本溪市水資源脆弱性評價

趙海安

(遼寧省本溪水文局,遼寧 本溪 117000)

0 引 言

水資源脆弱性是反映水系統演變趨勢的重要參數,對其科學評價有利于促進水系統與經濟的協調發展、水資源保護以及水資源利用效率的提升[1]。隨著城市化水平的提升和經濟的不斷發展,各行業用水量快速增大,水資源供需矛盾日趨突出,水資源短缺對社會經濟發展的制約更加明顯。為有效解決水資源問題,從水系統構成的角度上開展脆弱性評價研究越來越引起廣大學者的重點關注,如Pan等以安徽省為例,結合水資源脆弱性連接熵評價結果提出改善脆弱性的對策建議;Cen等將盲刪除粗糙集(IBDRS)與隨機森林模型(RF)相耦合,通過構建評價指標體系預測分析了黃海流域水資源脆弱性;汪瑩等等基于GIS及RS技術,采用改進的降雨-覆蓋層-徑流模型評價水城盆地的巖溶地下水脆弱性[2-4]。然而,以往研究大多未考慮不同指標間的連續反饋關系,評價結果也難以全面反映水資源系統的整體狀況。因此,本研究以本溪市為例,應用熵權-模糊集對法評價2015—2021年各轄區水資源脆弱性,針對現存問題提出恢復植被、優化水資源配置、調整產業結構和提高污廢水回收利用率等對策,旨在為城市水資源智能與高效管理提供一定支持。

1 研究區概況

據統計,2021年全市平均降水1119.9mm,折合水量為94.23億m3,比多年平均值偏多31.2%,屬于偏豐年份。2021年地表水資源量46.90億m3,地下水資源量8.78億m3,重復計算量8.73億m3,依據全市5座大中型水庫數據統計,水庫年末蓄水總量35.98億m3。雖然水源條件較為豐富,但受限于特殊的地形環境和氣候條件,本溪市水資源開發存在攔蓄工程建設滯后、農業用水效率低、用水憂患意識薄弱、缺乏水資源經濟意識、經濟發展與水資源時空分配不協調等諸多問題,有必要科學評價其水資源脆弱性程度,為本溪市水資源宏觀調控及合理開發利用提供決策依據。

2 研究方法

2.1 評價體系及等級劃分

文章遵循數據可獲取性、可比性、主導型以及科學性等原則,從承載力、人為和自然3個方面選擇8項典型指標構建本溪市水資源脆弱性評價體系,相關數據來源于2016—2021年本溪市水資源公報,如表1所示。其中,正、負向指標代表對水資源脆弱性有改善和劣化作用的因素。

表1 水資源脆弱性評價體系及等級劃分

充分考慮水資源脆弱性受各評價指標的影響作用,并結合區域水資源實際情況,將參評指標初始數據劃分成Ⅰ～Ⅴ五個等級,依次代表水資源系統不脆弱、輕度脆弱、中度脆弱、比較脆弱和嚴重脆弱,不同數據的等級劃分如表1所示。

2.2 熵權法計算權重

熵權法是一種通過計算各評價指標值的無序程度來確定相應權值的客觀賦權法,該方法能夠避免決策者認識度差異或主觀因素的干擾,采用熵權法計算權重流程如下:

步驟1:由于各項指標的數量級或單位不同無法直接參與計算,必須先對初始數據進行標準化處理,即:

(1)

式中:qij、xij為研究對象i中參評指標j的標準值和初始數據;min(xj)、max(xj)為所有研究對象中參評指標j的最小、最大值。經過以上處理可以將初始矩陣X=(xij)m×n轉變成標準矩陣Q=(qij)m×n,其中m、n代表研究對象數和參評指標數,文中m=7,n=8。

步驟2:采用以下公式計算參評指標j的熵值Hj,即:

(2)

(3)

步驟3:根據信息熵Hj計算結果和公式(4)計算參評指標的權重ωj,即:

(4)

2.3 模糊集對評價流程

將水資源脆弱性評價指標集A與等級標準集B組成一個集對H(A,B),若集對存在N個特性,其中包含P個對立性、F個差異性和S個同一性,則該集對的聯系度μA-B計算公式如下:

(5)

式中:μA-B為聯系度,一般情況下等于特定問題分析過程中一個系統或有關兩個集合所確定的對立度、差異度、同一度的代數和,實際計算時這是一個數值;I、J為差異度和對立度,取值區間均為-1～1;a、b、c為指標值xij與第k級(k=1,2,…,5)標準的同一度、差異度和對立度,并符合a+b+c=1的歸一化要求。

實際上,計算等級標準與研究對象在單一指標下的聯系度并不具備實際意義,可以利用模糊集理論計算相對隸屬度,然后按照置信度準則和級別特征值加權求和的方法評定水資源脆弱性等級,具體流程如下:

1)計算水資源脆弱性等級k與研究對象i參評指標j的單因子聯系度μijk,對于正向、負向指標其計算方法如下:

(6)

(7)

式中:sk,j為等級標準界限值,將水資源脆弱性等級劃分成5個區間,通過定量計算評價等級k與研究對象i的單因子關聯度直接做出同、異、反特征分析,即接近同一等級、前后相鄰等級和相隔等級,從而直觀地反映出5個評價等級下各項指標的3種隸屬關系。若沒有界限值或存在不合理的結果應將其舍去,如果s5,j是最大的界限值即參評指標xi,j>s5,j,這也不符合實際情況應舍去。因此,結合單因子關聯度計算值,可以實現評價指標間對立性、差異性和同一性等關系的定量分析。

(8)

(9)

(10)

3)確定脆弱性等級。為了提高評價等級精度以及避免模糊識別時按照最大隸屬度準則可能引起的信息缺失,保證水資源脆弱性評價的穩妥性和可靠性,遵循置信度準則確定評價等級hi,即:

(11)

式中:γ為置信度,其取值范圍為0.5～0.7,γ值越大則水資源脆弱性評價越可靠,γ值越小則水資源脆弱性評價風險越大,結合本溪市水資源開發具體情況γ值取0.7;K為評價等級數,文中取K=5。

3 水資源脆弱性評價及對策

3.1 結果與分析

采用熵權法和模糊集對法計算確定2015—2021年本溪市水資源脆弱性評價指標權重及等級,為檢驗模糊集對法的適用性與可靠性,應用灰關聯分析法和模糊綜合法評價2021年水資源脆弱性,結果見表2～3。

表2 水資源脆弱性參評指標權重

1)從表3可以看出,2015—2021年本溪市水資源脆弱性總體表現出好轉趨勢,2021年整體處于輕度脆弱等級,其中本溪縣處于中度脆弱等級。

表3 水資源脆弱性評價等級

2)2017年本溪市最嚴格水資源管理制度開始實施,在一定程度上緩解了水環境惡化和水資源短缺的局面,各轄區水資源脆弱性自2017年逐漸改善。2021年,在強化水資源管理和補短板、強監管的新形勢下,以及降水量和人均水資源量明顯增加的情況下,本溪市水生態環境明顯好轉,研究成果與區域水資源演變趨勢基本一致。

3)采用模糊集對法、灰關聯法和模糊綜合法評價結果不完全相同,如2021年南芬區利用模糊集對法評價的水資源脆弱性達到輕度脆弱,而灰關聯法和模糊綜合法評價為不脆弱等級。實際上,本溪市依然面臨著一定的水資源問題,具體表現以下幾點:①雖然過境水量和上游入境水量較多,但受各種因素限制無法保障水質和水量穩定,并且整體用水效率偏低,水資源浪費嚴重;②局部地下水超采,為滿足工農業生產用水需求地下水被不斷開采,從而使得地下水位持續降低。因此,本溪市水資源應處于輕度脆弱等級,而非不脆弱,所以模糊集對法評價更加準確合理,這也是該方法可以辯證地反映研究對象對立性、差異性和同一性的主要體現。

3.2 對策建議

1)提高用水效率。通過對比分析權重計算值可知,水資源脆弱性受年降水量影響較大,年降水量多少直接關系著區域水資源脆弱性程度。本溪市水資源時空分配與經濟發展不協調,攔蓄工程建設滯后,為保障各行業用水需求必須提高水資源利用率,因時制宜地發展畜牧業、林業或修建水利工程攔蓄夏季雨水,也可以考慮各地區條件種植耐旱農作物,通過建設快捷、智慧管理系統提高用水效率。

2)加快產業結構調整。本溪市各轄區產業結構、經濟發展水平以及自然地理條件存在一定差異,從而使得各區域的用水結構也不盡相同。所以,應加快產業結構調整,加快促進冶金、電力、煤炭等重工業向科技創新制造業的轉變,逐步減小水資源脆弱性。

3)嚴格控制地下水超采。受地理環境和地形地貌限制,本溪市地表水開采表現出邊際效益低、開發難度大、開采成本高、可利用總量少等特點,地下水在農業灌溉和工業生產中仍占據重要地位。所以,在大力發展經濟的同時還要加強本溪市水資源優化配置,合理利用太子河、渾江、愛河等地表水資源。

4 結 論

文章利用熵權-模糊集對法科學評價本溪市2015—2021年水資源脆弱性,將評價結果與灰關聯分析法、模糊綜合法相比較驗證該方法的可行性。結果表明,2015—2021年本溪市水資源脆弱性總體表現出好轉趨勢,2021年整體處于輕度脆弱等級,其中本溪縣處于中度脆弱等級。模糊集對法評價更加準確合理,這也是該方法可以辯證地反映研究對象對立性、差異性和同一性的主要體現。針對本溪市水資源開發利用存在的問題,提出提高用水效率、加快產業結構調整和嚴格控制地下水超采等對策建議。