基于模糊评判的坝上地区水资源承载力评价

李恒超，邓英尔，2，史振环，宋 刚，钟贵莉

(1.成都理工大学 环境与土木工程学院，四川 成都 610000；2.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059)

自我国20世纪70年代末期大规模经济建设以后，经济的快速发展，一并带来了水资源紧缺、污水排放不达标生态系统破坏等社会性问题，迫使人们不得不认真考虑水资源的承载能力问题。水资源承载力是在此之上引申出来的一个概念，强调水资源的最大开发规模或者水资源对经济社会发展的支撑能力[1]。随后，我国学者对此展开了一系列的研究，到21世纪初已经形成了以模糊综合评价法，系统动力学法，多目标模型分析法为代表相对完善的应用体系。其中模糊综合评价法是应用最多的一种之一。该方法是基于模糊数学的综合评标方法。该综合评价法根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价，即用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体的评价。它具有结果清晰，系统性强的特点，能较好地解决模糊的、难以量化的问题[2]。

贡力等[3]应用模糊综合评判方法对兰州市水资源承载力进行了分析评价，研究了兰州市未来政策施后水资源承载力的动态变化过程。张忠学[2]等运用模糊综合评价法对绥化市北林区1996年到2012年的农业水资源进行承载力研究；高俊[4]从主体支撑力、调控力、客体压力3个角度选择15项典型指标构建水资源承载力评价体系，科学评价了呼和浩特市2015-2019年的水资源承载状况。吴凡等[5]为定量评价新疆各地州水资源承载力状况，在构建了模糊集对评价模型基础之上，结合五元减法集对势对新疆15个地州水资源承载力进行评价并诊断其发展态势。冯书仓等[6]侧重于持续发展质量评价体系，选用水资源条件、供水需水系统、社会经济发展水平和生态环境状况四个一级指标和22个二级指标，建立了基于模糊评价法的水资源可持续发展质量评价体系。国外学者直接以水资源承载力为主题的专项研究几乎没有，而是在探讨水资源与生态承载力及人口承载力的历程中提出了一些相似内涵的概念，如矿区承载力(MAWRCC)[7]，水资源紧缺指数(water stress index)[8]等。

本次研究区位于河北省张家口市坝上地区，目前相关该地区的研究大多停留在大范围上，对于该地区的精细化研究尚显缺乏，本文将根据相关资料，根据模糊判别法建立水资源承载力评价体系，对该地区的水资源现状及开发利用情况、当前社会经济条件下的水资源人口承载力进行探讨，并对未来的水资源承载状况做出预测，旨在对该地区未来水资源合理利用和布置及产业调整提供一定的理论和数据支撑。

1 研究区概况

本区地处河北西北部，北京市西北方向，位于内蒙古高原的“南缘”，俗称“坝上”。地理坐标东经113°50′～116°04′，北纬40°44′～41°32′，占张家口市总面积的37.4%。包括张北县、康保县、沽源县和尚义县北部坝上部分及察北、塞北两个管理区，总面积12 863 km2。总观其貌，北部及东南部为低山丘陵，最高峰冰山梁位于沽源县东南部，海拔标高2 211 m。坝上地区气候明显受内蒙古高压中心影响，夏季凉爽短促，雨量集中，冬季寒冷漫长、干燥；春秋两季多风、稍降雨，气温变化剧烈。气候总体特征是干旱、少降水、多风沙，属于典型的寒温带半干旱大陆季风气候。

2 坝上地区水资源现状分析

2.1 降雨量、地表水、地下水

坝上地区以内陆河水系为主，无境外水量补给，水资源的形成主要靠流域内有限的大气降水补给，形成途径单一。据多年降雨量变化分析，各县的降水量趋势性变化不明显。八十年代尚义县、沽源县降水量明显偏枯，其他县与多年平均值接近；九十年代至本世纪，降水量接近平均值，但近几年丰枯交替更加频繁。综合来看，该地区多年平均降水量380 mm，降水量年际变化大，且由东南向西北逐渐减少；多年平均蒸发量1 655 mm，是多年平均降水量的5倍。区内河流较为发育，沽源县内滦河、潮白河、内陆河三大水系贯穿四方，张北县内共有25条河流，总长度793 km，尚义县为内陆河流域，主要有大青沟和、二龙河，流域面积247 km2，唯康保县境内仅分布十几条季节性小河流。1994年，地表水供水量1 615万 m3，地下水供水量4 760万 m3，今年内由于坝上地区降水径流减少，地表供水工程老化失修，供水保证率低，对地下水的开采量逐年上升，其在整个区域内水资源利用量的比例也不断提高。

2.2 水资源开发利用现状

2000年以来，由于坝上地区大力发展农业，以发展错季蔬菜为支柱产业的水浇地面积迅速扩大，地下水开采量逐年加大，机井数量猛增，地下水位连年下降，深层水的开采利用率也逐年提高。全区现存数十座中小型水库，机井数量已接近6万眼。

该区地下水资源采补失调，在水资源利用效率上仍有较大提升空间，主要原因是农业需求的扩大，机井群遍布全区，在大片蔬菜种植区更是出现扎堆打井的现象，机井布局没有合理规划，再加上大部分节水工程年久失修或超过设计使用年限失去使用功能，灌溉效率低，水资源浪费较为严重。另一方面由于多数农供机没有采取止水措施，造成多个含水层的水力连通，致使深、浅层水混用和混采，水质和生态环境问题逐步凸显。

3 水资源承载力分析

3.1 评判方法

设评判指标集合为U={u1,u2,u3…,um},评语集合为V={v1,v2,v3…,vn},u、v代表的是具体的变量意义，其中U代表的是综合评判因素的集合，评判因素的选取因人而异，大多是根据研究区水资源和社会经济特定选定；V代表的是评语组成的集合。首先对评判指标集合中的某一项指标ui进行单因素评判，确定其所对应评价vj的隶属度rij，这样就得到第i个因素的单因素评判集合ri={ri1,ri2,ri3}，m个评判指标的评价集构造出评价矩阵R。

(1)

(2)

式中a为综合评判结果矩阵B的水资源承载力的综合评分值，a值越高，代表该区域水资源承载力越大。为了突出占优势等级的作用，进行区域水资源承载力的综合评价与分析K值，本次研究区为干旱区，结合前人研究[11]，K取1。

3.2 评价因素的确定

与水资源承载力相关联的评价指标很多，为了研究的准确性和针对性，在查阅相关文献的基础上[2，12]，结合研究区自身特点和经济发展情况，此次研究选取水资源开发率(u1)：75%频率可供水总量与水资源总量之比，反映水资源现阶段开发程度；水资源利用率(u2)：75%频率可供水总量与可利用水资源总量之比；农业水资源利用率(u3)：农业水资源用量与可利用水资源用量之比，反映水资源对农业的支持程度；人均水量(u4)：75%频率可供水总量与当地总人口之比；生活需水定额(u5)；耕地灌溉率(u6)6个因素作为评价指标。各评价指标及其分级见表1。

此次将评价指标分为3级。其中V1级表示水资源承载力接近饱和值，进一步开发发展潜力小，应及时调整农牧业用水，提高水资源利用率，减少不必要浪费。V3级表示水资源承载力良好，后续开发潜力大，可以适当加大灌溉规模，增加农业投入。V2级处于两者之间，表示水资源开发已达到一定规模，但仍旧拥有一定的开发潜力，可酌情适当开发。为了更定量反映研究区水资源承载力情况，对上述3个评语等级进行1分制评分，即a1=0.05,a2=0.5，a3=0.95，这样就将定性S描述水资源承载力的评判因素转换成可以定量评价该地区的水资源情况的数值，数值越大表示水 资源承载力越强，后续可开发利用性更强。

表1 各评价指标及其分级

3.3 评判矩阵的计算

根据上述6个评价因素的实际值，对照其分级指标来推求评判矩阵的隶属函数Uvi(ui)的值。操作过程中采用模糊化处理并构建隶属函数，使其值在各级间平滑过渡。对于评价因素 u1、u2、u3、u5、u6，各评语级隶属函数计算公式如下：

对于评价因素u4，其评语及隶属度计算公式如为：

上式中：评价等级V1与V2的临界值为k1；评价等级V2与V3的临界值为k3；评价等级V2的中点值为k2，即k2=(k1+k3)/2。

4 坝上地区水资源承载力综合评价

根据张家口市坝上地区社会经济条件和水资源利用状态，分别统计了坝上地区1993年、2003年、2013年6个评价指标。2023年为预测数据，是根据该地区用水现状并结合有关规划资料，按供需量进行预测得到的基础数据计算而成。由此计算得到6个评价因素的数值，具体见表2。按照上述隶属度计算公式，计算出评价因素对应不同评价等级的隶属度rij，从而构造出整个评价矩阵。

在得到评价矩阵B和权重矩阵A的基础上，按照公式B=AR计算得出张家口市水资源承载力评价结果矩阵B，各年各指标隶属度矩阵R结果如下：

表2 坝上地区评价因素指标统计

综上，1993年坝上地区水资源承载力最终评价矩阵B计算过程如下：

表3 张家口市坝上地区多年水资源承载力综合评价结果

从表3可以看出，1993-2023年这40 a间张家口市坝上地区水资源承载力综合评分值对V1的隶属度显著高于V3和V2的隶属度，且对V1的隶属度逐年上升，而对V2及V3的隶属度则不断下降，说明该地区水资源开发利用率已接近极限，继续开发潜力较小。在不同年份的综合评分中，承载力评分分值均小于0.5，评价结果对V1的隶属度远远大于V3的隶属度，预测年份2013年对V1的隶属度竟高达0.581，说明在不断地社会发展中，该地区水资源承载已接近饱和，后期应注重调整农牧业结构，提高水资源利用率。

对隶属度矩阵R的计算结果分析可以得出，坝上地区在1993-2023年这40 a间，水资源利用率u2、人均水量u4、生活需水定额u5对V1的隶属度都在逐年增加，而对V2的隶属度大体上都有逐年下降的趋势，说明随着社会、生活的不断向前进步，人们对水资源的需求量也翌日剧增 ，这一切都迫使水资源的开发进入一个快速发展期，大量的水资源被开发，被利用；水资源开发率u1、农业水资源利用率u3、耕地灌溉率u6对V3的隶属度高于对V1和V2的隶属度，且大体上对V3的隶属度有不断下降的走势，这说明随着农牧业的发展，尤其是农业的发展需求，灌溉面积的加大对水资源的需求量不断增加，该地区的水资源开发利用率正逐步迫近极限，这同样侧面佐证了上述推论。

5 结语

(1)通过以上计算，河北省张家口市坝上地区，1993-2013年这30 a间水资源承载力综合得分数值一直处于不断下降的趋势，从1993年的0.437下降到2013年的0.226，且对V1的隶属度远大于对V2和V3的隶属度，都说明随着该地区大力发展农牧业，对水资源的需求量不断增大，导致地下水超采，水资源承载已接近饱和，后续开发潜力较小。

(2)通过2023年预估数据对坝上地区进行水资源承载力评价，综合评分数值为0.188，对V1和V2的隶属度大致相似，表明若照目前这个用水趋势，后期有极大可能遭遇水资源供给不足，水资源无法承载当地生产的情形。

(3)应采取适当措施缓解水资源压力，从而提高水资源承载力，实现可持续发展。笔者认为应从用水方式，取水手段两方面来考虑：

坝上地区以农业为支柱产业，农业用水量在全年地下水开采量中的占比高达80%以上，故应创新农业发展态势，推广耐旱节水品种，提倡高效节水种植和浇灌方式，提高水资源利用率。

大力推进河北省南水北调工程、引黄工程建设及其配套水厂及输送网管工程建设，引入长江、黄河水进行灌溉，从而大幅度缓解本地水资源压力。