徐存東，程 慧，劉璐瑤，王國霞，田子荀，韓立煒

(1.華北水利水電大學 水利學院，鄭州 450045；2.水資源高效利用與保障工程河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，鄭州 450046)

0 引 言

我國西北地區(qū)光熱條件充足，土地資源豐富，但水資源嚴重緊缺，生態(tài)環(huán)境極度脆弱，通過在荒漠中建設人工綠洲可在實現(xiàn)對西北地區(qū)大批長期荒蕪的土地有效開發(fā)的基礎(chǔ)上逐步改善區(qū)域的氣候環(huán)境，逐步提高綜合環(huán)境質(zhì)量[1]。然而，位于我國西北的灌區(qū)長期采用的大水漫灌及由灌溉入滲產(chǎn)生的水鹽運移，致使灌區(qū)的水土環(huán)境形成了長期性、立體性的影響[2]。當前，針對區(qū)域尺度的水土環(huán)境演化的定量化揭示、水土環(huán)境的演化規(guī)律探討已成為學術(shù)界關(guān)注的重點領(lǐng)域。王浩等以植被與水分間作用機理為出發(fā)點，研究了水土資源的開發(fā)利用對自然生態(tài)環(huán)境演變的影響[3]?？到B忠等分析了水土環(huán)境與水資源開發(fā)間的聯(lián)系，構(gòu)建了水土環(huán)境效應評估的指標體系，進行了論證與分析[4]。徐存東等利用改進的AHP法對我國西北具有典型性的景電灌區(qū)水土環(huán)境變遷的響應進行了評估[5]。MP Kennedy等人對集體植被變量、優(yōu)勢植物種群性狀以及水文和水化學變量的評價,對淡水濕地植被對水文驅(qū)動因子的水土環(huán)境響應進行了研究[6]。NV Anh等利用半分布式水文模型對越南琮流域的水文循環(huán)和質(zhì)量動態(tài)進行了動態(tài)評估，在此基礎(chǔ)上對流域水土環(huán)境進行動態(tài)管理與調(diào)控[7]。目前學術(shù)界針對干旱灌區(qū)的水土環(huán)境演變分析的方法及模型較少，方法單一同化，主觀性較強且未構(gòu)建區(qū)域尺度的多要素耦合模型[8,9]。因此，本文引入云模型轉(zhuǎn)化的方法開展區(qū)域的水土環(huán)境演化響應評價。云模型是定性、定量互換模型，它將模糊性和隨機性有機地綜合在一起，可實現(xiàn)定性概念與定量數(shù)值間自然轉(zhuǎn)換，其運算過程和判斷結(jié)果可將水土環(huán)境演化的定性特征定量表征[10,11]。以甘肅景電灌區(qū)為研究區(qū)，引入云模型對干旱揚水灌區(qū)水土環(huán)境的演化進行評估分析，可強化對干旱荒漠區(qū)發(fā)展揚水灌溉對環(huán)境變遷演化內(nèi)在機理的認識，同時可為干旱荒漠區(qū)的水土資源可持續(xù)利用及宏觀調(diào)控提供有益借鑒。

1 研究區(qū)概況

以地處騰格里沙漠邊緣的甘肅景電灌區(qū)為研究區(qū)域，其地理位置如圖1所示。處于東經(jīng)103°20′-104°04′，北緯37°00′-38°21′，屬典型大陸氣候，蒸發(fā)量大降雨量稀少。獨特的自然環(huán)境與特殊的地理位置決定了該地區(qū)的水土環(huán)境問題具有重要研究意義。灌區(qū)運行40多年來，林木覆蓋率由提水前的0%變?yōu)樘崴?4%，同樣，年均降水量由185 mm變?yōu)?01.6 mm，相對濕度由46%變?yōu)?8%，平均風速3.5 m/s變?yōu)?.4 m/s，年蒸發(fā)量3 390 mm變?yōu)? 433 mm，即經(jīng)過大量的提水灌溉，景電灌區(qū)的水土環(huán)境產(chǎn)生了一定的積極變化。然而，灌區(qū)內(nèi)田間大水漫灌及集中洗鹽等粗放的灌溉方式交替發(fā)生，及區(qū)域內(nèi)水鹽調(diào)控及人工排堿等人工活動不斷演進，大量的水資源調(diào)入原本干旱缺水的地區(qū)，人工灌溉所引起的水鹽運移和水土資源的變遷重組也逐步趨于穩(wěn)定，該過程雖然緩慢而漫長，但長期潛在和立體化的影響已逐步顯現(xiàn)。

圖1 景電灌區(qū)地理位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the geographical location of jingjing irrigation area

2 評價指標體系及數(shù)據(jù)源

2.1 評價指標體系構(gòu)建

干旱灌區(qū)水土環(huán)境演化，是指在干旱灌區(qū)調(diào)入大量的水資源及灌溉作用下，區(qū)域水土環(huán)境產(chǎn)生了長期性的影響，使區(qū)域原有水土環(huán)境發(fā)生變遷。而評價指標的確定關(guān)系到結(jié)果的正確性，參考文獻[5]及文獻[12]中徐存東及宋松柏的研究，結(jié)合景電灌區(qū)水土環(huán)境現(xiàn)狀及特征，以可操作性、數(shù)據(jù)可得性、完整性、科學可比性及層次性為原則，結(jié)合水土環(huán)境演化的“原因-效應-響應”3個層次，從區(qū)域水土環(huán)境的區(qū)域氣候、土地利用、地下水及地表水4個層次21個指標構(gòu)建了干旱揚水灌區(qū)水土環(huán)境演化評價指標體系。表1為所構(gòu)建的水土環(huán)境演化評價指標體系。鑒于環(huán)境演化的“方向性”，將指標細分為負向、正向指標。負向值越大，表明水土環(huán)境的演化朝著越“低敏感”的方向演化；正向值越大，表明水土環(huán)境的演化朝著越“高敏感”的方向演化。

地表水效應層：反映景電灌區(qū)水土環(huán)境演化變遷中地表水響應變化，景電灌區(qū)水土環(huán)境變遷最為突出的是由于揚水灌溉引起的水情變化及土地的鹽堿化，因此，選取灌區(qū)年提水量、灌區(qū)灌溉水量、徑流模數(shù)、灌溉水水質(zhì)指數(shù)、地表水水質(zhì)指數(shù)、灌溉水礦化度作為因素指標。

地下水效應層：反映景電灌區(qū)水土環(huán)境演化變遷中地表水響應變化，目前，景電灌區(qū)水土環(huán)境變遷中變化最為劇烈的是地下水埋深及礦化度，因此，選取地下水埋深、地下水位年變幅、回歸水礦化度、地下水礦化度、地下水水質(zhì)指數(shù)作為因素指標。

土地效應層:反映景電灌區(qū)水土環(huán)境演化變遷中土壤等因素的變化，目前，由于人工提灌的作用，在長周期的緩慢作用下，綠洲面積增加，同時，土壤的鹽堿化也更為明顯，因此，選用綠洲面積變化率、土壤鹽漬化程度、土壤鹽漬面積比、鹽漬土含鹽量作為因素指標。

氣候效應層：考慮景電灌區(qū)位于我國西北的干旱荒漠區(qū)，選用年降水量、平均氣溫、相對濕度、蒸發(fā)量、植被覆蓋率、平均風速作為因素指標。

表1 水土環(huán)境演化響應評價指標體系Tab.1 Evaluation index system of water-soil environment evolution response

2.2 指標權(quán)重及評價標準確定

傳統(tǒng)層次分析法(AHP)是由美國數(shù)學家SAATY T L 提出的一種基于多目標定量和定性相結(jié)合的決策分析法[13]。傳統(tǒng)的分析法首先將問題層次化，依據(jù)要達到的目標及問題的性質(zhì)，分解問題成不同組成要素，且依據(jù)各因素間隸屬關(guān)系和相互影響關(guān)系進行分層，之后組合構(gòu)成一個多層次結(jié)構(gòu)的分析模型。之后，對各層因素對比分析，采用1～9標度法構(gòu)建判斷矩陣，判斷矩陣見表2，判斷矩陣中R層與下層C因素之間有關(guān)聯(lián)關(guān)系。最后，求解判斷矩陣最大特征值及特征向量，進而確定各指標因素權(quán)重，以此作為決策判斷依據(jù)。

表2 AHP法判斷矩陣Tab 2 AHP judgment matrix

傳統(tǒng)AHP中，判斷矩陣的求解采用1～9標度法，即表2中cij對Rk而言，Ci對Cj數(shù)值表示相對重要度，然而，1～9標度法與判斷習慣不協(xié)調(diào)且主觀性較強。因此，本文采用一種新的指數(shù)標度法進行改進[5,14]，表3為基于指數(shù)標度的改進AHP法指數(shù)標度取值范圍。

表3 改進AHP法指數(shù)標度取值范圍Tab.3 The value range of the improved AHP method

依據(jù)已建立評價指標體系，對各指標進行兩兩重要度判斷，確定基于指數(shù)標度的判斷矩陣，進而得到的21個指標權(quán)重見表4。

表4 水土環(huán)境演化響應評價指標標準Tab.4 Evaluation indexes of water-soil environment evolution

續(xù)表4 水土環(huán)境演化響應評價指標標準

表4中水土環(huán)境演化評價指標標準是參考國內(nèi)外相關(guān)研究和國際公認及國內(nèi)均值的基礎(chǔ)上[15-17]，根據(jù)景電灌區(qū)水土環(huán)境的特征及現(xiàn)狀，綜合分析后歸納確定。

2.3 數(shù)據(jù)來源

本文在對甘肅省景電灌區(qū)1970s以來地表水監(jiān)測資料、地下水監(jiān)測資料、土壤勘察資料及氣象資料充分分析基礎(chǔ)上。重點收集2004-2014年來研究區(qū)地下水及地表水分布特征、灌區(qū)總提水量及農(nóng)田配水量、區(qū)域不同區(qū)帶的地下水埋深及化學特征、區(qū)域不同水文地質(zhì)單元的田間土壤化學特征、區(qū)域土地利用及鹽堿地斑塊分布特征、區(qū)域蒸發(fā)、降雨、氣溫、風速等氣象數(shù)據(jù)。上述所收集的數(shù)據(jù)為干旱揚水灌區(qū)水土環(huán)境演化響應評價提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料。結(jié)合表1，其主要指標的數(shù)據(jù)收集及指標解釋如下：

(1)降水量、區(qū)域氣溫、相對濕度、蒸發(fā)量及平均風速數(shù)據(jù)在中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)站下載，下載每日參數(shù)，經(jīng)統(tǒng)計分析后，得到研究區(qū)2004年及2014年年度基本數(shù)據(jù)。

(2)綠洲面積變化率、土壤鹽漬面積比及植被覆蓋率數(shù)據(jù)由研究區(qū)2004年和2014年TM遙感影像解譯而成，土壤鹽漬化程度及鹽漬土含鹽量由通過實地考察、取樣調(diào)查取得。

(3)灌區(qū)灌溉水量及用水量，由甘肅省景電管理局提供得到2004年及2014年的本底數(shù)據(jù)庫，地下水位相關(guān)資料為灌區(qū)各典型水文單元所布置的40多口監(jiān)測井收集化驗，整理分析得到兩個年度的區(qū)域地下水埋深、地下水化學類型等資料。

(4)地表水水質(zhì)、地表水礦化度及灌溉水水質(zhì)資料，經(jīng)由現(xiàn)場收集水樣，經(jīng)化驗整理分析得到2004年及2014年相關(guān)資料。

3 水土環(huán)境演化的云模型構(gòu)建

3.1 云模型原理

見圖2為模擬該過程的多條件多規(guī)則云發(fā)生器，云模型是鐘形隸屬函數(shù)和正態(tài)分布演化發(fā)展而成的數(shù)學模型。其云的生成算法稱為云發(fā)生器，云發(fā)生器包括逆向和正向發(fā)生器。逆向是定量到定性，正向則是從定性到定量，研究水土環(huán)境演化響應評估是實現(xiàn)定性到定量值，故采用正向發(fā)生器[18]。其運算步驟如下：

(1)產(chǎn)生正態(tài)隨機數(shù)En′i=Norm(En,He2)。其中，En為期望；He2為方差；Norm()為正態(tài)隨機分布函數(shù)。

(2)再產(chǎn)生正態(tài)隨機數(shù)xi=Norm(Ex,En′2i)。其中，Ex為期望；En′2i為方差；Norm()為正態(tài)隨機分布函數(shù)。

(4)得到數(shù)值論域中一個云滴(xi,ui)。

(5)重復(1)～(4)，當生成滿足要求的n個云滴，計算終止。

3.2 正態(tài)云評價模型

針對干旱灌區(qū)水土環(huán)境演化進行研究，引入云理論作為理論基礎(chǔ)，構(gòu)建正態(tài)云評價模型，其模型構(gòu)建流程如下。

(1)確定水土環(huán)境演化的評估因素域U={u1,u2,u3,…,un}。

(2)確定水土環(huán)境演化的評估等級域V={v1,v2,v3,…,vn}，確定評估指標權(quán)重Q={q1,q2,q3,…,qn}。

(3)構(gòu)造模糊關(guān)系矩陣S。S表示評估因素域U對應評估等級域V的隸屬關(guān)系，模糊關(guān)系矩陣S中元素sij表征評估因素域U內(nèi)第i個元素ui相對于評估等級域V內(nèi)第j個等級的隸屬度S={S1,S2,S3,…,Sn}。

(4)特征參數(shù)確定。由(4)中隸屬度，采用正態(tài)云模型確定評估因素隸屬度，生成的云模型為：

(1)

式中：Exij為正態(tài)云模型中評估因素i(i=1,2,3,…,n)對應等級j(j=1,2,3,…,m)的期望；x上ij與x下ij分別為因素i(i=1,2,3,…,n)對應等級j(j=1,2,3,…,m)上、下邊界值，即為一個級別過渡到下一個級別的臨界值。

水土環(huán)境演化評估中各評估域中邊界值為相互過渡的臨界值，該邊界值應隸屬兩個級別，且值相等，有：

(3)

式中：Enij為正態(tài)云模型中評估因素i(i=1,2,3,…,n)對應等級j(j=1,2,3,…,m)的熵；x上ij與x下ij分別為因素i(i=1,2,3,…,n)對應等級j(j=1,2,3,…,m)上、下邊界值。

超熵He表示熵的離散度，對應模型中云厚度。可通過試驗經(jīng)驗取值，超熵所取的值越大，則正態(tài)云越厚，反之則越薄。

(5)根據(jù)干旱揚水灌區(qū)水土環(huán)境演化評估體系中各指標值，在構(gòu)建好評估指標體系后，建立水土環(huán)境演化因素規(guī)則庫和效應規(guī)則庫，由正向云發(fā)生器，輸入水土環(huán)境演化的各指標定量化值，依據(jù)正態(tài)云模型CGAj云發(fā)生器隨機產(chǎn)生一個確定度uij。uij反映了xi對定性規(guī)則CGaj的激活強度，uij經(jīng)過“Soft and”操作獲得一確定度ui，作為后件(水土環(huán)境演化)云發(fā)生器CGB的輸入，隨機的產(chǎn)生一個輸出yi。最后將得到的CG(Byi)進行加權(quán)平均，即為水土環(huán)境演化評估指標的量化分值。計算原理見圖2。

(6)將(3)得到的模糊關(guān)系矩陣S與評估的權(quán)重集Q進行模糊轉(zhuǎn)換，由于評估的權(quán)重集Q為評估因素域U在評估域V內(nèi)模糊子集，即為區(qū)域宏觀水土環(huán)境演化評估中評估域V上模糊子集R,即：

R=Q?S=(r1,r2,…,rj,…,rm)

(4)

(5)

圖2 多條件多規(guī)則云發(fā)生器Fig.2 Multi conditional of multi rule cloud generator

由最大隸屬度原則，本次水土環(huán)境演化響應評價的綜合等級即為最大隸屬度對應的等級。

3.3 模型構(gòu)建

依據(jù)干旱灌區(qū)區(qū)域水土環(huán)境演化響應評價的各指標標準，由正太云模型原理可建立各評價指標對應的正態(tài)云模型見表2，干旱揚水灌區(qū)水土環(huán)境演化綜合標準云模型見圖3。

表5 干旱揚水灌區(qū)水土環(huán)境演化指標云模型Tab.5 Soil and water environment in arid pumping irrigation area evolution index cloud model

圖3 水土環(huán)境演化綜合標準云模型Fig.3 Comprehensive model of water-soil environment evolution cloud model

4 結(jié)果及分析

4.1 單因子隸屬度

由所構(gòu)建的云模型，依據(jù)各指標量化數(shù)據(jù)，計算可得各指標在位于各層次的隸屬度，由最大隸屬度原則，可到各指標評估單因子最大隸屬度值，見表6。

由表6，地表水效應層6個的因子指標，除去灌溉水量及提水量，2004-2014年度變化較為穩(wěn)定，其中引水量和灌溉水量均由2004年較高敏感(Ⅳ)上升至2014年高敏感(Ⅴ)，表明近10 a來，這兩個因子是主要變化因子；同時，這6個因子中，灌區(qū)提水量、灌溉水量及地表水水質(zhì)指數(shù)兩年度所處敏感度等級較高，表明在地表水效應層中，這3個因子是地表水演化的主要響應因子。

地下水效應層5個因子中，地下水埋深及地下水水位年變幅為主要變化因子，分別由低一等級上升至高一等級，表明近10 a年來，隨著不斷的提水灌溉，這兩個因子響應效果不斷凸顯；同時，地下水的水質(zhì)及礦化度2004～2014年來一直處于較高敏感(Ⅳ)，表明灌區(qū)的引水灌溉以來，這兩個因子是地下水演化的主要響應因子。

土地效應層4個因子指標，在2004-2014年度其最大隸屬度所處敏感等級均未發(fā)生變化，表明景電灌區(qū)的水土環(huán)境在這10 a年演化中，其土地層的響應變化是最為遲緩的。但是，除去土壤鹽漬面積比這個響應因子，其他三個所處敏感度等級均較高，表明隨著灌區(qū)的灌溉運行，雖然出現(xiàn)了土壤的鹽堿化，但是發(fā)生鹽堿化的土壤面積較小且變化不大，只是封閉單元的鹽堿區(qū)鹽堿程度更加嚴重了。這個與灌區(qū)土壤鹽堿化調(diào)研結(jié)果是一致的[19]。

表6 2004及2014年水土環(huán)境指標因素隸屬度Tab.6 Indicators of water-soil environmental indicators in 2004 and 2014 membership

氣候效應層6個因子指標，除去灌區(qū)的蒸發(fā)量的敏感等級發(fā)生了變化，其他因子均為變化，表明近10a年，區(qū)域氣候的響應變遷程度較為穩(wěn)定，分析這一原因，是灌區(qū)其所處獨特的西北干旱荒漠區(qū)的氣候條件決定的，雖然不斷的引水灌溉對灌區(qū)的氣候產(chǎn)生了一定的積極影響，但其影響程度及過程是潛在而緩慢的，在十年內(nèi)是無法產(chǎn)生巨大變化的。

4.2 綜合隸屬度

由各指標權(quán)重及各等級各因子隸屬度，得到2004年及2014年水土環(huán)境位于不同等級的綜合隸屬度，由最大隸屬度原則，即可得到為2004及2014年水土環(huán)境綜合隸屬度，見表7。

表7 2004及2014年水土環(huán)境綜合隸屬度Tab.7 Comprehensive membership of water-soil environment in 2004 and 2014

由表7知，2004年景電灌區(qū)水土環(huán)境總體綜合演化的平均隸屬度“低敏感(Ⅰ)為0.2126，“較低敏感(Ⅱ)為0.284 8，中等敏感(Ⅲ)為0.157 0，較高敏感(Ⅳ)為0.369 8，高敏感(Ⅴ)為0.086 0。由最大隸屬度原則，可知2004年景電灌區(qū)水土環(huán)境為較高敏感(Ⅳ)，最大隸屬度為0.369 8；同理，2014年景電灌區(qū)水土環(huán)境為高敏感(Ⅴ)，其對應的隸屬度為0.261 9。表明2004-2014年景電灌區(qū)水土環(huán)境總體朝著“高敏感”方向演化，對應圖2中曲線“Ⅳ”逐步過渡到“Ⅴ”。究其原因，近10 a來，灌區(qū)調(diào)入的水資源量不斷增加，致使灌區(qū)地下水、地表水量不斷增加，過量的水資源調(diào)入加上不盡合理的利用方式，致使灌區(qū)水環(huán)境及土地環(huán)境不斷發(fā)生變化，具體表征為地下水位不斷抬升，土壤鹽漬化嚴重。

5 結(jié) 論

(1)2004-2014年以來，隨著灌區(qū)的提水灌溉，水土環(huán)境不斷朝著高敏感度的方向演化，其中灌區(qū)2004年水土環(huán)境的綜合等級為較高敏感，最大隸屬度為0.369 8，2014年灌區(qū)水土環(huán)境為高敏感(Ⅴ)，其對應的隸屬度為0.261 9。

(2)水土環(huán)境發(fā)生隨著灌區(qū)的引水灌溉而發(fā)生演化，其中灌區(qū)提水量、灌溉水量、地表水水質(zhì)指數(shù)、地下水水質(zhì)、地下水礦化度、綠洲面積變化率、土壤鹽堿化程度、鹽漬土含鹽量等指標因子響應程度較為強烈，處于較高敏感和高敏感等級。同時，近10 a來，灌區(qū)提水量、灌溉水量、地下水埋深、地下水水位年變幅等指標因子響應變化較為強烈，均由低一等級上升至高一等級。

(3)水土環(huán)境的演化及其機理，加上影響因素、響應結(jié)果及效應表征所構(gòu)成的指標體系是一個非常復雜的系統(tǒng)問題，而確定其指標標準是需要長期探索的過程，其復雜性較強，目前尚未形成完整的理論體系。因此，如何更加科學的確定評估指標體系及評估標準需要進一步的探索與研究。

□

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