王 睿, 周立華, 陳 勇, 趙敏敏, 郭秀麗

(1.中國(guó)科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 蘭州 730000;2.中國(guó)科學(xué)院 科技戰(zhàn)略咨詢(xún)研究院, 北京 100190; 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

基于模糊綜合評(píng)判的杭錦旗水資源承載力評(píng)價(jià)

王 睿1,3, 周立華1,2, 陳 勇1, 趙敏敏1,3, 郭秀麗1,3

(1.中國(guó)科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 蘭州 730000;2.中國(guó)科學(xué)院 科技戰(zhàn)略咨詢(xún)研究院, 北京 100190; 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

庫(kù)布齊沙漠橫貫杭錦旗全境，水資源承載力是制約其生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵因素。選取人均水資源量、水資源利用率、生態(tài)用水率、供水量模數(shù)、農(nóng)民年人均純收入、人口密度、耕地灌溉率7個(gè)主要因素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，應(yīng)用模糊綜合評(píng)判模型，定量評(píng)價(jià)了杭錦旗2008—2014年水資源承載力動(dòng)態(tài)變化情況。結(jié)果表明：杭錦旗水資源承載力總體上表現(xiàn)為逐年上升趨勢(shì)，綜合評(píng)分值最大為0.508，但是在2008—2009年出現(xiàn)了波動(dòng)，同時(shí)杭錦旗水資源開(kāi)發(fā)利用已接近其承載力極限，但仍有一定的開(kāi)發(fā)潛力，能保證杭錦旗經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求。

模糊綜合評(píng)價(jià); 水資源; 杭錦旗; 承載力

水資源承載力是指一個(gè)區(qū)域的水資源，在特定歷史發(fā)展時(shí)期，最大可支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的能力[1-4]。水資源承載力作為可持續(xù)發(fā)展研究中的重要組成部分，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究并取得了諸多成果。國(guó)外學(xué)者關(guān)于水資源承載力的研究多為單項(xiàng)成果，側(cè)重于水資源管理的經(jīng)濟(jì)手段與政策措施的研究[5-7]。20世紀(jì)80年代末，國(guó)內(nèi)學(xué)者提出了水資源承載力[8]。之后，有學(xué)者從水資源定義、評(píng)價(jià)方法等方面對(duì)水資源承載力進(jìn)行了深入研究。程國(guó)棟[9]將水資源承載力概括為：一個(gè)區(qū)域在特定歷史發(fā)展時(shí)期，充分考慮可預(yù)見(jiàn)的文化、科技、制度和價(jià)值觀(guān)等因素的影響，在科學(xué)的開(kāi)發(fā)管理下，水資源可支撐生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)良性發(fā)展的能力。蘇永紅、馮起等[10]采用模糊綜合評(píng)價(jià)法，定量評(píng)價(jià)了石羊河流域的水資源承載力。宰松梅、溫季等[11]采用支持向量機(jī)模型，根據(jù)水資源承載力影響因素，提出了8項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，利用水資源承載力指數(shù)分析了新鄉(xiāng)市水資源承載能力。不同學(xué)者們盡管對(duì)水資源承載力概念表述和研究方法不同，但都突出了水資源對(duì)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的支撐力和科學(xué)評(píng)價(jià)水資源承載力的重要性。

水資源是人類(lèi)生產(chǎn)與生活的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[12]，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類(lèi)對(duì)水資源需求量日益增大，水資源短缺成為當(dāng)前我國(guó)許多城市的發(fā)展的瓶頸。因此，研究水資源承載力對(duì)于水資源科學(xué)合理利用意義重大。鄂爾多斯作為內(nèi)蒙古重要的煤炭基地和經(jīng)濟(jì)新興城市，正處于跨越式發(fā)展階段，而杭錦旗作為全市經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的旗縣之一，近年來(lái)由于人口急劇增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，導(dǎo)致了水環(huán)境污染逐漸加劇、水資源消耗逐年增加、水資源利用問(wèn)題日益突出，嚴(yán)重威脅著區(qū)域生態(tài)安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此，在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的情況下，科學(xué)評(píng)價(jià)杭錦旗水資源承載力十分必要。鑒此，本文基于模糊綜合評(píng)價(jià)法，定量分析杭錦旗2008—2014年水資源承載能力情況，試圖為杭錦旗水資源開(kāi)發(fā)利用和生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)，從而對(duì)區(qū)域水資源科學(xué)管理和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

杭錦旗位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市西北部，地跨鄂爾多斯高原與河套平原，東與達(dá)拉特旗、東勝區(qū)接壤，南與伊金霍洛旗、烏審旗為鄰，西與鄂托克旗毗連，北與巴彥淖爾市隔黃河相望，地處116°55′—109°16′E，39°22′—40°52′N(xiāo)。全旗年平均氣溫6.8℃，冬季嚴(yán)寒而漫長(zhǎng)，年平均降水量245 mm，降水量60 %集中在7—9月份，年平均蒸發(fā)量2720 mm，年平均風(fēng)速3.0 m/s，春季最大風(fēng)速可達(dá)28.7 m/s，并伴隨沙塵暴天氣。杭錦旗境內(nèi)分布有兩大水系，一是阿拉善水系，二是摩林河水系。地表水、地下水較為豐富，年均地表水資源量8×107m3，可利用量3.72×106m3，地下水資源量為4.35億m3，地下水可開(kāi)采量為2.32億m3，年均水資源可利用總量為4.5億m3。

杭錦旗轄5個(gè)鎮(zhèn)、1個(gè)蘇木、1個(gè)管委會(huì)，2014年末全旗戶(hù)籍人口14.2萬(wàn)人。其中，非農(nóng)業(yè)人口2.68萬(wàn)人，農(nóng)業(yè)人口11.5萬(wàn)人，全年城鎮(zhèn)常住居民人均可支配收入實(shí)現(xiàn)3.15萬(wàn)元，全年城鎮(zhèn)常住居民人均消費(fèi)支出1.96萬(wàn)元，農(nóng)村牧區(qū)常住居民人均可支配收入實(shí)現(xiàn)1.33萬(wàn)元。2014年完成地區(qū)生產(chǎn)總值84.23億元[13]。

庫(kù)布齊沙漠由西向東橫貫全境，將全旗分成沿河和梁外兩大區(qū)。全旗約60%的土地沙化，沙丘以5 m/a的速度向前推進(jìn)，沙漠化過(guò)程加劇，生物多樣性減少，生態(tài)環(huán)境惡化，水資源消耗增加，水污染現(xiàn)象突出，已嚴(yán)重威脅區(qū)域生態(tài)安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的健康發(fā)展。

2 研究方法和數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 研究方法

2.1.1 模型評(píng)判因素的選取、分級(jí)和評(píng)分 基于杭錦旗水資源的實(shí)際情況，選擇具代表性且便于度量的評(píng)價(jià)指標(biāo)，應(yīng)當(dāng)遵循以下原則[14]：(1) 科學(xué)性；(2) 全面性和概括性相結(jié)合；(3) 系統(tǒng)性與獨(dú)立性相結(jié)合；(4) 定性與定量相結(jié)合；(5) 可比性與可操作性相結(jié)合原則。借鑒全國(guó)水資源供需分析中的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[15]，參考專(zhuān)家建議，充分考慮杭錦旗水資源特點(diǎn)，選取人均水資源量(u1)：區(qū)域水資源總量與總?cè)丝谥?；水資源利用率(u2)：現(xiàn)狀75%頻率的用水量與可供水資源量之比；生態(tài)用水率(u3)：生態(tài)環(huán)境用水量與總用水量之比；供水量模數(shù)(u4)：頻率75%的供水量與土地面積之比；農(nóng)民年人均純收入(u5)：農(nóng)民年總收入與農(nóng)民總?cè)丝谥龋蝗丝诿芏?u6)：總?cè)丝谂c土地面積之比；耕地灌溉率(u7)：有效灌溉面積與耕地面積之比，共計(jì)7個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，并根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)水資源承載力的影響程度分為3個(gè)等級(jí)，具體見(jiàn)表1。

表1 各評(píng)價(jià)指標(biāo)的分級(jí)數(shù)值

其中：V1級(jí)屬于水資源承載力狀況較差，表明其已接近飽和值，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)潛力較小，水資源已成為制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展的瓶頸，繼續(xù)發(fā)展下去將會(huì)導(dǎo)致水資源短缺，應(yīng)采取必要措施加以解決；V3級(jí)屬于水資源承載力情況較好，表明水資源承載力仍有很大潛力，水資源需求有保障，水資源供給情況較為樂(lè)觀(guān)；V2級(jí)屬于介于兩者之間，表明水資源供給和開(kāi)發(fā)利用已接近其承載力極限，可持續(xù)利用程度一般，但仍有一定開(kāi)發(fā)利用潛力，水資源的供給需求能基本保證區(qū)內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。為了更準(zhǔn)確反映當(dāng)?shù)厮Y源承載力情況，對(duì)上述3個(gè)評(píng)判等級(jí)進(jìn)行1分制評(píng)分，a1=0.05，a2=0.5，a3=0.95，這樣則可以定量反映各評(píng)判等級(jí)對(duì)承載力的影響程度，數(shù)值越高代表水資源可開(kāi)發(fā)利用潛力越大。

綜合評(píng)定時(shí)，通過(guò)ai的值和B矩陣中各等級(jí)隸屬度bi的值，按照下式計(jì)算綜合評(píng)分值：

式中：a為綜合評(píng)判結(jié)果矩陣B的水資源承載力的綜合評(píng)分值，通過(guò)分析可見(jiàn)a值越高，代表區(qū)域水資源承載力越大。k值是為突出占優(yōu)勢(shì)的等級(jí)的作用，本文根據(jù)杭錦旗實(shí)際情況選為1。

2.1.2 評(píng)判因素隸屬度計(jì)算 隸屬函數(shù)Uvi(ui)的值是根據(jù)各評(píng)價(jià)因素的實(shí)際數(shù)值對(duì)照各因素的分級(jí)指標(biāo)來(lái)推求得出。為了消除評(píng)判等級(jí)之間數(shù)值差別不大的弊端，使隸屬函數(shù)的值在各級(jí)間能夠平滑過(guò)渡，采用模糊化對(duì)其處理，按照以上思路構(gòu)建各評(píng)價(jià)等級(jí)隸屬函數(shù)計(jì)算式。現(xiàn)將各評(píng)價(jià)等級(jí)V1與V2的臨界值定為k1，V2與V3等級(jí)的臨界值定為k3，V2等級(jí)區(qū)間的中點(diǎn)值則為k2，k2=(k1+k3)/2。各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)各評(píng)價(jià)等級(jí)的臨界值見(jiàn)表2。

表2 各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)各評(píng)價(jià)等級(jí)的臨界值

對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)u2，u4，u6，u7，各評(píng)語(yǔ)級(jí)隸屬函數(shù)計(jì)算式為：

對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)u1，u3，u5，各評(píng)語(yǔ)級(jí)隸屬函數(shù)計(jì)算式為：

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文參考2008—2014年《鄂爾多斯統(tǒng)計(jì)年鑒》、《杭錦旗統(tǒng)計(jì)年鑒(2008—2014)》、1960—2010年《杭錦旗輝煌50年》和2013年《鄂爾多斯市水資源調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告》等資料，通過(guò)實(shí)地考察與調(diào)研，對(duì)所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)杭錦旗的具體情況，選取人均水資源量、水資源利用率、生態(tài)用水率、供水量模數(shù)、農(nóng)民年人均純收入、人口密度、耕地灌溉率7個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)。杭錦旗水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)及原始數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

3 結(jié)果與分析

根據(jù)杭錦旗社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件和自然狀況實(shí)際，分別統(tǒng)計(jì)不同年份杭錦旗水資源承載力7個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)際數(shù)值，計(jì)算求得杭錦旗各評(píng)價(jià)因素的數(shù)值(表3)。按照上述隸屬度函數(shù)計(jì)算式分別計(jì)算每個(gè)評(píng)判指標(biāo)對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度rij，rij(k)則代表第i個(gè)元素對(duì)第j個(gè)級(jí)別的隸屬度，從而計(jì)算出整個(gè)綜合評(píng)價(jià)矩陣R的值。

根據(jù)各評(píng)價(jià)因素對(duì)水資源承載能力影響程度大小情況，參照全國(guó)水資源承載力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合專(zhuān)家建議，將各評(píng)價(jià)因素對(duì)水資源承載能力的影響賦予不同的權(quán)重[16-17]，權(quán)重矩陣A=(0.1,0.2,0.1,0.2,0.1,0.2,0.1)。在矩陣A與R的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，按照B=A·R計(jì)算公式，得出杭錦旗水資源承載力最終評(píng)價(jià)結(jié)果矩陣B。各年各指標(biāo)隸屬度矩陣R計(jì)算結(jié)果如下：

表3 杭錦旗評(píng)價(jià)因素指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

注：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源于杭錦旗統(tǒng)計(jì)年鑒(2008—2014年)及鄂爾多斯市水資源調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告(2013年)。

如對(duì)2008年杭錦旗水資源承載力最終評(píng)價(jià)結(jié)果矩陣B的計(jì)算如下：

因此2008年杭錦旗水資源承載力的綜合評(píng)分值：

表4 杭錦旗2008-2014年水資源承載力綜合評(píng)價(jià)

從表4中可以看出, 2008—2014年杭錦旗綜合評(píng)分值對(duì)V2的隸屬度均明顯大于V3與V1的隸屬度，這說(shuō)明杭錦旗水資源開(kāi)發(fā)利用已接近其承載力極限，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水資源需求是有一定保證的，仍具有一定的開(kāi)發(fā)利用潛力。在杭錦旗不同年份中，2008—2012年水資源承載力不容樂(lè)觀(guān)，綜合評(píng)分值均在0.5以下，評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)V1的隸屬度大于V3的隸屬度，對(duì)V2的隸屬度高達(dá)0.64，該時(shí)段內(nèi)水資源的開(kāi)發(fā)利用已具相當(dāng)規(guī)模，能保證區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，應(yīng)注重水資源利用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)相協(xié)調(diào)。2013—2014年杭錦旗水資源承載力綜合評(píng)分均在0.5分以上，評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)V1的隸屬度下降，對(duì)V3的隸屬度上升，且2010—2014年以來(lái)，綜合評(píng)分值基本呈逐年遞增的狀態(tài)，這說(shuō)明杭錦旗近幾年來(lái)水資源承載能力一直保持良好，且水資源承載力正逐年回升。

從各年各指標(biāo)隸屬度矩陣R的計(jì)算結(jié)果可以看出，杭錦旗2008—2014年人均水資源量u1對(duì)V1的隸屬度降低，對(duì)V2的隸屬度逐年增大，表明此時(shí)期水資源開(kāi)發(fā)利用具有一定的潛力，水資源承載力較大。杭錦旗2008—2014年水資源利用率u2對(duì)V2的隸屬度高于0.6，且均高于對(duì)V1的隸屬度，但是對(duì)V1的隸屬度逐年增加，對(duì)V2的隸屬度逐年降低，說(shuō)明杭錦旗水資源開(kāi)發(fā)利用程度較為樂(lè)觀(guān)，仍具有一定的開(kāi)發(fā)利用潛力，但應(yīng)科學(xué)合理利用水資源以確保其承載力的進(jìn)一步提高。杭錦旗2008—2011年生態(tài)用水率u3對(duì)V1的隸屬度高于對(duì)V2的隸屬度，且對(duì)V1的隸屬度逐年增加，對(duì)V2的隸屬度逐年降低，但2012—2014年卻表現(xiàn)出相反趨勢(shì)，這表明水資源承載力呈現(xiàn)出先下降后提高的態(tài)勢(shì)。杭錦旗2008—2011年供水量模數(shù)u4對(duì)V2，V3的隸屬度均在0.5左右，變化穩(wěn)定，同時(shí)農(nóng)民年人均純收入u5對(duì)V2的隸屬度逐年降低，對(duì)V3的隸屬度逐年增加，反映出杭錦旗水資源承載力呈現(xiàn)良好的增長(zhǎng)趨勢(shì)。杭錦旗2008—2014年人口密度u6對(duì)V2的隸屬度增加，對(duì)V3的隸屬度降低，均高于對(duì)V1的隸屬度，表明水資源開(kāi)發(fā)利用具有一定的潛力。杭錦旗2008—2014年耕地灌溉率u7對(duì)V1的隸屬度較高，除2008年和2009年外，高達(dá)0.8以上，明顯高于對(duì)V2的隸屬度，表明耕地灌溉率是影響水資源承力的主要因素。

近年來(lái)杭錦旗水資源承載力狀況逐步上升，呈現(xiàn)出良好發(fā)展趨勢(shì)，具有一定的水資源開(kāi)發(fā)利用前景，能保證杭錦旗國(guó)民經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求，這與前人對(duì)鄂爾多斯水資源承載力研究結(jié)果較為一致，且本研究評(píng)價(jià)結(jié)果和杭錦旗水資源實(shí)際狀況吻合，今后杭錦旗在水資源利用過(guò)程中，控制耕地灌溉面積增長(zhǎng)，著重優(yōu)化農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)，以確保水資源承載力的進(jìn)一步提高。

4 結(jié) 論

(1) 總體上，杭錦旗水資源承載力表現(xiàn)為逐年上升態(tài)勢(shì)。從以上綜合評(píng)分值分析杭錦旗水資源承載力在2010年后逐步上升，2014年評(píng)分值達(dá)到最大，這說(shuō)明杭錦旗水資源承載力的發(fā)展態(tài)勢(shì)是良好的，存在一定的上升空間，這與近年來(lái)杭錦旗實(shí)行節(jié)水型社會(huì)建設(shè)密不可分。

(2) 通過(guò)以上分析，2008—2014年杭錦旗綜合評(píng)分值對(duì)V2的隸屬度均明顯大于V3與V1的隸屬度，表明杭錦旗水資源開(kāi)發(fā)利用已接近其承載力極限，水資源供給對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展能提供一定的保障，具有一定的開(kāi)發(fā)潛力，今后應(yīng)在農(nóng)業(yè)耕地灌溉上科學(xué)合理用水，確保水資源承載力的進(jìn)一步提高。

(3) 2008—2012年杭錦旗水資源承載力綜合評(píng)分值均在0.5以下，對(duì)V1的隸屬度大于V3的隸屬度，對(duì)V2的隸屬度高達(dá)0.64，表明此年份內(nèi)杭錦旗水資源開(kāi)發(fā)利用具有相當(dāng)規(guī)模，但仍有一定的開(kāi)發(fā)潛力，通過(guò)分析得出，水資源利用率和耕地灌溉率是影響水資源承載力的主要因素。

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EvaluationofWaterResourcesCarryingCapacityinHangjinCountyBasedonFuzzyComprehensiveModel

WANG Rui1,3, ZHOU Lihua1,2, CHEN Yong1, ZHAO Minmin1,3, GUO Xiuli1,3

(1.KeyLaboratoryofDesertandDesertification,NorthwestInstituteofEco-EnvironmentandResources,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China; 2.InstitutesofScienceanddevelopment,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China; 3.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

Hobq desert traverses the whole territory of Hangjin County. Water resources carrying capacity is the key factor that restrains eco-environment and social-economic development of this county. We selected the per capita water resources, water resources use rate, ecological water use rate, water supply modulus, farmers per capita net income, population density and farmland irrigation rate as evaluation indices. Based on fuzzy comprehensive method, we carried out a quantitative evaluation on the dynamic of water resources carrying capacity from 2008 to 2014 in Hangjin County. The results showed that the water resources carrying capacity in Hangjin County was on the positive tendency, the maximum comprehensive evaluation value was 0.508, but there were fluctuations in 2008 and 2009. Water resources carrying capacity in Hangjin County is close to its bearing capacity limit, but there is still a certain development potential to ensure economic and social development demands in Hangjin County.

fuzzy comprehensive evaluation; water resources; Hangjin County; carrying capacity

2016-05-25

：2016-06-10

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“沙漠化地區(qū)生態(tài)修復(fù)及衍生產(chǎn)業(yè)發(fā)展技術(shù)與示范”(2015BAC06B01)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“中國(guó)北方半干旱荒漠區(qū)沙漠化防治關(guān)鍵技術(shù)與示范”(2016YFC0500909)

王睿(1986—),男,甘肅武都人,博士研究生,研究方向?yàn)樯鷳B(tài)經(jīng)濟(jì)與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。E-mail:wangruiwr2009@126.com

周立華(1974—),男,山東費(fèi)縣人,博士,研究員,研究方向?yàn)樯鷳B(tài)經(jīng)濟(jì)與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。E-mail:lhzhou@lzb.ac.cn

TV213

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：1005-3409(2017)02-0320-05