鐵嶺市水資源承載力預警分析研究

李 玥

(遼寧省河庫管理服務中心，沈陽 110000)

水是生態環境和人類活動中影響最廣、最為活躍、起決定作用的因素，也是國民經濟的命脈和生命與文明的搖籃。近年來，隨著社會經濟的迅速發展，環境、資源和人口問題不斷突出，水資源承載力逐漸成為學術界研究的熱點之一。水資源承載力預警可以明確經濟社會協調發展狀況，及時準確地掌握水資源系統變化速度和發展趨勢，為實現水資源可持續發展與合理調控提供支持[1-3]。目前，針對水資源承載力國內學者開展了深入研究，如曹可馨等[4]將人工神經網絡模型與水資源承載力理論相結合，科學預警分析了水環境承載力；高偉等[5]在水資源承載力預警分析時引入系統動力學法進行研究；樓勝霞等[6]以遵義市為例，分縣級和市級兩個層面利用GIS技術定量分析了水資源承載力。鑒于此，文章結合現有研究資料，應用灰色關聯法和GM(1，1)模型預測預警了鐵嶺市現狀年及未來的水資源承載力，旨在為實現區域經濟社會可持續發展及水資源規劃和利用提供決策依據。

1 構建預警指標體系

為確保水資源承載力預警體系的全面性與整體性，綜合考慮當地水資源實際情況和社會經濟、生態環境、資源開發狀態，借鑒相關研究資料，應用PSR模型篩選出14項典型指標形成預警指標體系，基于PSR模型的預警指標體系及權重，見表1。其中，承載壓力反映水資源系統受人類活動的壓力和干擾，承載狀態體現了自然要素受各種因素長期作用的結果，承載響應反映了面對自然問題人類采取的措施與決策。該體系能夠全面地反映經濟發展與水資源的相互關系，反映水資源承載安全狀態。

表1 基于PSR模型的預警指標體系及權重

2 水資源承載力預警模型

2.1 數據預處理

不同指標對水資源承載力的貢獻具有明顯差異，總體上可分為正向(越大越優型)和負向(越小越優型)兩種類型。由于不同指標間的不可通透性直接計算會帶來較大誤差，致使評價結果失真。因此，在計算分析前必須先歸一化處理各指標初始數據，參考李祚泳[7]等推薦的方法先歸一化處理各參評因子值，再利用熵權法計算水資源承載力各指標客觀權重Wi。

2.2 灰色關聯預警

灰色關聯分析是一種利用序列曲線幾何形狀的相似程度來定量分析所有參評因子之間關聯度的方法，一般適用于時間序列信息較少的小樣本研究，能夠保證分析結果與量化數據的一致性[8-9]。

1)步驟1：灰色關聯系數。設Xj={xj(1)，xj(2)，…，xj(m)}、L0={x0(1)，x0(2)，…，x0(m)}為比較序列和參考序列，令△j(i)=|x0(i)-xj(i)|，利用下式計算Xj與L0之間的關聯系數，即：

(1)

式中：ρ為分辨系數，文中ρ取0.5。

2)步驟2：灰色關聯度。采用公式(2)計算灰色關聯度Ej，即：

(2)

2.3 GM(1，1)預測模型

GM(1，1)模型是利用一次累加將原始非負離散數據列轉變成新的序列，并應用微分方程求解離散點數值的方法，經累減計算近似估計值預測原始數據發展態勢，建模流程如下：

2)步驟2：結合以上計算結果建立GM(1，1)微分方程，其數學表達式：

(3)

3)步驟3：采用最小二乘法可以確定(a,b)T=(BTB)-1(BTY)，其中參數a、b可以利用下式計算：

(4)

3 實例應用

3.1 區域概況

鐵嶺市位于松遼平原中段，地處E123°27′～125°06′，N41°59′～43°23′之間，全市面積12985 km2。地勢南低北高、中低東高、西部稍高，中部屬從北向南緩泄的遼河平原，東西兩側分布山地和丘陵，大體呈“四山一水四分田，一分道路和莊園”。境內河網水系密布，遼河干流貫穿南北。根據技術要求，可以將全市劃分成12個水資源分區，即渾河、遼河右岸諸小河、中固河、凡河、柴河、清河、寇河、亮子河、二道河、昭蘇臺河、東遼河(Ⅰ)和(Ⅱ)。鐵嶺市屬溫帶半濕潤、濕潤季風氣候，多年平均降雨量700mm，年均氣溫6.3℃，雨量適中，四季分明。2020年降水量769.1mm，蒸發量1119.6mm，水資源總量31.91億m3，其中地表水和地下水23.49億m3、12.28億m3，兩者重復計算量3.85億m3，為鐵嶺城鄉居民生活用水以及下游工農業生產提供了必要條件[10-11]。

近年來，隨著經濟的高速發展以及城鎮化進程的加快，各行業用水量急劇增加，鐵嶺市水資源矛盾突出，因此預警分析水資源承載力及其變化趨勢的意義重大。以2014-2020年《鐵嶺市國民經濟與社會發展公報》、《鐵嶺市水資源公報》、《鐵嶺市統計年鑒》和政府部門工作年報獲取文中相關數據。

3.2 權重計算

通過歸一化處理各指標初始數據，應用Matlab編程和熵權法求解各層次指標客觀權重。

3.3 結果分析

以鐵嶺市2014-2020年水資源承載力14項評價指標的最大值構造參考序列，即L0={x0(1),x0(2),…,x0(14)}，然后選擇各項指標的第30%、60%、90%分位數構造三個比較序列，具體如下：X1={x1(1),x1(2),…,x1(14)}、X2=={x2(1),x2(2),…,x2(14)、X3=={x3(1),x3(2),…,x3(14)}。令△j(i)=|x0(i)-xj(i)|，2014-2020年各指標間的灰色關聯系數和關聯度利用公式(1)～(2)計算，灰色關聯系數與關聯度，見表2。其中，理想數與L1、L2、L3的灰色關聯度用E1、E2、E3表示，關聯度>L1、介于L1～L2、介于L2～L3、

表2 灰色關聯系數與關聯度

結合表2中數據，2015-2019年鐵力市水資源承載力警情達到“中警”級別，2014年、2020年處于“輕警”級別。借鑒《鐵嶺市國民經濟與社會發展》和《鐵嶺市水資源公報》等相關資料，2014-2020年鐵嶺市萬元GDP用水量表現出逐年減少趨勢，人均用水量呈穩中上升趨勢；其中，2017-2019年鐵嶺市城鎮化率從65%持續上升到70%，用水水的提高及用水量、經濟GDP的不斷增加使得水資源系統負荷逐漸加重，在一定程度上降低了水資源承載力。

近年來，鐵嶺市積極引入多種供水模式，產水模式持續增加，對于提高當地水資源承載力發揮積極作用；通過采取地下水、提水工程、引水工程和蓄水工程等多種供水方式，有效緩解了城鎮化率和人口密度增大所帶來的水資源供給壓力，人均水資源量也明顯提高；同時，為增強節水力度設立了多項法令法規，對維持水資源承載力達到安全狀態提供了可靠保障。2020年，鐵嶺市開始推行定額管理和計劃用水，通過降低城市供水管網漏損率以及提高非常規水資源利用率等保證城市節水目標的實現。鐵嶺市政府越來越關注水資源管理與保護，加快推進節水型社會建設和水資源優化配置；此外，加強推進河湖長制，切實提升水生態系統和水資源保護力度。隨著污水處理水平和用水效率的提高以及產業結構的優化，水系統警情呈好轉趨勢，在很大程度上緩解了警戒程度。

3.4 警度預測

采用GM(1，1)預警模型和2014-2020年水資源承載力原始數據得到未來5a預測值，水資源承載力警情預測，見表3。結果顯示，該預警模型的平均級比偏差為0.12056，相對殘差只有0.10415，對水資源承載力數據具有較好的擬合效果。從表3可以看出，2021-2025年鐵嶺市水資源承載力處于“輕警”級別，這表明水資源系統負荷逐漸減小，水系統發展態勢良好，這與鐵嶺市大力推進水污染治理、全面建設節水型社會等密切相關。雖然水資源承載力預測值達到良好狀態，但隨著經濟社會的不斷發展水資源仍面臨著較大的壓力，仍需加強水資源管理與保護。

表3 水資源承載力警情預測

4 結 論

1)文章基于PSR模型從生態環境、經濟社會、水資源等角度選擇指標構建承載力預警體系，利用GM(1，1)預測模型和灰色關聯法預警預測了鐵嶺市現狀及其未來水資源承載力發展趨勢。

2)實例表明，鐵嶺市水資源承載力整體呈向輕度預警的發展態勢，預警級別為“中警”，預警結果能夠客觀反映實際情況，該模型具有較高的精度和較好的實用性。隨著經濟的發展和城鎮化的加快推進，鐵嶺市應以河湖長制為抓手、以改善水生態環境為核心，以保障水安全為重點制定切實可行的水資源管理制度，從而維持水資源系統處于安全可控狀態。