遼寧省水資源承載力評(píng)價(jià)

高 萌

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

0 引 言

水資源承載力是指在合理開(kāi)采利用的條件下水資源能夠支撐當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展與人口規(guī)模的最大開(kāi)發(fā)容量，對(duì)其綜合評(píng)價(jià)覆蓋生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、水資源等各個(gè)方面。隨城鎮(zhèn)化和經(jīng)濟(jì)一體化的不斷推進(jìn)，水資源利用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的矛盾日趨突出。為保護(hù)水體生態(tài)環(huán)境以及促進(jìn)水系統(tǒng)的良性循環(huán)，評(píng)價(jià)和分析遼寧省水資源承載能力對(duì)于促進(jìn)人水和諧發(fā)展發(fā)揮著重要作用。關(guān)于水資源承載力諸多學(xué)者取得了一定的成果，如孟麗、戴明紅等對(duì)江西省水資源承載力利用可變模糊評(píng)價(jià)模型進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析；朱照宇等運(yùn)用自然趨勢(shì)法和年遞增率指標(biāo)，初步評(píng)價(jià)了珠三角地區(qū)的水資源狀況；劉樹(shù)峰等采用相對(duì)承載力評(píng)價(jià)法，系統(tǒng)分析了惠州市的水資源開(kāi)發(fā)潛力；張星標(biāo)等對(duì)區(qū)域水系統(tǒng)利用AHP與模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合的方法進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)；蘇永軍等將物元可拓理論和投影尋蹤法相結(jié)合，避免了評(píng)價(jià)結(jié)果受主觀判斷的影響；朱玲燕等對(duì)衢州地區(qū)的水資源系統(tǒng)運(yùn)用熵權(quán)-灰關(guān)聯(lián)耦合法進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)。在綜合評(píng)價(jià)和權(quán)重計(jì)算過(guò)程中，部分方法未考慮指標(biāo)本身的重要性，將參數(shù)實(shí)際值參與計(jì)算使得評(píng)價(jià)結(jié)果存在偏差，有些方法過(guò)度依賴主觀判斷和專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)，沒(méi)有結(jié)合實(shí)際情況就給出主觀評(píng)判。鑒于此，文章依據(jù)遼寧省水資源現(xiàn)狀和社會(huì)經(jīng)濟(jì)相關(guān)資料，綜合考慮水資源系統(tǒng)的隨機(jī)性、不確定性和區(qū)域性特征構(gòu)建多因素、多層次評(píng)價(jià)體系，將AHP法初始權(quán)重利用熵權(quán)法加以修正，對(duì)遼寧省水資源承載力現(xiàn)狀運(yùn)用基于理想點(diǎn)法的模型進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為水資源管理相關(guān)政策的制定和當(dāng)?shù)乜沙掷m(xù)健康發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)[1-8]。

1 區(qū)域概況

遼寧省地處中國(guó)東北地區(qū)南部，介于E118°53′-125°46′，N38°43′-43°26′之間，東與韓國(guó)、日本隔海相望，南臨渤海、黃海，屬于東北地區(qū)既沿邊又沿海重要的開(kāi)放門(mén)戶。全省由鞍山、撫順、鐵嶺、沈陽(yáng)、葫蘆島、朝陽(yáng)等14個(gè)地級(jí)市和2個(gè)省管縣組成，占地面積共14.8萬(wàn)km2，境內(nèi)各河流蜿蜒曲折、縱橫交錯(cuò)，主要河流有饒陽(yáng)河、大凌河、渾河、太子河、遼河等，島嶼有長(zhǎng)興島、石城列島、大鹿島及里長(zhǎng)山列島等266個(gè)，全省島岸線長(zhǎng)627km。地形地貌有“六三一水三分田”之稱，地勢(shì)特征表現(xiàn)出中部低、東西兩側(cè)高的變化特征，東、西兩側(cè)為海拔約800-500m的低山丘陵。該區(qū)域大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫為8-12.6℃，氣候特征為冬季少雨干暖，夏季氣候涼爽，日照充足。由于特殊的地理環(huán)境和復(fù)雜的水文氣象，降水呈明顯的區(qū)域性與季節(jié)性特征，不同時(shí)間尺度上的降水量存在較大的差異，每年的7-9月為降雨集中期且多以暴雨或強(qiáng)降雨。在空間分布上，平原地區(qū)相對(duì)于高山地較低，與渤海相鄰的東南部降水量充足，而西北地區(qū)風(fēng)沙干旱嚴(yán)重且降水稀少。水資源存在可開(kāi)發(fā)利用量少、邊界效益低、開(kāi)發(fā)難度大和開(kāi)采成本高等特點(diǎn)，加之局部地區(qū)地下水開(kāi)發(fā)過(guò)度與水環(huán)境保護(hù)意識(shí)薄弱，使得境內(nèi)水生態(tài)功能和承載力水平持續(xù)下降[9-11]。

2 研究方法

2.1 承載力評(píng)價(jià)體系與等級(jí)劃分

水資源決定著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展速度和人類(lèi)的繁衍生存，其承載力水平為反映當(dāng)?shù)啬芊癯掷m(xù)健康發(fā)展的重要參數(shù)。文章結(jié)合遼寧省水資源相關(guān)資料和現(xiàn)有研究成果，綜合考慮各方面影響因素，從遼寧省環(huán)境統(tǒng)計(jì)公報(bào)、水資源公報(bào)、統(tǒng)計(jì)年鑒等資料提取相關(guān)參數(shù)，遵循代表性、層次性、科學(xué)性、可獲取性、區(qū)域性、獨(dú)立性和整體性等原則構(gòu)建多層次多因素承載力評(píng)價(jià)體系。

然后依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)、區(qū)域發(fā)展規(guī)劃指標(biāo)值、國(guó)際與國(guó)家認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)確定水資源承載力等級(jí)，將評(píng)價(jià)等級(jí)劃分為Ⅰ-Ⅴ級(jí)5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，所對(duì)應(yīng)的評(píng)語(yǔ)依次為優(yōu)、良、中、差、很差，從而構(gòu)建評(píng)估集V={v1，v2,v3,v4，v5}。各評(píng)價(jià)指標(biāo)的等級(jí)區(qū)間和等級(jí)劃分參考文獻(xiàn)資料，劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 水資源承載力評(píng)價(jià)體系及等級(jí)劃分

2.2 修正的指標(biāo)權(quán)重

1)初始權(quán)重的計(jì)算。評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重利用AHP法確定的基本原理為：將各指標(biāo)之間的相對(duì)重要性依據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)確定，為定量反映不同指標(biāo)的貢獻(xiàn)率引入1-9數(shù)值標(biāo)度法。在判斷矩陣構(gòu)造過(guò)程中，由于不同專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)水平和知識(shí)結(jié)構(gòu)的差異性，往往出現(xiàn)結(jié)果不一致和權(quán)重相差較大的現(xiàn)象，所以還需檢驗(yàn)一致性狀況。

2)權(quán)重的修正。雖然層次分析法的可靠性相對(duì)較高且具有較強(qiáng)的問(wèn)題識(shí)別能力，但在計(jì)算過(guò)程中具有較強(qiáng)的主觀性，易受專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)水平的影響。熵權(quán)法是依據(jù)系統(tǒng)無(wú)序化程度確定指標(biāo)權(quán)重的有效方法，結(jié)果較為嚴(yán)謹(jǐn)、客觀，能夠有效避免主觀因素對(duì)權(quán)重計(jì)算的影響。將評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重利用熵權(quán)法計(jì)算的基本步驟為：

步驟一：設(shè)水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)為n，待評(píng)價(jià)樣本為m，由此構(gòu)造判斷矩陣R=(xij)mn，其中i=1,2,…,m；j=1,2,…,n。

步驟二：采用歸一化處理公式消除不同指標(biāo)的量綱差異性，從而建立標(biāo)準(zhǔn)矩陣Y。對(duì)于參數(shù)值越大則承載力水平越高的指標(biāo)，歸一化計(jì)算式為：

(1)

對(duì)于參數(shù)值越小則承載力水平越高的指標(biāo)，歸一化計(jì)算式為：

(2)

式中：xij、yij為指標(biāo)j關(guān)于樣本i的參數(shù)值及其歸一化序列；maxxij、minxij為指標(biāo)j的最小、最大值。

步驟三：根據(jù)熵的具體特征計(jì)算評(píng)價(jià)體系中各參數(shù)的熵值，其表達(dá)式為：

(3)

步驟四：信息熵越大則相對(duì)其他參數(shù)而言各評(píng)估對(duì)象間的差異性就越大，對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的貢獻(xiàn)率就越大，所賦予的權(quán)重值就越高；若指標(biāo)存在較大的信息熵，則對(duì)于該指標(biāo)而言各評(píng)估對(duì)象之間存在較小的差異性，在評(píng)價(jià)過(guò)程中指標(biāo)的影響程度就越小，所賦予的權(quán)重值就越小。根據(jù)此原則確定指標(biāo)權(quán)重，計(jì)算式為：

(4)

為了能夠有效避免個(gè)人偏好和主觀判斷對(duì)承載力評(píng)價(jià)的影響，提高評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性與客觀性，要綜合考慮不同數(shù)據(jù)間的變異程度和專(zhuān)家知識(shí)經(jīng)驗(yàn)。因此，文章對(duì)層次分析AHP法初始權(quán)重利用熵權(quán)法進(jìn)行修正，修正后的權(quán)重計(jì)算方法如下：

(5)

2.3 基于理想點(diǎn)法的評(píng)價(jià)模型

經(jīng)熵權(quán)法修正后的指標(biāo)權(quán)重wi能夠更加準(zhǔn)確的體現(xiàn)實(shí)際工程中不同指標(biāo)間的重要程度，從而提高評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)合理性。因此，文章對(duì)區(qū)域水資源承載力采用理想點(diǎn)法評(píng)價(jià)，其主要流程如下：

(1)正、負(fù)理想點(diǎn)。待評(píng)價(jià)樣本趨近于理想目標(biāo)的程度為理想點(diǎn)法的基本原理，根據(jù)研究對(duì)象的內(nèi)涵特征可將理想目標(biāo)劃分為正、負(fù)理想點(diǎn)，其中正向、逆向指標(biāo)分別代表評(píng)價(jià)樣本趨近正、負(fù)理想點(diǎn)的參數(shù)，其計(jì)算方法為：

(6)

(7)

2)測(cè)度距離的計(jì)算。根據(jù)正、負(fù)理想點(diǎn)與待評(píng)價(jià)樣本之間的距離，正向指標(biāo)趨近于正理想點(diǎn)的程度越高，則承載力評(píng)價(jià)結(jié)果越優(yōu)；反之，則承載力越低。正、負(fù)理想點(diǎn)與評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的綜合測(cè)度距離考慮選用歐式距離來(lái)定義，其表達(dá)式為：

(8)

(9)

式中：D1、D2分別為趨近正、負(fù)理想點(diǎn)的測(cè)度距離；wi為修正的各指標(biāo)權(quán)重。

(3)確定貼進(jìn)度。區(qū)域水資源承載力狀態(tài)利用理想點(diǎn)貼進(jìn)度T的大小來(lái)反映，主要體現(xiàn)在水資源系統(tǒng)受各指標(biāo)的影響作用方面，利用下述相關(guān)公式確定理想點(diǎn)貼進(jìn)度，即：

T=D2/(D1+D2)

(10)

式中：T為反映了貼近正理想點(diǎn)程度的參數(shù)，取值區(qū)間為0-1，期值越大則越接近于正理想點(diǎn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 權(quán)重的計(jì)算分析

遼寧省各地市2013-2017年水資源承載力指標(biāo)數(shù)據(jù)，來(lái)源于環(huán)境統(tǒng)計(jì)公報(bào)、水資源公報(bào)和統(tǒng)計(jì)年鑒。評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)重要性邀請(qǐng)相關(guān)專(zhuān)家依據(jù)AHP法作出評(píng)判，然后對(duì)初始權(quán)重采用熵權(quán)法計(jì)算公式加以修正，從而得到修正的權(quán)重wi見(jiàn)表2。從表2可以看出，各指標(biāo)權(quán)重利用熵權(quán)法和層次分析法的計(jì)算結(jié)果基本一致，僅有個(gè)別參數(shù)存在差異，權(quán)重最大為年降水量C3，其次為工業(yè)重復(fù)用水率C13，修正的權(quán)重分別為0.135和0.107，人均水資源量C2和第三產(chǎn)業(yè)比重C11的修正權(quán)重為0.078、0.094，C12指標(biāo)的權(quán)重最小，修正值為0.020?？傮w來(lái)看，各指標(biāo)對(duì)總體目標(biāo)的貢獻(xiàn)率與修正權(quán)重的大小基本相符。

表2 修正的權(quán)重系數(shù)計(jì)算結(jié)果

3.2 各等級(jí)綜合貼進(jìn)度

(11)

根據(jù)計(jì)算公式(8)、(9)和修正的權(quán)重值wi，計(jì)算確定各指標(biāo)在不同評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)下的綜合測(cè)度D1、D2，然后對(duì)理想點(diǎn)貼進(jìn)度利用式(10)、(11)計(jì)算。結(jié)果顯示，理想點(diǎn)貼進(jìn)度在水資源承載力Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ等級(jí)下分別為0.751-1、0.610-0.751、0.478-0.610、0.309-0.478、0-0.309。

3.3 水資源承載力評(píng)價(jià)

將評(píng)價(jià)體系中16個(gè)指標(biāo)2013-2017年的數(shù)據(jù)值歸一化處理，并對(duì)各指標(biāo)的理想點(diǎn)貼近度利用構(gòu)建的承載力評(píng)價(jià)模型進(jìn)行計(jì)算，按照評(píng)價(jià)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)得到遼寧省各地市2013-2017年的承載力水平，見(jiàn)表3。

表3 2013-2017年遼寧省各地市水資源承載力水平

3.4 分析與建議

2013-2017年遼寧省水資源承載力狀態(tài)利用理想點(diǎn)法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，由此揭示其變化特征，見(jiàn)圖1。

圖1 遼寧省各地市水資源承載力變化趨勢(shì)

從圖1可以看出，研究期間遼寧省水資源承載力呈現(xiàn)出波動(dòng)變化特征，整體處于0.5-0.7之間，由于2014年降水量和人均水資源量顯著增大，從而使得2013-2014年承載力水平快速上升，隨后有所下降但整體仍表現(xiàn)出上升趨勢(shì)。除個(gè)別地區(qū)外，大部分區(qū)域的水資源承載力由2013年的Ⅲ級(jí)改變至2017年的Ⅱ級(jí)，除2016年外沈陽(yáng)地區(qū)的承載力均為全省最低值，相對(duì)于其它地市其水資源狀況較差。2013-2017年錦州市水資源承載力均為最大，其原因?yàn)镚DP增長(zhǎng)率較大且社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速的大連、鐵嶺、沈陽(yáng)等地區(qū)，人口規(guī)模和各行業(yè)用水量急劇增大，人均水資源量下降并低于全省平均值，從而導(dǎo)致各行業(yè)用水矛盾十分突出；人均水資源量和年降水量較為豐富的營(yíng)口、葫蘆島、丹東等地區(qū)，城鎮(zhèn)居民生活用水極少，且用水效率和污水處理率均大于全省均值。

區(qū)域水資源承載力狀況涉及到的范圍較廣、因素較多，主要受水資源量、污水處理率、降雨量和第三產(chǎn)業(yè)比重等因素，另外還與人口自然增長(zhǎng)率、總耗水、GDP增長(zhǎng)率等因素相關(guān)。根據(jù)以上評(píng)價(jià)結(jié)果和遼寧省水資源現(xiàn)狀，為進(jìn)一步提高該區(qū)域承載力水平應(yīng)采取的措施有：優(yōu)化產(chǎn)業(yè)用水結(jié)構(gòu)，提高用水效率；加快節(jié)水器具、設(shè)備的普及和供水管網(wǎng)的改造，減少水資源的浪費(fèi)切實(shí)提升節(jié)水意識(shí)；堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)人水和諧相處；注重澆灌節(jié)水技術(shù)和抗旱作物的研究，加強(qiáng)骨干灌水線節(jié)水改造工程建設(shè)，提升灌區(qū)渠系的防滲率和配套率等。

4 結(jié) 論

1)從生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與水資源子系統(tǒng)選擇承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)，并構(gòu)建評(píng)價(jià)體系和等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將初始權(quán)重利用熵權(quán)法加以改進(jìn)，從而提出基于理想點(diǎn)法的承載力評(píng)價(jià)方法。結(jié)果表明：改進(jìn)的指標(biāo)權(quán)重能夠顯著降低人為因素干擾，提高承載力評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性與科學(xué)合理性。

2)2013-2017年期間遼寧省各地區(qū)承載力總體表現(xiàn)出波動(dòng)上升趨勢(shì)，承載力評(píng)價(jià)等級(jí)位于Ⅱ-Ⅲ級(jí)，不同區(qū)域存在明顯的差異，其中經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速確人口較為密集的鐵嶺、沈陽(yáng)、大連等地區(qū)的水資源承載力較差，結(jié)合遼寧省水資源評(píng)價(jià)結(jié)合和實(shí)際情況提出合理化建議，可為遼寧省水資源可持續(xù)利用、水資源規(guī)劃保護(hù)以及河長(zhǎng)制的推行與管理提供一定參考。

3)由于數(shù)據(jù)的可獲性差和水系統(tǒng)的不確定性、區(qū)域性、隨機(jī)性，導(dǎo)致水平年的選取和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系不夠系統(tǒng)、全面，為保證評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性與合理性，未來(lái)仍需要進(jìn)一步完善評(píng)價(jià)體系和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。