基于模糊理論的博爾塔拉蒙古自治州水資源利用和諧度分析

侯艷軍,安瓦爾?買買提明,侯貞霞

(1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院,新疆烏魯木齊 830054;2.安陽(yáng)市公路局,河南安陽(yáng) 455000)

基于模糊理論的博爾塔拉蒙古自治州水資源利用和諧度分析

侯艷軍1,安瓦爾?買買提明1,侯貞霞2

(1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院,新疆烏魯木齊 830054;2.安陽(yáng)市公路局,河南安陽(yáng) 455000)

通過對(duì)博爾塔拉蒙古自治州2002—2007年水資源統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及其相關(guān)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)分析,構(gòu)建了水資源利用和諧度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,運(yùn)用AHP法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重,借助模糊理論中的和諧度概念,建立了評(píng)價(jià)水資源利用和諧度的數(shù)學(xué)模型,定量分析博爾塔拉蒙古自治州的水資源利用和諧度。結(jié)果表明:①2002—2007年間博州地區(qū)的水資源配置和諧度呈逐年上升的態(tài)勢(shì);②博樂、精河和溫泉三市縣的水資源利用和諧度基本呈上升趨勢(shì),2007年處于較和諧狀態(tài),和諧度差異很小。提出了提高水資源配置和諧度的對(duì)策。

水資源利用;模糊理論;AHP法;和諧度;博爾塔拉蒙古自治州

我國(guó)干旱區(qū)主要包括新疆全境、甘肅河西走廊以及內(nèi)蒙古賀蘭山以西地區(qū),土地面積約占全國(guó)的24.5%[1],但是該地區(qū)地表水和地下水分別占全國(guó)的3.3%和5.5%,且時(shí)空分布不均,導(dǎo)致水資源十分短缺,生態(tài)問題嚴(yán)峻,影響著干旱區(qū)地理系統(tǒng)的穩(wěn)定性,引起眾多學(xué)者關(guān)注。李元壽等[2]通過對(duì)西北干旱區(qū)水資源利用引起的生態(tài)環(huán)境問題研究,提出了水資源利用的生態(tài)環(huán)境保護(hù)對(duì)策;任倩[3]通過對(duì)干旱區(qū)水資源的流域管理分析,提出了干旱區(qū)流域可持續(xù)利用的對(duì)策;李海濤等[4]通過對(duì)民勤綠洲水資源利用分析,指出水資源開采將維持在高強(qiáng)度,地下水質(zhì)會(huì)惡化,生態(tài)危機(jī)將加重;周宏飛等[5]通過對(duì)新疆的水資源利用量及其承載能力分析,指出新疆水資源可以支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展;葉茂等[6]通過對(duì)塔里木河水資源利用面臨的問題分析,提出了塔里木河流域水資源可持續(xù)利用的基本對(duì)策;桂東偉等[7]通過用虛擬水理論探討干旱區(qū)生態(tài)用水問題,提出了干旱區(qū)水資源合理利用的措施。上述研究多是從水資源利用與生態(tài)自然環(huán)境的關(guān)系進(jìn)行研究,少有水資源利用與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境的綜合的、定量的研究。筆者擬采用模糊理論中的和諧度概念對(duì)新疆博爾塔拉蒙古自治州(以下簡(jiǎn)稱博州)水資源利用與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)系統(tǒng)的和諧性進(jìn)行綜合的、定量的分析,試圖從時(shí)間和空間上找出博州地區(qū)水資源利用和諧度的變化特征,并給出對(duì)策。

1 研究區(qū)概況

博州位于新疆準(zhǔn)噶爾盆地西南部,東經(jīng)79°53′～ 83°53′,北緯 44°02′～ 45°23′。東西長(zhǎng) 315km,南北寬125km,總面積2.7萬(wàn)km2。該自治州轄博樂市、精河縣、溫泉縣和阿拉山口口岸行政管理區(qū)。博州多年平均降水量為73.2mm,降水深為291.6mm,平均徑流深為100.32mm。博州水資源具有干旱少雨的特點(diǎn),干旱指數(shù)高達(dá)5.2～24.1,屬于極干旱區(qū),生態(tài)環(huán)境極其脆弱。長(zhǎng)期以來,在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中由于忽視對(duì)水資源保護(hù)并進(jìn)行過度開發(fā),社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水量與生態(tài)環(huán)境需水量比例嚴(yán)重失調(diào),導(dǎo)致天然生態(tài)系統(tǒng)退化,水土矛盾突出[8]。

2 和諧度概念與評(píng)價(jià)方法

2.1 和諧度概念

和諧度是對(duì)系統(tǒng)和諧性的度量,反映系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)之間相互聯(lián)系、相互適應(yīng)、相互協(xié)調(diào)運(yùn)行的程度,是在科學(xué)分析和計(jì)算基礎(chǔ)上對(duì)某一事物或現(xiàn)象的協(xié)調(diào)一致性進(jìn)行評(píng)判的數(shù)量指標(biāo)[9]。系統(tǒng)和諧性是描述系統(tǒng)是否形成了充分發(fā)揮系統(tǒng)成員和子系統(tǒng)能動(dòng)性、創(chuàng)造性的條件及環(huán)境,以及系統(tǒng)成員和子系統(tǒng)活動(dòng)的總體協(xié)調(diào)性[10]。

水資源利用和諧度是度量水資源系統(tǒng)的要素構(gòu)成、運(yùn)行狀況以及與外部環(huán)境是否協(xié)調(diào)、和諧的一個(gè)綜合指標(biāo)。其基本內(nèi)涵有:①系統(tǒng)地評(píng)價(jià)水資源系統(tǒng)的內(nèi)部功能,反映系統(tǒng)中各要素的組成和互相匹配關(guān)系;②綜合地反映水資源的供給與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境對(duì)水資源的需求之間的平衡關(guān)系;③總體反映在一定的技術(shù)條件、一定時(shí)期、一定區(qū)域內(nèi)水資源系統(tǒng)與外部環(huán)境的基本關(guān)系;④具體反映水資源利用的合理程度[11]。本文研究的水資源利用和諧度是水資源利用與經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)系統(tǒng)和諧性的綜合反映。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

以研究區(qū)域?qū)嶋H發(fā)展為基礎(chǔ),遵循科學(xué)性、系統(tǒng)性、動(dòng)態(tài)性和可操作性原則,選擇11個(gè)指標(biāo)(表1),運(yùn)用AHP法建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

表1 水資源利用和諧度指標(biāo)體系

C1指城市用水的非農(nóng)業(yè)人口數(shù)(不包括臨時(shí)人口和流動(dòng)人口)與城市非農(nóng)業(yè)人口總數(shù)之比;C2指農(nóng)村供水總量與農(nóng)村人口總數(shù)之比;C3指城鎮(zhèn)供水總量與城鎮(zhèn)人口總數(shù)之比;C4指具有一定的水源、地塊比較平整、灌溉工程或設(shè)備已經(jīng)配套、在一般年景下當(dāng)年能夠進(jìn)行正常灌溉的耕地面積;C5指第一產(chǎn)業(yè)耗水量與第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值之比;C6指第二產(chǎn)業(yè)耗水量與第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值之比;C7指第三產(chǎn)業(yè)耗水量與第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值之比;C8指城市綠地面積與城市人口總數(shù)之比;C9指當(dāng)年總用水量與水資源總量之比;C10指區(qū)域內(nèi)排放污水總量;C11指包括河湖人工補(bǔ)水和城市環(huán)境用水量。以上指標(biāo)比較科學(xué)性、代表性、整體性地反映了博州水源利用的特征,同時(shí)也兼顧了資料的可得性。

2.3 AHP法確定指標(biāo)權(quán)重

2.3.1 建立兩兩比較的判斷矩陣

選擇對(duì)新疆干旱區(qū)水資源利用研究較多的11名專家,以問卷調(diào)查的形式進(jìn)行指標(biāo)間兩兩相對(duì)的重要性比較,通過幾何平均法獲得比較的最終標(biāo)定值,在此基礎(chǔ)上建立各指標(biāo)間兩兩比較的判斷矩陣:

2.3.2 層次單排列

運(yùn)用方根法求出判斷矩陣的最大特征根所對(duì)應(yīng)的特征向量 W,W=(W1,W2,…,Wn)T為所求的特征向量的近似解(即權(quán)重值)。其中:

計(jì)算判斷矩陣的最大特征根λmax:

式中bij表示判斷矩陣的第i行第j列的值。

2.3.3 判斷矩陣一致性指標(biāo)CI的檢驗(yàn)

AHP法不能保證每個(gè)判斷矩陣具有完全一致性,因此必須通過一致性檢驗(yàn)檢查各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重之間是否存在矛盾之處。進(jìn)行一致性檢驗(yàn)的公式如下:

與隱爆角礫巖有著密切空間聯(lián)系的花崗閃長(zhǎng)斑巖具有形成深度淺，富含揮發(fā)分，富強(qiáng)不相容元素Cs，Rb，K等；以及輕稀土元素La，Ce，Na和非活動(dòng)性元素Nb，V，Hf；貧高場(chǎng)強(qiáng)元素Nb，Sr，Ti，Zr，P等；具有形成隱爆角礫巖及相關(guān)礦床的條件。

式中:RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)(見表2),其取值由判斷矩陣的階數(shù)所決定;CR為判斷矩陣的隨機(jī)一致性比例,當(dāng)CR≤0.10時(shí)判斷矩陣才具有滿意的一致性,否則應(yīng)予調(diào)整。

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

2.3.4 層次綜合排序

經(jīng)過一致性檢驗(yàn),每個(gè)矩陣的CR≤0.10,具有滿意的一致性,求出中端層、末端層指標(biāo)權(quán)重值(見表1)。

2.4 數(shù)據(jù)處理

各指標(biāo)數(shù)據(jù)(表3)來源于文獻(xiàn)[12-19]。

為了消除量綱,使各異的指標(biāo)具有無(wú)量剛性和可比性,并且能體現(xiàn)其本身對(duì)系統(tǒng)和諧度的影響力,需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[20](表4)。在指標(biāo)體系中有些指標(biāo)呈正相關(guān)的關(guān)系,成為正向型指標(biāo);有些指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系,成為負(fù)向型指標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)化的方法如下:

表3 2002—2007年研究區(qū)原始數(shù)據(jù)

表4 2002—2007年研究區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)

式中:C為標(biāo)準(zhǔn)化的指標(biāo)值;Ca為實(shí)際評(píng)價(jià)指標(biāo)值;Cmax為評(píng)價(jià)指標(biāo)中的最大值;Cmin為評(píng)價(jià)指標(biāo)中的最小值。

2.5 和諧度模型的構(gòu)建

由于水資源利用和諧度取決于多因素的相互作用,各因素的關(guān)系與作用機(jī)理具有相當(dāng)程度的模糊性,用一般的方法很難給出一個(gè)定量的數(shù)學(xué)模型[21]。模糊數(shù)學(xué)在研究客觀事物彼此之間的差異在其中間過渡的不分明性具有相對(duì)的優(yōu)勢(shì),模糊評(píng)價(jià)法通過較為科學(xué)的確定模糊集合中各變量的隸屬度,運(yùn)用層次分析法原理確定評(píng)價(jià)指標(biāo)中的相對(duì)權(quán)重,通過對(duì)各個(gè)關(guān)聯(lián)指標(biāo)進(jìn)行分析,在模糊集合中查出其隸屬度,通過判別模型確定和諧度的等級(jí)[22]。水資源利用和諧度模型為:

H的取值在0～1之間,最大和諧度取值為1,最小和諧度取值為0,和諧度值越高表示系統(tǒng)越和諧。一般定義H＞0.9為和諧,0.7＜H≤0.9為較和諧,0.5＜H≤0.7為一般和諧,0.3＜H≤0.5為不和諧,0.1＜H≤0.3為極不和諧。

3 結(jié)果分析

根據(jù)式(5)(6)對(duì)原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后,由式(7)可計(jì)算出博州地區(qū)及博州各市縣2002—2007年社會(huì)系統(tǒng)和諧度、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和諧度、生態(tài)系統(tǒng)和諧度及水資源利用和諧度(表5、表6)。

表5 博州地區(qū)2002—2007年和諧度計(jì)算結(jié)果

3.1 博州地區(qū)水資源利用和諧度的時(shí)間變化分析

2002年博州地區(qū)水資源利用和諧度處于極不和諧狀態(tài),2003—2004年處于不和諧狀態(tài),2005—2006年處于一般和諧狀態(tài),2007年處于較和諧狀態(tài)。在研究期間博州地區(qū)水資源利用和諧度處于持續(xù)改善的趨勢(shì),表明博州地區(qū)水資源利用系統(tǒng)不斷得到優(yōu)化。社會(huì)系統(tǒng)和諧度表現(xiàn)出同水資源利用和諧度相似的變化特征,從2002年的極不和諧狀態(tài)上升到2007年的較和諧狀態(tài),系統(tǒng)和諧度得到持續(xù)改善;在研究期間經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和諧度也同樣處于改善態(tài)勢(shì),但其上升幅度大于水資源利用和諧度上升幅度,從2002年的極不和諧上升到2007的和諧;生態(tài)系統(tǒng)和諧度呈現(xiàn)出與上述和諧度指標(biāo)不同的變化特征,生態(tài)系統(tǒng)和諧度是波動(dòng)變化的,從2002年的不和諧上升為2003年的一般和諧,2004年又下降為不和諧,2005—2007年又上升為一般和諧,其間3年也出現(xiàn)上升—下降的變化特征,波動(dòng)幅度較大。

表6 博州各市縣2002—2007年水資源利用和諧度計(jì)算結(jié)果

博州地區(qū)水資源利用和諧度呈持續(xù)改善趨勢(shì)的原因如下:①在研究期間博州地區(qū)由于社會(huì)加大了對(duì)城市給排水系統(tǒng)和農(nóng)村飲水及農(nóng)田水利水電設(shè)施的建設(shè),使社會(huì)供水系統(tǒng)不斷改善,從而使城市用水普及率得到提高,居民用水得到合理的供給,農(nóng)田有效灌溉面積逐年增加,這些有利因素促使社會(huì)系統(tǒng)和諧度持續(xù)改善,進(jìn)而對(duì)水資源利用和諧度產(chǎn)生了積極的影響。②在研究期間博州地區(qū)通過調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)運(yùn)用,以及加強(qiáng)對(duì)工業(yè)耗水的控制,提高工業(yè)用水的重復(fù)利用率,使第一、第二、第三產(chǎn)業(yè)萬(wàn)元耗水量逐年下降,2007年與2002年相比,3項(xiàng)產(chǎn)業(yè)的萬(wàn)元耗水量分別下降了43%、72%、58%,使經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和諧度得到了大幅度上升,進(jìn)而促進(jìn)了水資源利用和諧度的改善。③在研究期間博州地區(qū)通過對(duì)污水排放的嚴(yán)格管理,尤其是對(duì)工業(yè)污水排放的管理,加強(qiáng)保證生態(tài)環(huán)境用水,使污水排放量處于基本下降的趨勢(shì)(除2007年污水排放量大于2006年),生態(tài)用水基本保持小幅度增加,正作用于生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的改善,但是由于人均綠地面積的減小和水資源開發(fā)率的增加,給生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的完善帶來一定的負(fù)面作用,正負(fù)2種因素的相互作用促使生態(tài)系統(tǒng)和諧度的波動(dòng)變化,但總體而言,由于具有社會(huì)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和諧度的拉升力,仍使水資源利用和諧度呈上升趨勢(shì)。

3.2 博州地區(qū)水資源利用和諧度的空間變化分析

博樂市水資源利用和諧度從2002年的不和諧狀態(tài),到2007成為較和諧狀態(tài),其水資源利用和諧度基本呈上升趨勢(shì)(除2004年低于2003年),位序從2002年的第2位上升到2007年的第1位。溫泉縣水資源利用和諧度從2002年的不和諧狀態(tài)上升為2007年較和諧狀態(tài),其水資源利用和諧度基本呈上升趨勢(shì)(除2005年略低于2004年),位序從2002年的第1位下降到2007年的第3位。精河縣水資源利用和諧度從2002年的極不和諧狀態(tài)上升為2007年的較為和諧狀態(tài),其水資源利用和諧度基本呈上升趨勢(shì)(除2006年略低于 2005年),位序從2002年的第3位上升為2007年的第2位。博州各市縣水資源利用和諧度的變化特征是基本呈上升趨勢(shì),2007年都處于較和諧狀態(tài),并且各市縣和諧度差異很小。從各市縣水資源利用和諧度在研究期間的均值來分析,溫泉縣處于第1位,精河縣處于第2位,博樂市處于第3位。博州各市縣水資源利用和諧度基本呈上升趨勢(shì)的原因基本上與博州地區(qū)水資源利用和諧度逐年改善的原因相似。

博州各市縣水資源利用和諧度在空間上表現(xiàn)出差異的原因在于:①在社會(huì)系統(tǒng)和諧度的子評(píng)價(jià)因素中溫泉縣在農(nóng)村人均供水量、城市人均供水量和農(nóng)田有效灌溉面積上的評(píng)價(jià)因素中優(yōu)于精河縣,精河縣優(yōu)于博樂市,因而就社會(huì)系統(tǒng)和諧度而言溫泉縣排第1,精河縣排第2,博樂市排第3。②在經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和諧度的子評(píng)價(jià)因素中博樂市關(guān)于第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)的萬(wàn)元耗水量方面優(yōu)于精河縣,精河縣優(yōu)于溫泉縣,因而就經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和諧度而言博樂市排第1,精河縣排第2,溫泉縣排第3。③在生態(tài)系統(tǒng)和諧度的子評(píng)價(jià)因素中溫泉縣關(guān)于人均綠地面積、水資源開發(fā)率和污水排放量方面優(yōu)于精河縣,精河縣優(yōu)于博樂市,因而就生態(tài)系統(tǒng)和諧度而言溫泉排第1,精河縣排第2,博樂市排第3。綜合分析得出水資源利用和諧度排序?yàn)闇厝h第1,精河縣第2,博樂市第3。

4 結(jié)論與對(duì)策

4.1 結(jié)論

在2002—2007年間博州地區(qū)的水資源利用和諧度呈逐年上升的態(tài)勢(shì),表明博州地區(qū)水資源利用系統(tǒng)處于不斷優(yōu)化狀態(tài);博州各市縣水資源利用和諧度的變化特征是基本呈上升趨勢(shì),2007年都處于較和諧狀態(tài),并且各市縣的和諧度差異很小。從各市縣水資源利用和諧度在研究期間的均值上分析,溫泉縣處于第1位,精河縣處于第2位,博樂市處于第3位。

4.2 主要對(duì)策

a.根據(jù)水資源的承載能力,合理確定城市經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)布局;加強(qiáng)流域水資源的管理,合理安排生態(tài)、生活和生產(chǎn)用水。

b.加強(qiáng)城鄉(xiāng)居民供水和農(nóng)村水利水電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和完善,保證居民安全、正常地用水和農(nóng)田的有效灌溉;加強(qiáng)水資源節(jié)約意義的宣傳,提高居民的節(jié)水意識(shí),減少水資源的浪費(fèi)。

c.在保證糧食安全的前提下穩(wěn)定耕地面積,避免過多地開墾新的耕地,減少新增農(nóng)業(yè)用水,推廣低耗水的農(nóng)作物和經(jīng)濟(jì)作物,采用耐旱性優(yōu)良的農(nóng)作物品種,應(yīng)用工程節(jié)水技術(shù),推廣滴灌等節(jié)水灌溉模式,降低農(nóng)業(yè)用水定額;在缺水地區(qū)嚴(yán)禁建設(shè)高耗水的工業(yè)項(xiàng)目,加強(qiáng)企業(yè)節(jié)水技術(shù)改造,實(shí)現(xiàn)冷卻水循環(huán)利用,降低工業(yè)用水定額。

d.加強(qiáng)對(duì)工業(yè)污水、農(nóng)業(yè)污水、生活污水的有效治理,減少污水排放量,提高水質(zhì)量,保護(hù)水環(huán)境;科學(xué)、合理地開發(fā)水資源,增加生態(tài)用水量,提高公共綠地面積,促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和優(yōu)化。

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Analysis on harmony degree of water resources utilization based on fuzzy theory:a case study of Bortala Mongol Autonomous Prefecture

HOU Yan-jun1,Anwaer MAIMAITIMING1,HOU Zhen-xia2
(1.School of Geographic Science and Tourism,Xinjiang Normal University,Urumqi 830054,China;2.High Way Bureau of Anyang,Anyang 455000,China)

Evaluation index system of harmony degree of water resources utilization was established by analysis of water resources,social,economical and ecological statistical data in Bortala Mongol Autonomous Prefecture between 2002 and 2007.The mathematical model of assessing harmony degree of water resources utilization was established in virtue of harmony degree concept of fuzzy theory and relative weight of each assessing index was determined by AHP method.The harmony degree of water resources utilization was analyzed quantitatively in Bortala Mongol Autonomous Prefecture.The results showed as followed:(1)the harmony degree of water resources allocation increased year after year in Bortala region between 2002 and 2007;(2)water resources utilization harmony degree in Bole,Jinghe andWarm spring County of Bortala presented ascending tendency basically,whichwas in the harmony state each in 2007 and their harmony degree differenceswere small.The countermeasures to increase harmony degree of water resources utilization were put forward.

water resources utilization;fuzzy theory;AHP method;harmony degree;Bortala Mongol Autonomous Prefecture

TV213.9

A

1004-6933(2011)03-0001-06

10.3969/j.issn.1004-6933.2011.03.001

國(guó)家自然科學(xué)基金(40761008)

侯艷軍(1981—),男,河南安陽(yáng)人,碩士研究生,從事城市地理與規(guī)劃研究。E-mail:yjhou1223@163.com

安瓦爾?買買提明,副教授。E-mail:anwaer@xjnu.edu.cn

(收稿日期:2010-04-26 編輯:高建群)