大凌河流域水資源可持續性動態綜合評價

孫志強

(北票市水資源辦公室，遼寧 北票 122100)

1 研究方法

1.1 流域概況

大凌河是遼寧省西部最大的河流，發源于建昌縣，流經葫蘆島、朝陽、錦州、喀左、朝陽縣、朝陽市區、北票市、義縣、凌海、盤錦等市縣區，全長447 km，流域面積23 263 km2，其中，境內面積占全流域的86%。大凌河在建凌水庫以上段地勢較陡，白石水庫以下段地勢趨向平緩，支流多集中于左側，較大支流主要有細河、牤牛河、涼水河子河和老虎山河。

近年來，大凌河流域內經濟迅速增長，同時帶來了水環境污染、生態環境脆弱、水資源短缺、防洪體系不完善和洪水災害頻繁等問題，加之管理保護與治理薄弱，已成為制約遼西經濟發展的瓶頸。因此，聚焦于大凌河流域水資源可持續利用問題是促進遼西生態帶健康發展的重要內容。

1.2 數據來源

研究數據來源于2012—2020年遼寧省水資源公報、統計年鑒、環境年鑒和中國統計信息網等有關資料，通過線性內插法或數理統計法補充個別缺失數據。

1.3 構建評價指標體系

本文遵循最小均方差、極大不相關、數據獲取難易程度、指標可量化性及系統性等原則，采用PSR概念模型選擇15項代表性指標構建綜合評價體系如表1。其中，P代表流域人類活動對流域水資源所產生的壓力，S代表水資源系統在壓力作用下的狀態，R代表人類社會對狀態發生變化后的水資源系統所做出的響應，從而實現資源、經濟與環境的協調發展。

表1 大凌河流域水資源可持續性評價體系與等級劃分

借鑒有關文獻資料[1-2]，將水資源可持續性劃分成Ⅴ級(非常好)、Ⅳ級(好)、Ⅲ級(警戒)、Ⅱ級(差)、Ⅰ級(非常差)5個等級，不同等級下各評價指標取值范圍如表1。

1.4 評價流程

1995年李德毅院士提出一種用不確定語言值轉換處理定量描述與定性概念的元模型，采用正態云模型評價流域水資源可持續性可以有效解決可能存在的隨機性和離散性問題，其具體計算步驟如下：

步驟1：首先，生成正態隨機數En′=NORM(En，He2)(以He2為方差、En為期望)和xi=NORM(Ex，He′2)(以En′2為方差、Ex為期望)。然后，采用公式(1)計算數域中的云滴μ(xi)，并重復以上步驟直至生成n個云滴，如式(1)。

(1)

式中：μ為由多個云滴所組成的云；xi為數域中第i個云滴數值；Ex為期望；En′2為方差。

(2)

di值越小代表決策方案越接近理想方案。然后，利用式(3)～式(5)歸一化處理各向量，并構建理想方案到主、客觀權重與組合權重方案距離偏差量的規劃模型，采用拉格朗日函數促使主、客觀組合權重偏差最小，其表達式與極值ω′如式(6)～式(7)：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

將組合權重利用公式(8)進行歸一化處理，構造水資源可持續性評價因素域Z={z1，z2，…，zn}和評價域V={v1，v2，…，vn}。

(8)

(9)

式中：He為超熵值，用于衡量熵的不確定性，He值越小，則云滴離散型越低，相應的云層厚度就越小，結合經驗和有關研究成果確定超熵值He為0.01。然后，采用正向云發生器和實測數據計算參評指標i隸屬于等級j的程度zij，建立隸屬度矩陣Z=(zij)n×m。

步驟4：通過模糊轉換處理將隸屬度矩陣Z與權向量W轉變成評語集V上的模糊子集B，如式(10)：

B=W×Z=(b1，b2，…，bm)

(10)

(11)

式中：zij為參評指標i隸屬于等級j的程度。

2 結果與分析

2.1 正態云標準

為了計算確定不同等級下各參評指標的隸屬云，還需要基于正態云模型建立大凌河流域水資源可持續性分級標準如表2，在Matlab軟件中輸入各參評指標的正態云標準可以生成相應的云圖形。

表2 水資源可持續性正態云標準

2.2 權重計算

采用三標度改進的層次分析法和熵權法計算各指標主、客觀權重，具體過程不再贅述，詳見文獻[3]。利用式(7)～式(8)計算理想點組合權重，結果如表3。

表3 水資源可持續性評價指標權重

2.3 水資源可持續性評價

2.3.1 橫向對比分析

根據以上計算步驟和大凌河流域2012—2020年有關數據，遵循最大隸屬度原則確定建昌、喀左、朝陽縣、朝陽市區、北票市、義縣、凌海、盤錦8個市縣區水資源可持續性評分及其所屬等級，如表4。

表4 2012—2020年大凌河流域水資源可持續性評分

結果表明，2012—2020年大凌河流域水資源可持續性總體處于較低水平，但表現出波動上升趨勢。對于不同區域，水資源可持續性存在明顯差異，其中，朝陽縣、朝陽市區評價等級逐漸提高，2020年水資源可持續性處于Ⅳ級(好)水平，其他地區均處于Ⅱ級(差)及以下狀態。

2.3.2 縱向指標分析

采用相同的方法和正態云模型計算2012、2020年大凌河流域水資源可持續性各子系統評分及其等級，如表5。

表5 水資源可持續性準則層指標評價值(2012年、2020年)

結果表明，2012—2020年大凌河流域壓力子系統整體位于較低水平，其中，建昌縣、喀左縣和朝陽縣的綜合評分有所減少，但評價等級不變；朝陽市區、北票市、凌海市和盤錦市的壓力子系統評價等級下降，這是因為經濟的發展和城鎮化水平的提升使得水資源消耗量急劇增大，從而引起水污染加劇、水資源短缺等問題[4-5]；雖然，義縣的壓力子系統始終達到Ⅰ級水平，但評分從2012年的0.0382增加至2020年的0.1080，表明壓力子系統表現出好轉態勢。

2012—2020年大凌河流域狀態子系統表現出兩級分化態勢，其中，凌海市始終達到Ⅰ級最低水平，并且評分表現出明顯下降趨勢，結合原始數據可知，2020年凌海市水資源儲存量和人均水資源量相較于2012年均大幅下降；朝陽市區和盤錦市狀態子系統呈快速發展態勢，2020年處于Ⅲ級狀態，其他地區達到中等水平。另外，2012—2020年大凌河流域響應子系統表現出明顯提升趨勢，2020年朝陽縣、朝陽市區、北票市和盤錦市響應子系統均處于Ⅳ級(好)水平，這主要得益于當地城市污水處理水平提升、城市綠化建設和產業轉型升級等眾多水資源治理措施。然而，建昌縣和喀左縣響應子系統依然處于Ⅱ級(差)狀態，為促進水資源可持續發展仍需加大治理力度[6-8]。

3 結 論

(1)2012—2020年，大凌河流域水資源可持續性總體處于較低水平，但表現出波動上升趨勢。對于不同區域，水資源可持續性存在明顯差異，其中，朝陽縣、朝陽市區評價等級逐漸提高，2020年水資源可持續性處于Ⅳ級(好)水平，其他地區均處于Ⅱ級(差)及以下狀態。對各子系統，2012—2020年壓力和狀態系統提升速度較快且處于較低水平，這也是限制水資源可持續發展的主要因素，水資源響應子系統具有較快發展速度。

(2)統籌指標和時間維度，大凌河流域人口大量聚集、城鎮化快速推進以及經濟不斷發展使得水資源需求量增加，加之水生態治理保護較為滯后，在一定程度上制約著流域水資源可持續發展。因此，為進一步促進水資源可持續利用，在今后發展中建議采取以下措施：其一，建立統一管理制度，有效開發和科學配置流域水資源，協調供需關系實現可持續利用；其二，加強環境治理及保護，通過植樹造林增強水源涵養功能，利用先進技術手段提高水資源利用率和污水源循環利用率；其三，加大節水宣傳與教育，鼓勵廣大居民參與節水行動。