基于模糊評(píng)價(jià)模型的遼陽(yáng)市水資源承載能力綜合評(píng)估

孫海波

(營(yíng)口市水利事務(wù)中心，遼寧 營(yíng)口 11500)

1 遼陽(yáng)市概況

遼陽(yáng)市屬于遼寧中部城市，屬于渾太河流域，地形高程從東南向西南逐步遞減，東南、東北部屬于千山及龍崗山脈的山丘地帶，西部屬于遼河平原區(qū)域。全市山丘、平原的面積占總面積的比例分別為59.2%以及40.8%[1]。遼陽(yáng)市境內(nèi)流域面積在10km2以上的中小河流數(shù)目為104條，流域面積在50km2以上的河流數(shù)目為32條，流域面積在100km2以上河流數(shù)目共為17條[2]。遼陽(yáng)屬于典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，夏季降水量約占全年降水總量的70%。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，遼陽(yáng)市非農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)人口占全市人口的比例分別為43.76%以及56.24%[3]。太子河為遼陽(yáng)市出境河流，出境水量全部流入鞍山境內(nèi)，遼陽(yáng)市出、入境水量多年平均值分別為25.64億m3及21.3億m3[4]。近些年來(lái)，遼陽(yáng)各河流水質(zhì)總體變化較為平穩(wěn)，汛期河流水質(zhì)超標(biāo)主要為氨氮和生化需氧量，高錳酸鹽指數(shù)為非汛期主要超標(biāo)水質(zhì)之一[5]，遼陽(yáng)地區(qū)共有2座大型水庫(kù)，3座小型水庫(kù)，水庫(kù)蓄水的重庫(kù)容為150000萬(wàn)m3，各水庫(kù)均位于太子河干支流上，區(qū)域內(nèi)有17座庫(kù)容<10萬(wàn)m3的塘壩工程，蓄水庫(kù)容總量達(dá)到11.81萬(wàn)m3[6]。全遼陽(yáng)市水井取水總量為55187.8萬(wàn)m3，其中遼陽(yáng)縣、燈塔市水井工程分別為77923眼和83800眼[7]。通過(guò)對(duì)遼陽(yáng)市水資源現(xiàn)狀進(jìn)行分析，區(qū)域水資源時(shí)空分布不均勻，水資源開(kāi)發(fā)利用合理度較低，不同分區(qū)水資源使用水平存在明顯差異，部分河流水質(zhì)狀況未得到改善[8]。由于蓄水配套工程與社會(huì)經(jīng)濟(jì)未能同步進(jìn)行，使得部分地區(qū)供水能力較高，而一些區(qū)域的供水能力較小，此外由于部分區(qū)域超采地下水，使得首山地下水資源開(kāi)發(fā)程度過(guò)高，區(qū)域水資源供需矛盾逐步加劇[9]。針對(duì)當(dāng)前遼陽(yáng)地區(qū)水資源問(wèn)題和矛盾，基于當(dāng)前引、調(diào)水工程措施，綜合考慮遼陽(yáng)市生產(chǎn)力發(fā)展、水資源開(kāi)發(fā)利用潛力，通過(guò)構(gòu)建評(píng)估模型對(duì)遼陽(yáng)地區(qū)水資源承載能力進(jìn)行評(píng)估，并提出水資源合理配置的相關(guān)措施，為遼陽(yáng)地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展布局提供重要的參考依據(jù)。

2 水資源承載能力評(píng)估方法

2.1 構(gòu)建評(píng)估指標(biāo)

結(jié)合水資源、需水、生態(tài)環(huán)境用水3個(gè)方面，基于區(qū)域水資源特點(diǎn)，建立水資源承載能力的評(píng)估指標(biāo)體系。評(píng)估指標(biāo)體系，見(jiàn)表1。

表1 評(píng)估指標(biāo)體系

2.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合遼陽(yáng)市水資源評(píng)估指標(biāo)對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行等級(jí)劃分，制定不同等級(jí)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)估指標(biāo)劃分的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表2。

表2 評(píng)估指標(biāo)劃分的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

此外對(duì)于區(qū)域地表水合格率<50%作為一票否決的特殊指標(biāo)，當(dāng)?shù)乇硭|(zhì)合格率<50%，則可認(rèn)定區(qū)域水資源承載能力超過(guò)極限值，生態(tài)環(huán)境被破壞，需要采取相應(yīng)措施進(jìn)行治理和保護(hù)。為了更好的表征區(qū)域的水資源承載能力的變化特點(diǎn)，對(duì)V1，V2，V3評(píng)估值設(shè)置在0-1，評(píng)分值分別為0.96、0.52以及0.06，這樣就可以對(duì)水資源承載能力的各個(gè)因素進(jìn)行不同等級(jí)的劃分，評(píng)分值越大，表明水資源開(kāi)發(fā)的潛力越高，評(píng)分值越低表明水資源開(kāi)發(fā)的潛力越小。

2.3 評(píng)估模型

文章采用模糊綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)各構(gòu)建的評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，結(jié)合綜合分析結(jié)果定量評(píng)估區(qū)域水資源承載的能力，模糊綜合評(píng)估方程為：

(1)

式中：bj為評(píng)估指標(biāo)；ai為各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重；ri為第i行的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)各因子的影響程度；rj為第j列評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)各因子的影響程度；在具體評(píng)價(jià)時(shí)，結(jié)合評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度，與指標(biāo)權(quán)能重進(jìn)行單個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合，計(jì)算方程式為：

(2)

得到評(píng)估指標(biāo)后，按照最大隸屬原則對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分，評(píng)分的原則為基于上一級(jí)模糊綜合評(píng)估結(jié)果，將評(píng)估指標(biāo)集合U按照不同類別進(jìn)行子集S的劃分，各子集分別為U1，U2，L，Us，結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H的水資源特點(diǎn)，還需要對(duì)各子集進(jìn)行再次的劃分，對(duì)每個(gè)因子進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。在具體評(píng)估過(guò)程中，按照實(shí)際的數(shù)據(jù)對(duì)不同因素進(jìn)行分級(jí)評(píng)估，為了降低各等級(jí)評(píng)估指標(biāo)之間差異度，對(duì)不同指標(biāo)的隸屬度函數(shù)進(jìn)行模糊光滑處理，對(duì)中間區(qū)域的評(píng)估指標(biāo)隸屬度盡量調(diào)整趨近于1.0，兩側(cè)隸屬度按0.5進(jìn)行調(diào)整，兩側(cè)中間點(diǎn)按逐步遞減進(jìn)行處理。對(duì)于V1和V兩側(cè)的區(qū)間，設(shè)定其臨界值隸屬區(qū)間>0.5，按照上述方法對(duì)評(píng)估指標(biāo)的隸屬度進(jìn)行計(jì)算，指標(biāo)隸屬度計(jì)算方程為：

K2=(K1+K3)

(3)

在方程中V1和V2及V2和V3的臨界值分別為K1和K3，K2為不同區(qū)間各等級(jí)的中間值。并對(duì)各評(píng)價(jià)因子U1，U2，U3進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的隸屬度的計(jì)算：

(4)

(5)

(6)

對(duì)各評(píng)價(jià)因子U1，U2，U3進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的隸屬度的計(jì)算：

(7)

(8)

(9)

通過(guò)以上方程對(duì)不同等級(jí)隸屬度rij進(jìn)行計(jì)算，并按照各評(píng)級(jí)指標(biāo)對(duì)區(qū)域水資源承載能力的影響程度進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重的設(shè)定，形成評(píng)估指標(biāo)權(quán)重矩陣。

A=(a1,a2,···am)

(10)

結(jié)合權(quán)重和隸屬度函數(shù)的矩陣，對(duì)地區(qū)水資源承載能力進(jìn)行評(píng)估計(jì)算，不同等級(jí)對(duì)應(yīng)的評(píng)估值即為區(qū)域水資源承載能力的綜合值。

3 遼陽(yáng)市水資源承載能力評(píng)估結(jié)果

3.1 遼陽(yáng)市水資源平衡分析結(jié)果

結(jié)合三次水資源平衡分析的方法，結(jié)合內(nèi)部水資源潛力、水利用效率改善、減少用水指標(biāo)三個(gè)方面進(jìn)行遼陽(yáng)市水資源的3次平衡分析。遼陽(yáng)市水資源平衡分析結(jié)果，見(jiàn)表3。

表3 遼陽(yáng)市水資源平衡分析結(jié)果 萬(wàn)m3

遼陽(yáng)市在現(xiàn)狀用水條件下通過(guò)水利調(diào)水工程實(shí)施后可使得缺水量明顯減少，在2020年能夠滿足保證率為60%和80%的用水總需求，但是不能滿足用水率為90%的用水需求。進(jìn)入2030年后，可以滿足保證率為50%的用水總量要求，但不能滿足用水保證率為80%和95%的用水總量的要求。由此可以分析，遼陽(yáng)地區(qū)遠(yuǎn)景規(guī)劃年水資源供需矛盾也將存在。因此需要對(duì)遼陽(yáng)市進(jìn)行節(jié)水、中水利用、對(duì)內(nèi)部水資源潛力進(jìn)行挖掘?yàn)橹鞯乃Y源非常規(guī)利用等工作。

3.2 遼陽(yáng)市評(píng)價(jià)矩陣的計(jì)算

結(jié)合遼陽(yáng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)、資源數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)狀年、規(guī)劃年份的評(píng)價(jià)矩陣系數(shù)分析結(jié)果，見(jiàn)表4。

表4 不同用水目標(biāo)下遼陽(yáng)市評(píng)價(jià)矩陣分析結(jié)果

從不同目標(biāo)年份下的水資源承載能力預(yù)測(cè)分析結(jié)果可看出，農(nóng)業(yè)需水量依然是區(qū)域水資源最大的需水類別，其次為工業(yè)需水，相比于其他用水，生態(tài)環(huán)境需水比例較低，這主要是因?yàn)樗Y源供水目標(biāo)主要還是首先滿足生活和生產(chǎn)用水的需求。

3.3 遼陽(yáng)市水資源承載能力指標(biāo)構(gòu)建

結(jié)合遼陽(yáng)市節(jié)水規(guī)劃需求和前述的水資源綜合評(píng)估指標(biāo)體系，選取8個(gè)指標(biāo)作為水資源承載能力評(píng)估的主要指標(biāo)。遼陽(yáng)市水資源承載能力評(píng)估指標(biāo)定量結(jié)果，見(jiàn)表5。

表5 遼陽(yáng)市水資源承載能力評(píng)估指標(biāo)定量結(jié)果

綜合考慮遼陽(yáng)市節(jié)水規(guī)劃需求和現(xiàn)狀水資源特點(diǎn)，選取8個(gè)典型指標(biāo)作為遼陽(yáng)市水資源承載能力評(píng)估指標(biāo)，從分析結(jié)果可看出，工業(yè)用水重復(fù)率得到有效控制，并通過(guò)節(jié)水措施對(duì)農(nóng)田灌溉的有效利用系數(shù)進(jìn)行了提升，2011年農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)值為0.59，到2030年遠(yuǎn)景規(guī)劃年，田灌溉的有效利用系數(shù)提升到0.73。生產(chǎn)和生活用水作為遼陽(yáng)市供水要求最大的兩類水資源，其用水定額也相應(yīng)的增加。

3.4 遼陽(yáng)市水資源承載能力指標(biāo)隸屬度分析結(jié)果

結(jié)合評(píng)價(jià)矩陣及各評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)不同供水保證率條件下的8個(gè)指標(biāo)不同等級(jí)的隸屬度進(jìn)行分析，遼陽(yáng)市不同保證率下對(duì)應(yīng)的不同等級(jí)各指標(biāo)的隸屬度分析結(jié)果，見(jiàn)表6。

表6 遼陽(yáng)市不同保證率下對(duì)應(yīng)的不同等級(jí)各指標(biāo)的隸屬度分析結(jié)果

3.5 遼陽(yáng)市水資源承載能力綜合評(píng)估結(jié)果

結(jié)合不同等級(jí)指標(biāo)的隸屬度分析結(jié)果，采用不同指標(biāo)的權(quán)重即可對(duì)遼陽(yáng)市不同水平年份各保證率下的水資源承載能力進(jìn)行評(píng)估。遼陽(yáng)市各水平年下不同保證率的水資源承載能力評(píng)估結(jié)果，見(jiàn)表7。

表7 遼陽(yáng)市各水平年下不同保證率的水資源承載能力評(píng)估結(jié)果

從分析結(jié)果可看表明在不考慮節(jié)水措施、外調(diào)水、以及新建蓄水工程的前提下，遼陽(yáng)市現(xiàn)有水資源供給度已經(jīng)不能滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)生活的需水要求，綜合評(píng)估結(jié)果表明遼陽(yáng)市水資源處于超載的狀況，通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)區(qū)域水質(zhì)達(dá)標(biāo)率也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，地下水質(zhì)影響程度更高。在綜合考慮跨區(qū)域調(diào)水、中水回用等措施后，在現(xiàn)狀用水效率不發(fā)生改變的前提下，未來(lái)遠(yuǎn)景年水資源承載能力逐步趨于飽和狀態(tài)，到2030年后水資源超載情況將逐步顯現(xiàn)。在提高用水效率的情況下，在采用跨區(qū)域調(diào)水和非常規(guī)用水措施力度加大后，水資源供需矛盾可以得到一定程度的解決，遼陽(yáng)市水資源承載能力將得到提升。

4 結(jié) 論

1)按照當(dāng)前遼陽(yáng)市用水效率，本地水資源可支撐規(guī)劃年2030年GDP的最大值分別為年1072億元。考慮跨區(qū)域調(diào)水和現(xiàn)狀用水效率的前提下，規(guī)劃年可支撐的GDP的最大值為2109億元。考慮節(jié)水措施和用水效率提高的前提下，規(guī)劃年可支撐的GDP的最大值為4842億元。

2)通過(guò)遼陽(yáng)市水資源超載能力綜合分析，在區(qū)域適宜發(fā)展速率的前提下，規(guī)劃年2030可承載的人口總數(shù)和GDP總量為193萬(wàn)人和3090億元。

3)建議加大遼陽(yáng)市節(jié)水措施的升級(jí)改造，到2030年農(nóng)業(yè)灌溉效率提升到0.71，工業(yè)用水重復(fù)率提高到90%以上。