遼河流域水資源承載力評估

邢晶堯

(遼寧省沈陽水文局，遼寧 沈陽 110094)

遼河流域南臨黃海、渤海，東與朝鮮相接，經流河北、內蒙古、吉林和遼寧四省，總長1345km，占地面積21.9萬km2。該流域由東遼河、西遼河兩大水系組成，為我國七大河流之一，主要支流有老哈河、少冷河、渾河、西拉木倫河、太子河、秀水河、饒陽河、柴河等，各支流縱橫交錯、蜿蜒曲折。流域內人口密集、經濟發展迅速，屬于我國東北地區經濟發展和糧食生產的核心區域。水資源承載力是指在一定的發展水平和開發利用條件下，區域水資源能夠滿足資源與環境發展、人類與生態環境用水的最大經濟規模，其承載力水平與區域可持續發展、生態環境保護以及社會經濟發展密切相關。因此，如何科學有效地評價分析水資源承載力，已成為當前水文水資源研究的重要課題之一。

近年來，隨著城鎮化和經濟社會的快速發展，遼河流域人口規模和密集程度迅速增大，農業、農業及生態等用水量急劇增加，評價和分析該流域水資源承載能力對于促進人水和諧發展發揮著重要作用[1]。在水資源承載力方面，國內外許多學者作了大量研究，如劉樹峰等[2]以惠州市為例，運用相對承載力評價法分析了區域水資源利用潛力；謝小康等[3]對廣東21個地市的水資源狀況利用量化的模糊綜合法進行了評價；朱照宇等[4]采用自然趨勢法和年遞增率指標，初步評價了珠三角地區的水資源狀況。在實際應用過程中上述傳統方法均存在一定的局限性，且具有各自的優點和適用范圍。在評價方法方面，成琨等[5]基于灰色關聯法計算分析了三江平原區的水資源狀況；朱玲燕等[6]對衢州地區的水資源系統運用熵權-灰關聯耦合法進行了科學的評價；王正選等[7]提出了一種改進的熵權模型，評估了曲陸壩區的水資源狀況。目前，對于遼河流域承載力的研究主要以傳統方法為主。因此，本文結合遼河流域水資源相關資料，采用灰色關聯和信息熵理論構建承載力評價模型，對流域水資源承載力的空間差異性利用灰色關聯-熵模型進行評價分析，以期為遼河流域水資源承載力評估及其合理開發利用提供科學的借鑒作用。

1 等級標準的劃分

由多個子系統組成的水資源承載系統通常存在多個影響因素，且各因素普遍存在不確定性、隨機性等特征。本文結合遼河流域的環境質量報告、經濟社會發展統計公報、2017年水資源公報以及各地市統計年鑒[8- 14]，根據已有評估指標成果和流域水資源特點，從生態環境、水資源質量、用水水平、社會經濟及水資源數量5個方面，選擇17項基本涵蓋遼河流域水資源系統各個方面的代表性評估指標。然后將評價等級劃分為Ⅰ～Ⅴ級5個標準，Ⅰ級代表水系統開發利用程度較小且水資源承載力很高，具有較強的區域自然、環境、經濟和人口協調發展承載能力；Ⅲ級代表水系統開發利用程度中等且承載力一般，區域內各子系統的協調發展基本可以得到保證；Ⅴ級代表進一步開發利用水系統的空間很小且水資源承載力很低，經濟社會發展受水資源問題的影響突出；Ⅱ級、Ⅳ級分別代表上、下兩個等級的過渡水平，通過采取有效管理措施和合理利用水資源，可促進其向較優等級的轉變。各等級標準下承載力指標的劃分狀況見表1。

表1 遼河流域水資源承載力等級劃分

2 灰色關聯-熵耦合模型

受自然環境、人類活動等多因素共同影響的水資源承載系統，通常無法利用單一的擬合函數評估承載力目標值，往往采用綜合評價模型計算分析該復雜體系。本文利用灰關聯-信息熵耦合的計算法分析流域各子區域的水資源狀況，該方法不僅可以降低人為因素的干擾，提高權重計算的合理性，而且能夠客觀體現各因素之間存在的灰色隱含特征，通過比較數據和參考數據的對比計算確定綜合目標值，將兩種方法相耦合能夠更加規范化、科學化評估流域水資源狀況。

2.1 數據標準化

為解決指標數據由于取值標準、單位量綱不同而存在的不可通透性，在承載力評價之前需要利用標準化計算公式將比較數據、參考數據進行統一處理，計算結果見表2、表3。

表2 遼河流域水資源承載力參考數據標準化值

(1)

式中，k取2、3、4時，zik值為該等級的上、下限均值。

(2)

對于負向指標，其歸一化處理方法為：

(3)

2.2 信息熵與熵權計算

在熱力學中熵原是度量系統離散化程度的重要參數，在所研究問題當中信息熵的大小反映了該指標提供有效信息量的多少。根據信息論基本原理指標包含有效信息量和信息熵的大小呈正相關，信息熵越大，相對其他參數而言各評估對象之間的差異性就越大，對評價結果的貢獻率就越大，因此所賦予的權重值就越高；若指標存在較大的信息熵，則對于該指標而言各評估對象之間存在較小的差異性，在評價過程中該指標的影響程度就越小，因此所賦予的權重值就越小。引入的Ei，wi，yij分別為信息熵、熵權和指標比重，參數為k，則指標權重計算公式如下：

(4)

采用以上計算公式對承載力評價框架體系中17項指標的熵權進行計算，如圖1所示。由圖1可以看出，權重最大的指標為I13，而權重較小的因子有I5，I6，I7。在水資源承載力5個子系統中，生態環境、水資源質量、用水水平、社會經濟以及水資源數量指標的比重依次為0.104、0.240、0.285、0.161、0.210，由此表明對遼河流域水資源承載力影響較大的為水資源質量、用水水平和水資源數量指標。

圖1 遼河流域水資源承載力各指標熵權值

2.3 灰色關聯分析

(5)

(6)

(7)

表3 沈陽市2017年水資源承載力關聯度

表4 不同等級下遼河流域各分區承載力關聯度計算值

由表4可以看出，在Ⅰ～Ⅴ級評價等級下各地市的最大關聯度依次為0.667、0.647、0.685、0.645、0.686、0.630、0.720、0.654、0.711，由此可確定承載力評價等級。按照從高到低的次序將各地市承載力水平排列，分別為本溪>盤錦>開原>營口>撫順>鞍山>阜新>鐵嶺>沈陽。沈陽地區的水資源承載力達到Ⅴ級的超載狀態，而鐵嶺、鞍山、撫順、阜新和營口等地區的承載力水平已經處于Ⅳ級，該區域的水資源系統可開發潛力較小，若不采取有效的調控措施將顯著影響當地的持續發展；相對于同屬于Ⅳ級水平的其他城市，營口地區的水資源承載力和Ⅱ級、Ⅲ級的關聯度差別最小，該區域水資源開發利用程度為中等且基本能夠滿足各行業用水的需求；開原的水資源潛力較大且開發利用程度較小；本溪和盤錦地區的承載能力較強，且能夠很好地滿足各子系統的協調發展需求。

3 結論

(1)隨著城鎮化和經濟社會的快速發展，遼河流域人口規模和密集程度迅速增大，水資源供需矛盾、水污染等問題突出。為促進區域可持續發展和水資源合理利用，本文結合現有評估指標和流域水資源特征，從多個方面選擇17項指標構建評價體系，然后合理劃分了評價等級，可為協調人水之間的協調關系提供一定參考。

(2)將熵權理論和灰色關聯法相耦合構建承載力評價模型，對各指標熵權按照指標差異性進行劃分，從而避免了傳統承載力評價方法的局限性，為承載力評價提供了一種新途徑。

(3)遼河流域水資源承載力影響較大的為水資源質量、用水水平和水資源數量指標，人口密集、經濟發展較快的沈陽、鐵嶺和阜新等地的水資源達到超載水平，必須采取合理的措施來改善水質、保護水資源和提高用水效率等。