基于模糊集对分析法的新疆水资源安全评价

张志君，陈伏龙，龙爱华,2，何新林，乔长录

(1.石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000；2.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038)

水作为一种自然资源，是维持人生命、促进社会经济发展、保障良好生态环境的基础物质。在全球气候变暖背景下，可利用的水资源与人类日益增长的用水需求之间的矛盾日益凸显，导致水资源短缺、水土流失和水生态环境破坏等一系列水安全问题[1]。新疆位于我国西北干旱地区，水安全环境显得尤其脆弱，主要体现在：不合理的开发利用方式与灌溉定额导致低水平的用水效益及区域土壤盐渍化；农业用水挤占生态用水，使得下游天然绿洲萎缩，生态环境进一步恶化；上游与中下游用水需求的竞争关系，扩大了区域生产用水的矛盾[1-2]。

目前，区域水资源安全评价方法主要有模糊综合评价法[3]、物元分析法[4]、投影寻踪法[5]、神经网络法[6]和综合指数法[7]等。以上方法为区域水资源安全评价提供了有效的手段，但同时存在一些不足之处，例如:神经网络法需要用大量典型样本作为测试集进行训练，算法易陷入局部极值而导致训练失败；模糊综合评价方法存在较难确定合理的隶属度函数的问题[8]，且由于隶属度函数的差异会导致评价同一个对象的评价结果差异较大。集对分析法是一种处理事物确定与不确定性关系的有效方法，是我国学者赵克勤[9]在1989年提出的，2009年王文圣等[10]在此基础上提出了简单折线式的模糊集对分析法，已广泛应用于水资源安全[11]、水资源承载力[12]、水资源可持续利用[13]、调水效益[14]等方面的评价。目前对新疆水资源研究多关注于水资源承载力[15]、水资源与社会经济发展协调度[16]等方面，对新疆水资源安全评价研究较少。本文利用基于模糊集对分析的水安全评价方法对新疆水资源安全进行评价。

1 研究区概况

新疆位于我国西北地区，地理坐标73°40′E～96°18′E、34°25′N～48°10′N，总面积166万km2，具有气候干燥、降雨量少、水资源短缺等典型干旱区特征。新疆分为南疆(巴州、阿克苏地区、克州、喀什地区和和田地区)、北疆(乌鲁木齐市、克拉玛依市、昌吉州、博州、伊犁州、塔城地区、阿勒泰地区和石河子市)和东疆(吐鲁番市和哈密市)3部分，绿洲多位于沿河流域及盆地边缘，水资源受典型干旱区山地-绿洲-荒漠的自然因素和人文因素的双重影响[16]。2016年新疆的年降水量229.7 mm，水资源总量为 1 093亿m3，年需水总量为565.4亿m3，其中农业用水533.4亿m3，占总需水量的94.3%，比全国平均水平高50.6%。生态环境用水率1.1%，仅为全国平均值的1/2。近年来，随着新疆城镇、工农业经济的不断发展，用水总量已经超过其红线控制值，地下水利用程度增加过快，水资源开发过度导致生态趋于恶化，水资源安全问题日益突出。

2 评价方法

基于模糊集对分析法的新疆水资源安全评价流程为：①建立新疆区域水资源安全评价指标体系；②确定各评价指标等级划分标准；③通过熵权法确定评价指标的权重；④采用模糊集对分析法求得单指标联系度；⑤将单指标联系度与准则层及目标层权重结合，得到准则层及目标层水资源安全评价综合联系度；⑥运用置信度准则与级别特征值法确定水资源安全的评价等级；⑦利用减法集对势确定需要调控的区域；⑧将评价结果与物元分析法及综合指数法进行比较分析。

2.1 建立评价指标体系

区域水资源安全评价指标体系是反映评价结果客观、真实的有效依据。评价指标的选取遵循可靠性、代表性和可获性等原则，采用定量与定性相结合的方法[3]，结合区域水资源现状，建立全面、综合反映新疆水资源安全状况的评价指标体系如表1所示(表中括号中数据为各指标权重，其中C1～C4、C8、C11、C12、C14～C17为越大越优型指标(效益型指标)，其他为越小越优型指标(成本型指标)。本文将水资源安全评价指标体系分为目标层A、准则层B和指标层C，其中目标层A为“区域水资源安全”，共16个对象(即A1～A16，其中北疆8个、南疆5个、东疆2个及新疆整体)，准则层分别为“水资源层B1”“社会经济层B2”“生态环境层B3”和“供需层B4”，指标层由指标C1～C18组成，见表1。

表1 新疆水资源安全评价指标体系及权重
Table1Regionalwaterresourcessafetyevaluationindexsystemandweight

2.2 确定指标等级标准

依据新疆水资源安全评价指标体系，借鉴与研究区相似地区的水资源安全评价成果[3,17-19]，将水资源安全评价等级划分为5级。其中1级(非常安全)表示被评价对象水资源系统自我修复能力较强，各项功能良好，基本无水危机及水灾害事件；2级(安全)表示水资源系统自我修复能力良好，各项功能比较正常，水危机及水灾害事件较少；3级(基本安全)表示水资源系统自我修复能力基本正常，各项功能大部分正常，发生部分水危机及水灾害事件；4级(不安全)表示水资源系统自我修复能力和各项功能遭受较大破坏，水危机及水灾害事件增加；5级(极不安全)表示水资源系统自我修复能力和各项功能遭受严重破坏，水危机及水灾害事件频率极高[20]，具体参数见表2。

2.3 熵权法确定权重

权重是反映评价指标相对于评价对象的重要性程度，熵权法是一种可以尽量消除人为主观干扰的赋权法，参照文献[21]，采用熵权法确定评价指标权重的步骤如下：①选取m个评价对象，n个指标，形成初始数据矩阵X=(xij)m×n(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)；②将初始数据分成效益型指标和成本性指标，形成标准化矩阵R=(rij)m×n；③确定第j个评价指标的熵值；④确定第j个评价指标的权重：

表2 新疆水资源安全评价等级划分标准Table 2 Xinjiang Water Resources Safety Evaluation Grade Classification Standard

(1)

式中：wj为第j个评价指标权重；n为评价指标总数；h′j为第j个评价指标的熵值。

2.4 模糊集对分析法确定联系度

2.4.1模糊集对分析法评价原理

在利用模糊集对分析法对水资源安全进行评价时，设由n个指标构成的评价对象集合为A={x1,x2,…,xn}，指标xj第k级评价标准集合为Zk(k为评价等级数，k=1,2,…,K)，则集合A与Zk形成集对H(A,Zk)，为了方便计算，同时避免评价指标间作用差距较大引起的差异[10-11]，将Zk特定为指标xj第1级标准构成的集合Z1，则集合A与Z1构成集对H(A,Z1)，指标j的联系度μj[10]为

μj=μA～Z1=a+b1I1+b2I2+b3I3+cJ

(2)

其中

a+b1+b2+b3+c=1

式中：a为集对H(A，Z1)的同一度分量，表示指标xj隶属于1级标准的可能性；b1、b2、b3为集对H(A，Z1)的差异度分量，表示指标xj隶属于2、3、4级标准的可能性；c为对立度分量，表示指标xj隶属于5级标准的可能性[22]；I1、I2、I3为差异度分量系数；J为对立度系数，通常取-1[10]。

2.4.2单指标联系度计算

区域水资源安全评价等级标准分5级，一个门限值对应一个等级区间，4个门限值分别为S1、S2、S3、S4，等级门限边界的模糊性问题采用差异度分量处理。效益型指标(S1≥S2≥S3≥S4)和成本型指标(S1≤S2≤S3≤S4)联系度μj的计算公式[10-11]分别为

μj=μA～Z1=

(3)

μj=μA～Z1=

(4)

2.4.3样本综合联系度计算

a. 准则层综合联系度。利用单指标联系度，结合准则层内部各指标权重，得准则层综合联系度[23]：

(5)

式中：s是各准则层中指标个数；wj是准则层第j个指标的权重。

b. 目标层综合联系度。依据单指标联系度，结合指标层权重，得目标层综合联系度[10,23]：

(6)

式中：n是目标层中指标总数；wj是目标层第j个指标的权重。

2.5 确定评价等级

采用置信度准则确定水资源安全状态等级[11,14]，判断隶属度等级的公式为

hk=f1+f2+…+fK>λ

(7)

式中：hk为属性测度；λ为置信度，取值范围通常为[0.5,0.7][11,23]；f1、f2、f3、f4、f5为5个评价等级(本文k=5)的联系度分量[23]，对于给定的λ，当hk-1≤λ，且hk>λ时，评价结果属于第k级，λ取值越大，评价结果越偏向于保守[11]。

利用级别特征值法[24]能够克服模糊隶属度函数判别结果失真的缺点，增强评价结果的合理性。结合式(5)、式(6)，得出对应水资源安全评价级别的特征值gk为

gk=f1+2f2+3f3+4f4+5f5

(8)

2.6 识别水资源安全调控区域

在集对分析理论中，减法集对势是式(6)样本综合联系度的伴随函数，能将差异度分量b值按比率值法进行分配[8]，根据金菊良等[25]提出的n元减法集对势函数sf(u)=(a-c)(1+b1+b2+…+bK-2)，利用“均分原则”[9]，将sf(u)划分为5个势级[24]，当sf(u)∈[-1.0,-0.6)时为反势，sf(u)∈[-0.6,-0.2)时为偏反势，sf(u)∈[-0.2,0.2]时为均势，sf(u)∈(0.2,0.6]时为偏同势，sf(u)∈(0.6,1.0]时为同势。处于反势或偏反势的区域，是水资源安全调控的主要区域[24-25]。

3 评价结果与分析

根据2017年《新疆统计年鉴》《石河子统计年鉴》及2016年《新疆水资源公报》等相关文献中的数据，运用Matlab软件编程，取λ=0.5,依据置信度准则确定评价等级，得到2016年新疆15个行政区及新疆整体水资源安全准则层综合评价等级如表3所示，其中水资源层和社会经济层各等级评价对象面积占新疆总面积比例见表4。

表3 新疆水资源准则层安全等级Table 3 Xinjiang water resources standards layer safety level

表4 水资源层和社会经济层等级分布区域占新疆总面积比例Table 4 The proportion of water resources and socio-economic level distribution to the total area of Xinjiang

由表3可得，新疆整体的水资源准则层水资源安全评价等级均属于基本安全等级(3级)，在生态环境层中，北疆偏向于4级，南疆、东疆属于4级；在供需层中，北疆偏向于2级，南疆和东疆属于3级。

结合表4可见，在水资源层中，北疆、南疆水资源安全评价等级分级明显，北疆分布在1级、3～5级，南疆偏向于2级，东疆属于4级。在社会经济层中，北疆水资源安全等级分布在2、3级，南疆分布在3～5级，东疆分布在3、4级。结合相关水资源论证的规划报告及实际社会经济发展情况，该评价结果与实际情况较为符合。

结合模糊集对分析方法评价步骤，利用置信度准则法、级别特征值法得出新疆水资源目标层的水资源安全评价等级，并用减法集对势法进行空间诊断分析，结果见表5。

表5 新疆水资源安全评价等级及减法集对势值Table 5 Xinjiang water resources safety evaluation level and subtraction set against potential values

由表5可知，新疆水资源安全等级属于3级，北疆分布在2～4级，南疆分布在3、4级，东疆属于4级。依据置信度准则判断水资源安全等级，位于同一个等级，hk越大安全程度越高，属于3级由高到低的顺序为：塔城、博州、阿勒泰、巴州、克州、克拉玛依、昌吉、和田、乌鲁木齐；属于4级由高到低的顺序为：吐鲁番、阿克苏、哈密、喀什、石河子。级别特征值法判断出伊犁水资源安全等级最优(2级)，吐鲁番市水资源安全等级最差(4级)，其余地区评价结果大体相同。由减法集对势判断出吐鲁番、哈密、喀什、阿克苏、石河子5个地区处于偏反势，是区域水资源安全调控的主要对象。

将本文综合评价结果与物元分析法[4]及综合指数法[7]的评价结果进行比较分析，结果见表6。本文基于模糊集对分析法的评价结果与物元分析法相比有14个相同，有2个相差1级；与综合指数法相比，评价结果有12个相同，有4个相差1级，3种评价方法的评价结果相近，表明模糊集对分析法的评价结果具有合理性。

4 结 论

a. 新疆整体水资源安全状况属于基本安全等级，水资源安全等级空间分布上北疆最好、南疆其次，东疆最弱。减法集对势法识别出需要重点调控的5个地区是吐鲁番、哈密、喀什、阿克苏、石河子，与目标层评价结果较为符合，减法集对势法能较为简便、直观地识别出水资源安全的脆弱性样本。

b. 新疆水资源层安全等级空间分布上，呈现南、北强东弱格局，社会经济层中呈现北、东强南弱格局，生态环境层普遍处于不安全水平，供需状况基本满足要求。

表6 3种评价方法评价结果比较Table 6 Comparison of evaluation results of three evaluation methods

c. 基于模糊集对分析的水资源安全评价方法与物元分析法和综合指数法评价结果大体相同，应用于干旱区水资源安全评价具有一定的推广价值。