基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型的沿海地區(qū)水資源承載力研究

楊天宇

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

水資源不僅是組成國家綜合國力的重要部分，而且是支撐經(jīng)濟發(fā)展的戰(zhàn)略資源，對人類的生存發(fā)展和社會進(jìn)步發(fā)揮著不可替代的作用。水資源供需矛盾將直接影響到人水和諧可持續(xù)發(fā)展的進(jìn)程，尤其是在我國北方環(huán)渤海區(qū)域，淡水供需矛盾緊張、水體污染嚴(yán)重、用水效率低等問題已成為制約該區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的主要因素。水資源科學(xué)領(lǐng)域研究熱點主要集中在水資源承載力評價方面，可為促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整提供重要的理論支持[1- 5]。目前，用于水資源承載力研究的主要方法較多，主要有多目標(biāo)決策法、主成因分析法、模糊綜合判斷法以及系統(tǒng)動力學(xué)法，上述計算方法具有各自的特點和優(yōu)點，在不同的應(yīng)用領(lǐng)域均具有一定的適用性，應(yīng)結(jié)合研究區(qū)域的實際情況選擇合適的評價方法。對此，國內(nèi)許多學(xué)者分別利用多種方法進(jìn)行了大量研究，如寧立波[6]等以武漢市為例，對該區(qū)域水資源承載力水平利用物元分析法進(jìn)行了分析和評價；徐毅[7]等對大連市2001—2020年的承載力動態(tài)變化特征利用系統(tǒng)動力學(xué)法進(jìn)行了模擬分析；左其亭[8]等以鄭州市為例，利用控制目標(biāo)反推模型提出了水環(huán)境調(diào)控對策。

遼寧省沿海經(jīng)濟帶具有較長的海岸線2920km，主要有葫蘆島、營口、大連、錦州、丹東、盤錦等6個城市，涉及海域面積6.8萬km2，陸域面積5.65萬km2。該區(qū)域?qū)儆跍貛А⒑疁貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，全年降雨量和徑流量分布不均勻，其中東南部水資源面積較大。在水資源管理中出現(xiàn)的主要問題有水供應(yīng)能力不足，局部地下水過度開采、水污染和浪費情況嚴(yán)重、工農(nóng)業(yè)廢水排放不達(dá)標(biāo)、水資源凈化設(shè)施不完善等。省內(nèi)水資源儲蓄量嚴(yán)重不足屬于國家重度缺水區(qū)域，人均水資源占有量僅為全國的8.6%，沿海經(jīng)濟帶僅為遼寧省的1/2并遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界缺水警戒線，水資源緊缺已成為阻礙經(jīng)濟發(fā)展的主要因素。遼寧沿海經(jīng)濟區(qū)的水資源開發(fā)利用問題隨著城市化與工業(yè)化進(jìn)程的加快以及經(jīng)濟建設(shè)的不斷推進(jìn)而日趨嚴(yán)峻，開展水資源承載力研究對于緩解該區(qū)域城鎮(zhèn)化、工業(yè)化與水資源緊缺的矛盾關(guān)系，促進(jìn)社會經(jīng)濟與水資源的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義[9- 12]。

考慮到水資源系統(tǒng)在一定的時空條件下具有動態(tài)性和相對性的特征，并且在評價承載力時往往存在不確定性和復(fù)雜性，因此本文對水資源承載力分析采用可變模糊識別模型，以期為促進(jìn)該區(qū)域社會經(jīng)濟與水資源的合理配置提供一定決策依據(jù)。

1 構(gòu)建可變模糊識別模型

可變模糊識別模型是水資源承載力分析的主要方法之一，其主要內(nèi)容是進(jìn)行相對隸屬度、差異度和模糊可變集合的計算分析，在一定程度上可提高模型的可靠性與準(zhǔn)確性，具體流程如下：

(1)引入n個樣本集合X={x1，x2，…，xn}為承載力識別對象，并采用m個指標(biāo)特征值xj=(x1j，x2j，…，xmj)T為第j個樣本特性，因此可利用X=(xij)m×n代表指標(biāo)特征值矩陣，其中指標(biāo)i在樣本xj中的特征值可表示為xij。若依據(jù)m個指標(biāo)識別樣本xj的c個級別標(biāo)準(zhǔn)特征值，則可構(gòu)造矩陣Y=(yih)m×c為指標(biāo)i的標(biāo)準(zhǔn)特征值，其中指標(biāo)i在h級別下的標(biāo)準(zhǔn)特征值可表示為yih。

(2)根據(jù)待評價年份的承載力實際狀況和指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值矩陣確定可變集合的范圍域矩陣Icd=([cih，dih])m×c與吸引域矩陣Iab=([aih，bih])m×c，然后參考評價指標(biāo)各級別的實際狀況，確定點Mih的相對差異度DA(xij)h=1時的矩陣M=(Mih)m×c。以點Mih為基準(zhǔn)對樣本特征值落在該點的左側(cè)或右側(cè)進(jìn)行識別判斷，并對h級別下指標(biāo)的相對隸屬度μA(xij)h和差異度進(jìn)行求解，在滿足μA(xij)h=Uh的條件下聯(lián)立可變模數(shù)識別模型，如下所示：

(1)

(3)根據(jù)不同的模型優(yōu)化準(zhǔn)則和距離參數(shù)可分別設(shè)定模糊綜合、理想點、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及模糊優(yōu)選模型。根據(jù)上述非歸一化隸屬度矩陣可建立綜合矩陣，然后經(jīng)歸一化處理可有：

(2)

根據(jù)最大隸屬度原則在模糊概念分析條件下的不適用性特征，可對評價樣本利用級別特征根進(jìn)行評價，矩陣形式如下：

H=(1，2，…，c)U

(3)

根據(jù)判斷準(zhǔn)則公式和級別特征根對承載力水平進(jìn)行判斷，其中H值位于1.0～1.5范圍，應(yīng)隸屬于1級；H值位于(h-0.5)與h之間，應(yīng)隸屬于h級，并偏向于(h-1)級別；H值在h與(h+0.5)范圍時，應(yīng)隸屬于h級，并偏向于(h+1)級別；H值在(c-0.5)與c區(qū)間時，應(yīng)隸屬于c級。按照最大隸屬度原則和級別特征根，并考慮其他隸屬度的影響作用，最終可得到更加全面、客觀的評價結(jié)果。

2 沿海地區(qū)水資源承載力評價

2.1 指標(biāo)體系與指標(biāo)權(quán)值

水資源承載力評價指標(biāo)體系是由若干個相互補充且與水資源問題密切相關(guān)的指標(biāo)構(gòu)成，據(jù)此本文從水資源系統(tǒng)壓力、狀態(tài)、響應(yīng)的角度，在遵循客觀性、科學(xué)性、系統(tǒng)性原則的基礎(chǔ)上建立了遼寧沿海經(jīng)濟帶承載力指標(biāo)體系，見表1。

不同評價指標(biāo)對承載力的影響程度存在一定差異，因此各指標(biāo)權(quán)重也不相同采用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，并按照由高到低的次序?qū)⑾到y(tǒng)各要素之間的隸屬度進(jìn)行分解，得到目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層級，結(jié)合專家意見得到兩兩指標(biāo)之間的判斷矩陣。然后采用求和或方根的方法對判斷矩陣的最大特征根及其對應(yīng)的特征向量進(jìn)行求解，并采用DPS處理系統(tǒng)進(jìn)行一致性檢驗，各指標(biāo)權(quán)重結(jié)果見表1。

2.2 評價等級的劃分

為了對承載力狀態(tài)進(jìn)行定量描述，本文對單項指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)值根據(jù)目前公認(rèn)的指標(biāo)值進(jìn)行擬定和設(shè)計，針對新提出的還未形成公認(rèn)的單項指標(biāo)值，根據(jù)該指標(biāo)在國內(nèi)外的發(fā)展趨勢和特點以及沿海經(jīng)濟帶水資源實際狀況合理擬定其分級標(biāo)準(zhǔn)。本研究擬定承載力級別分別為1～5級，所對應(yīng)的承載力級別分別為極高、高、中級、低、極低5個級別，各指標(biāo)在不同分級下的取值范圍見表2。

2.3 結(jié)果分析

對2004—2016年遼寧沿海經(jīng)濟帶的水資源承載力級別特征值利用可變模糊識別模型進(jìn)行求解，結(jié)果見表3。然后對承載力級別特征值按照文中所述最大隸屬度計算公式進(jìn)行判定，并對其承載力狀態(tài)變化從時空的角度進(jìn)行分析。

根據(jù)表3可知，在2004—2016年研究區(qū)域承載力級別特征值位于2.6420～4.1165范圍，并且整體呈現(xiàn)出波動性下降趨勢，由此表明沿海經(jīng)濟帶承載力狀態(tài)呈波動上升趨勢。其中葫蘆島、盤錦以及大連地區(qū)的承載力特征值在2006年均達(dá)到最大值，而錦州、營口以及丹東等區(qū)域的特征值在2008年達(dá)到最大，這可能與該年份自然環(huán)境因素以及當(dāng)年降水量明顯降低等因素相關(guān)，人均水資源和單位面積水資源量下降。并且，隨著沿海經(jīng)濟帶城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)，加之社會環(huán)境的影響作用，使得水資源的依賴程度不斷提高，而相應(yīng)的保護措施相對滯后，水環(huán)境保護設(shè)施及投資力度未滿足相關(guān)要求，降低了水環(huán)境質(zhì)量。

表1 基于壓力、狀態(tài)、響應(yīng)模型的評價指標(biāo)體系及權(quán)重

可從空間上對各區(qū)域承載力級別特征的差異性進(jìn)行分析，結(jié)果顯示等級相對較高的區(qū)域主要是大連市和盤錦市，3年平均值均處于中等水平，其原因為該區(qū)域雖然單位面積水資源量處于劣勢，但水資源開發(fā)程度適中且水質(zhì)狀況良好。并且，盤錦市蓄水工程具有較高的供水率，而大連市具有一定規(guī)模的海水利用技術(shù)設(shè)施，在很大程度上提高了海水淡化能力并彌補了水資源量較低的狀態(tài)。

雖然大連市與營口市的人口密度相差不大，但是營口市海水利用率和水資源人均占有量較低，因此整體承載力稍低。而丹東市因經(jīng)濟技術(shù)較為落后，雖然具有豐富的水資源，但利用效率較低并造成承載力水平處于中等偏低水平。錦州市與盤錦市承載力較低，位于4級水平，其原因為該區(qū)域量級分化嚴(yán)重，并且地下水質(zhì)受海水入侵影響嚴(yán)重，這也是引起2014和2016年大連市承載力顯著降低的因素。自2015年以來，錦州市和葫蘆島市加大了對水資源環(huán)境的投資力度，提高了環(huán)境保護意識，這在一定程度上促進(jìn)了承載力水平的提高，但整體仍處于低等偏低的狀態(tài)。

表2 各分級標(biāo)準(zhǔn)下指標(biāo)的取值范圍

表3 2004—2016年承載力級別特征值

3 結(jié)論

(1)在2004—2016年研究區(qū)域承載力級別特征值位于2.6420～4.1165范圍，并且整體呈現(xiàn)出波動性下降趨勢，由此表明沿海經(jīng)濟帶承載力狀態(tài)呈波動上升趨勢。

(2)葫蘆島、盤錦以及大連地區(qū)的承載力特征值在2006年均達(dá)到最大值，而錦州、營口以及丹東等區(qū)域的特征值在2008年達(dá)到最大，這可能與該年份自然環(huán)境因素以及當(dāng)年降水量明顯降低等因素相關(guān)，人均水資源和單位面積水資源量下降。

(3)從空間上對各區(qū)域承載力級別特征的差異性進(jìn)行分析，結(jié)果顯示等級相對較高的區(qū)域主要是大連市和盤錦市，3年平均值均處于中等水平，其原因為該區(qū)域雖然單位面積水資源量處于劣勢，但水資源開發(fā)程度適中且水質(zhì)狀況較為良好。