基于模糊評價模型的遼陽市水資源承載能力綜合評估

孫海波

(營口市水利事務(wù)中心，遼寧 營口 11500)

1 遼陽市概況

遼陽市屬于遼寧中部城市，屬于渾太河流域，地形高程從東南向西南逐步遞減，東南、東北部屬于千山及龍崗山脈的山丘地帶，西部屬于遼河平原區(qū)域。全市山丘、平原的面積占總面積的比例分別為59.2%以及40.8%[1]。遼陽市境內(nèi)流域面積在10km2以上的中小河流數(shù)目為104條，流域面積在50km2以上的河流數(shù)目為32條，流域面積在100km2以上河流數(shù)目共為17條[2]。遼陽屬于典型的溫帶大陸性季風氣候，四季分明，夏季降水量約占全年降水總量的70%。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，遼陽市非農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)人口占全市人口的比例分別為43.76%以及56.24%[3]。太子河為遼陽市出境河流，出境水量全部流入鞍山境內(nèi)，遼陽市出、入境水量多年平均值分別為25.64億m3及21.3億m3[4]。近些年來，遼陽各河流水質(zhì)總體變化較為平穩(wěn)，汛期河流水質(zhì)超標主要為氨氮和生化需氧量，高錳酸鹽指數(shù)為非汛期主要超標水質(zhì)之一[5]，遼陽地區(qū)共有2座大型水庫，3座小型水庫，水庫蓄水的重庫容為150000萬m3，各水庫均位于太子河干支流上，區(qū)域內(nèi)有17座庫容<10萬m3的塘壩工程，蓄水庫容總量達到11.81萬m3[6]。全遼陽市水井取水總量為55187.8萬m3，其中遼陽縣、燈塔市水井工程分別為77923眼和83800眼[7]。通過對遼陽市水資源現(xiàn)狀進行分析，區(qū)域水資源時空分布不均勻，水資源開發(fā)利用合理度較低，不同分區(qū)水資源使用水平存在明顯差異，部分河流水質(zhì)狀況未得到改善[8]。由于蓄水配套工程與社會經(jīng)濟未能同步進行，使得部分地區(qū)供水能力較高，而一些區(qū)域的供水能力較小，此外由于部分區(qū)域超采地下水，使得首山地下水資源開發(fā)程度過高，區(qū)域水資源供需矛盾逐步加劇[9]。針對當前遼陽地區(qū)水資源問題和矛盾，基于當前引、調(diào)水工程措施，綜合考慮遼陽市生產(chǎn)力發(fā)展、水資源開發(fā)利用潛力，通過構(gòu)建評估模型對遼陽地區(qū)水資源承載能力進行評估，并提出水資源合理配置的相關(guān)措施，為遼陽地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展布局提供重要的參考依據(jù)。

2 水資源承載能力評估方法

2.1 構(gòu)建評估指標

結(jié)合水資源、需水、生態(tài)環(huán)境用水3個方面，基于區(qū)域水資源特點，建立水資源承載能力的評估指標體系。評估指標體系，見表1。

表1 評估指標體系

2.2 評價標準

結(jié)合遼陽市水資源評估指標對各評價指標進行等級劃分，制定不同等級的評價標準，評估指標劃分的等級標準，見表2。

表2 評估指標劃分的等級標準

此外對于區(qū)域地表水合格率<50%作為一票否決的特殊指標，當?shù)乇硭|(zhì)合格率<50%，則可認定區(qū)域水資源承載能力超過極限值，生態(tài)環(huán)境被破壞，需要采取相應(yīng)措施進行治理和保護。為了更好的表征區(qū)域的水資源承載能力的變化特點，對V1，V2，V3評估值設(shè)置在0-1，評分值分別為0.96、0.52以及0.06，這樣就可以對水資源承載能力的各個因素進行不同等級的劃分，評分值越大，表明水資源開發(fā)的潛力越高，評分值越低表明水資源開發(fā)的潛力越小。

2.3 評估模型

文章采用模糊綜合評價模型對各構(gòu)建的評估指標進行綜合分析，結(jié)合綜合分析結(jié)果定量評估區(qū)域水資源承載的能力，模糊綜合評估方程為：

(1)

式中：bj為評估指標；ai為各指標對應(yīng)的權(quán)重；ri為第i行的評價指標對各因子的影響程度；rj為第j列評價指標對各因子的影響程度；在具體評價時，結(jié)合評價指標的隸屬度，與指標權(quán)能重進行單個指標進行綜合，計算方程式為：

(2)

得到評估指標后，按照最大隸屬原則對各指標進行評分，評分的原則為基于上一級模糊綜合評估結(jié)果，將評估指標集合U按照不同類別進行子集S的劃分，各子集分別為U1，U2，L，Us，結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H的水資源特點，還需要對各子集進行再次的劃分，對每個因子進行綜合評價。在具體評估過程中，按照實際的數(shù)據(jù)對不同因素進行分級評估，為了降低各等級評估指標之間差異度，對不同指標的隸屬度函數(shù)進行模糊光滑處理，對中間區(qū)域的評估指標隸屬度盡量調(diào)整趨近于1.0，兩側(cè)隸屬度按0.5進行調(diào)整，兩側(cè)中間點按逐步遞減進行處理。對于V1和V兩側(cè)的區(qū)間，設(shè)定其臨界值隸屬區(qū)間>0.5，按照上述方法對評估指標的隸屬度進行計算，指標隸屬度計算方程為：

K2=(K1+K3)

(3)

在方程中V1和V2及V2和V3的臨界值分別為K1和K3，K2為不同區(qū)間各等級的中間值。并對各評價因子U1，U2，U3進行相對應(yīng)的隸屬度的計算：

(4)

(5)

(6)

對各評價因子U1，U2，U3進行相對應(yīng)的隸屬度的計算：

(7)

(8)

(9)

通過以上方程對不同等級隸屬度rij進行計算，并按照各評級指標對區(qū)域水資源承載能力的影響程度進行指標權(quán)重的設(shè)定，形成評估指標權(quán)重矩陣。

A=(a1,a2,···am)

(10)

結(jié)合權(quán)重和隸屬度函數(shù)的矩陣，對地區(qū)水資源承載能力進行評估計算，不同等級對應(yīng)的評估值即為區(qū)域水資源承載能力的綜合值。

3 遼陽市水資源承載能力評估結(jié)果

3.1 遼陽市水資源平衡分析結(jié)果

結(jié)合三次水資源平衡分析的方法，結(jié)合內(nèi)部水資源潛力、水利用效率改善、減少用水指標三個方面進行遼陽市水資源的3次平衡分析。遼陽市水資源平衡分析結(jié)果，見表3。

表3 遼陽市水資源平衡分析結(jié)果 萬m3

遼陽市在現(xiàn)狀用水條件下通過水利調(diào)水工程實施后可使得缺水量明顯減少，在2020年能夠滿足保證率為60%和80%的用水總需求，但是不能滿足用水率為90%的用水需求。進入2030年后，可以滿足保證率為50%的用水總量要求，但不能滿足用水保證率為80%和95%的用水總量的要求。由此可以分析，遼陽地區(qū)遠景規(guī)劃年水資源供需矛盾也將存在。因此需要對遼陽市進行節(jié)水、中水利用、對內(nèi)部水資源潛力進行挖掘為主的水資源非常規(guī)利用等工作。

3.2 遼陽市評價矩陣的計算

結(jié)合遼陽社會經(jīng)濟統(tǒng)計、資源數(shù)據(jù)，對現(xiàn)狀年、規(guī)劃年份的評價矩陣系數(shù)分析結(jié)果，見表4。

表4 不同用水目標下遼陽市評價矩陣分析結(jié)果

從不同目標年份下的水資源承載能力預測分析結(jié)果可看出，農(nóng)業(yè)需水量依然是區(qū)域水資源最大的需水類別，其次為工業(yè)需水，相比于其他用水，生態(tài)環(huán)境需水比例較低，這主要是因為水資源供水目標主要還是首先滿足生活和生產(chǎn)用水的需求。

3.3 遼陽市水資源承載能力指標構(gòu)建

結(jié)合遼陽市節(jié)水規(guī)劃需求和前述的水資源綜合評估指標體系，選取8個指標作為水資源承載能力評估的主要指標。遼陽市水資源承載能力評估指標定量結(jié)果，見表5。

表5 遼陽市水資源承載能力評估指標定量結(jié)果

綜合考慮遼陽市節(jié)水規(guī)劃需求和現(xiàn)狀水資源特點，選取8個典型指標作為遼陽市水資源承載能力評估指標，從分析結(jié)果可看出，工業(yè)用水重復率得到有效控制，并通過節(jié)水措施對農(nóng)田灌溉的有效利用系數(shù)進行了提升，2011年農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)值為0.59，到2030年遠景規(guī)劃年，田灌溉的有效利用系數(shù)提升到0.73。生產(chǎn)和生活用水作為遼陽市供水要求最大的兩類水資源，其用水定額也相應(yīng)的增加。

3.4 遼陽市水資源承載能力指標隸屬度分析結(jié)果

結(jié)合評價矩陣及各評價指標，對不同供水保證率條件下的8個指標不同等級的隸屬度進行分析，遼陽市不同保證率下對應(yīng)的不同等級各指標的隸屬度分析結(jié)果，見表6。

表6 遼陽市不同保證率下對應(yīng)的不同等級各指標的隸屬度分析結(jié)果

3.5 遼陽市水資源承載能力綜合評估結(jié)果

結(jié)合不同等級指標的隸屬度分析結(jié)果，采用不同指標的權(quán)重即可對遼陽市不同水平年份各保證率下的水資源承載能力進行評估。遼陽市各水平年下不同保證率的水資源承載能力評估結(jié)果，見表7。

表7 遼陽市各水平年下不同保證率的水資源承載能力評估結(jié)果

從分析結(jié)果可看表明在不考慮節(jié)水措施、外調(diào)水、以及新建蓄水工程的前提下，遼陽市現(xiàn)有水資源供給度已經(jīng)不能滿足社會經(jīng)濟、生產(chǎn)生活的需水要求，綜合評估結(jié)果表明遼陽市水資源處于超載的狀況，通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)區(qū)域水質(zhì)達標率也呈現(xiàn)下降趨勢，地下水質(zhì)影響程度更高。在綜合考慮跨區(qū)域調(diào)水、中水回用等措施后，在現(xiàn)狀用水效率不發(fā)生改變的前提下，未來遠景年水資源承載能力逐步趨于飽和狀態(tài)，到2030年后水資源超載情況將逐步顯現(xiàn)。在提高用水效率的情況下，在采用跨區(qū)域調(diào)水和非常規(guī)用水措施力度加大后，水資源供需矛盾可以得到一定程度的解決，遼陽市水資源承載能力將得到提升。

4 結(jié) 論

1)按照當前遼陽市用水效率，本地水資源可支撐規(guī)劃年2030年GDP的最大值分別為年1072億元。考慮跨區(qū)域調(diào)水和現(xiàn)狀用水效率的前提下，規(guī)劃年可支撐的GDP的最大值為2109億元。考慮節(jié)水措施和用水效率提高的前提下，規(guī)劃年可支撐的GDP的最大值為4842億元。

2)通過遼陽市水資源超載能力綜合分析，在區(qū)域適宜發(fā)展速率的前提下，規(guī)劃年2030可承載的人口總數(shù)和GDP總量為193萬人和3090億元。

3)建議加大遼陽市節(jié)水措施的升級改造，到2030年農(nóng)業(yè)灌溉效率提升到0.71，工業(yè)用水重復率提高到90%以上。