绿洲综合评价信息系统的设计、建模和应用，本文主要内容关键词为：信息系统论文,建模论文,绿洲论文,综合评价论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：TP79：K928文献标识码：A
绿洲的形成与发展依赖于自然资源条件和社会经济水平。在干旱、半干旱地区，水资源无疑是自然资源与生态条件中的首要因素；资源状况及其利用程度则是绿洲经济发展的决定因素。因此，绿洲的综合评价是从绿洲发展的主导因素入手，分析自然资源条件中的优势和开发利用中的限制因素，利用地理信息系统技术，在模型分析的基础上，综合地探讨绿洲系统资源、环境、经济协调发展的可行途径。
1 系统设计
1.1 系统目标
绿洲系统的基本特征主要表现在：绿洲是自然资源与社会经济的复合系统，是从封闭—半封闭状态向开放过渡的系统，是相对不稳定且变化多向性的系统。绿洲综合评价信息系统不仅要反映出绿洲系统的基本特征，支持对绿洲系统的多种分析与评价方法的运用，而且能够对绿洲的发展方案进行不同程度的模拟，筛选出绿洲协调发展的优化方案。因此，系统的目标是：（1）系统应包容自然条件（环境质量）、 资源利用、人口分布、经济发展诸方面的基础信息，以把握绿洲系统内部结构的变化。（2）在绿洲的理论研究中， 往往将绿洲系统划分为若干亚系统，因而信息系统应能反映亚系统之间的相互依存，相互影响的内在关系，以及亚系统的相互耦合对绿洲发展的作用。（3 ）系统应具有定量分析功能和模拟仿真功能，以满足综合评价和方案优化的需求。（4 ）系统应具有较强的实用性。在系统设计之中，不仅要支持试验区内的信息补充、更新和功能上的进一步完善；而且其数据库设计、功能设计对非试验区亦有普适性和推广作用，使其既是一个绿洲示范系统，又是一个可行系统。
1.2 系统的功能结构
系统的功能主要包括数据库系统、模型库系统和地理信息系统空间分析工具三个主要部分[1]。数据库系统由矢量图库、 属性数据库和栅格数据库组成，数据库中的信息组织应能满足所设计的系统目标，又要便于进行空间信息与非空间信息的编辑、检索、更新和维护。绿洲系统数据库的模式如图1，它展现了系统数据组织的数据模型和主要内容，包括绿洲的基本情况、自然条件、资源状况、开发利用程度和统计数据，以及相应地理范围内的遥感信息。在数据库中，系统以文件方式进行管理，对点、线、面及其属性的各类文件规定了特定的后缀，以图1 所示文件名，编辑成数据库索引，便于系统的信息检索、更新和维护。
图1绿洲综合评价信息系统的数据库模式图
Fig.1 The content of multidisciplinary evaluation GISfor oasis
模型库系统由各类评价模型和模拟模型组成，相应的数学模型包括系统动力学模型、线性规划模型、计量经济学模型等，以支持系统的模型分析。在GIS空间分析工具方面，主要是空间信息的叠合分析、 条件判识分析、图表结合分析以及各种数学运算等。系统依据模型分析结果可以输出相应的图件、报告、统计分析表格等，形成了具有输入、信息管理、模型分析和输出等功能相对完整的信息系统。
系统的软件选用荷兰国际宇航与地学学院（ITC）研制的ILWIS，以及Professional DYNAMO Plus 系统动力学仿真软件和电子表格软件Lotus 123等，实现系统数据管理、模型分析和空间分析以及数据格式转换等诸方面的功能。
2 模型体系
依据系统目标和典型绿洲资源、环境、人口、经济特征的深入分析，以及对绿洲系统内部结构及其依存、制约关系的认识，以综合评价与模拟仿真为主要方法，建立绿洲信息系统的模型体系。它主要包括以下几个方面。
2.1 资源合理利用评价模型
绿洲系统资源利用评价是以水资源的开发利用为纽带，协调各种资源的配置。灌溉农业是绿洲经济的突出特征，按照水土平衡的原则，参照农业科技进步水平，调整灌溉定额，合理利用绿洲系统的自然资源。
按图2所示的系统结构模型，在系统动力学软件支持下， 用DYNAMO语言，建立资源评价数学模型。三个亚系统的基本方程用文字形式表述为：
（1）山地水源补给亚系统：
上游水资源量＝降水（融雪量、降雨量）+地下水量（渗漏过程三阶延迟，周期）
水资源消耗量＝第一产业耗水（畜牧业、林业）+第二产业耗水（矿产开采业）
（2）洪积扇水源调节亚系统：
中游水资源量＝地表径流量（径流模数）+地下水量（渗漏过程三阶延迟，周期）
水资源消耗量＝第一产业耗水（农业、林业、畜牧业）+第二产业耗水（油田开发用水）+第三产业用水+居民生活用水
图2 绿洲综合评价信息系统模型结构
Fig.2 The structure of the multidisciplinary evaluation GIS for oasis
（3）绿洲水源耗散亚系统：
下游水资源量＝渠道水流总量（渠系系数）+坎儿井水量+机井采水量+泉水量
第一产业耗水量＝种植业耗水（粮、棉、葡萄、灌溉定额）+林业用水+畜牧业用水
水资源消耗量＝第一产业耗水+第二产业耗水+居民生活用水
模型计算按三个亚系统的信息传递进行耦合，以不同的灌溉定额和变量的初始值进行模拟仿真，根据模拟结果进行比较寻优，得到资源合理开发利用的优化模型。
2.2 环境质量评价模型
绿洲系统环境质量评价模型依据层次分析的原理[2]， 选取对环境质量有决定作用或间接反映区域环境质量状况、资料相对齐全的要素建立评价指标体系[3]。以水文、气象、 地貌等自然要素做为环境大区的划分指标；以自然资源条件、开发利用程度和社会经济发展等要素做为划分环境亚区的指标；以反映环境功能或环境问题要素作为划分环境小区的指标。根据各项指标对环境的影响和作用，又划分成有利因素和限制因素两大类，在综合比较分析的基础上确定各个因素的权重系数；依据各个因素对环境质量的影响程度，将每个指标分成三个级别，分别赋以不同的记分值，构成环境质量评价体系，结合社会经济环境指标，逐层逐次的排序，得出绿洲系统分区环境质量的总体评价。具体过程如下[3]：
单项环境指标得分：
Eq[,ij]＝I[,ijk]·W[,ik]
（i＝1，2…，m个指标；j＝1，2…，n个小区，k＝1，2，3个级别）
式中I[,ijk]为第j个小区，第i项指标的第k级记分；W[,ik]为第i项指标的第k级权重系数。
n
各类指标的环境质量得分：EQ[,i]＝∑ Eq[,ij]
i＝1
各小区环境质量总体评价为各类指标得分的代数和：
n
EQ[,j]＝∑ Eq[,ij]
i＝1
2.3 产业结构评价与优化模型
在绿洲系统中，灌溉农业一直是其经济发展的主体，工业起步晚，但随资源开发程度的提高而发展较快。近期，绿洲经济处于三次产业同步发展的结构转换阶段。因此，产业结构的评价选取三次产业的比例、工业化结构比重数，即：工业产值占社会总产值之比，与工业劳动者数占社会劳动者总数之比，二者乘积的平方根；以及产业结构效益三个因素做为评价指标[4]。其中，产业结构效益的计算公式为：
n
e[,i]
结构效益＝∑ ───＊P[,i]－P
i＝1E
式中 E和P为第一、二、三次产业的总产值和相应产业的平均资金税率；e[,i]和P[,i]为三次产业中第i个行业的产值和平均资金税率。
3 系统的应用
3.1 试验区概况
试验区选择在新疆吐鲁番盆地。盆地绿洲主要以吐（鲁番）、鄯（善）、托（克逊）三个小绿洲为主链，呈东西向串珠状分布的绿洲群。
吐鲁番盆地是一个封闭的内陆盆地，盆地中心的降水在20mm以下，水资源主要来源于四周山区降水和融雪水，地表水资源总量为9.2 ×10[8]m[3]，地下水资源总量为1.42×10[8]m[3]。土地资源中一、二等地约占绿洲面积的40%。森林资源较贫乏；矿产和油气资源丰富，石油天然气预测远景储量可达5×10[8]t。因此，吐哈油田的开发， 使绿洲产业结构，特别是鄯善小绿洲的产业结构发生重大变化，推动了社会经济的发展。
3.2 吐鲁番盆地绿洲环境质量评价
吐鲁番盆地绿洲面积仅占整个盆地的5.19%，一直以农业经济为主，由于受自然条件制约，生态环境脆弱。如何实施优势资源转换战略，在保护生态环境的前提下，合理开发利用优势资源，充分利用石油开发的机遇。提高绿洲自我发展能力，形成资源、环境、社会经济协调发展的绿洲系统新格局，则成为对吐鲁番盆地绿洲进行环境质量评价的系统目标。
根据模拟计算、定性分析和专家咨询的结果，将前述环境因子指标[3]，通过软件中的表格模块汇集于子库中， 然后运用图表混合运算功能，依照前述的模型分步计算，最后以表格形式输出吐鲁番盆地各小区的环境有利条件、限制条件、总体自然环境和总体环境质量的得分，并进行排序（表1），得出环境质量的评价结果。最终， 构成环境质量分布图，参与系统中资源、环境、社会、经济综合评价空间分析。
3.3 吐鲁番盆地绿洲的产业结构优化分析
从绿洲系统的产业结构来看：农业是主体；工业仍处于劳动密集型、规模效益很低的初级工业化程度；第三产业正在兴起，尚未发育成形。而且，产业结构的转化不仅在很大程度上依赖于资源状况，并受绿洲独特自然地理条件的制约。因此，产业结构的优化是从农业内部结构的优化入手。模型选用线性规划软件，将水源耗散亚系统中的下游水资源量做为主要约束条件，进行多方案的模拟和优化。模拟过程如图3。
表1 吐鲁番盆地环境质量评价排序表
Tab.1 Ranking of environmental quality evaluation andresult
环境有利条件环境限制条件 总体自然环境
Ⅰ[1][,4]
62
Ⅱ[2][,2] 60Ⅱ[1][,2] 48
Ⅱ[1][,2]
58
Ⅰ[3][,4] 56Ⅰ[1][,4] 46
Ⅰ[2][,4]
57
Ⅰ[4][,4] 56Ⅰ[1][,3] 30
Ⅰ[3][,4]
57
Ⅲ[1][,1] 56Ⅰ[2][,3] 20
Ⅰ[4][,4]
57
Ⅲ[2][,1] 52Ⅰ[3][,3] 20
Ⅱ[2][,2]
43
Ⅲ[1][,1] 50Ⅰ[4][,3] 20
Ⅱ[1][,1]
41
Ⅱ[2][,1] 50Ⅰ[2][,4] 11
Ⅱ[2][,1]
41
Ⅰ[2][,4] 46Ⅰ[3][,4]
1
Ⅰ[1][,2]
40
Ⅰ[3][,3] 16Ⅰ[4][,4]
1
Ⅰ[2][,3]
36
Ⅰ[2][,3] 16Ⅱ[1][,1] -9
Ⅰ[4][,3]
36
Ⅰ[4][,3] 16Ⅱ[2][,1] -9
Ⅰ[3][,3]
36
Ⅰ[1][,4] 16Ⅲ[2][,1] -16
Ⅲ[1][,1]
36
Ⅰ[1][,3] 10Ⅱ[2][,2] -17
Ⅲ[2][,1]
36
Ⅱ[1][,2] 10Ⅲ[1][,1] -20
总体环境质量 排序
Ⅱ[1][,2]281
Ⅰ[1][,3]102
Ⅰ[1][,4] 63
Ⅰ[3][,3] 04
Ⅰ[2][,4]-95
Ⅰ[2][,3]
-206
Ⅱ[1][,1]
-297
Ⅲ[2][,1]
-368
Ⅱ[2][,2]
-379
Ⅰ[3][,4]
-39
10
Ⅲ[1][,1]
-40
11
Ⅰ[4][,3]
-60
12
Ⅰ[4][,4]
-79
13
Ⅱ[2][,1]
-89
14
注：Ⅰ1／2—七泉湖化工小区；Ⅰ2／2—柯尔碱煤炭开发小区；Ⅰ3／2—鄯善石油开发小区；Ⅰ4／2—兰新、南疆铁路沿线小区；Ⅰ1 ／3—胜金、连木芯农业小区；Ⅰ2／3—辟展农业小区；Ⅰ3／3 —七克台农业小区；Ⅰ4／4—鄯善城镇小区；Ⅰ4／1—伊拉湖、博斯坦农业小区；Ⅰ2／4—河东农业小区；Ⅰ3／4—托台农业小区；Ⅰ4／4—托克逊城镇小区；Ⅱ1／1—山南西部农业小区；Ⅱ2／1—吐鲁番城镇—旅游小区；Ⅱ1／2—鲁克芯农业小区；Ⅱ2／2—迪坎儿农业小区；Ⅲ1／1—艾丁湖北部农业小区；Ⅲ2／1—艾丁湖南部农业小区。
图3 绿洲系统种植业结构模拟优化流程
Fig.3 The flowchart of optimal simulation of the plantingstructure in an oasis system
结果表明，在吐鲁番盆地绿洲，产业结构的优化升级（图3 ）是一个渐变发展过程。现已从“九五”开始，实施农业结构的转换。种植业结构将从1993年粮食5.76∶棉花16.8∶葡萄57.96， 逐渐转变为2000年5.40∶20.89∶59.94，直至2020年达到5.1∶18.11∶61.24[5]的长期目标。产业结构的调整与转换是发挥绿洲资源优势、提高经济效益、积累资金、治理环境的有效手段。由于石油工业的发展，进入21世纪之后，通过调整轻、重工业的比例（表2），重工业将仍占主导。然而， 综合评价系统是以水资源为纽带，产业结构调整必然受到水资源的限制。尤其是鄯善绿洲则成为这种发展模式的典型。
表2 吐鲁番盆地绿洲轻、重工业及石油工业比重的结构（%）
Tab.2 The structure of light、heavy、and oil industriesin Tulupan basin oasis
产业、部门
轻工业重工业
石油工业占总
工业产值的比重
1992年
23.6
76.4
74.6
2000年
17.3
82.7
68.4
2020年
31.2
68.8
42.9
3.4 鄯善绿洲水资源的合理配置
如前所述，吐鲁番盆地是东西向链状分布的绿洲群，各个小绿洲间无明显的水力联系。鄯善小绿洲位于吐鲁番盆地绿洲东部，平均降水26.4mm，绿洲水资源全部来自山区，柯柯亚河与坎尔其河是绿洲最主要的水源。鄯善绿洲是吐哈油田的重点开发区，已建成鄯善、丘陵、米登、温吉桑四个油田，年产能力270×10[4]t，近期可达400≈500×10[4]t。绿洲产业结构的重大改变，对以农业为主体的绿洲经济于以重大冲击，其水资源的合理开发与配置已成为油田建设和绿洲经济发展的首要问题。
表3 鄯善绿洲水资源优化配置表 （单位：10[4]m[3]）
Tab.3 Optimal disposition of water resource in Shanshanoasis
流域全绿洲 柯柯亚流域 坎尔其流域
总水量 17 073
11 649
5 424
地表水 11 7479 430
2 317
地下水
5 3262 219
3 107
地表水 1 2001 200 －
地下水
757 407 350
地方工业用水 767.6615.4
152.2
生活用水 86.169.49
16.61
农业与环境用水
14 269.39 8 828.115 441.28
耕地面积 15.2510.235.12
其中:一、二类耕地 8.08 4.893.19
三类耕地 4.41 3.211.20
四类耕地 2.76 2.030.73
①灌溉全部耕地需水量16 020
10 900
5 120
草地灌溉水量 1 020-
1 020
根据模型（图2中）三个亚系统耦合的模拟计算， 在地方工业用水定额为700m[3]／万元产值、生活用水12.8m[3]／人·年、 种植业灌溉定额1 000m[3]／亩，林草灌溉定额700m[3]／亩的条件下[6]， 现期水资源的优化配置如表3，总供需之间水资源亏缺2 070×10[4]m[3]， 需放弃四类耕地的75%。近期内，当石油年产达400×10[4]t时， 坎尔其流域缺水228.72×10[4]m[3]，将有2 000亩三类地弃耕； 石油年产达500×10[4]t时，全绿洲约700亩三类已耕地应缺水而放弃。需指出， 三、四类耕地属于投入大、效率低、需较大的改造措施方能获得稳定产量的土地。因而，以石油工业用水来补偿和发展多种经营的集约化大农业，是绿洲建设中效益较佳的优化发展途径。而且，若采用先进技术，将种植业灌溉定额降低到800m[3]／亩， 鄯善绿洲的水资源完全可以满足绿洲全面发展的需求。
收稿日期：1998—10—30；修订日期：1999—04—23
标签：绿洲论文; 综合评价论文; 综合评价模型论文; 产业结构优化论文; 环境评价论文; 系统评价论文; 农业发展论文; 绿洲农业论文;