基于模糊理论的博尔塔拉蒙古自治州水资源利用和谐度分析

侯艳军,安瓦尔◦买买提明,侯贞霞

(1.新疆师范大学地理科学与旅游学院,新疆乌鲁木齐 830054;2.安阳市公路局,河南安阳 455000)

基于模糊理论的博尔塔拉蒙古自治州水资源利用和谐度分析

侯艳军1,安瓦尔◦买买提明1,侯贞霞2

(1.新疆师范大学地理科学与旅游学院,新疆乌鲁木齐 830054;2.安阳市公路局,河南安阳 455000)

通过对博尔塔拉蒙古自治州2002—2007年水资源统计数据及其相关的社会、经济与生态环境数据分析,构建了水资源利用和谐度评价指标体系,运用AHP法确定各评价指标的相对权重,借助模糊理论中的和谐度概念,建立了评价水资源利用和谐度的数学模型,定量分析博尔塔拉蒙古自治州的水资源利用和谐度。结果表明:①2002—2007年间博州地区的水资源配置和谐度呈逐年上升的态势;②博乐、精河和温泉三市县的水资源利用和谐度基本呈上升趋势,2007年处于较和谐状态,和谐度差异很小。提出了提高水资源配置和谐度的对策。

水资源利用;模糊理论;AHP法;和谐度;博尔塔拉蒙古自治州

我国干旱区主要包括新疆全境、甘肃河西走廊以及内蒙古贺兰山以西地区,土地面积约占全国的24.5%[1],但是该地区地表水和地下水分别占全国的3.3%和5.5%,且时空分布不均,导致水资源十分短缺,生态问题严峻,影响着干旱区地理系统的稳定性,引起众多学者关注。李元寿等[2]通过对西北干旱区水资源利用引起的生态环境问题研究,提出了水资源利用的生态环境保护对策;任倩[3]通过对干旱区水资源的流域管理分析,提出了干旱区流域可持续利用的对策;李海涛等[4]通过对民勤绿洲水资源利用分析,指出水资源开采将维持在高强度,地下水质会恶化,生态危机将加重;周宏飞等[5]通过对新疆的水资源利用量及其承载能力分析,指出新疆水资源可以支撑社会经济的可持续发展;叶茂等[6]通过对塔里木河水资源利用面临的问题分析,提出了塔里木河流域水资源可持续利用的基本对策;桂东伟等[7]通过用虚拟水理论探讨干旱区生态用水问题,提出了干旱区水资源合理利用的措施。上述研究多是从水资源利用与生态自然环境的关系进行研究,少有水资源利用与社会、经济、生态环境的综合的、定量的研究。笔者拟采用模糊理论中的和谐度概念对新疆博尔塔拉蒙古自治州(以下简称博州)水资源利用与社会、经济、生态系统的和谐性进行综合的、定量的分析,试图从时间和空间上找出博州地区水资源利用和谐度的变化特征,并给出对策。

1 研究区概况

博州位于新疆准噶尔盆地西南部,东经79°53′～ 83°53′,北纬 44°02′～ 45°23′。东西长 315km,南北宽125km,总面积2.7万km2。该自治州辖博乐市、精河县、温泉县和阿拉山口口岸行政管理区。博州多年平均降水量为73.2mm,降水深为291.6mm,平均径流深为100.32mm。博州水资源具有干旱少雨的特点,干旱指数高达5.2～24.1,属于极干旱区,生态环境极其脆弱。长期以来,在经济建设中由于忽视对水资源保护并进行过度开发,社会经济需水量与生态环境需水量比例严重失调,导致天然生态系统退化,水土矛盾突出[8]。

2 和谐度概念与评价方法

2.1 和谐度概念

和谐度是对系统和谐性的度量,反映系统中各个子系统之间相互联系、相互适应、相互协调运行的程度,是在科学分析和计算基础上对某一事物或现象的协调一致性进行评判的数量指标[9]。系统和谐性是描述系统是否形成了充分发挥系统成员和子系统能动性、创造性的条件及环境,以及系统成员和子系统活动的总体协调性[10]。

水资源利用和谐度是度量水资源系统的要素构成、运行状况以及与外部环境是否协调、和谐的一个综合指标。其基本内涵有:①系统地评价水资源系统的内部功能,反映系统中各要素的组成和互相匹配关系;②综合地反映水资源的供给与社会经济发展、生态环境对水资源的需求之间的平衡关系;③总体反映在一定的技术条件、一定时期、一定区域内水资源系统与外部环境的基本关系;④具体反映水资源利用的合理程度[11]。本文研究的水资源利用和谐度是水资源利用与经济、社会和生态系统和谐性的综合反映。

2.2 评价指标体系构建

以研究区域实际发展为基础,遵循科学性、系统性、动态性和可操作性原则,选择11个指标(表1),运用AHP法建立评价指标体系。

表1 水资源利用和谐度指标体系

C1指城市用水的非农业人口数(不包括临时人口和流动人口)与城市非农业人口总数之比;C2指农村供水总量与农村人口总数之比;C3指城镇供水总量与城镇人口总数之比;C4指具有一定的水源、地块比较平整、灌溉工程或设备已经配套、在一般年景下当年能够进行正常灌溉的耕地面积;C5指第一产业耗水量与第一产业产值之比;C6指第二产业耗水量与第二产业产值之比;C7指第三产业耗水量与第三产业产值之比;C8指城市绿地面积与城市人口总数之比;C9指当年总用水量与水资源总量之比;C10指区域内排放污水总量;C11指包括河湖人工补水和城市环境用水量。以上指标比较科学性、代表性、整体性地反映了博州水源利用的特征,同时也兼顾了资料的可得性。

2.3 AHP法确定指标权重

2.3.1 建立两两比较的判断矩阵

选择对新疆干旱区水资源利用研究较多的11名专家,以问卷调查的形式进行指标间两两相对的重要性比较,通过几何平均法获得比较的最终标定值,在此基础上建立各指标间两两比较的判断矩阵:

2.3.2 层次单排列

运用方根法求出判断矩阵的最大特征根所对应的特征向量 W,W=(W1,W2,…,Wn)T为所求的特征向量的近似解(即权重值)。其中:

计算判断矩阵的最大特征根λmax:

式中bij表示判断矩阵的第i行第j列的值。

2.3.3 判断矩阵一致性指标CI的检验

AHP法不能保证每个判断矩阵具有完全一致性,因此必须通过一致性检验检查各个指标的权重之间是否存在矛盾之处。进行一致性检验的公式如下:

与隐爆角砾岩有着密切空间联系的花岗闪长斑岩具有形成深度浅，富含挥发分，富强不相容元素Cs，Rb，K等；以及轻稀土元素La，Ce，Na和非活动性元素Nb，V，Hf；贫高场强元素Nb，Sr，Ti，Zr，P等；具有形成隐爆角砾岩及相关矿床的条件。

式中:RI为平均随机一致性指标(见表2),其取值由判断矩阵的阶数所决定;CR为判断矩阵的随机一致性比例,当CR≤0.10时判断矩阵才具有满意的一致性,否则应予调整。

表2 平均随机一致性指标

2.3.4 层次综合排序

经过一致性检验,每个矩阵的CR≤0.10,具有满意的一致性,求出中端层、末端层指标权重值(见表1)。

2.4 数据处理

各指标数据(表3)来源于文献[12-19]。

为了消除量纲,使各异的指标具有无量刚性和可比性,并且能体现其本身对系统和谐度的影响力,需要对原始数据进行标准化处理[20](表4)。在指标体系中有些指标呈正相关的关系,成为正向型指标;有些指标呈负相关的关系,成为负向型指标。标准化的方法如下:

表3 2002—2007年研究区原始数据

表4 2002—2007年研究区标准化数据

式中:C为标准化的指标值;Ca为实际评价指标值;Cmax为评价指标中的最大值;Cmin为评价指标中的最小值。

2.5 和谐度模型的构建

由于水资源利用和谐度取决于多因素的相互作用,各因素的关系与作用机理具有相当程度的模糊性,用一般的方法很难给出一个定量的数学模型[21]。模糊数学在研究客观事物彼此之间的差异在其中间过渡的不分明性具有相对的优势,模糊评价法通过较为科学的确定模糊集合中各变量的隶属度,运用层次分析法原理确定评价指标中的相对权重,通过对各个关联指标进行分析,在模糊集合中查出其隶属度,通过判别模型确定和谐度的等级[22]。水资源利用和谐度模型为:

H的取值在0～1之间,最大和谐度取值为1,最小和谐度取值为0,和谐度值越高表示系统越和谐。一般定义H＞0.9为和谐,0.7＜H≤0.9为较和谐,0.5＜H≤0.7为一般和谐,0.3＜H≤0.5为不和谐,0.1＜H≤0.3为极不和谐。

3 结果分析

根据式(5)(6)对原始数据标准化后,由式(7)可计算出博州地区及博州各市县2002—2007年社会系统和谐度、经济系统和谐度、生态系统和谐度及水资源利用和谐度(表5、表6)。

表5 博州地区2002—2007年和谐度计算结果

3.1 博州地区水资源利用和谐度的时间变化分析

2002年博州地区水资源利用和谐度处于极不和谐状态,2003—2004年处于不和谐状态,2005—2006年处于一般和谐状态,2007年处于较和谐状态。在研究期间博州地区水资源利用和谐度处于持续改善的趋势,表明博州地区水资源利用系统不断得到优化。社会系统和谐度表现出同水资源利用和谐度相似的变化特征,从2002年的极不和谐状态上升到2007年的较和谐状态,系统和谐度得到持续改善;在研究期间经济系统和谐度也同样处于改善态势,但其上升幅度大于水资源利用和谐度上升幅度,从2002年的极不和谐上升到2007的和谐;生态系统和谐度呈现出与上述和谐度指标不同的变化特征,生态系统和谐度是波动变化的,从2002年的不和谐上升为2003年的一般和谐,2004年又下降为不和谐,2005—2007年又上升为一般和谐,其间3年也出现上升—下降的变化特征,波动幅度较大。

表6 博州各市县2002—2007年水资源利用和谐度计算结果

博州地区水资源利用和谐度呈持续改善趋势的原因如下:①在研究期间博州地区由于社会加大了对城市给排水系统和农村饮水及农田水利水电设施的建设,使社会供水系统不断改善,从而使城市用水普及率得到提高,居民用水得到合理的供给,农田有效灌溉面积逐年增加,这些有利因素促使社会系统和谐度持续改善,进而对水资源利用和谐度产生了积极的影响。②在研究期间博州地区通过调整产业结构、加强农业节水技术运用,以及加强对工业耗水的控制,提高工业用水的重复利用率,使第一、第二、第三产业万元耗水量逐年下降,2007年与2002年相比,3项产业的万元耗水量分别下降了43%、72%、58%,使经济系统和谐度得到了大幅度上升,进而促进了水资源利用和谐度的改善。③在研究期间博州地区通过对污水排放的严格管理,尤其是对工业污水排放的管理,加强保证生态环境用水,使污水排放量处于基本下降的趋势(除2007年污水排放量大于2006年),生态用水基本保持小幅度增加,正作用于生态环境系统的改善,但是由于人均绿地面积的减小和水资源开发率的增加,给生态环境系统的完善带来一定的负面作用,正负2种因素的相互作用促使生态系统和谐度的波动变化,但总体而言,由于具有社会、经济系统和谐度的拉升力,仍使水资源利用和谐度呈上升趋势。

3.2 博州地区水资源利用和谐度的空间变化分析

博乐市水资源利用和谐度从2002年的不和谐状态,到2007成为较和谐状态,其水资源利用和谐度基本呈上升趋势(除2004年低于2003年),位序从2002年的第2位上升到2007年的第1位。温泉县水资源利用和谐度从2002年的不和谐状态上升为2007年较和谐状态,其水资源利用和谐度基本呈上升趋势(除2005年略低于2004年),位序从2002年的第1位下降到2007年的第3位。精河县水资源利用和谐度从2002年的极不和谐状态上升为2007年的较为和谐状态,其水资源利用和谐度基本呈上升趋势(除2006年略低于 2005年),位序从2002年的第3位上升为2007年的第2位。博州各市县水资源利用和谐度的变化特征是基本呈上升趋势,2007年都处于较和谐状态,并且各市县和谐度差异很小。从各市县水资源利用和谐度在研究期间的均值来分析,温泉县处于第1位,精河县处于第2位,博乐市处于第3位。博州各市县水资源利用和谐度基本呈上升趋势的原因基本上与博州地区水资源利用和谐度逐年改善的原因相似。

博州各市县水资源利用和谐度在空间上表现出差异的原因在于:①在社会系统和谐度的子评价因素中温泉县在农村人均供水量、城市人均供水量和农田有效灌溉面积上的评价因素中优于精河县,精河县优于博乐市,因而就社会系统和谐度而言温泉县排第1,精河县排第2,博乐市排第3。②在经济系统和谐度的子评价因素中博乐市关于第一产业、第二产业和第三产业的万元耗水量方面优于精河县,精河县优于温泉县,因而就经济系统和谐度而言博乐市排第1,精河县排第2,温泉县排第3。③在生态系统和谐度的子评价因素中温泉县关于人均绿地面积、水资源开发率和污水排放量方面优于精河县,精河县优于博乐市,因而就生态系统和谐度而言温泉排第1,精河县排第2,博乐市排第3。综合分析得出水资源利用和谐度排序为温泉县第1,精河县第2,博乐市第3。

4 结论与对策

4.1 结论

在2002—2007年间博州地区的水资源利用和谐度呈逐年上升的态势,表明博州地区水资源利用系统处于不断优化状态;博州各市县水资源利用和谐度的变化特征是基本呈上升趋势,2007年都处于较和谐状态,并且各市县的和谐度差异很小。从各市县水资源利用和谐度在研究期间的均值上分析,温泉县处于第1位,精河县处于第2位,博乐市处于第3位。

4.2 主要对策

a.根据水资源的承载能力,合理确定城市经济结构和产业布局;加强流域水资源的管理,合理安排生态、生活和生产用水。

b.加强城乡居民供水和农村水利水电基础设施的建设和完善,保证居民安全、正常地用水和农田的有效灌溉;加强水资源节约意义的宣传,提高居民的节水意识,减少水资源的浪费。

c.在保证粮食安全的前提下稳定耕地面积,避免过多地开垦新的耕地,减少新增农业用水,推广低耗水的农作物和经济作物,采用耐旱性优良的农作物品种,应用工程节水技术,推广滴灌等节水灌溉模式,降低农业用水定额;在缺水地区严禁建设高耗水的工业项目,加强企业节水技术改造,实现冷却水循环利用,降低工业用水定额。

d.加强对工业污水、农业污水、生活污水的有效治理,减少污水排放量,提高水质量,保护水环境;科学、合理地开发水资源,增加生态用水量,提高公共绿地面积,促进生态系统的稳定和优化。

[1]施雅风.气候变化对西北华北水资源的影响[M].济南:山东科学技术出版社,1995.

[2]李元寿,贾晓红,鲁文元.西北干旱区水资源利用中的生态环境问题及对策[J].水土保持研究,2006,13(1):217-220.

[3]任倩.西北干旱区水资源可持续利用的流域管理浅析[J].安徽农业科学,2007,35(32):10427-10429.

[4]李海涛,许学工,肖笃宁.民勤绿洲水资源利用分析[J].干旱区研究,2007,24(3):287-295.

[5]周宏飞,张捷宾.新疆的水资源可利用量及其承载能力分析[J].干旱区地理,2005,28(6):756-763.

[6]叶茂,徐海量,宋郁东,等.塔里木河流域水资源利用面临的主要问题[J].干旱区研究,2006,23(6):388-392.

[7]桂东伟,吕光辉,秦艳,等.用虚拟水理论探讨干旱区生态用水问题[J].干旱区研究,2007,24(4):466-469.

[8]苏颖君,李洪滨.博州水资源配置总体思路[J].新疆水利,2006(6):8-9.

[9]王瑞娜.城市防洪系统与社会经济系统和谐度[J].经济地理,2008,28(4):557-560.

[10]席酉民,尚玉钒.和谐管理理论[M].北京:中国人民大学出版社,2002.

[11]王济干,张婕,董增川.水资源配置的和谐性分析[J].河海大学学报:自然科学版,2003,31(6):702-705.

[12]博尔塔拉蒙古自治州水利局.博尔塔拉蒙古自治州水资源公报[R].博乐:博尔塔拉蒙古自治州水利局,2002;2003;2004;2005;2006;2007.

[13]新疆维吾尔自治区统计局.新疆统计年鉴[M].北京:中国统计出版社,2003.

[14]王贵荣.新疆统计年鉴[M].北京:中国统计出版社,2004.

[15]新疆维吾尔自治区统计局.新疆统计年鉴[M].北京:中国统计出版社,2005.

[16]新疆维吾尔自治区统计局.新疆统计年鉴[M].北京:中国统计出版社,2006.

[17]中国统计出版社.新疆统计年鉴[M].北京:中国统计出版社,2007.

[18]中国统计局.新疆统计年鉴[M].北京:中国统计出版社,2008.

[19]博尔塔拉蒙古自治州统计局.博尔塔拉蒙古自治州统计年鉴[R].博乐:博尔塔拉蒙古自治州统计局,2003;2004;2005;2006;2007;2008.

[20]沈菊琴,张劲松,邓东升,等.南水北调三潼宝工程征地移民系统和谐性研究[J]南水北调与水利科技,2008,6(1):115-119.

[21]谢季坚,刘承平.模糊学方法及其应用[M].武汉:华中科技大学出版社,2000.

[22]姜晨光,姜忠平,王纪明,等.基于模糊理论的人与自然和谐度相关问题初探[J].中国发展,2007,7(1):18-20.

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

国家自然科学基金(40761008)

侯艳军(1981—),男,河南安阳人,硕士研究生,从事城市地理与规划研究。E-mail:yjhou1223@163.com

安瓦尔◦买买提明,副教授。E-mail:anwaer@xjnu.edu.cn

(收稿日期:2010-04-26 编辑:高建群)