新疆玛纳斯河流域水资源可持续利用水平评价

周学磊

(新疆玛纳斯河流域管理局，新疆 玛纳斯 832200)

0 引 言

水资源属于保障国家和区域生产发展不可或缺的重要资源，水污染和水资源短缺问题的进一步加剧，使得学者和有关政府越来越注重流域水资源可持续利用能力的评价研究，其对促进人水和谐发展及充分合理的利用水资源发挥着重要作用[1]。

玛纳斯河流域横跨多个地(州)、兵团，其占地面积8.432万km2，地形呈北低南高的变化特征。该流域为大陆性干旱气候，多年平均降水量110-200mm，属新疆维吾尔自治区重要的糖、棉、粮生产基地和主要的农业生产区。其中，呼图壁河、巴音沟河、玛纳斯河和金沟河等为构成玛纳斯河流域的主干支流，人口的增长、农业耕地面积的增加以及社会经济规模的发展壮大等，使得流域内生态环境区域恶化及水资源供需矛盾更加突出，对当地生态-社会-经济系统的可持续发展产生直接的不利影响。为解决以上问题，当前亟需运用科学的方法综合评价绿洲水资源可持续利用能力水平[2-6]。文章结合现有文献资料和流域水资源利用现状，综合考虑生态环境、经济、社会和水资源等方面要素建立评价体系，运用改进障碍因子诊断模型和突变级数法识别了流域水资源利用影响因素及可持续利用能力，以期流域水资源管理规划和合理高效利用水资源提供决策依据[7-10]。

1 评价方法

1.1 突变级数法

1972年法国学者勒内托姆基于各参评因子的相对重要度，创立了一种运算简便、结果客观、准确度高的突变理论法，现已在绩效考核、资源环境评价等领域得到广泛的应用。然而，该方法对于主、次控制变量的选择易受主观判断的影响，从而导致评价结果受主观干扰的影响较大。所以，文章将主成分分析法与突变级数法有机结合，用于确定评价模型的主、次控制变量，其主要流程为：

1)步骤1：根据水资源利用现状和流域水源管理要求，考虑各方面影响要素构建可持续利用突变评价体系。

2)步骤2：考虑评价体系结构层次确定突变类型，其中国内学者广泛应用的有燕尾、蝴蝶、突变和尖点突变3种类型，一般适用于4个或2个子系统的评价分析。

3)步骤3：将水资源利用评价因子初始数据利用突变系统的分歧方程式处理，转化为标准数据形式。

4)步骤4：采用合适的方法准确评价水资源可持续利用水平，归一化处理后的各突变系统数据属于一种模糊性多维度的隶属函数，将其按照不同的函数类型划分为多个类别，对控制变量按照互补准则取平均值作为最终的评价结果。

1.2 改进障碍度模型

充分了解不同时期和各个区域的水资源开发现状为评价分析水资源可持续利用的重要条件，同时还要准确识别显著影响水资源系统的关键因素，进一步分析其内在关系，进而提高水资源可持续利用评价的准确度和可靠性。所以，本文将突变级数模型和障碍因子诊断模型相耦合用于流域水资源的评价研究，先利用公式(1)获取参评因子的偏离度，即：

Iij=1-xij

(1)

式中：xij、Iij为参评因子i关于评价时期(或地区)j的标准化值和偏离度。

然后将各控制变量的偏离度利用归一化方法处理，由此得到被诊断指标的突变级数，评价体系的上一级障碍度即为标准化处理后的该级数值；将其它各层次中被诊断对象的障碍水平反复利用该归一化方法处理，可实现各子系统的障碍度测算，依据障碍水平准确识别关键性要素。

1.3 主成分分析PCA法

突变级数模型的综合评价体系中，各控制变量的主次关系运用主成分法获取。样本数据的最大变异方向可利用PCA法的第一主成分表征，同时初始变量与第一主成分存在较强的相关性，所以水资源可持续利用水平各评价指标权重选用存在最大特征根的特征向量的各分量，由此实现各参评要素的重要性排序。将突变级数模型与主成分分析法有机结合，为突变级数模型的应用创造了条件，保证了各层次参评因子的横向排序和评估结果的客观准确性。

1.4 水资源可持续利用评价体系

新疆玛纳斯河流域管理局作为流域管理单位，统筹全流域水资源的调配，依据玛纳斯河水资源利用现状和现有文献研究成果，从生态环境、经济、社会和水资源4个方面选择13项水资源可持续利用评价因子，按照梯阶层次结构建立适用于该流域的综合评价体系，玛纳斯河流域综合评价体系及其初始值，见表1。然后借鉴玛纳斯河流域水资源公报、各地区统计年鉴、水资源发展规划等资料提取现状水平年各参评因子初始数据，结合以往数据资料和当前发展规划预测2025年各因子值。根据国家公认的评判标准和流域水资源特点，将可持续利用水平划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级，各层级下参评因子值，流域水系统评价等级，见表2，其中Ⅰ级代表流域水资源可持续利用潜力较小、总体水平较低；Ⅲ代表流域水资源可持续利用潜力巨大、总体水平较高；Ⅱ级处于以上两级之间，即流域水资源存在一定的利用潜力，总体处于中等水平。

表1 玛纳斯河流域综合评价体系及其初始值

表2 流域水系统评价等级

2 实例应用

根据玛纳斯河流域2005年、2015年和2025年水资源利用各参评因子值，运用改进障碍因子诊断模型、突变级数法和评价体系临界值，识别分析流域水资源可持续利用障碍性因子以及不同时期的变化特征。

2.1 数据处理

为便于构建突变级数模型及消除不同参评要素间的量纲差异，应先利用下述公式归一化处理正向和负向评价因子的初始数据，即：

(2)

(3)

式中：x(i,j)、v(i,j)为参评因子i对于评价时期j的初始数据和归一化评价值；xmax(j)、xmin(j)为参评因子i对于各评价时期的最大与最小值。将表1中各参评指标初始数据采用公式(2)、(3)作归一化处理，归一化处理的各参评指标值，见表3。

表3 归一化处理的各参评指标值

通过归一化处理各参评因子数据，对评价体系中间层次的单个指标所包含的相对重要度利用主成分分分析，依据分析结果排列各指标；同时，将中间层单个指标数据运用突变级数法处理，多次重复运算后获取所有层次的评价因子数据，为避免各单项评估因子突变级数处理过程中出现的聚集现象，运用归一化公式(2)处理后作主成分分析，依据重要度大小排列目标层单个指标，从而获取最终评价等级。

2.2 可持续利用水平分析

采用突变级数法评价分析玛纳斯河流域水资源利用水平，2005年、2015年、2025年不同时期的可持续利用水平，玛纳斯河流域水资源可持续利用综合评估值及其排序，见表4。

表4 玛纳斯河流域水资源可持续利用综合评估值及其排序

根据各子系统得分、排序及其综合评价值可知：

1)2005年生态环境与水资源系统总体处于Ⅰ级状态，水系统可持续利用水平较低；经济和社会发展子系统总体处于Ⅰ级状态，流域水系统可持续利用整体为中等，总体而言玛纳斯河流域总体处于中等可持续利用状态。

2)2015年玛纳斯河流域各子系统值均呈现出一定的上升趋势，除水资源系统为Ⅰ级(低)水平外生态环境、经济和社会发展系统均达到Ⅱ级水平，水系统可持续利用总体处于中等状态；总而言之，该时期仍处于Ⅱ级中等水平，较2005年该时期综合评价值得以大幅度提升，从最初的0.686上升至0.781。

3)2025年玛纳斯河流域各子系统值仍表现出上升趋势，生态环境、水资源、经济和社会发展系统均达到Ⅱ级水平，流域水系统可持续利用处于中等状态；总而言之，该时期仍处于Ⅱ级中等水平，较2010年该时期综合评价值得以大幅度提升，从2015南的0.781上升至0.830。

综上分析，玛纳斯河流域不同时期的水资源可持续利用水平总体呈良性循环发展趋势，水系统环境、水资源、经济、社会各子系统之间相互协调，该流域今后的发展模式仍以优质高效发展模式为主。

2.3 障碍因子诊断

根据玛纳斯河流域不同时期的评价结果，采用改进诊断模型进一步识别关键性障碍因子，各评价指标和子系统的障碍度运算。玛纳斯河流域评价体系中各子系统障碍度，见表5。

表5 玛纳斯河流域评价体系中各子系统障碍度

从表5可知，在不同时期4个子系统阻碍程度存在较大的差异。其中，生态环境、社会发展和水资源子系统为抑制2005年水资源可持续利用的关键因子；社会发展和水资源系统为抑制2015年水资源可持续利用的关键因子，该时期的生态环境系统得到一定程度的改善；社会发展和水资源系统为抑制2025年水系统开发的关键因子。所以，社会发展模式及资源性缺水为阻碍西北内陆干旱区可持续发展的根本原因。

表6 玛纳斯河流域评价体系中各子系统障碍度

由于玛纳斯河流域水资源系统覆盖范围广、参评要素多，文章按照指标层障碍度的大小将可持续利用水平障碍因素排序，贡献率较大的前5位障碍因素，玛纳斯河流域评价体系中各子系统障碍度，见表6。从表6可以看出，2005年、2015年、2025年不同时期影响作用明显的障碍因素相差不大。其中，不同时期排名靠前的要素有C2、C3、C11，可见玛纳斯河流域水资源可持续利用水平主要受到林草覆盖率较低、单位面积水资源量不足及水资源开发利用率过高等因素制约。所以，应提倡中水、微咸水资源化及高效节水灌溉技术的推广应用，采取保护水生态环境、发展节水型工业和减少农业用水总量等措施，以实现生态环境、经济、社会与流域水资源的协调持续利用。

3 结 论

1)2005年、2015年和2025年玛纳斯河流域水资源可持续利用综合评价值为0.686、0.781、0.830，可持续利用均处于Ⅱ级中等水平，该流域总体呈良性循环、健康发展趋势，生态环境、水资源、经济与社会各子系统之间相互协调，且今后的发展模式仍以优质高效发展模式为主。

2)为进一步识别阻碍流域水资源可持续利用的关键因子，从指标层和子系统两个方面运用改进障碍因子法分析。结果发现，玛纳斯河流域水资源可持续利用水平主要受到水系统开发率过高、植被覆盖度低及资源性缺水等因素制约。为实现生态环境、经济、社会与流域水资源的协调持续利用，应提倡中水、微咸水资源化及高效节水灌溉技术的推广应用，采取保护水生态环境、发展节水型工业和减少农业用水总量等措施。