典型草原區(qū)水資源承載能力評價方法研究

龍胤慧，郭中小，廖梓龍，徐曉民，劉華琳，宋一凡，2

（1.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，呼和浩特010020；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京100038）

中國是世界上草原資源最豐富的的國家之一，中國國土面積的40%被草原覆蓋著，主要分布在我國的東北和西北地區(qū)。根據(jù)生物學(xué)及生態(tài)特點，草原可以細分為草甸草原、典型草原、荒漠草原和高寒草原四種類型，其中典型草原區(qū)面積約為188萬k m2，分布在內(nèi)蒙古、新疆、青海等省區(qū)，這些區(qū)域干旱少雨，氣候惡劣，風(fēng)沙等自然災(zāi)害頻繁，生態(tài)環(huán)境十分脆弱。盡管水資源貧乏，但有限的水資源成為了典型草原區(qū)生態(tài)系統(tǒng)得以維持的關(guān)鍵因素，水資源數(shù)量和質(zhì)量的變化都將對這一區(qū)域產(chǎn)生重大影響［1－3］，研究典型草原區(qū)水資源承載能力對促進草原生態(tài)保護及牧區(qū)經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。近幾年，水資源承載能力評價方法得到了廣泛的研究［4－6］，但關(guān)于典型草原區(qū)水資源承載能力評價的研究還很少。

1 評價方法研究

1.1 評價目的和要求

與其他水資源承載能力評價不同的是典型草原區(qū)既是我國北方重要的天然生態(tài)屏障，也是少數(shù)民族聚居地，社會經(jīng)濟亟待發(fā)展，典型草原區(qū)水資源承載能力評價要統(tǒng)籌兼顧好生態(tài)安全與牧區(qū)發(fā)展這一矛盾。典型草原區(qū)水資源承載能力評價的目標(biāo)是在一定時期和技術(shù)水平下，以維護草原區(qū)良好生態(tài)功能及促進牧區(qū)社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展為原則，考慮可預(yù)見的歷史文化、科學(xué)技術(shù)等影響下，實現(xiàn)水資源系統(tǒng)所能支撐的水—草—畜間平衡及其協(xié)調(diào)發(fā)展。

1.2 評價方法對比

目前，關(guān)于水資源承載能力評價的方法較多，大致可以歸為確定性評價方法和不確定性評價方法兩大類，詳見表1。

表1 水資源承載能力評價方法比較［7－8］

此外一些新的評價方法及某兩個評價方法的耦合等研究也陸續(xù)出現(xiàn)，如密切值法［9］、熵權(quán)模糊物元分析模型［10］、投影尋蹤與遺傳算法相結(jié)合［11］。

根據(jù)典型草原區(qū)水資源特點、社會經(jīng)濟發(fā)展的實際情況及草原生態(tài)保護的要求，需要對典型草原區(qū)水資源承載能力進行定性與定量、靜態(tài)與動態(tài)相結(jié)合的評價，因此本研究分別采用基于模糊評價的指標(biāo)體系法、基于供需平衡法的承載能力計算模型和基于GIS的疊置分析法評價典型草原區(qū)水資源承載能力。

1.3 基于模糊評價的指標(biāo)體系法

根據(jù)水資源承載能力評價的目標(biāo)和要求，將選取的評價指標(biāo)進行有機組成，即建立評價指標(biāo)體系，評價指標(biāo)體系常見的基本結(jié)構(gòu)有指標(biāo)集、樹型、叢型及矩陣結(jié)構(gòu)形式，樹型結(jié)構(gòu)利于體系系統(tǒng)的層次性及多目標(biāo)性，因此本次評價指標(biāo)體系采用樹型結(jié)構(gòu)。

根據(jù)上述分析和指標(biāo)體系確定的原則，從水資源承載能力的承載主體、承載客體及其相互之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系綜合考慮，選取相應(yīng)的評價指標(biāo)，建立三層樹型評價指標(biāo)體系，第一層為目標(biāo)層，即水資源承載能力，用以衡量水資源系統(tǒng)支撐整個社會、經(jīng)濟及生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展水平的能力；第二層為準則層，即水資源承載能力對各個子系統(tǒng)的支撐能力，分為水資源層、社會層、經(jīng)濟層、生態(tài)環(huán)境層及耦合層5部分；第三層為指標(biāo)層，具體反映各子系統(tǒng)的發(fā)展情況，其中水資源層評價指標(biāo)有人均水資源量，水資源可利用比例，水資源開發(fā)利用率，社會層評價指標(biāo)有人口密度、人口增長率、城鎮(zhèn)人均生活用水量、農(nóng)村人均生活用水量、城鎮(zhèn)化率；經(jīng)濟層評價指標(biāo)有人均GDP、有效灌溉面積比重、農(nóng)業(yè)GDP比重、工業(yè)GDP比重；生態(tài)環(huán)境層評價指標(biāo)有草地覆蓋率、牲畜超載率、水土保持率、干旱指數(shù)、水質(zhì)達標(biāo)率；耦合層評價指標(biāo)有工業(yè)用水重復(fù)率、供水模數(shù)、污水處理率。

本次評價采用模糊綜合評價法，1965年，美國加州大學(xué)伯克利分校的Zadeh L A教授創(chuàng)立了模糊理論，提出了用隸屬函數(shù)來表達事物的模糊程度，特別是在控制論中，將條件或狀態(tài)都量化為一組模糊語言，為多目標(biāo)決策評價奠定了堅實的基礎(chǔ)。模糊評價的基本模型大致如下：

設(shè)評價的指標(biāo)集為：U＝｛u1，u2，…，um｝；評判的等級為：V＝｛v1，v2，…，vn｝

對U中每一因素根據(jù)V集合中的等級進行評判，獲得評判矩陣

式中：rij——ui對vj的隸屬程度。（U，V，R）則構(gòu)成了一個模糊綜合評價模型。若設(shè)權(quán)重矩陣為A，與評判矩陣相乘可得：

歸一化處理后即可評判評價對象的等級。實際應(yīng)用中陳守煜等建立了淮河流域水資源承載能力的模糊評價模型［12］。根據(jù)達茂旗經(jīng)濟社會發(fā)展的實際情況，結(jié)合相關(guān)研究成果，參照相關(guān)的定額標(biāo)準等資料，制定水資源承載能力評價指標(biāo)體系評價標(biāo)準，并劃分為5個等級，即水資源承載能力弱、較弱、一般、較強、強，對于正相關(guān)指標(biāo)，指標(biāo)值越大則承載能力越強，對于負相關(guān)指標(biāo)，指標(biāo)值越大，承載能力越弱。

1.4 水資源承載能力計算模型

1.4.1 建模思路 分析評價區(qū)域水資源承載能力主要是以生產(chǎn)性用水為主，首先從用水結(jié)構(gòu)分析，生產(chǎn)性用水一般占總用水的絕大部分，是水資源消耗的主要構(gòu)成部分。其次，從前面承載能力與承載水平的關(guān)系可以看出，承載水平的高低除取決于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)方式外，主要取決于用水水平的高低，生產(chǎn)用水效率高，則承載的水平就高。因此，在草原生態(tài)保護和管理目標(biāo)的約束下，不同承載水平下的水資源承載能力計算應(yīng)以可用水資源對生產(chǎn)性用水的支撐程度為主，求出水資源可利用量對經(jīng)濟活動用水的承載能力。

1.4.2 計算模型 本次研究水資源承載能力計算評價模型的建立，主要是基于上述指標(biāo)體系中部分指標(biāo)的含義，尤其是承載主體層指標(biāo)的內(nèi)涵及其與承載客體層指標(biāo)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，構(gòu)造相應(yīng)的水資源承載能力狀況的評價計算模型，計算典型草原區(qū)水資源承載能力。參照左其亭等在城市水資源承載能力中的研究成果［13］，結(jié)合典型草原區(qū)水資源特點，構(gòu)建計算模型如下：

式中：Ct——水資源人口承載能力；WP——水資源總量；ε——有效用水系數(shù)；Ep——人均綜合用水定額，其指標(biāo)值等于人均用水定額×365；CGDP——水資源經(jīng)濟承載能力；We——用于經(jīng)濟發(fā)展的水資源量；EGDP——萬元國內(nèi)生產(chǎn)總值用水量；Cg——水資源草地承載能力；Wa——第一產(chǎn)業(yè)可利用水資源量；Wi——農(nóng)田灌溉水資源量；Ws——牲畜綜合用水量；Eg——單位面積灌溉飼草料地和灌溉草地綜合用水定額。

1.5 基于GIS的水資源承載能力評價

1.5.1 地理信息系統(tǒng)用于典型草原區(qū)水資源承載能力評價的必要性 典型草原區(qū)水資源承載系統(tǒng)具有以下幾個特點：第一，數(shù)據(jù)多元性。水資源承載系統(tǒng)涉及社會、經(jīng)濟及生態(tài)環(huán)境三個大方面的上百個具體

變量要素，不同方面的數(shù)據(jù)來源都不相同，甚至在同一方面也需要通過不同途徑收集變量要素。第二，動態(tài)性。水資源承載能力評價必須隨著時空變化而進行調(diào)整，通過評價不同區(qū)域不同時間段上的發(fā)展?fàn)顩r，為評價區(qū)域各項指標(biāo)的預(yù)測及確定發(fā)展趨勢打下基礎(chǔ)。而地理信息系統(tǒng)在處理上述問題時擁有較大的優(yōu)勢，GIS擁有動態(tài)顯示的功能，提高了系統(tǒng)在區(qū)域范圍內(nèi)運行狀況的動態(tài)及時掌握。因此，本研究采用地理信息系統(tǒng)動態(tài)性地分析和研究典型草原區(qū)水資源承載能力評價。

1.5.2 基本原理 水資源承載能力包含水資源系統(tǒng)本身承載能力、水資源社會承載能力、水資源經(jīng)濟承載能力及水資源生態(tài)環(huán)境承載能力，

式中：C——水資源承載能力；Si——各個子系統(tǒng)承載能力；Wi——各個子系統(tǒng)對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，本次研究采用層次分析法確定的客觀權(quán)重與專家打分的主觀權(quán)重相結(jié)合的權(quán)重確定方法。在地理信息系統(tǒng)中，上述計算思路可以通過緩沖分析與疊置分析實現(xiàn)。

緩沖分析是指對一組要素按一定的條件設(shè)定不同的距離值，要素可以是點狀和線狀，也可以是面狀。例如，將人口密集區(qū)概化為若干個空間離散點，以點為中心劃定不同的影響范圍，離該點越遠則水資源承載能力越強，其數(shù)學(xué)描述如下：

式中：P——緩沖區(qū)；A——給定的對象或緩沖區(qū)建立的條件；d——距離；r——領(lǐng)域半徑。疊置分析是將代表不同涵義的各個數(shù)據(jù)層在一定的規(guī)則下進行組合，產(chǎn)生一個具有多層要素屬性的新數(shù)據(jù)層。在Arc GIS 9.3軟件中，可以通過疊置分析進行數(shù)據(jù)層的疊加、合并等操作。由于各類數(shù)據(jù)的相關(guān)性不一致，有的指標(biāo)為正相關(guān)，有的為負相關(guān)，所以在疊置分析前，所有數(shù)據(jù)都需要進行重分類處理，以達到消除量綱影響的目的。

1.5.3 計算流程 在GIS中，為了減少計算量，并不考慮所有水資源承載能力評價要素，每一系統(tǒng)只選相應(yīng)有針對性的數(shù)據(jù)進行空間分析，如水資源數(shù)據(jù)是以河流水系及土地利用為基礎(chǔ)，社會數(shù)據(jù)主要關(guān)注人口空間分布，經(jīng)濟數(shù)據(jù)側(cè)重農(nóng)田面積和工礦企業(yè)分布，生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)以牲畜分布為核心進行研究。本研究采用Arc GIS 9.3軟件中的空間分析模塊進行具體計算，基于GIS的水資源承載能力評價流程如圖1所示。

圖1 基于GIS的水資源承載能力評價流程

2 實例研究

2.1 研究區(qū)概況

本研究選擇內(nèi)蒙古自治區(qū)達爾罕茂明安聯(lián)合旗（簡稱達茂旗）作為研究區(qū)，達茂旗屬于大陸型干旱氣候，冬季寒冷，春季干旱，年平均氣溫4.34℃，年平均降水量在260.73 mm左右，而多年平均水面蒸發(fā)量卻高達2 480.57 mm，約為降水量的9.5倍，達茂旗的天然草地植被大致可分為四類，一類是以旱生草本植物為主的典型草原，二類草地植被比一類分布稀疏，且伴有旱生灌木叢，屬于荒漠草原，三類則是加入了叢生禾草，形成草原化荒漠，多分散于沿河灘地和盆地，最后一類則是介于以上三類之間的非地帶性草地草原，四類草地植被群落結(jié)構(gòu)都比較簡單。達茂旗是一個以畜牧業(yè)經(jīng)濟為主的邊境牧業(yè)縣，同時也有著豐富的礦產(chǎn)資源，經(jīng)過近幾年的發(fā)展，城鎮(zhèn)居民人均可支配收入年均增長了14.9%，農(nóng)民人均純收入年均增長了12.5%，工業(yè)總產(chǎn)值也突破了百億元大關(guān)。

2.2 現(xiàn)狀水資源承載能力評價

2.2.1 指標(biāo)體系評價結(jié)果 在水資源承載能力評價指標(biāo)體系法中，因為人口密度較低、人口增長得到有效控制，故全旗水資源社會承載能力均較強；北部的巴音花鎮(zhèn)及滿都拉鎮(zhèn)因工業(yè)較少，其水資源經(jīng)濟承載能力一般，其余承載均較弱。此外，各個區(qū)域的耦合層承載能力均為較弱或弱的狀態(tài)，說明水資源承載能力系統(tǒng)中各層間的相互聯(lián)系作用較小，經(jīng)濟、社會、生態(tài)環(huán)境、水資源各個系統(tǒng)沒能協(xié)調(diào)一致可持續(xù)發(fā)展，這對達茂旗水資源的進一步開發(fā)利用是極其不利的。圖2為指標(biāo)體系評價法水資源承載能力各層評價結(jié)果。

圖2 指標(biāo)體系評價法水資源承載能力評價結(jié)果

2.2.2 承載能力計算模型評價結(jié)果 在水資源承載能力計算模型中，在社會承載能力方面，人口數(shù)量大且分布密集的百靈廟鎮(zhèn)存在超載的情況；在經(jīng)濟方面，百靈廟鎮(zhèn)及滿都拉鎮(zhèn)出現(xiàn)了水資源經(jīng)濟承載能力的超載，而在生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中，只有巴音花鎮(zhèn)和滿都拉鎮(zhèn)的承載能力尚有富余。表2為水資源承載能力計算結(jié)果。2.2.3 GIS方法評價結(jié)果 圖3為現(xiàn)狀年達茂旗水資源承載能力評價結(jié)果圖，從圖上可以看出，全達茂旗有一半以上的土地水資源承載能力均為一般，在巴音花鎮(zhèn)南部、明安鎮(zhèn)西北部與滿都拉鎮(zhèn)中部，水資源承載能力為較強，極少數(shù)區(qū)域達到了水資源承載能力強的狀態(tài)。

表2 水資源承載能力計算結(jié)果

圖3 水資源承載能力評價結(jié)果

在基于GIS的水資源承載能力評價中，全旗的水資源承載能力在各行政分區(qū)的空間分布極不均勻，但人口集中、工農(nóng)業(yè)集中的百靈廟鎮(zhèn)、烏克鎮(zhèn)、石寶鎮(zhèn)等地水資源承載能力均處于較弱或弱的狀態(tài)，達茂旗北部的巴音花鎮(zhèn)、滿都拉鎮(zhèn)水資源農(nóng)業(yè)承載能力、水資源人口承載能力為較強或一般的狀況。

2.3 評價結(jié)果綜合分析

由以上計算結(jié)果可知，總體而言，現(xiàn)狀年達茂旗全旗的水資源承載能力均較弱。

比較三種評價方法，一些區(qū)域的評價結(jié)果有細微的不一致性，這是因為各種方法采用的原理及計算過程不同所造成的，三種方法評價的要素不一致，指標(biāo)體系法更多評價的是屬性類指標(biāo)，大多以比例的形式給出，水資源計算模型中采用的是定額法進行反演計算出理論承載能力，而基于GIS的承載能力評價結(jié)果則受權(quán)重計算及數(shù)據(jù)圖層耦合方式的影響較大。三種評價方法各有利弊，在實例中均能達到良好的效果，水資源承載能力評價指標(biāo)體系便于管理中快速地分辨出不合理的指標(biāo)；水資源承載能力計算模型則是量化了指標(biāo)體系的評價結(jié)果，便宜管理人員從宏觀上更有效地管理水資源和優(yōu)化配置水資源；基于GIS的水資源承載能力評價則是更直觀地展現(xiàn)達茂旗全旗水資源承載能力的空間變化情況，便于科研人員和管理者采取更有效更細致的水資源保護措施。因此，三種評價方法的綜合運用，在典型草原區(qū)實現(xiàn)了水資源承載能力評價定性與定量相結(jié)合、靜態(tài)與動態(tài)相結(jié)合，三種評價方法均可用于預(yù)測規(guī)劃水平年水資源承載能力狀況表3。

表3 三種水資源承載能力評價方法對比

3 結(jié)論

（1）提出了基于模糊分析的指標(biāo)體系法、承載能力計算模型及GIS方法三種典型草原區(qū)水資源承載能力評價方法，三種方法評價結(jié)果均表明達茂旗2009年水資源承載能力較弱，其中草原超載嚴重，人口及經(jīng)濟在百靈廟鎮(zhèn)等區(qū)域存在超載情況。

（2）三種評價方法均表明達茂旗水資源承載能力屬于較弱的狀態(tài)，但評價結(jié)果在局部存在一定的差異，因此在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)水資源管理要求、數(shù)據(jù)資料收集程度等因素，因地制宜地選用評價方法。

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