基于遼寧省的水資源脆弱性評價研究

付 壯

(撫順市水利勘測設計研究院有限公司，遼寧 撫順 113006)

在內、外因素的綜合影響下地球水資源系統不僅表現為一種人水關系，而且體現了水系統的固有屬性，即生態環境或人類社會發展需求的水資源無法得到滿足，在一定程度上限制或難以發揮生態體系與人類社會的正常功能。在當今世界格局下，水污染、旱澇災害及水資源短缺等問題對我國乃至全球的經濟發展已構成嚴重的潛在威脅[1]。

1968年法國學者Albineth等將人類所涉及水層的天然特性作為地下水脆弱性研究，這也是研究水資源脆弱性的最早起源[2]。在水資源脆弱性方面我國的相關研究起步較晚，但發展較為迅速，如雒新萍等[3]整體評價了我國8個代表流域的脆弱性狀態。基于不同方法的定量評價[4]為國內學者研究水資源問題的主要內容，當前指標權重的確定仍以熵權法等傳統方法為主，在水資源脆弱性評價中也有學者應用了神經網絡法、GIS技術等[5- 12]。姜海波等[13]以塔里木河流域為例，采用水量和水質相關指標預測了流域脆弱性發展趨勢，這些方法通常缺乏對主觀因素的評價，且評價標準的取值對評價結果的影響顯著。模糊綜合法是一種綜合了客觀與主觀、定量與定性因素的科學方法，本文以遼寧省為例，綜合考慮人水關系的復雜特征，基于DPSIR概念框架篩選出典型指標，然后對各項指標的主客觀組合權重采用改進的熵值法和層次分析法進行計算，對遼寧省近15年的水資源脆弱性利用模糊綜合法進行評價，其中綜合得分與水資源脆弱性間的非線性關系借助S型曲線確立，通過識別關鍵性主導因子為水資源脆弱性解決方案的優選決策提供科學指導。

1 研究區概況

遼寧省占地面積為14.8萬km2，下轄撫順、鞍山、大連、鐵嶺、沈陽等14個地級市和綏中縣、昌圖縣2個省管縣。全省水資源補給以降水入滲與地表徑流為主，境內河流有渾河、太子河、饒陽河、大凌河以及遼河等，其中遼河流域面積為6.92萬km2，全長480km，是遼寧省第一大河流，地形地貌有“六山一水三分田”之稱。遼寧省屬于大陸性季風氣候，年均降水量在400～1100mm之間，約60%以上降水發生在6—9月份，并且多以暴雨和強降雨為主。區域內徑流量大、水系發達、水資源豐富，復雜的地形地貌和獨特的氣候條件限制了其可開發利用量較少，水資源具有邊際效益低、開采成本高、難度大等特點。另外，不同區域之間水環境、水資源與社會經濟存在較大差異。近年來，由于遼寧省工業化、城鎮化的快速推進以及經濟社會的迅猛發展，加之局部地區水資源開發過度及水環境保護意識薄弱，使得境內水系統生態安全和水資源脆弱性持續下降[14- 18]。

2 水資源脆弱性評價方法

綜合評價遼寧省2004—2018年水資源脆弱性的主要流程為：基于DPSIR概念框架建立評價體系，對各指標權重利用組合賦權法確定；然后借助S型曲線確立綜合得分與水資源脆弱性間的非線性關系，并利用模糊綜合法科學評價該區域近15年的水資源脆弱性狀態。根據整體評價結果和得分值，揭示遼寧省2004—2018年水資源的動態變化規律。

2.1 構建評價指標體系

DPSIR概念模型是從系統的角度描述結果與起源間的邏輯關系，從而反映環境系統與人類社會之間的相互影響程度，主要涉及生態環境、社會發展、人口規模、自然資源及經濟等方面因素，能夠較為客觀、全面地體現各子系統間的內在聯系及人與自然環境的因果關系特征。

本文基于DPSIR框架模型和水資源脆弱性的基本內涵選取19項典型指標，然后依據遼寧省水資源公報、統計年鑒等資料作為指標數據的主要來源，各指標屬性及內涵見表1。根據水資源脆弱性與不同指標間的響應關系，將脆弱性指標劃分為正向、負向兩大類，分別與脆弱性評價結果呈正相關和負相關。

2.2 組合賦權法確定指標權重

區域水資源脆弱性評價與各指標權重的計算密切相關，計算權重時不僅要能夠反映其實際意義，而且要符合水資源變化的客觀規律。現有研究中主、客觀賦權和組合賦權法是較為常用的權重計算方法。為避免單一方法存在的不足并提高評價結果的可靠性，針對水資源脆弱性各指標權重考慮采用改進熵值法和層次分析法耦合的組合法確定。

(1)AHP層次分析法。基于DPSIR框架體系和專家意見建立6個判斷矩陣，即響應、影響、狀態、壓力、驅動力以及子系統因素判斷矩陣。為避免權重計算受個人偏好的影響，對水資源脆弱性各指標邀請10位專家進行打分。根據專家意見和各因素兩兩重要性比較分析結果構建相應的判斷矩陣，對指標按照1～9標度法賦值，經一致性檢驗確定滿足合理性、準確性要求的指標權重見表2。

(2)改進的熵值法。在社會系統中信息熵是各參數離散化程度的判別依據，對各指標的無序化狀態賦予相應的數值，數值的大小即代表了該評價指標在整個水資源脆弱性評價體系中的權重比例，即所賦予的熵權值。該方法能夠顯著減小人為因素對計算結果的主觀影響，同時降低了可能出現特殊或極端數據的概率，在提取有效信息和計算數值時具有較好的適用性。采用該計算方法的脆弱性評價各參數權重見表2。

表1 水資源脆弱性評價體系及其屬性

(3)組合賦權法。相對于單一的權重計算法的客觀與主觀耦合的賦權法，不僅可以提高評價結果的可靠性與客觀性，而且能夠有效避免個人偏好和主觀判斷對水資源評價的影響。根據下述計算公式確定水資源脆弱性各評價指標的綜合權重，即

Ai=λA1i+(1-λ)A2i

(1)

式中，A1i，A2i—層次分析法與改進熵值法確定的權重值；Ai—水資源脆弱性評價各指標綜合權重。

本文對各指標權重考慮采用主、客觀耦合的方法確定，結合已有文獻資料和權重計算的實際情況采用等權賦值計算權重，即式(1)中λ值為0.5，組合權重計算結果見表2。

表2 組合權重計算結果

2.3 模糊綜合評價

根據各指標的具體內涵和屬性劃分結果，分別采用下式對正向、負向指標進行標準化處理，其中越大越優型即評價值越大則水資源脆弱性越低指標的計算公式為：

rjk=(Xjk-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

越小越優型即評價值越小則水資源脆弱性越低指標的計算公式為：

rjk=(Xmax-Xjk)/(Xmax-Xmin)

(3)

式中，k=1，2，…，15；j=1，2，…，19；Xmin，Xmax分別代表指標j的最小值與最大值。通過以上數據可構造水資源脆弱性評價模糊關系矩陣R，見表3。

根據水資源脆弱性各指標組合權重計算結果建立模糊權向量矩陣A，其表達式為：

A=(0.0726，0.0721，0.0778，0.0425，0.0300，0.0337，0.0352，0.0326，0.0338，0.0504，0.0476，0.0382，0.0691，0.0762，0.0500，0.0578，0.0751，0.0502，0.0551)。然后對模糊關系矩陣R和向量矩陣A采用模糊算子M(?，+)進行合成運算，該方法不僅考慮了脆弱性評價各影響因素，而且保留了單一因素的有效信息，其計算公式為：

(4)

3 結果分析

考慮到各評價指標和水資源脆弱性間存在的復雜關系，對于指標綜合評分和水資源脆弱性之間的非線性關系借助S型曲線進行計算，表達如下：

(5)

式中，c，d分別為計算模型對應的上、下限閾值，其中c為0，d為1；x—自變量。

按照Ⅰ～Ⅴ級標準等間距劃分S型曲線函數，然后基于區域水資源實際狀況定義脆弱性綜合評分，其中Ⅰ～Ⅴ級標準的脆弱性程度依次為不脆弱、輕度、中等、嚴重和極脆弱，相應的綜合評分依次為≤0.35、0.35～0.45、0.45～0.55、0.55～0.65、≥0.65。

表3 水資源脆弱性評價模糊關系矩陣R

表4 2004—2018年遼寧省水資源脆弱性評價值

根據表4計算結果和等級劃分標準，將遼寧省2004—2018年的水資源脆弱性繪制成分值圖，如圖1所示。

圖1 2004—2018年遼寧省水資源脆弱性變化趨勢

根據圖1可以看出，遼寧省2004—2018年的水資源脆弱性呈波動性下降的變化趨勢，且未來的下降概率較大。根據脆弱性等級的分界條件，可將該變化特征分為3個階段，即2004—2011年處于極脆弱與嚴重脆弱階段；2012—2013年處于中等脆弱階段；2014—2018年處于輕度脆弱階段。總體而言，遼寧省水資源脆弱性近15年來處于嚴重脆弱等級，綜合評分為0.569。

為確定水資源脆弱性的關鍵性驅動因子計算各指標的貢獻率，由此更加客觀地揭示未來水資源的變化特征，受文章篇幅限制，本文僅列出了驅動力和響應指標各因素的貢獻率變化規律，如圖2所示。指標貢獻率計算公式如下：

(6)

式中，ri—指標i對水資源脆弱性的影響程度，脆弱性影響與ri值的大小呈正相關；WRV，WRVi—所有指標和i指標的貢獻率。

圖2 基于DPSIR框架模型的各指標貢獻率

通過分析圖2可知，響應指標中的工業重復用水率在2004—2018年期間對遼寧省水資源脆弱性的程度最大。可見，遼寧省工業重復用水率在這段時間處于較低水平，未能有效地循環利用大量的工業用水造成了巨大的水資源壓力；其次為廢污水排放量和萬元工業增加用水量，表明遼寧省工業生產用水量較大，且工業發展產生的大量有害水體進一步降低了水環境質量，使得水資源脆弱性更大。

2004—2011年遼寧省水資源脆弱性較強，水質總體較差。根據人均GDP指標可知，遼寧省正處于快速發展時期，水資源供給壓力還與產業結構不合理相關。

遼寧省水資源脆弱性在2012—2013年總體表現為中等水平，相對于其他年份，此階段的降水量較小，為偏枯水年，從而使得降水量的貢獻率最大；工業重復用水率和人均GDP對水資源脆弱性的貢獻率仍較高，表明該區域的產業結構仍有待升級調整。另外，為了應對日趨嚴峻的水資源短缺問題和經濟快速發展的新形勢，這一時期遼寧省啟動了創建節水型城市的活動并取得了較為顯著的成效，在一定程度上降低了水資源脆弱性。

遼寧省水資源脆弱性在2014—2018年處于輕度脆弱時期，進一步分析各指標貢獻率發現，水資源脆弱性在這一階段的主要影響因素為生態環境用水比例、豐水期降水比例及人口密度。2014年遼寧省經濟發展和城鎮化速度加快，大量的城市人口聚集進一步加大了脆弱性程度。同時，遼河、太子河、渾河干支流水利設施的建設工程以及農村小型節水措施的改造項目，在一定程度上降低了遼寧省的水資源脆弱性。2018年，遼河、渾河等河道治理工程逐漸竣工，基本全面實現干流污水的截留，這對于保護遼寧省水生態環境和降低水資源脆弱性具有重要的意義。

4 結論與建議

(1)遼寧省水資源脆弱性在2004—2018年整體處于嚴重脆弱等級，研究期間呈波動性下降的變化趨勢且未來的下降概率較大。根據脆弱性等級的分界條件，可將該變化特征分為3個階段，即2004—2011年、2012—2013年、2014—2018年，脆弱性程度分別處于極脆弱與嚴重脆弱、中等脆弱和輕度脆弱狀態。

(2)通過分析不同指標的貢獻率可知，遼寧省水資源脆弱性等級受人為因素和自然因素的共同影響。其中關鍵性主導因子有生態環境用水量、人口密度、降水量、工業重復用水率、廢污水排放量以及萬元工業增加用水量。良好的管理政策和水資源利用制度可在一定程度上降低區域水資源脆弱性。

(3)結合關鍵性驅動因子和脆弱性評價結果，降低水資源脆弱性的有效措施有調整廢水排放、加大生態用水投入及提高水資源利用率，為改善水資源脆弱性和水資源優化配置應積極優化其管理模式。