遼寧省水資源承載力評價及水源調(diào)配研究

孔祥軍

(沈陽市應急管理事務服務中心，沈陽 110034)

0 引 言

遼寧省地處我國東北南部，東與韓國、日本隔海相望，隔鴨綠江與朝鮮相接，南臨渤海、黃海，屬于東北地區(qū)既沿邊又沿海重要的多外開放門戶。該區(qū)域存在生態(tài)環(huán)境脆弱、水資源開采程度高和降水量小等特征，經(jīng)濟的發(fā)函和城鎮(zhèn)化的推進使得水資源短缺問題更加突出，當前迫切需要科學規(guī)劃區(qū)域水源調(diào)配方案和評價水資源承載力。

從20世紀80年代水資源承載力提出以來，現(xiàn)已發(fā)展形成SD法、多目標法和指標體系法等研究方法，其中應用最為廣泛的方法為指標體系法。權重的合理分配為指標體系法評價的核心內(nèi)容，權重的合理分配所涉及的信息有：評價指標權重滿足準確合理性要求，能夠客觀、準確的體現(xiàn)不同區(qū)域的水系統(tǒng)承載力整體狀況；依據(jù)權重值大小能夠?qū)Ρ雀髟u價單元的差異水平[1-3]。針對權重的分配問題，前人已嘗試了熵值法、主成分分析法、AHP法、模糊綜合法及支持向量機等多種方法，根據(jù)權重分配的主要依據(jù)可分為主觀、客觀賦權兩大類，實際應用過程中各方法存在其使用范圍和不足。如，AHP法主要結合人為評判的重要度作為賦值依據(jù)，由此獲取的權值通常存在較強的不確定性；而熵值法雖然規(guī)避了人為賦權存在的不足，但指標權重均值化現(xiàn)象在各評價單位實際應用中普遍存在。近年來，針對高維數(shù)據(jù)興起了一種投影尋蹤的處理方法，通過分析數(shù)據(jù)群的自身信息及其結構特征，可實現(xiàn)一維信息反映多維數(shù)據(jù)的壓縮處理，由此客觀反映各評價單元之間的承載力差異和區(qū)域水資源的總體承載力水平。鑒于此，文章考慮水資源系統(tǒng)的復雜性、區(qū)域性和不確定性特征構建適用于該區(qū)的承載力評價體系，結合投影尋蹤理論形成綜合評價模型，結合各分區(qū)承載力評價結果制定有效的水源調(diào)配方案。

1 水資源承載力評價體系

1.1 區(qū)域概況

遼寧省位于E118°53′-125°46′，N38°43′-43°26′范圍，下轄沈陽、大連、撫順、鐵嶺、朝陽、葫蘆島等14個地級市和2個省管縣組成，總面積14.8萬km2。該區(qū)域地勢結構呈中部低、東西兩側(cè)高的特征，兩側(cè)的山地丘陵平均海拔為500-800m，中部的遼河平原海拔約200m，狹長的海濱平原素有“遼西走廊”之稱，地貌形態(tài)大致分為“六三一水三分田”。研究區(qū)為大陸性季風氣候，年均氣溫為7.0℃-11.5℃，氣候特征為冬季少雨干暖，夏季氣候涼爽，日照充足，年降水量600-1100mm。由于復雜的氣象條件和特殊的地理環(huán)境，降水量存在明顯的季節(jié)性和區(qū)域性特征，每年的6-9月降雨較為集中且多暴雨或強降雨；空間尺度上，中部平原地區(qū)較高山低降水較少，與渤海相鄰的東南部降水量充足，而西北部降水稀少且風沙干旱嚴重。遼寧地區(qū)分布有饒陽河、大凌河、太子河、渾河、遼河等河流，各支流縱橫交錯、萬元曲折，島嶼有大鹿島、長興島、石城列島及里長山列島等266個，全省島岸線長627km。遼寧地區(qū)的水資源利用存在以下特征：水資源利用以地下水為主，布局地區(qū)的地下水過度開采且水資源浪費嚴重；水資源邊際效益低、可開發(fā)總量少、開采成本高；工礦產(chǎn)業(yè)及資源開發(fā)與工業(yè)用水基本匹配，境內(nèi)水生態(tài)功能和水系統(tǒng)承載力呈下降趨勢[4-6]。

1.2 評價指標體系

生態(tài)、經(jīng)濟、社會與水資源系統(tǒng)之間存在相互影響、互相關聯(lián)的復雜關系，因此構建的指標體系既要反映各子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)程度，同時要體現(xiàn)水系統(tǒng)供需平衡關系和水資源利用的特點。文章結合水資源研究相關資料，遵循可獲取性、系統(tǒng)性、層次性、獨立性和代表性等原則構建多要素多層次評價體系如表1。該承載力評價體系較以往研究存在以下不同：①引入地下水開發(fā)程度指標更好地突出地下水的作用，未考慮區(qū)域內(nèi)的地表水作用；②區(qū)域降水量情況為決定地下水的關鍵因素，對此列出降水量指標；③為了突出牲畜用水情況，將以往的農(nóng)田灌溉用水利用畜牧用水指標替代；④考慮到遼寧地區(qū)的生態(tài)用水狀況，以總用水量中生態(tài)用水的占比作為生態(tài)用水率，從而體現(xiàn)生態(tài)環(huán)境受生態(tài)用水的影響[7]。然后根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查相關信息、環(huán)境統(tǒng)計公報、統(tǒng)計年鑒及水資源公報等資料獲取研究區(qū)各評價指標的初始數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 水資源承載力評價體系及各分區(qū)初始數(shù)據(jù)

當前，還未形成普遍適用的單項指標隸屬于不同承載力水平的取值區(qū)間和水資源承載力等級劃分標準。文章結合區(qū)域發(fā)展規(guī)劃和國家公認的評判標準，考慮區(qū)域水資源特點將其承載力標準劃分為Ⅰ-Ⅴ級，相應的評語為強、較強、中等、較弱、弱。根據(jù)其它相似地區(qū)的研究資料和行業(yè)用水定額標準，確定單項評判指標隸屬于不同等級的量值區(qū)間如表2所示。

2 投影尋蹤模型的構建

投影尋蹤法是一種能夠有效分析非線性、多樣本的數(shù)學分析法，對于形式化、數(shù)學化非正態(tài)高維數(shù)據(jù)的處理具有較高的應用價值。其理論依據(jù)將存在一定內(nèi)在規(guī)律的高維數(shù)據(jù)運用計算機技術投影至1-2維的低維子空間，通過極小化轉(zhuǎn)換確定最大限度的體現(xiàn)原高維特征的投影方向，通過對低維子空間中投影數(shù)據(jù)的分析達到處理高維數(shù)據(jù)的目標。文章簡要介紹了投影尋蹤的建模流程，具體如下：

表2 水資源承載力等級劃分

步驟一：歸一化處理數(shù)據(jù)。由于各參評指標的單位和數(shù)量級不同而無法直接參與運算，承載力評價前應先將各指標初始值歸一化處理至0-1區(qū)間。針對參數(shù)值越大則水資源承載力越高型指標，其歸一化公式為：

(1)

針對參數(shù)值越小則水資源承載力越高型指標，歸一化處理公式為：

(2)

(3)

其中，wij=ajxij為評價指標j關于分區(qū)i的投影分量值。

(4)

3 水資源承載力投影尋蹤評價

3.1 評價結果

采用Matlb編程完成投影尋蹤模型的運算，其中實數(shù)編碼的遺傳算法和投影尋蹤的部分模塊選用Genetic Algorithms Toolbox、自編程序。模型設置的較差概率為0.80，優(yōu)秀合體數(shù)和初始父代種群規(guī)模為20、400。根據(jù)搭建的尋蹤模型和遼寧省各分區(qū)指標值，獲取能夠盡可能反映多維數(shù)據(jù)特征的最佳投影方向為0.0174、0.4039、0.1926、0.3342、0.4386、0.0617、0.1255、0.0931、0.5788、0.0545、0.0253、0.3441，輸出的投影特征值為遼東1.4250、遼南0.7316、遼中0.4801、遼西0.1402、遼北0.8122。該輸出結果與以上運算流程基本相同，選用平均值作為區(qū)間范圍指標數(shù)值，將模型輸入不同承載力分級標準后獲取相應的特征值為：弱、較弱、中等、較強、強的等級區(qū)間為<0.7386、0.7386-2.0378、2.0378-3.0345、3.0345-3.4641、>3.4641。

根據(jù)以上運算結果，遼寧省各分區(qū)的水系統(tǒng)承載力總體處于較弱水平。其中，遼東地區(qū)的承載力達到較弱的Ⅳ級，而其它各分區(qū)均為弱的Ⅴ級。水資源承載力從低到高排序為：遼西<遼中<遼南<遼北<遼東地區(qū)。

3.2 合理性檢驗

對承載力評價的合理性進行定性分析，地下水為遼寧地區(qū)的主要用水方式，該地區(qū)的降水量相對較小且地下水利用率較高，因此綜合評價結果為較弱水平具有合理性。具體而言，遼東地區(qū)臨近沿海且降水量較為充足，已建的許多水利工程在很大程度上緩解了當?shù)毓┧畨毫Γ运Y源承載力相對較高；而遼西、遼中地區(qū)多風沙且降水量少，地下水供給壓力較大，因此水系統(tǒng)承載力處于弱水平。通過以上分析，較為準確的驗證了評價結果的合理性。

水資源承載力受各指標的影響程度通過最佳投影方向描述，其中權重值>0.3的參數(shù)有生態(tài)用水率、單位GDP耗水量、人口密度、地下水開發(fā)程度及人均水資源量，這些指標較好的體現(xiàn)了各分區(qū)之間的指標差異性和遼寧地區(qū)整體的水資源承載力。雖然，單位面積牲畜量、GDP年增長率、人均生活用水量、牲畜增長率和降水量等指標也對評結果產(chǎn)生影響，但其差異性在各分區(qū)內(nèi)相對較小，所以均質(zhì)化現(xiàn)象較為明顯，賦予的權值也就較低。據(jù)此，在權重分配過程中投影尋蹤模型保證可評價結果的客觀性和準確性。

3.3 水資源配置方案

根據(jù)遼寧省水資源分布特點和水資源供需分析結果，以已建和擬建的大中型水利工程為依托，構建由北、中、南三線構成的“東水濟西”總體水資源配置格局。全省城市及開發(fā)區(qū)、鄉(xiāng)、鎮(zhèn)近、遠期圍繞大伙房水庫輸水工程、遼西北供水工程、觀音閣引水、三灣水利樞紐、引洋入連等骨干工程進行配置。“東水濟西”三線工程全部建成后，配合對地下水資源的有效管理和合理利用，可以根本解決遼寧水資源短缺問題。如：遼西地區(qū)的水資源承載力較其它地區(qū)最弱，充分考慮當?shù)厮Y源特點和實際情況，遼西地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展和居民生產(chǎn)生活已明顯受到水資源短缺的影響，制定科學有效的水源調(diào)配方案已成為亟待解決的重要問題。遼西地區(qū)過境河流較多，其地表水可利用量豐富，因此存在工程調(diào)水的客觀條件；根據(jù)遼西地區(qū)大凌河、遼河、渾河等地質(zhì)勘探相關資料，可通過從遼西北供水工程調(diào)水至遼西地區(qū)，從而緩解該地區(qū)的供水壓力。另外，通過采取科學規(guī)劃和統(tǒng)一管理區(qū)域水資源，持續(xù)推進遼西地區(qū)水生態(tài)保護及水污染防治工作，實施生態(tài)工程建設與小流域綜合治理等，進一步提升用水效率、農(nóng)業(yè)產(chǎn)出效益及水資源承載力[18-22]。

4 結 論

文章結合水資源系統(tǒng)的復雜性、不確定性和區(qū)域性特征，從生態(tài)、經(jīng)濟、社會和水資源4個子系統(tǒng)構建承載力評價體系，然后運用投影尋蹤模型科學評價了不同分區(qū)的水資源狀況。結果發(fā)現(xiàn)，遼東地區(qū)處于較弱承載力等級，其它地區(qū)均處于弱等級，其中遼西地區(qū)最弱。根據(jù)最佳投影方向識別出水資源承載力主要影響因素有地下水開發(fā)程度。生態(tài)用水率、人口密度、人均水資源、單位GDP用水量指標。

綜合考慮流域水資源分布特征、水利工程施工難度及水文地質(zhì)條件等，建議充分利用遼河流域地表水資源緩解該地區(qū)的供水壓力；另外，為進一步提升用水效率、水資源承載力和農(nóng)業(yè)產(chǎn)出效益的措施，從水源管理、水環(huán)境保護、河道治理等方面提出了有效的建議措施。