7、X8、X9和X10為成本型指標(biāo)(即反向指標(biāo)),其指標(biāo)值越大表明水資源脆弱性程度越高,水資源系統(tǒng)面臨的壓力越大。

3.2 劃分指標(biāo)等級(jí)

評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)邊界值的確定直接影響到水資源脆弱性評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性,參考新疆地區(qū)水資源研究現(xiàn)有的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[19-20],并借鑒專(zhuān)家的相關(guān)意見(jiàn),將脆弱性等級(jí)劃分為5級(jí),見(jiàn)表2。

表2 水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

Ⅰ～Ⅴ級(jí)分別代表不脆弱、輕度脆弱、一般脆弱、比較脆弱和嚴(yán)重脆弱。不脆弱(Ⅰ級(jí))地區(qū)水資源狀況良好,具有較大的開(kāi)發(fā)潛力;一般脆弱(Ⅲ級(jí))地區(qū)水資源脆弱性程度為中等,可基本維持經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展;嚴(yán)重脆弱(Ⅴ級(jí))地區(qū)的水資源狀況出現(xiàn)危機(jī),在一定程度上制約著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展。輕度脆弱(Ⅱ級(jí))和比較脆弱(Ⅳ級(jí))分別為Ⅰ、Ⅲ級(jí)和Ⅲ、Ⅴ級(jí)的過(guò)渡。

3.3 計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

各指標(biāo)對(duì)于水資源脆弱性評(píng)價(jià)的影響程度并不相同,需要合理的方法賦予其指標(biāo)權(quán)重。為了規(guī)避主觀因素對(duì)賦權(quán)造成的影響,選用熵權(quán)法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重。熵權(quán)法是一種根據(jù)原始數(shù)據(jù)反映系統(tǒng)無(wú)序程度的客觀賦權(quán)方法,其在原始數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化處理的基礎(chǔ)上,根據(jù)公式求得各指標(biāo)熵權(quán)[9]。

3.4 構(gòu)建基于五元聯(lián)系度的模糊集對(duì)分析模型

3.4.1 模型基本原理 模糊集對(duì)分析是針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)不確定性關(guān)系的研究方法,從不確定性系統(tǒng)內(nèi)兩個(gè)關(guān)聯(lián)集合的同一性、差異性和對(duì)立性出發(fā),通過(guò)建立聯(lián)系度對(duì)其同、異、反關(guān)系進(jìn)行描述和分析[21]。假設(shè)有聯(lián)系的集合X和Y構(gòu)成集對(duì)H(X,Y),且均有N項(xiàng)特性,則描述集對(duì)關(guān)系的聯(lián)系度為:

μX～Y=a+bI+cJ

(1)

式中:同一度分量a=S/N,表示集對(duì)性質(zhì)的相同程度;差異度分量b=F/N,表示集對(duì)性質(zhì)的差異性程度;對(duì)立度分量c=P/N,表示集對(duì)性質(zhì)的相反程度;a、b、c∈[-1,1];S、F、P分別為同一性、差異性和對(duì)立性集對(duì)的個(gè)數(shù),滿(mǎn)足S+F+P=N,因此a+b+c=1[22];I和J分別為差異不確定系數(shù)和對(duì)立系數(shù),I∈(-1,1),J恒為-1,但兩者時(shí)常僅起標(biāo)記作用[23]。

在水資源脆弱性評(píng)價(jià)應(yīng)用中為將聯(lián)系度描述得更為精確,可將差異度分量b分多個(gè)層次,如輕度差異b1、中度差異b2、重度差異b3,從而構(gòu)成五元聯(lián)系度[14]公式:

μX～Yk=a+b1I1+b2I2+b3I3+cJ

(2)

式中:集合X由n項(xiàng)指標(biāo)值Xj構(gòu)成,集合Yk由各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Yjk(k=1,2,…,5)構(gòu)成,μX～Yk為評(píng)價(jià)指標(biāo)Xj與k級(jí)的聯(lián)系度,I1、I2和I3均為差異不確定系數(shù)。為簡(jiǎn)化計(jì)算且減小信息重復(fù)性,在計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)Xj與k級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的五元聯(lián)系度時(shí)僅確定涵蓋信息量最全面的μX～Y1即可,則a、b1、b2、b3、c分別代表評(píng)價(jià)指標(biāo)Xj隸屬于Ⅰ～Ⅴ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的可能程度[24]。

3.4.2 計(jì)算模糊聯(lián)系度

(1)計(jì)算單指標(biāo)聯(lián)系度。模糊集對(duì)聯(lián)系度是將指標(biāo)等級(jí)邊界值模糊性充分考慮在內(nèi)并反映兩個(gè)關(guān)聯(lián)集合某指定屬性同、異、反關(guān)系程度的函數(shù)表達(dá)式[25]。S1、S2、S3、S4為指標(biāo)等級(jí)劃分的門(mén)限值,具有模糊性和不確定性等特點(diǎn),采用文獻(xiàn)[10]中的模糊五元聯(lián)系度計(jì)算公式可規(guī)避將指標(biāo)直接帶入標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)出現(xiàn)的誤差。

對(duì)于正向指標(biāo)(效益型指標(biāo)),單指標(biāo)聯(lián)系度μX～Y1為:

(3)

對(duì)于反向指標(biāo)(成本型指標(biāo)),單指標(biāo)聯(lián)系度μX～Y1為:

(4)

(2)計(jì)算準(zhǔn)則層聯(lián)系度。將子系統(tǒng)內(nèi)各指標(biāo)的聯(lián)系度與在準(zhǔn)則層內(nèi)的權(quán)重值相乘,再求和便可得到準(zhǔn)則層聯(lián)系度[25]:

(5)

式中:ωj為各指標(biāo)在準(zhǔn)則層內(nèi)的權(quán)重值;n*為子系統(tǒng)內(nèi)指標(biāo)個(gè)數(shù),μX～B為準(zhǔn)則層聯(lián)系度。

(3)計(jì)算目標(biāo)層聯(lián)系度。目標(biāo)層綜合聯(lián)系度計(jì)算通常包括指標(biāo)層到目標(biāo)層的逐級(jí)遞推以及由指標(biāo)層直接計(jì)算兩種方式,由于前者過(guò)程相對(duì)繁瑣,本文將由指標(biāo)層直接計(jì)算[10]:

(6)

式中:wj為單指標(biāo)權(quán)重值;n為評(píng)價(jià)對(duì)象目標(biāo)層的指標(biāo)個(gè)數(shù);μX～A為目標(biāo)層聯(lián)系度。

3.4.3 確定評(píng)價(jià)等級(jí) 差異不確定系數(shù)的取值通常會(huì)受到主觀因素的干擾,因此對(duì)各聯(lián)系度分量采取屬性識(shí)別法和置信度準(zhǔn)則法[26]來(lái)確定其隸屬度等級(jí)。

(7)

k=min{k|hk>λ;k=1,2,…,k}

(8)

式中:fk為各聯(lián)系度分量;λ為置信度,取值范圍一般為[0.5,0.7],由于λ取值過(guò)大會(huì)導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果偏于保守,因此為了提高評(píng)價(jià)結(jié)果的敏感度,本文選取λ=0.5;hk為屬性測(cè)度,當(dāng)hk>λ≥hk-1時(shí),脆弱性等級(jí)為k級(jí)。

3.4.4 發(fā)展態(tài)勢(shì)診斷識(shí)別 集對(duì)的同一度相對(duì)于對(duì)立度的發(fā)展趨勢(shì)為集對(duì)勢(shì),亦稱(chēng)聯(lián)系勢(shì),是一種定量描述集對(duì)系統(tǒng)在特定問(wèn)題情況下發(fā)展態(tài)勢(shì)的聯(lián)系數(shù)伴隨函數(shù)[27-28]。近些年在學(xué)者們的不斷完善下,彌補(bǔ)了除法集對(duì)勢(shì)和廣義集對(duì)勢(shì)的缺陷,并引入了阻尼系數(shù)和萬(wàn)有引力思想,結(jié)合五元減法集對(duì)勢(shì)構(gòu)建了五元引力減法集對(duì)勢(shì)[29],其勢(shì)值公式如下:

(9)

根據(jù)“均分原則”可將勢(shì)值劃分為反勢(shì)、偏反勢(shì)、均勢(shì)、偏同勢(shì)和同勢(shì),其取值范圍分別為[-1.0,-0.6)、[-0.6,-0.2)、[-0.2,0.2]、(0.2,0.6]、(0.6,1.0]。在研究中可依據(jù)集對(duì)勢(shì)值的取值范圍進(jìn)行水資源脆弱性評(píng)價(jià),勢(shì)值越高則水資源脆弱性越低。因而需密切關(guān)注反勢(shì)地區(qū),做好調(diào)控和改善措施。對(duì)于偏反勢(shì)地區(qū)也要采取預(yù)警措施,防止水資源脆弱性狀況進(jìn)一步惡化。

但實(shí)際應(yīng)用中某些特殊情況會(huì)使計(jì)算結(jié)果失準(zhǔn),原因在于公式(9)并沒(méi)有將b1、b2、b33個(gè)差異度分量對(duì)整體態(tài)勢(shì)的作用分開(kāi)考慮,僅對(duì)其做求和處理并視為一個(gè)整體[30]。因此需對(duì)該式進(jìn)行合理地優(yōu)化,將差異度分量各子項(xiàng)對(duì)集對(duì)系統(tǒng)態(tài)勢(shì)的影響體現(xiàn)出來(lái),如公式(10)所示[29]。

(10)

4 結(jié)果與分析

4.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重分布

表3為2014—2019年及多年平均水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重分布(采用熵權(quán)法計(jì)算)。

表3 2014—2019年及多年平均水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

由表3可知,地下水供水量比例(X5)的多年平均權(quán)重最大,說(shuō)明地下水的開(kāi)發(fā)對(duì)脆弱性狀況影響強(qiáng)烈;供水模數(shù)(X4)的多年平均權(quán)重最小,說(shuō)明其對(duì)脆弱性狀況影響較小。但歷年指標(biāo)權(quán)重是非恒定的,年度間水資源脆弱性評(píng)價(jià)的可比性通過(guò)參考指標(biāo)等級(jí)界值,根據(jù)相應(yīng)指標(biāo)權(quán)重與模糊集對(duì)分析模型確定的聯(lián)系度計(jì)算等級(jí)來(lái)衡量。

4.2 脆弱性等級(jí)評(píng)價(jià)

4.2.1 脆弱性等級(jí)空間分布 根據(jù)模糊集對(duì)分析模型及公式(5)、(6)得出指標(biāo)層、準(zhǔn)則層和目標(biāo)層的五元聯(lián)系度,利用置信度準(zhǔn)則進(jìn)而求出各級(jí)的屬性測(cè)度和評(píng)價(jià)等級(jí)。

表4為克拉瑪依市2014—2019年多年平均單指標(biāo)五元聯(lián)系度及評(píng)價(jià)等級(jí),圖2為新疆各地區(qū)(州、市)水資源分別在自然、人為、承載力脆弱性3個(gè)準(zhǔn)則層的多年平均等級(jí)分布,圖3為新疆各地區(qū)(州、市)水資源脆弱性多年平均狀況下的目標(biāo)層等級(jí)分布。

表4 克拉瑪依市2014—2019年多年平均單指標(biāo)五元聯(lián)系度及評(píng)價(jià)等級(jí)

圖2 新疆各地區(qū)(州、市)2014—2019年多年平均水資源脆弱性準(zhǔn)則層等級(jí)分布

圖3 新疆各地區(qū)(州、市)2014—2019年多年平均水資源脆弱性目標(biāo)層等級(jí)分布

指標(biāo)層評(píng)價(jià)以多年平均狀況下產(chǎn)水模數(shù)最低而人均GDP最高的克拉瑪依市為例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。由表4得知,人均生活用水量(X8)和萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量(X10)為Ⅰ級(jí),產(chǎn)水系數(shù)(X1)、產(chǎn)水模數(shù)(X2)、水資源開(kāi)發(fā)利用率(X3)、人均GDP(X7)和人均水資源量(X11)為Ⅴ級(jí)。指標(biāo)等級(jí)情況反映了克拉瑪依市水資源匱乏且開(kāi)發(fā)與需求程度較強(qiáng),但生活用水節(jié)約且工業(yè)用水效率較高。

如圖2所示,自然脆弱性方面,除伊犁州為Ⅲ級(jí)和博爾塔拉蒙古自治州(下文簡(jiǎn)稱(chēng)博州)、阿勒泰地區(qū)為Ⅳ級(jí)外,其他地區(qū)均為Ⅴ級(jí)。從計(jì)算過(guò)程分析其原因,是因?yàn)樵撟酉到y(tǒng)僅有2項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo),且具體表現(xiàn)為產(chǎn)水模數(shù)(X2)總體上偏向于嚴(yán)重脆弱,產(chǎn)水系數(shù)(X1)偏向于比較脆弱,而產(chǎn)水模數(shù)(X2)的準(zhǔn)則層權(quán)重為0.576,大于產(chǎn)水系數(shù)(X1)的準(zhǔn)則層權(quán)重0.424,其對(duì)水資源自然脆弱性的影響更顯著。該情況反映出新疆除伊犁州外水資源普遍短缺匱乏,且蒸發(fā)較強(qiáng),降雨轉(zhuǎn)為水資源的效率較低。人為脆弱性方面,東疆地區(qū)為Ⅳ級(jí),脆弱性最高;北疆地區(qū)次之,等級(jí)分布為Ⅰ～Ⅳ級(jí);南疆地區(qū)脆弱性相對(duì)較低,等級(jí)分布為Ⅰ～Ⅱ級(jí)。東疆地區(qū)蒸發(fā)強(qiáng),致使地表水資源短缺的形勢(shì)愈加嚴(yán)峻,因此地下水的開(kāi)采利用是當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)、生活等用水的重要來(lái)源,這是加劇人為脆弱性的主要原因。承載力脆弱性方面,全疆呈現(xiàn)“中間高、南北低”的形態(tài),烏魯木齊市的脆弱性最嚴(yán)重,達(dá)到Ⅳ級(jí),主要因?yàn)樵撌腥丝诿芏却?經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),對(duì)水資源系統(tǒng)造成的壓力與負(fù)擔(dān)較大;和田地區(qū)脆弱性最低,為Ⅰ級(jí),主要因?yàn)樵摰貐^(qū)經(jīng)濟(jì)水平相對(duì)落后,對(duì)水資源的需求較小,且人均水資源量相對(duì)充沛。

由圖3可以看出,各地區(qū)(州、市)水資源脆弱性目標(biāo)層多年平均等級(jí)分布為Ⅱ～Ⅳ級(jí)。東疆哈密市和吐魯番市為Ⅳ級(jí),水資源狀況屬于比較脆弱。南疆等級(jí)分布為Ⅱ～Ⅲ級(jí),其中,巴音郭楞蒙古自治州(下文簡(jiǎn)稱(chēng)巴州)、阿克蘇地區(qū)、克孜勒蘇柯?tīng)柨俗巫灾沃?下文簡(jiǎn)稱(chēng)克州)和喀什地區(qū)為Ⅲ級(jí),屬于一般脆弱,面積占比為76.05%;和田地區(qū)為Ⅱ級(jí),屬于輕度脆弱,面積占比為23.95%。北疆等級(jí)分布為Ⅱ-Ⅳ級(jí),其中,烏魯木齊市和石河子市為Ⅳ級(jí),屬于比較脆弱,面積占比為3.96%;塔城地區(qū)、克拉瑪依市、昌吉回族自治州(下文簡(jiǎn)稱(chēng)昌吉州)、博州為Ⅲ級(jí),屬于一般脆弱,面積占比為51.35%;阿勒泰地區(qū)和伊犁州為Ⅱ級(jí),屬于輕度脆弱,面積占比為44.69%。

北疆水資源脆弱性目標(biāo)層雖出現(xiàn)Ⅳ級(jí)地區(qū),但面積占比僅為3.96%,而北疆Ⅱ級(jí)地區(qū)面積占比較南疆高出20.74%,水資源脆弱性總體上低于南疆。綜上所述,東疆水資源狀況最脆弱,南疆地區(qū)次之,北疆地區(qū)最優(yōu),但是烏魯木齊市和石河子市水資源系統(tǒng)健康狀況不佳,有待改善和調(diào)控。

4.2.2 脆弱性等級(jí)時(shí)間變化 圖4為2014—2019年新疆各地區(qū)(州、市)水資源脆弱性目標(biāo)層等級(jí)分布狀況,將其在時(shí)間維度上進(jìn)行對(duì)比分析,探究各地區(qū)(州、市)水資源狀況的發(fā)展趨勢(shì)并計(jì)算出水資源脆弱性在研究時(shí)段內(nèi)的變化趨勢(shì)系數(shù)用于對(duì)比分析,如圖5所示。

圖4 2014—2019年新疆各地區(qū)(州、市)水資源脆弱性目標(biāo)層等級(jí)分布

圖5 2014—2019年新疆各地區(qū)(州、市)水資源脆弱性目標(biāo)層等級(jí)變化趨勢(shì)

從圖4、5可以看出,2014—2016年各地區(qū)(州、市)脆弱性等級(jí)為Ⅱ～Ⅴ級(jí),2017—2019年為Ⅱ～Ⅳ級(jí)。2014—2019年烏魯木齊市、博州、伊犁州、塔城地區(qū)及阿勒泰地區(qū)趨勢(shì)系數(shù)均為0,說(shuō)明這些地區(qū)(州、市)水資源脆弱性狀況相對(duì)穩(wěn)定,其中烏魯木齊市恒為Ⅳ級(jí),博州和塔城地區(qū)恒為Ⅲ級(jí),伊犁州和阿勒泰地區(qū)恒為Ⅱ級(jí),面積共占全疆的18.88%。阿克蘇地區(qū)、克州和喀什地區(qū)趨勢(shì)系數(shù)大于0,表明這些地區(qū)(州)水資源脆弱性在2014—2019年間呈升高趨勢(shì),面積共占全疆的19.03%,其中克州趨勢(shì)系數(shù)最高,為0.229,其水資源狀況惡化趨勢(shì)最為顯著,單位面積灌溉用水量和萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量較多、水資源利用效率較低或是致使脆弱性狀況加劇的重要原因,故而該州迫切需要優(yōu)化工業(yè)用水結(jié)構(gòu)、推廣節(jié)水灌溉技術(shù)來(lái)減緩脆弱性惡化趨勢(shì)。克拉瑪依市、吐魯番市、哈密市、昌吉州、巴州、和田地區(qū)及石河子市的趨勢(shì)系數(shù)均小于0,表明這些地區(qū)(州、市)水資源脆弱性狀況呈緩解和改善趨勢(shì),面積共占全疆的62.09%,其中克拉瑪依市降低幅度最為顯著,在研究時(shí)段內(nèi)該市水資源脆弱性從Ⅳ級(jí)降至Ⅱ級(jí)。

據(jù)以上研究表明,2014—2019年新疆水資源狀況總體上呈改善趨勢(shì),符合實(shí)際發(fā)展現(xiàn)狀。這是因?yàn)榻鼛啄晷陆匾暫恿骱吹恼我约八こ添?xiàng)目的建設(shè),推進(jìn)了農(nóng)村飲用水工作的落實(shí)進(jìn)度,且多地加大了水環(huán)境及生態(tài)環(huán)境用水率的保障力度,降低了水災(zāi)害的發(fā)生頻率,也提高了人民生活用水效率,因而水資源脆弱性狀況得到了一定程度的改善。

4.3 脆弱性發(fā)展態(tài)勢(shì)診斷識(shí)別

通過(guò)公式(10)計(jì)算得到2017—2019年新疆各地區(qū)(州、市)水資源脆弱性的五元引力減法集對(duì)勢(shì)值和發(fā)展所屬態(tài)勢(shì),如表5所示。

表5 2017—2019年新疆各地區(qū)(州、市)水資源脆弱性五元引力減法集對(duì)勢(shì)計(jì)算結(jié)果

由表5可見(jiàn),2018年僅喀什地區(qū)為反勢(shì),勢(shì)值為-0.643,該地區(qū)水資源系統(tǒng)脆弱程度已經(jīng)影響到經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展,是調(diào)控的主要對(duì)象。2017—2019年烏魯木齊市、哈密市和昌吉州發(fā)展態(tài)勢(shì)恒為偏反勢(shì),表明該市(州)水資源狀況一直存在向脆弱性發(fā)展的態(tài)勢(shì),所以要采取預(yù)警措施,防止該部分地區(qū)從偏反勢(shì)向反勢(shì)過(guò)渡從而導(dǎo)致水資源狀況進(jìn)一步惡化。阿勒泰地區(qū)在2018和2019年的水資源態(tài)勢(shì)均為偏同勢(shì),說(shuō)明該地區(qū)水資源狀況基本上可以達(dá)到經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)用水的要求。

將態(tài)勢(shì)與評(píng)價(jià)等級(jí)進(jìn)行比較,Ⅰ～Ⅴ級(jí)分別對(duì)應(yīng)“同勢(shì)”、“偏同勢(shì)”、“均勢(shì)”、“偏反勢(shì)”和“反勢(shì)”。不難發(fā)現(xiàn),大部分地區(qū)的評(píng)價(jià)等級(jí)可以對(duì)應(yīng)所屬的發(fā)展態(tài)勢(shì),2017、2018、2019年分別只有5、6、6個(gè)地區(qū)(州、市)的發(fā)展態(tài)勢(shì)與對(duì)應(yīng)的等級(jí)有所區(qū)別,但相差甚微。因此引力減法集對(duì)勢(shì)結(jié)果與等級(jí)評(píng)價(jià)體現(xiàn)的水資源脆弱性狀況基本一致,可以準(zhǔn)確反映地區(qū)水資源脆弱性的發(fā)展態(tài)勢(shì),同時(shí)亦表明水資源脆弱性愈嚴(yán)重的地區(qū)發(fā)展態(tài)勢(shì)愈不利。

為驗(yàn)證模糊集對(duì)分析法的可行性,利用綜合指數(shù)法[31]計(jì)算各地區(qū)(州、市)的水資源脆弱性等級(jí)。該方法首先是求得評(píng)價(jià)對(duì)象各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值與權(quán)重的乘積之和即綜合指數(shù)值,再將其與等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)閾值進(jìn)行關(guān)聯(lián)從而得到評(píng)價(jià)等級(jí),這里采用等間距法進(jìn)行等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的劃分。研究發(fā)現(xiàn)僅有4個(gè)地區(qū)的等級(jí)相差1級(jí),占地區(qū)(州、市)總數(shù)量的26.7%,其余等級(jí)均相同,造成這一微小差別的原因是脆弱性指數(shù)法閾值范圍的確定存在主觀因素的影響。但兩種方法計(jì)算結(jié)果大致相同,說(shuō)明模糊集對(duì)分析方法具有可靠性和科學(xué)性,可付諸實(shí)際應(yīng)用。

5 討 論

基于自然、人為、承載力脆弱性3個(gè)角度構(gòu)建指標(biāo)體系進(jìn)行水資源脆弱性評(píng)估的研究中,原彩萍等[13]、職璐爽等[32]采用降水量代表自然脆弱性指標(biāo),降水量反映降水的充沛程度,是水資源儲(chǔ)量補(bǔ)給的重要來(lái)源。但新疆地區(qū)海拔高、空氣稀薄且太陽(yáng)高度角大,致使光熱資源充足,從而對(duì)降水的蒸發(fā)強(qiáng)度加大,因此降水量的多少不足以反映新疆水資源自然方面的脆弱性狀況。與之相比,產(chǎn)水系數(shù)體現(xiàn)了降水轉(zhuǎn)化為水資源的效率,可間接反映出植被覆蓋程度、土壤、地形等與蓄水有關(guān)的因素情況,故本研究采用產(chǎn)水系數(shù)代表自然脆弱性指標(biāo)。

在水資源脆弱性的變化趨勢(shì)方面,新疆總體上呈下降趨勢(shì),表明水資源脆弱性狀況向良好、健康的方向發(fā)展,這點(diǎn)與范玲等[33]利用壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型研究的同一時(shí)段內(nèi)新疆水資源脆弱性發(fā)展?fàn)顩r相吻合。水資源系統(tǒng)健康狀況在空間分布上呈現(xiàn)東疆<南疆<北疆的形態(tài),與張志君等[20]對(duì)新疆水資源安全的評(píng)價(jià)結(jié)果相同,但具體到各地區(qū)(州、市)時(shí)出現(xiàn)差異,如本文南疆的和田地區(qū)水資源脆弱性狀況相對(duì)較小,這是因?yàn)楸疚膶⑷司鵊DP、人均生活用水量及供水模數(shù)作為成本型指標(biāo),這些指標(biāo)值愈小,對(duì)水資源系統(tǒng)造成的壓力愈小。

準(zhǔn)則層與目標(biāo)層關(guān)系緊密,可為目標(biāo)層評(píng)價(jià)結(jié)果提供原因參考。如南疆和東疆水資源的自然脆弱性狀況同樣嚴(yán)峻,但南疆的最終目標(biāo)層等級(jí)低于東疆,主要因?yàn)闁|疆水資源系統(tǒng)的人為脆弱性明顯強(qiáng)于南疆,因此東疆地區(qū)要加大地下水開(kāi)采的監(jiān)督力度,促進(jìn)生產(chǎn)生活用水與水資源保護(hù)的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)。

由于指標(biāo)數(shù)據(jù)不足,本研究時(shí)段僅有6 a,因而脆弱性等級(jí)時(shí)間變化趨勢(shì)存在偶然性。在后續(xù)的研究中將延長(zhǎng)水資源脆弱性評(píng)價(jià)的研究時(shí)段,并不斷完善評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,使得脆弱性狀況在時(shí)間變化趨勢(shì)上的研究結(jié)果更具說(shuō)服性和科學(xué)性。

6 結(jié) 論

從新疆水資源實(shí)際狀況出發(fā),建立包括自然、人為和承載力3個(gè)子系統(tǒng)的水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,通過(guò)熵權(quán)法和模糊集對(duì)分析法判斷新疆各地區(qū)(州、市)指標(biāo)層、準(zhǔn)則層和目標(biāo)層的評(píng)價(jià)等級(jí),采用五元引力減法集對(duì)勢(shì)對(duì)目標(biāo)層的發(fā)展態(tài)勢(shì)進(jìn)行診斷和識(shí)別,可得出以下結(jié)論:

(1)地下水供水量比例在多年平均狀況下為權(quán)重值最大的影響因子,為此可提出相對(duì)應(yīng)的調(diào)控措施,推動(dòng)新疆智慧水利的發(fā)展,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地下水水位變化,加強(qiáng)地下水開(kāi)采的監(jiān)管力度以限制地下水的過(guò)度開(kāi)采,在全疆推廣和普及滴灌、噴灌等現(xiàn)代化節(jié)水灌溉設(shè)施,提高用水效率,對(duì)地表水和地下水進(jìn)行綜合治理與統(tǒng)籌協(xié)調(diào),提高植被覆蓋率進(jìn)而涵養(yǎng)地下水源。

(2)新疆水資源脆弱性空間分布不均,東疆地區(qū)面臨著較大的水資源壓力,哈密市和吐魯番市為需要密切關(guān)注和加強(qiáng)調(diào)控的主要對(duì)象;南疆地區(qū)次之,要對(duì)2018年出現(xiàn)反勢(shì)態(tài)勢(shì)的喀什地區(qū)進(jìn)行調(diào)控和改善;北疆地區(qū)水資源脆弱性程度相對(duì)較低,其中伊犁州和阿勒泰地區(qū)水資源狀況最優(yōu),但烏魯木齊市和昌吉州的發(fā)展態(tài)勢(shì)在研究時(shí)段內(nèi)恒為偏反勢(shì)。

(3)2014—2019年全疆的水資源脆弱性狀況總體上呈現(xiàn)不斷改善的態(tài)勢(shì)。62.09%的地區(qū)趨勢(shì)系數(shù)小于0,水資源脆弱性呈降低趨勢(shì),其中克拉瑪依市降低趨勢(shì)最為顯著;18.88%的地區(qū)趨勢(shì)系數(shù)為0,水資源狀況相對(duì)穩(wěn)定;19.03%的地區(qū)趨勢(shì)系數(shù)大于0,水資源脆弱性呈升高趨勢(shì),其中克州升高趨勢(shì)最為顯著。

(4)模糊集對(duì)分析模型與脆弱性指數(shù)法的等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果大致相同,與引力減法集對(duì)勢(shì)態(tài)勢(shì)分析反映的情況基本一致,適用于區(qū)域水資源的脆弱性評(píng)價(jià)分析,可為新疆水資源的可持續(xù)利用和用水結(jié)構(gòu)的優(yōu)化管理提供技術(shù)支持和理論參考。