遼寧省水資源承載力評價

徐世俊

(遼陽水文局,遼寧 遼陽 111000)

0 引 言

水資源承載力是反映經濟社會發展、生態環境、人口規模與水資源相互關系的關鍵指標,科學評價水資源承載力狀況也是合理調控與科學配置區域水資源的重要依據[1]。目前,應用最廣泛的水資源承載力評價方法有系統動力學、集對分析、主成分分析和模糊綜合法等,如劉夏等[2]利用系統動力學法預測分析了多種配置方案下區域水資源系統能夠承載的最大人口規模;楊海燕等等將CRITIC法與TOPSIS法相耦合評價了2003—2018年河北省水資源承載力,結果發現區域承載力呈逐年上升趨勢;葉飛等合肥市為例,應用集對分析法計算了2011—2016年水資源系統的協調力、壓力、支撐力以及整體承載力;李少朋等以江蘇省為例,采用指數標度改進的AHP法和TOPSIS法評價其水資源承載力,該方法保證了判斷矩陣一致性和計算結果的合理性;王奕淇等運用AHP法計算指標權重,通過系統動力學法仿真模擬了流域水資源承載力;朱一中等較為全面地概括總結了水資源承載力的概念、研究內容、計算方法和評價體系等,并指出研究水資源承載力的理論基礎[3-7]。然而,水資源承載力會受經濟發展、資源利用、生態環境等諸多因素的影響,計算評價時必須考慮各因子與評價目標之間的密切聯系。

集對分析法是一種將研究對象不確定性因素利用聯系數轉換成數學問題的研究方法,該方法可以考慮水資源承載力受優劣評價指標的影響,通過定量化處理定性問題保證評價結果可信度與準確度,具有計算誤差小、過程簡單、樣本需求少及問題分析全面等優點[8-10]。另外,基于減法集對勢理論和樣本系數對立度、差異度、同一度診斷各項指標,可以準確識別導致承載力不足的主導因素。鑒于此,文章利用集對分析聯系數評價分析2015—2020年遼寧省水資源承載力,并進一步識別導致承載力不足的關鍵因素,以期為區域水資源科學管理規劃和可持續利用提供參考依據。

1 研究方法

1.1 構建水資源評價體系

生態環境、經濟社會及水資源系統與水資源承載力密切相關,人類活動和生態環境變化顯著影響著各系統之間的互饋關系及水資源承載力變化趨勢[11]。因此,為更加準確客觀地評價水資源承載力,必須充分考慮各子系統與水資源承載力間的相互關系。文章遵循科學性、系統性、獨立性、層次性和數據可獲取性等原則,從壓力、調控力、支撐力3個子系統選擇13項典型指標構建評價體系,如表1所示。

表1 遼寧省水資源承載力評價體系與分級標準

評價標準是衡量區域水資源承載力及其評定等級的重要依據,借鑒部分專家意見和相關文獻資料,將水資源承載力劃分成Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級,不同等級下各指標的取值區間如表1。其中,Ⅰ級代表區域水資源供給條件良好,水系統承載力較高能夠進一步開發利用,總體處于可承載狀態;Ⅱ級代表區域水資源已達到一定開發利用規模,但水系統還有部分開發空間,總體處于臨界或一般狀態;Ⅲ級代表區域水資源進一步開發難度大,水系統接近或達到飽和狀態,為了支撐經濟社會發展必須及時采取有效的調控對策,總體處于超載或弱承載狀態。

1.2 集對分析法計算流程

集對分析的基本原理主要是利用A、B兩個集合對描述研究對象的特定關系,集合對的聯系數、差異度和對立度系數分別用μ、I、J表示,結合具體情況μ可以取-1～1之間的數值,J一般取-1。采用a、b、c表示同一度、差異度和對立度,符合條件a+b+c=1,可以用下式表示聯系數μ(A,B)[12],即:

μ(A,B)=a+bI+cJ

(1)

采用集對分析法評價區域水資源承載力的主要流程如下:

步驟1:計算三元聯系數。依據等級劃分標準計算指標值xij的聯系數,可利用下式計算正向指標(數值越大則承載力越高)的聯系數:

(2)

(3)

(4)

式中:s1j、s2j、s3j為評價等級Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的臨界值;s0j為各等級區間內另一較遠的臨界值,i=(1,2,…,m),j=(1,2,…,n)。

對于負向指標(數值越小則承載力越高)的聯系數,將公式(2)～(4)中右端xij區間號做反向處理,其他保持不變計算此類指標聯系數。

步驟2:單指標聯系數uij。參評指標隸屬于評價等級k(其中k=1,2,3)的程度vijk以及單指標聯系數uij的計算公式如下[13]:

(5)

(6)

uij=vij1+vij2I+vij3J

(7)

步驟3:綜合聯系數ui。根據參評指標組合權重ωj(j=1,2,…,n)和以上計算結果可以確定樣本i的水資源承載力聯系數ui:

(8)

步驟4:確定評價等級。水資源承載力評價等級按照置信度準則進行評判,具體如下:

(9)

式中:γ為置信度,其取值區間一般為0.5～0.7,γ值越大則水資源承載力評價越保守,結合區域實際情況γ值取0.6。

1.3 計算指標組合權重

采用合適的方法確定各參評指標權重ωj是科學計算水資源承載力綜合聯系數ui的關鍵環節,考慮到現有評價方法的成熟度和權重計算的客觀性、主觀性等特點,擬選用AHP法、熵權法和均值思想計算各參評指標組合權重[13-15]。

1)AHP法計算主觀權重ω1j。主要流程包括:①構建多層次框架體系,按照表1選取的評價指標構建指標層-系統層-目標層水資源承載力評價結構模型。②構造判斷矩陣。通過兩兩比較調控力、壓力、支撐力子系統各指標相對重要度,并結合專家意見和標度準則構建判斷矩陣。③權重計算。通過一致性檢驗不同階數判斷矩陣的一致性指標RI,保證一致性比率CR<0.1,在符合一致性要求的情況下利用Matlab軟件確定歸一化特征向量,其對應的各分量就是參評指標權重,按照層次結構模型計算的各指標權重為ω1j。

2)熵權法計算客觀權重ω2j。考慮到各參評指標單位或數量級不同無法直接進行比較,所以需要先利用下式標準化處理原始數據,即:

(10)

式中:xij、yij為樣本i中評價指標j的原始數據和標準值;min(xj)、max(xj)為所有樣本中評價指標j的最小值與最大值。

然后利用下列公式計算評價指標j的信息熵Hj及其權重ω2j、即:

(11)

(12)

(13)

3)組合權重ωj。將AHP法確定的主觀權重ω1j與熵權法確定的客觀權重ω2j按均值思想計算最終的組合權重ωj:

(14)

2 遼寧省水資源承載力

2.1 數據來源

研究評價所用到的水資源有關數據來源于遼寧省2015—2020年統計年鑒、水資源公報等相關資料,考慮各參評指標的具體內涵,通過數據預處理確定評價標準值,如表2所示。

表2 2015—2020年水資源承載力評價標準值

根據研究區實際情況,采用文中所述相關公式計算各參評指標主觀、客觀和組合權重,結果如表2。

2.2 評價等級

通過公式(2)～(8)計算遼寧省2015—2020年水資源承載力單指標和綜合聯系數,然后利用公式(9)確定相應的評價等級,如表3所示。

表3 2015—2020年承載力評價聯系數

2.3 結果與分析

1)從表3可以看出,2015—2019年遼寧省水資源承載力達到3級超載狀態,2020年達到2級臨界或一般狀態,水資源開發利用面臨著嚴峻的形勢,雖然水系統承載力較低,但已出現好轉。通過分析聯系數計算結果發現,2015—2020年研究區水資源承載力總體保持上升態勢,其中差異度、同一度優勢分量逐漸提高,特別是2020年已改善到一般狀態,這也是近年來遼寧省加強水生態環境保護和水資源可持續利用的重要體現,隨著科技的發展和生態保護意識的增強,遼寧省水生態環境和水資源承載力將進一步改善提高。

2)根據“評價樣本對立度c越大、同一度a越小則越趨近于3級”的集對分析置信度準則評判法,確定生態用水率Q13、水資源開發利用率Q11、人口密度Q8、植被覆蓋度Q4、產水模數Q2以及人均水資源量Q1是導致遼寧省水資源承載力偏弱的主要因素,指標Q11、Q8值越大,Q13、Q4、Q2、Q1值越小說明水系統承載力越弱。為準確識別水資源調控和數據分析指標,并進一步驗證評價結果可靠性,通過減法集對勢sf(u)診斷和識別研究區各脆弱性指標,具體如下:Sf(u)=a-c+ba-bc=(a-c)(1+b)。

其中,sf(u)處于(0.6,1.0]、(0.2,0.6]、[-0.2,0.2]、[-0.6,-0.2)、[-1.0,-0.6)時,所對應的趨勢為同勢、偏同勢、均勢、偏反勢、反勢。通過減法集對勢確定水資源承載力脆弱性指標就是處于偏反勢或反勢的指標,如表4所示。結果表明,遼寧省水資源承載力脆弱性指標有生態用水率、水資源開發利用率、人口密度、植被覆蓋度、產水模數以及人均水資源量,這也是水資源調控管理的重要內容。

表4 參評指標減法集對勢

3)對于支撐力子系統,對遼寧省水資源承載力發揮支撐作用的有區域水資源可利用量、水系統自身及水資源總量。植被覆蓋率、產水模數和人均水資源量是導致區域水資源支撐力偏弱的主導因素,且水系統開發利用無法完全保證全省實際用水需求,水系統支撐區域經濟發展的能力已接近極限。從承載力變化趨勢上,2015—2020年遼寧省年均降水量明顯上升,與此同時全省外調引水總量不斷加大,通過加強外調引水工程、長距離輸水工程等,在一定程度上增大了全省可利用水資源量,未來水資源承載力將進一步提升。

對于壓力子系統,區域經濟發展、經濟結構和水資源供水結構調整等都會在一定程度上產生壓力作用。其中,人口密度和城市化率、農田灌溉定額指標是導致遼寧省水資源承載壓力弱的主導及輔助因素。2015—2020年,遼寧省通過大力發展創新型產業和積極調整產業結構使得工業產值逐年增大,高水耗和高能耗的工業企業數量也逐漸減少,萬元工業增加值需水量和萬元GDP用水量降低,從而促使遼寧省水資源承載壓力逐漸下降。

對于調控力子系統,遼寧省人均經濟、生態環境和水資源利用率等具有一定調控作用,其中生態用水率和水資源開發利用率是導致承載調控力偏弱的主導因素。隨著河道環境與黑臭水體整治、流域水生態及污廢水處理等一系列工程的開展,遼寧省水資源承載力和水生態環境將進一步提高改善[16-18]。

3 結 論

1)文章利用集對分析聯系數評價了2015—2020年遼寧省水資源承載力,結果顯示2015—2019年遼寧省水資源承載力達到3級超載狀態,2020年達到2級臨界或一般狀態,水資源開發利用面臨著嚴峻的形勢,雖然水系統承載力較低,但已出現好轉,未來水生態環境和水資源承載力將進一步改善提高。經減法集對勢分析確定導致遼寧省水資源承載力脆弱性指標,主要有生態用水率、水資源開發利用率、人口密度、植被覆蓋度、產水模數以及人均水資源量,這也是水資源調控管理的重要內容。

2)為解決遼寧省水資源承載力超載問題必須采取有效的調控對策與方案,一般從水環境污染和開源節流2個層面采取有效措施,通過強化河湖水生態保護、水資源管理利用、合理配置水資源等提高區域水資源承載力,逐步實現水資源的高效可持續利用。