基于广义多级模糊综合评判模型的

基于广义多级模糊综合评判模型的 新疆石河子垦区地下水文生态安全评价研究

张艳1，^[1]徐斌2

作者简介:张艳（1978－），女，河北沧州人，博士，副教授，主要从事GIS及水资源管理方面的科研与教学工作。E-mail:zyzhangy@chd.edu.cn

（1.长安大学地球科学与国土资源学院，西安710054；

2.长安大学环境科学与工程学院，西安710054）

【摘　要】水文生态系统的研究工作是21世纪水文学家研究的热门课题。本文着重于地下水文生态系统的理论研究和技术方法的研究工作。在讨论地下水文生态安全评价基本理论的基础上，引入广义多极模糊综合评判模型，对新疆石河子垦区5个灌区的地下水文生态系统的状态进行了评估，评估结果为石河子垦区大部分地区地下水文生态系统处于安全和基本安全状态，少数区域处于危机状态。评价结果可靠，评价方法实用。

【关键词】地下水，水文生态安全评价，石河子垦区

Study on Groundwater Hydro－Ecological

Security Evaluation of Shihezi Reclamation

Area inXinjiang Province，China

ZHANG Yan¹，XU Bin²

（1.School of Earth Science and Resources，Chang’an University，Xi’an 710054，China；

2.School of Environment Science and Engineering，Chang’an University，Xi’an 710054，China）

【Abstract】The concept of groundwater hydro－ecological system，the hydro－ecological security and its evaluation are discussed.The generalized multi－level fuzzy comprehensive evaluation model is used as the evaluation method，and the general evaluation indicators system is established.To evaluate the hydro－ecological security of Shihezi reclamation area in Xinjiang province of China，the authors screened several typical indicators for the evaluation，established the evaluation standard for hydro－ecological security evaluation in arid areas，and finally，the evaluated the study area.The result shows that most parts of the hydro－ecological system in the study area are at the state of basic safe level，presents the comprehensive conditions of the human activities，groundwater and ecologicalsystem.

【Key words】ground waterhydro－ecological syste msecurity evaluation，Shihezi

水文生态与生态水文研究是21世纪以来受到关注的热门课题^［1－5］。作为可持续发展战略的一个重要研究方向，维持和保证水文生态系统平衡及水安全，成为区域发展中合理利用水资源和保护生态环境的重中之重。本文着眼于地下水文生态系统这一支学科，针对我国西北干旱区典型绿洲——新疆石河子垦区的地下水及水文生态安全等问题，进行了地下水文生态安全的理论探讨，研究地下水文生态安全评价指标体系的构建，并引入广义多级模糊综合评判模型作为基础评价方法，对地下水文生态系统状况进行了评价。

研究区概况

石河子垦区位于新疆天山北麓，准葛尔盆地南缘，居欧亚大陆的中心位置。石河子垦区的地下水主要是依靠地表径流入渗，占平原区地下水总补给量78.5%，人类活动改变了地表水的地域分配，从而影响到地下水的补给，使地下水的水位和水质发生变化。石河子垦区地处新疆天山北坡经济带的中心地段，农业经济在新疆占有举足轻重的地位，农业主要以灌溉为主，为地下水和地表水混灌区，经济发展对地下水压力较大。该区域生态平衡较脆弱，处于沙漠边缘，气候干旱，蒸发强烈，极易形成土壤盐渍化。

近年来地下水量减少，地下水位下降，地下水降落漏斗的形成，土壤盐碱化、土地沙化等水文生态问题相继出现在石河子农垦区。为促进本区经济的可持续发展，作为在干旱区占有重要地位的地下水系统，必须保障资源的永续供给和发挥其生态支撑作用，因此，由地下水与生态系统耦合而成的地下水文生态系统的状态，成为石河子垦区经济可持续发展与环境保护的重要影响因素之一，笔者在本文中对该区域地下水文生态安全进行了评价分析。

1.地下水文生态安全评价基本理论

早在20世纪80年代李佩成院士就提出了“水文生态”的理念，他认为水文的问题要从生态学的角度去研究用生态学的方法去解决水文问题。李院士还指出:“水是生态关系的基石和契机，成为生态关系的脉络和神经，自然界出现的一切生态环境问题都与水有关。水文系统的各种变化，一般总会诱发生态系统的变化，而生态系统的变化也会引起水文系统的变化，研究和揭示这些涉水的变化和相互响应机理，探索其关系的量化方法和调控机制与途径，便成水文生态与水安全学科的基本内容。”目前，水文生态学已成为水文学者研究的热门课题。笔者所在的课题组在“111引智计划——干旱区水文生态及水安全学科创新引智基地”项目的支持下，对地下水文生态及水安全问题开展了一系列的研究工作。

地下水文生态系统是地下水系统与生态系统的耦合，主要指地下水系统的物理状态、水化学组分和赋存条件以及地下水系统的状态对生态系统供给和胁迫，生态系统的发展对地下水系统赋存状态产生的影响，这些活动的集合便形成了地下水文生态系统。地下水文生态系统是一类远离平衡态的开放系统；地下水文生态系统对于任何外界环境的影响都会产生相应的响应；人为活动的影响使地下水文生态系统的演变带有自然性和社会性双重性质，影响着地下水文生态系统存在的状态。

在前人的研究基础上，经过对生态安全以及水文生态系统的概念拓展延伸，提出了与它们密切相关的地下水文生态安全的概念。地下水文生态安全定义为:表征地下水文生态系统所处的状态以及在维持其自身的资源、生态、地质环境功能基础上，所具有的稳定性和可持续性的能力。正确地表征地下水文生态安全，即是对地下水文生态系统状态的正确定性、定量的描述，同时也是对地下水文生态系统功能的评估。地下水文生态安全概念的提出，不仅丰富了水文生态系统的概念，并且有着重要的理论和实际应用价值。

地下水文生态安全评价是对地下水文生态系统运行状态的一种评价，也是地下水资源管理和环境管理的一种技术手段，目的是建立一套地下水文生态系统状态的评估体系，从而评估在自然力与人类活动的双重作用下，在长期演化过程中地下水文生态系统的现状和变化趋势。地下水文生态安全评价根据评价指标体系与评价标准，通过建立相应的综合评价模型，对所研究区域的地下水文生态系统的状态进行评估，为地下水资源的可持续利用与环境管理提供决策依据。

在借鉴生态安全评价标准和水环境健康和地下水质量标准（GB/T 14848－93）的基础上^［6］，本研究将地下水文生态安全划分为五个等级:非常安全、安全和基本安全、不安全和危机状态。

2.地下水文生态安全评价方法

2.1　基于广义多级模糊综合评判模型的评价方法

模糊综合评判法是以模糊数学为基础，通过构造等级模糊子集，应用模糊关系合成的原理，将一些边界不清，不易定量的评价指标定量化（即确定隶属度），然后利用模糊变换的原理，进行综合评价的一种方法^［9］。其模型包含以下几个部分:一是由评价指标体系构成的因素论域；二是用来对各个因素进行评价的评语等级论域；三是各因素对各个评语等级的隶属程度（称为模糊矩阵）；四是表示各个因素在评价中的重要性程度的模糊向量（即权重向量）；五是将模糊关系矩阵与模糊向量结合起来的合成算子。

2.1.1　单因素模糊综合评判原理

设评价对象的因素论域U和评语等级论域V分别为:U＝｛U₁，U₂，…，U_m｝，V＝｛V₁，V₂，…，V_n｝。

则模糊综合评判模型为:

式中，R＝（r_ij）_m×n是U×V上的模糊子集，通常称为模糊关系矩阵，由各单因素评判结果得到，r_ij表示第i个因素对第j个评语的隶属度；A＝（a₁，a₂，…，a_m）是U上的模糊子集，常称为关于U上的权向量；B＝（b₁，b₂，…，b_n）是V上的模糊子集，常称为综合评判结果向量；“。”称为合成运算算子，合理运用（∧，∨）、（∧，）、（·，）、（·，∨）四种算子进行模糊转换运算，可以在避免评判失效现象发生的同时提高评判的准确率。

隶属函数的建立是用来刻画模糊集合的，即用来计算r_ij，对模糊对象只有给出切合实际的隶属函数，才能应用模糊数学方法进行计算。隶属函数的确定方法很多，常用的有模糊统计法、二元对比排序法、模糊分布法、待定系数法^［10］。

当确定综合评判的结果属于哪个评语时，采取最大隶属度原则，即:

若b_j0＝max b_j（1≤j≤n）时，则断定评价结果为第j₀个评语。

2.1.2　多级模糊综合评判

多级模糊综合评判是在单因素评判的基础上进行的，评价过程如下:

（1）初级评判。

对每个U_i＝｛u_i1，u_i2，…，u_ik｝中的k_i个因素，按初始模型（1）作模糊评判。设U_i的因素重要程度模糊子集为A_i，U_i的k_i个因素的总的评价矩阵为R_i，于是

（2）二级评判。

设U＝｛U₁，U₂，…，U_N｝的因素重要程度模糊子集为槇A，且槇A＝（槇A₁，槇A₂，…，槇A_N），则U的总评价矩阵槇R为:

则得出总的（二级）综合评判结果

此结果再根据最大隶属度原则，所得结果即为最后评判结果。

如果每个子因素仍含有较多的因素，可以将其再进行划分，于是就有三级模型、四级模型等，其计算方法和上述是一样的，从低向高逐级进行评判。

2.2　地下水文生态安全评价指标体系

地下水文生态安全按照地下水资源的五大属性进行划分，即自然属性、生态属性、环境属性、社会属性和经济属性。基于地下水文生态安全的这五个属性，构建地下水文生态安全评价指标体系，将地下水文生态安全评价指标体系划分三个层次，分别为:目标层、准则层和指标层。本次评价指标体系属于单目标评价，即地下水文生态安全评价的目标是综合评价地下水文生态系统的状态，目标层是地下水文生态安全。地下水文生态系统表征包括:自然属性、生态属性、环境属性、社会属性和经济属性这五个方面，以这五个方面的属性作为评价的准则层指标。根据地下水文生态安全评价指标选取的原则，确定40项指标构成指标层^{［11－14］}。

3.新疆石河子垦区地下水文生态安全评价

3.1　干旱区绿洲地下水文生态安全评价指标筛选

根据石河子垦区的自然地理、社会经济状况、水文地质条件与生态环境状况等基础条件，选取对干旱区地下水文生态系统影响较为敏感的指标，然后根据数据获取的情况，初步选出29个评价指标，对石河子垦区5个灌区的29个初选指标进行主成分分析和灰色关联度分析，最终筛选出地表水资源模数、地下水补给资源模数、地下水可开采资源模数、含水层单位涌水量、地下水埋深、干旱指数、土壤盐渍化率、浅层地下水位持续下降速率、地下水开采模数、人均占有水资源量、GDP年增长率、农田灌溉用水定额、节水灌溉面积率、人口自然增长率、地下水可再生性、地表水质分级、地下水质量综合评价17个指标进行安全评价^{［15－16］}。

3.2　干旱区绿洲地下水文生态安全评价标准界定

水文生态系统安全状态的评价工作要求明确界定各评价指标的安全等级标准。对于同一评价指标，不同气候条件，不同区域，不仅所占权重值不同，而且安全等级的意义和内涵也不同，临界值也必然不同，比如，地下水埋深指标，在黄河流域和在干旱地区的安全值就必然不同。为此在全国数据标准的基础上，针对模糊综合评判方法，建立了干旱区绿洲带地下水文生态安全标准。如表1所示。

表1　干旱区绿洲带地下水文生态安全界定标准

Table 1　Standard for groundwater hydro－ecological security level of oasis in arid areas

续表

3.3　评价单元的划分

考虑河流分布以及行政区域的完整性，将垦区按照石河子灌区、金安灌区、下野地灌区、莫索湾灌区、玛纳斯灌区划分为五个评价基本单元，以便于比较与更直观表现石河子垦区地下水文生态安全状况的空间分布特征。

3.4　广义多级模糊综合评判

针对石河子垦区地下水文生态与水安全评价指标，分别选取了自然属性、环境属性、社会属性和经济属性中的17项内容作为评价指标，并通过层次分析法和熵值法确定了权重值。但由于指标数量较大，各项指标权重值的分配必然偏小，这不利于获取有效的评判结果。因此，根据评价指标体系框架结构，将评价对象划分为两级，即由自然属性、环境属性、生态属性、社会属性和经济属性中所筛选出的17项指标构成一级评判，由自然属性、环境属性、生态属性、社会属性和经济属性五项准则构成二级评判。首先采用多因素评判法对地下水文生态安全评价指标进行模糊综合评判，在一级评价结果的基础上，构造二级评判模糊关系矩阵，对准则层构成的评价对象按照模型进行模糊综合评判。最终的安全评价结果见表2。

表2　石河子垦区模糊综合评判结果

Table 2　Result of fuzzy comprehensive evaluation on Shihezi reclamation area

4.地下水文生态安全评价结果分析

利用广义多级模糊综合评判法进行评价的结果如图1所示，石河子灌区评判级别属于安全级；金安灌区属于基本安全状态；莫索湾灌区地下水文生态属于危机状态；下野地灌区评价结果为基本安全状态；玛纳斯灌区地下水文生态属于非常安全状态。

玛纳斯河流经石河子灌区，因此该区域地表水资源丰富，对地下水是一种很好的补充，对地下水资源补给量大，开采条件好，可开采量大，潜水质量一般都是I级水，地下水矿化度均在03g/L以下，因此表征生态良好，石河子灌区地下水文生态系统目前呈现安全状态。

金安灌区位于沙湾县境内，该区域地表水资源量丰富，是地下水的主要补给源，地表地下水级别均为I级水，但是地下水位抬升，造成土壤盐渍化，影响了地下水文生态系统的资源供给和生态供给功能，评价结果为基本安全状态，评价结果可靠。

下野地灌区位于古尔班通古特沙漠南缘，玛纳斯河经过石河子灌区流入下野地灌区，河水流量由于在山前平原的消耗而大大减少，该灌区浅层地下水矿化度较高，土壤含盐量也较高，下野地灌区地下水文生态系统属于基本安全状态。

图1　石河子垦区地下水文生态安全评价结果

Fig.1　Result of groundwater hydro－ecological security evaluation on Shihezi reclamation area

莫索湾灌区范围内没有地表水系，均已以开采地下水满足生产、生活以及生态需水要求。由于濒临沙漠，降水稀少，地下水补给方式单一，区域水文生态环境恶劣，地下水可再生能力弱，地下水资源需求与供给存在矛盾，地下水文生态系统处于危机状态。评价结果与实际情况相符。

就目前而言，整个石河子垦区大部分地区地下水文生态系统处于安全和基本安全状态，只有少数区域水文生态系统处于不安全状态，但未成片出现，故图1中未示出。水资源及环境管理部门需要对地下水文生态系统安全存在问题的局部地区加以重视，制定出有效的应对方案，改善水环境，使水文生态系统正常运行，更好地为人类生产生活服务。

5.结论

地下水文生态系统作为水文生态学研究的一个分支学科，研究工作尚处于起步阶段，笔者在基础理论研究方面进行了有益的探索，并且通过地下水文生态安全评价工作，建立评价指标体系，引入评价模型，对干旱区新疆石河子垦区地下水文生态系统状态进行了评估，旨在尝试将理论研究推向实践指导。

石河子垦区地下水文生态系统状态为基本安全，局部地区由于自然生态环境脆弱、人类过量开采地下水、不良的灌溉制度等原因导致目前地下水文生态系统处于危机状态，地下水文生态系统不能很好地提供资源供给功能和生态环境维持功能，应引起水资源管理部门和环境管理部门高度注意，可采取限制开采地下水、转变灌溉制度、控制沙漠边缘荒地开发、提高水资源利用率等措施改善该地区地下水文生态系统状态，实现区域可持续发展。

广义多级模糊综合评判模型，对解决评价指标数量较大的复杂的问题效果良好，计算过程简单，评价结果合理，具有实践指导意义。

笔者将进一步地研究地下水文生态安全预测模型，实现该区域地下水文生态安全预警，以指导生产和管理工作。

（中译英:张艳，王丽霞检）

参考文献（Reference）

［1］Peter S.Eagleson.Ecohydrology:Darwinian expression of vegetation form and function［M］.Cambridge:Cambridge University Press，2002.

［2］Paul J.Wood，David M.Hannah，J.P.Sadler.Hydroecology and ecohydrology:past，presentand future［M］.England:John Wiley＆Sons，Ltd，2007.

【注释】

[1]基金项目:国家外专局和教育部项目，高等学校学科创新引智计划（B08039）——干旱半干旱地区水文生态及水安全学科创新引智基地项目。