层次分析法-熵权法评价鄂托克旗地下水灌溉承载力

张 斌 鹿海员 高瑞忠

(1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院,内蒙古 呼和浩特 010018;2.水利部牧区水利科学研究所,内蒙古 呼和浩特 010020)

水资源承载力是分析一个国家或地区水资源开发利用状况的重要参考指标,地下水资源承载力是水资源承载力研究的重要组成部分,是指在一定发展阶段下,以可预见的技术、经济和社会发展水平为依据,以可持续发展为原则,以地下水最大可利用量为前提,地下水资源对区域社会经济发展的最大支撑能力[1]。

目前,关于水资源承载能力的研究方法主要有常规趋势法、系统动力学法、多目标分析法[2]等。本文以鄂托克旗地下水灌溉承载力分析为研究对象,以嘎查(村)为单元,结合鄂托克旗的地下水资源利用特点,构建了适用于鄂托克旗的地下水灌溉承载力评价指标体系,并运用层次分析法-熵权法对地下水灌溉承载力进行综合评价,同时提出水资源利用对策及建议,为该地区的社会经济发展及地下水资源可持续利用提供科学的依据。

1 研究区概况

1.1 自然地理概况

鄂托克旗位于内蒙古自治区鄂尔多斯市西部,总面积约20383.44km2,下辖4镇2苏木。区域地势西北高、东南低,以波状高原为主。属中温带干旱、半干旱大陆性气候区,多年平均年降水量271.9mm,多年平均年蒸发量2359.1mm。

根据2020年鄂托克旗统计年鉴,常住人口为16.27万,其中城镇人口12.88万,农村人口3.39万,城镇化率79.16%。

鄂托克旗的地下水灌溉面积为61.94万亩,土地面积为3053.55万亩,灌溉面积占比2.03%,其中喷灌面积15.80万亩,微灌面积44.34万亩,低压管灌面积1.80万亩。

本文以鄂托克旗各嘎查(村)为单元开展承载力评估,研究区域共有72个使用地下水灌溉的嘎查(村)。

1.2 水资源利用现状

鄂托克旗共有4个主要供水水源,供水现状见表1。从表1中可以看出,地下水是供水的主要来源,占供水量的60.66%;黄河水次之,占供水量的31.97%。数据来源于鄂托克旗水利局相关资料及水利部牧区水利科学研究所实地考察项目。

表1 水资源供水类型现状

2 研究方法

2.1 评价指标体系的选取

本文参考金菊良等的研究成果[3],结合层级划分的原则和地下水灌溉用水特点[4-5],构建评价指标体系,见表2。

表2 地下水灌溉承载力评价指标体系

按照与地下水灌溉水资源承载的物理过程相关的影响因素,将水资源承载力系统划分为以下3个子系统。

a.支撑力子系统:主要反映区域与地下水灌溉相关的自然条件和区域本地水资源条件。

b.压力子系统:主要反映社会发展水平给水资源系统带来的压力。

c.调控力子系统:从工程、技术和管理等方面反映灌溉用水水平及水资源承载的调控能力。

2.2 评价方法

科学合理地判定和计算评价指标权重,对研究目标量化结果的准确可信度具有重要作用。目前对计算评价指标权重的获取,多采用主观结合客观的方法,主观性和客观性相互弥补,从而获得更为直观和准确的指标权重。本文以层次分析法-熵权法相结合求得综合权重。

2.2.1 层次分析法

层次分析法主要依据yaahp软件,通过专家打分判断指标相互间的重要性,在一定程度上受评判专家的认知干扰,存在人为主观性因素干扰[6]。

层次分析法计算权重的步骤如下:

a.构建判断矩阵。通过邀请相关领域专家,以调查问卷形式对构建的地下水灌溉承载力评价指标体系各层级进行打分,构成判断矩阵。

b.通过算术平均法计算权重。

将判断矩阵的每一列归一化,即

(1)

对归一化后的判断矩阵的每一行求和,得到向量mi:

(2)

对向量mi进行归一化处理,得到最大特征值向量αi:

(3)

计算本层内要素的权重Wi:

(4)

(5)

c.计算最大特征根λmax,并进行一致性检验:

(6)

(7)

(8)

式中:λmax为最大特征根;A为判断矩阵;CI为一致性指标;CR为随机一致性比率;RI为矩阵的平均随机一致性指标。

当计算所得CR<0.1时,则可以判定为判断矩阵A具有比较满意的一致性,或者此矩阵的不一致性在可以接受的范围之内,判定矩阵通过一致性检验;当CR>0.1时,需要调整判断矩阵A中的取值,并重复上述步骤,对判断矩阵重新进行一致性检验,直到符合CR<0.1的要求,满足一致性检验[7]。

2.2.2 熵权法

熵权法主要是根据样本数据在各评价对象中的差异性来确定权重,是常见的一种客观赋权法,人为主观因素相对少,评价结果具有较高的可信度[8]。利用熵权法评价鄂托克旗地下水灌溉承载力,首先对评价指标数据进行标准化处理,然后通过熵权法计算各评价指标的权重,最后通过线性加权法对鄂托克旗地下水灌溉承载力进行综合评价[9]。熵权法是一种客观赋权方法,根据各项指标原始数据的离散程度,利用信息熵来确定指标权重[10]。线性加权法运算原理是通过叠加对承载力不同影响程度的各评价指标,计算出一个综合值,根据综合值对地下水灌溉承载力进行评价,综合值越大,承载力越强;综合值越小,承载力越弱。其主要计算步骤如下:

a.标准化处理。标准化处理是把所有数据都转化为[0,1]的数,其目的是取消各维数据间数量级差别,为消除负数和0的影响,同时对数据进行平移,见式 (9) 和式(10)。

正向指标标准化公式:

(9)

负向指标标准化公式:

(10)

式中:x(i,j)为第i(i=1,2,…,m)个样本的第j(j=1,2,…,n)个指标样本数据;xmax(i,j),xmin(i,j)分别为第j个指标值的最大值和最小值;x*(i,j)为第i个样本的第j个指标标准化处理后的指标值。

b.求取指标比重Pij:

(11)

c.求取指标熵值ej:

(12)

k=1/lnn

式中:n为行数;0≤ej≤1;当Pij=0时,令PijlnPij=0。

d.求取熵权Wj:

(13)

e.计算综合评价值Sj:

(14)

3 研究结果

3.1 一致性检验结果

从判断矩阵一致性检验结果(见表3)可以看出,判断矩阵均满足一致性检验,说明层次排序的结构符合数学逻辑,结果较为合理。

表3 判断矩阵一致性检验结果

3.2 评价指标值的获取

本文用到的地下水资源总量、地下水灌溉可用水量等数据来源于《鄂托克旗水资源公报2020》,地下水灌溉面积、土地面积等数据来源于《鄂托克旗第三次国土调查主要数据公报》,全旗总人口数据来源于《鄂托克旗第七次全国人口普查公报》,具体到各嘎查的数据,大多由实地调查得到。根据原始数据计算得到鄂托克旗2020年地下水灌溉承载力评价指标值,见表4。

表4 鄂托克旗2020年地下水灌溉承载力评价指标值

由表4可以看出,阿尔巴斯苏木和木凯淖尔镇的人均灌溉面积较高,可以间接说明两地的地下水资源开发利用率较高,可能形成地下水超采的状态。棋盘井镇和阿尔巴斯苏木的地下水管理指数相较其他苏木(镇)低,即两地的地下水管理水平较低,地下水仍处于随用随取的状态(不收取水费/水资源税),导致用水浪费现象较为严重,自主、自愿节水的积极性不高,不利于节水工作的健康发展。

3.3 综合权重计算结果

本文在对指标权重进行计算时,采用两者结果的平均值作为指标的最终权重。通过此方式可以取长补短,使权重计算结果更加科学准确,其计算公式如下[11]:

(15)

式中:ωj为地下水灌溉承载力评价指标体系中第j个指标的综合权重;aj为熵权法计算的第j个指标的权重;bj为层次分析法计算的第j个指标的权重。

根据上文介绍的指标权重计算方法,可得到层次分析法、熵权法和综合指标权重计算结果,见表5～表7。

表5 层次分析法各指标权重值

表6 熵权法各指标权重值

表7 各指标的综合权重

3.4 综合评价值

本文选取了3个准则层共计10个指标作为地下水灌溉承载力的评价指标体系,属于多因子评价,故可以采用综合加权评价法,对本文所建立的评价指标体系中的各个评价指标逐层逐项地加权评分,计算出该区域地下水灌溉承载力的综合评分值。计算公式如下[12]:

(16)

基于计算得到的综合系统评价值划分各苏木(镇)的评价等级,参照文献建立分级评价标准[13],将评价标准划分为Ⅰ级(理想状态)、Ⅱ级(可承载)、Ⅲ级(弱承载)、Ⅳ级(弱不可承载)、Ⅴ级(不可承载)。其中:Ⅰ级评价值为0.8～1.0;Ⅱ级评价值为0.6～0.8;Ⅲ级评价值为0.4～0.6;Ⅳ级评价值为0.2～0.4;Ⅴ级评价值为0～0.2。

通过线性加权法计算得到鄂托克旗2020年各苏木(镇)地下水灌溉承载力综合评价值,见表8。2020年鄂托克旗各苏木(镇)地下水灌溉承载力差别较大,呈现出苏米图苏木>乌兰镇>阿尔巴斯苏木>木凯淖尔镇>蒙西镇>棋盘井镇的排名格局。在鄂托克旗自然条件相差不大的背景下,蒙西镇和棋盘井镇承载力最差,说明两个地区存在地下水过度开发且对地下水的管理水平不足的现象。

表8 各苏木(镇)地下水灌溉承载力综合评价值

3.5 各嘎查(村)综合评价值

由表9和图1可知,在鄂托克旗72个嘎查(村)中,地下水灌溉承载力综合评价等级为Ⅱ级(可承载)的有52个,占总数的72.22%;Ⅲ级(弱承载)的有17个,占总数的23.61%;数量最少的Ⅰ级(理想状态)的有3个,占总数的4.17%。综合评价等级为Ⅲ级(弱承载)的嘎查(村),由于人口聚集,对地下水的开发利用程度较大,但对地下水的管理调控能力较差,部分区域会出现地下水超采的情况,因此地下水灌溉承载力偏弱。

图1 鄂托克旗各嘎查地下水灌溉承载力综合系统评价值

表9 各嘎查地下水灌溉承载力综合评价等级统计

通过线性加权法计算得到鄂托克旗2020年各嘎查(村)地下水灌溉承载力综合评分值,见图2。鄂托克旗各嘎查(村)的地下水灌溉承载力综合评分值在0.4628～0.8405之间,各嘎查(村)的综合评分值差距较大。地下水灌溉承载力最好的为巴嘎额尔和图嘎查,综合评分值为0.8405,承载力最差的赛乌素草籽场的综合评分值为0.4628。赛乌素草籽场水资源禀赋条件较好,并且该地区近年来节水灌溉技术得到了发展,但由于农田水利配套工程及工程运行管理手段相对落后,工程运行维护管理体制不够完善等原因,导致系统的调控能力下降。近年来随灌溉面积快速增加,地区的地下水严重超采,导致系统的压力逐渐增大,该地区地下水灌溉承载力逐年下降,承载力总体偏低。

图2 鄂托克旗各嘎查地下水灌溉承载力综合评分值

4 水资源节约保护管理对策措施

综合鄂托克旗当前的自然条件、区域水资源条件、社会发展水平、工程技术现状和管理水平,并充分考虑单项指标权重,鄂托克旗地下水资源规划应着重从以下方面入手:

a.推广喷灌、滴灌等节水灌溉技术。

b.严格按照核定取水量取水,按计划供水,同时应按照取水许可管理要求,建立齐全的资料档案,加强取水量、水质管理,接受水行政主管部门的取水许可监督和管理。

c.建立健全地下水资源管理制度。

d.建立健全地下水动态监测网络和水质保护的监督管理机制。

e.促进水资源开发利用管理。充分利用地表水资源,合理开发地下水资源,并根据当地的实际情况对工业用水、农业用水以及生活用水进行合理有效的配置,尽可能对近期及远期的用水做出合理的规划。

f.树立依法管理水的理念,进一步强化水资源的管理。

5 结 语

鄂托克旗是华北地区典型的大部分地区干旱少雨、重度缺水、生态环境脆弱的旗(县),水资源对其社会经济发展的制约相对来说更明显,因此水资源的合理开发利用显得尤为重要。本文在充分考虑鄂托克旗地下水灌溉承载力影响因素的基础上,以支撑力子系统、压力子系统和调控力子系统之间的关系为准则,构建了评价指标体系,运用主客观耦合的方法对鄂托克旗各苏木(镇)及各嘎查(村)的地下水灌溉承载力作出综合评价。经分析,鄂托克旗地下水灌溉承载力不平衡主要是由于过度开采地下水及管理措施不利等因素造成的。为进一步提升当地的地下水灌溉承载力,提出了一系列水资源节约保护管理的对策措施。层次分析法-熵权法是评价地下水灌溉承载力的有效方法。