基于改進模糊評價方法的干旱區(qū)水資源短缺風(fēng)險綜合評估

費卓越

(遼寧省葫蘆島水文局，遼寧 葫蘆島 125000)

人類社會高速發(fā)展的主要瓶頸之一為水資源短缺[1]。水資源短缺主要體現(xiàn)在兩個方面，第一個方面是社會經(jīng)濟發(fā)展所需的水資源量已經(jīng)不能滿足人們使用的需求，第二個方面是人類活動影響造成的水資源短缺問題[2]。當前國內(nèi)對于水資源短缺研究主要集中在短缺程度及類型進行研究[3- 14]，而對于水資源短缺風(fēng)險研究還較少。近些年來，受氣候變化和人類活動共同影響，遼西地區(qū)水資源量呈現(xiàn)明顯的遞減變化[15]，水資源呈現(xiàn)明顯的短缺，為提高區(qū)域水資源短缺對人們生活生產(chǎn)影響防范能力，亟需對遼西地區(qū)水資源短缺風(fēng)險進行綜合評估。為此本文從水資源稟賦、水資源利用、水環(huán)境、社會經(jīng)濟構(gòu)建區(qū)域水資源短缺風(fēng)險評估指標體系，采用改進的模糊評價方法對指標權(quán)重計算進行改進，對遼西4市為例，對區(qū)域水資源短缺風(fēng)險進行綜合評估。研究成果對于區(qū)域水資源空間均衡規(guī)劃具有參考價值。

1 研究區(qū)域概況

本文主要以遼西地區(qū)的錦州、葫蘆島、阜新、朝陽4市為研究區(qū)域，遼西地區(qū)各市屬于典型的干旱半干旱區(qū)，區(qū)域多年平均降水量和蒸發(fā)量分別為600mm和1200mm，蒸發(fā)量明顯高于降水量，大凌河和柳河是區(qū)域主要地表水來源，根據(jù)遼寧省第三次水資源公報數(shù)據(jù)，遼西各市水資源人均占有量低于全國平均水平，屬于典型的水資源短缺區(qū)域，通過對遼西4市水資源短缺風(fēng)險進行綜合評估，從而為區(qū)域水資源管理部門進行資源優(yōu)化調(diào)配和空間均衡規(guī)劃提供重要的決策依據(jù)。

2 評估模型構(gòu)建

本文主要以水資源稟賦、水資源利用、水環(huán)境、社會經(jīng)濟構(gòu)建區(qū)域水資源短缺風(fēng)險評估指標體系，評估指標體系見表1。

表1 水資源短缺風(fēng)險評估指標體系

本文采用改進模糊綜合評價方法并結(jié)合熵權(quán)方法對各評估指標權(quán)重進行設(shè)定，熵權(quán)值越小，其指標權(quán)重越大，該方法首先對指標的熵值進行計算，計算方程為：

(1)

式中，Pij—第j個指標在第i年份影響度；m—評估指標的數(shù)目，本文m=16；n—評估指標準則層數(shù)目。評估指標影響度計算方程為：

(2)

式中，xij—第j個指標在第i年份指標數(shù)值。

則指標權(quán)重計算方程為：

(3)

在指標權(quán)重計算后，對各指標進行兩兩對比計算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，計算方程為：

(4)

式中，ξij—第j個指標在第i年份的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)；

ρ—辨識系數(shù)，本文取值為0.45。水資源短缺風(fēng)險等級采用綜合指數(shù)模型進行計算，綜合風(fēng)險指數(shù)可以對遼西地區(qū)的水資源短缺進行全面表征，風(fēng)險指數(shù)越大其等級越高，反之越低，其計算方程為：

(5)

式中，Ri—風(fēng)險綜合指數(shù)。在已有參考資料借鑒基礎(chǔ)上，本文對遼西地區(qū)水資源短缺風(fēng)險評估等級進行劃分，具體見表2。

表2 水資源短缺風(fēng)險評估等級

3 評估結(jié)果

3.1 評估數(shù)據(jù)來源

在模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，需要對評估指標進行賦值，主要數(shù)據(jù)來源于《遼寧省第三次水資源公報》(2021年)、2018、2019、2020年《遼寧省社會統(tǒng)計年鑒》以及2018、2019、2020年《遼寧省環(huán)境統(tǒng)計公報》，并進行相關(guān)計算得到各指標具體評估值。

3.2 評估指標確定

水資源短缺各評估指標權(quán)重值采用熵值方法進行計算，結(jié)合各指標對應(yīng)的等級標準(見表3)，按照前面所述權(quán)重計算方程對各評估指標權(quán)重進行計算，見表4。

表3 風(fēng)險評估指標對應(yīng)等級標準

表4 風(fēng)險評估指標權(quán)重

從指標權(quán)重計算結(jié)果可看出，水資源利用的指標權(quán)重要低于水資源稟賦、社會經(jīng)濟以及水環(huán)境權(quán)重，水資源利用在水資源短缺風(fēng)險評估中主導(dǎo)作用相對較弱，其他三類指標可以對遼西地區(qū)水資源短缺風(fēng)險狀況進行直接反映，可以為遼西地區(qū)水資源可持續(xù)利用、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的合理調(diào)整及社會經(jīng)濟健康發(fā)展提供重要的支撐依據(jù)。徑流模數(shù)和徑流深水資源稟賦指標中權(quán)重最高的兩個指標，隨著遼西地區(qū)城鎮(zhèn)化程度的不斷加大，城鎮(zhèn)居用水需求遞增明顯，對遼西地區(qū)水資源短缺風(fēng)險產(chǎn)生較為顯著的影響，受氣候和地理位置的影響，遼西地區(qū)年降水量偏少，因此其指標權(quán)重相對較低。工業(yè)、農(nóng)業(yè)及生活用水在水資源利用中都具有較高的權(quán)重值，遼西地區(qū)用水量需求較大，是其水資源短缺風(fēng)險的重要影響因子。從遼西水資源公報數(shù)據(jù)可看出，工業(yè)、農(nóng)業(yè)及生活用水占總用水量的比例超過80%，這主要是因為第一產(chǎn)業(yè)農(nóng)業(yè)耗水量較大。萬元GDP用水量權(quán)重在社會經(jīng)濟準則中最高，該指標是區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展耗水率重要指標，城鎮(zhèn)污水處理比例越高，其水環(huán)境風(fēng)險越低，其次污水處理回用量對水環(huán)境風(fēng)險影響程度也較高，日均污水處理能力相比于其他兩個指標，對遼西地區(qū)水環(huán)境影響程度相對較低。

3.3 灰色關(guān)聯(lián)矩陣分析

結(jié)合遼西地區(qū)2018年、2019年及2020年指標權(quán)重值，采用改進的模糊綜合評價方法，對各指標隸屬度進行關(guān)聯(lián)分析，各年份水資源短缺風(fēng)險關(guān)聯(lián)矩陣計算結(jié)果見表5—7。

表5 2018年水資源短缺風(fēng)險評估指標灰色關(guān)聯(lián)矩陣

從各年份水資源短缺風(fēng)險評估指標隸屬度關(guān)聯(lián)值可看出，采用改進的模糊綜合評價方法后，其主要通過灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)對指標隸屬度進行改進，計算不同指標隸屬度的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，這種方法可以綜合考慮不同指標之間的互相關(guān)聯(lián)度，相比于傳統(tǒng)方法單一考慮指標而忽略指標之間的關(guān)聯(lián)度，可以提高模型的收斂精度。從各年份指標灰色關(guān)聯(lián)計算結(jié)果可看出，各指標不同年份灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)總體較為一致，受年份變化影響不大，主要和指標權(quán)重具有較大關(guān)聯(lián)度，權(quán)重值較大的指標和權(quán)重值較小的指標之間灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)相對較低，同一個準則層各指標之間權(quán)重要高于和其他準則層指標的灰色關(guān)聯(lián)度。

表6 2019年水資源短缺風(fēng)險評估指標灰色關(guān)聯(lián)矩陣

表7 2020年水資源短缺風(fēng)險評估指標灰色關(guān)聯(lián)矩陣

3.4 綜合評估結(jié)果

在指標權(quán)重和灰色關(guān)聯(lián)矩陣分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合方程(5)對遼西地區(qū)的葫蘆島市、錦州市、朝陽市、阜新市的不同年份水資源短缺風(fēng)險進行評估，結(jié)果見表8。

表8 遼西地區(qū)不同年份水資源短缺風(fēng)險評估結(jié)果

從不同年份遼西4市水資源短缺風(fēng)險評估結(jié)果可看出，朝陽市總風(fēng)險指數(shù)按照表2中劃分的水資源短缺風(fēng)險評估等級，為中等風(fēng)險，各年份總風(fēng)險指數(shù)差異程度較低，這主要是因為朝陽市有2座大型供水水庫，一定程度降低了其水資源短缺的風(fēng)險，且2018年以來朝陽市降水量總體偏多，并通過一定措施降低了區(qū)域水資源利用程度，也使得其水資源短缺風(fēng)險程度較低。錦州市水資源短缺總風(fēng)險指數(shù)在0.46～0.53，總體也處于中等風(fēng)險，這主要是因為錦州市供水水源有所保障，并通過近些年來，加大對區(qū)域內(nèi)大凌河治理，改善了大凌河水環(huán)境，作為錦州地區(qū)主要供水地表水源，也相對降低了其水資源短缺的風(fēng)險。葫蘆島市總風(fēng)險指數(shù)均高于0.6，按照水資源短缺風(fēng)險評估等級處于較高風(fēng)險，這主要是因為葫蘆島地區(qū)供水需要量較大，作為海邊旅游城市，其生活用水較高，其次區(qū)域水資源稟賦條件也相對低于其他三市，尤其是年降水量較低，也一定程度使得其水資源短缺風(fēng)險較高。阜新市水資源短缺總風(fēng)險指數(shù)在0.67～0.68之間，且各年份風(fēng)險指數(shù)較為接近，這主要因為阜新地區(qū)水資源稟賦條件差，而作為主要以農(nóng)業(yè)為主的區(qū)域，阜新農(nóng)業(yè)耗水量較高，使得其水資源短缺風(fēng)險較高，總體達到較高風(fēng)險等級。

3.5 現(xiàn)狀風(fēng)險等級評估

對各年份水資源稟賦、水資源利用、水環(huán)境、社會經(jīng)濟以及總風(fēng)險指數(shù)進行平均值計算，對朝陽市、錦州市、葫蘆島市以及阜新市的水資源短缺風(fēng)險進行現(xiàn)狀評估，結(jié)果見表9。

表9 遼西地區(qū)水資源短缺風(fēng)險現(xiàn)狀評估結(jié)果

從現(xiàn)狀評估結(jié)果可看出，和各年份水資源短缺風(fēng)險評估結(jié)果具有一致性，葫蘆島和阜新市總風(fēng)險指數(shù)分別為0.66和0.68，總體達到較高風(fēng)險，通過調(diào)查分析，主要和兩市水資源稟賦條件有關(guān)，年降水量總體偏低，且由于農(nóng)業(yè)耗水率都較高，使得其風(fēng)險指數(shù)要高于其他兩個地市，建議對區(qū)域農(nóng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)的調(diào)整和優(yōu)化，降低農(nóng)業(yè)用水耗水率，提高農(nóng)業(yè)節(jié)水力度，此外可提高城鎮(zhèn)污水處理能力來降低其水環(huán)境風(fēng)險指數(shù)。朝陽市和錦州市由于區(qū)域內(nèi)有大型供水水庫，并通過近些年增速污水處理廠，總體提高水資源人均占有量，并降低了其水環(huán)境風(fēng)險指數(shù)，總體風(fēng)險相比于葫蘆島市和阜新市要低，但是也處于中等風(fēng)險，建議可以加大對區(qū)域農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，同樣降低農(nóng)業(yè)耗水量，通過增加農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水設(shè)施來有效降低農(nóng)業(yè)耗水量，從而保障區(qū)域水資源可持續(xù)利用。

4 結(jié)語

(1)葫蘆島市和阜新市水資源短缺風(fēng)險高主要要和兩市水資源稟賦條件有關(guān)，且農(nóng)業(yè)耗水率均較高，建議對兩市農(nóng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)的調(diào)整和優(yōu)化，降低農(nóng)業(yè)用水耗水率，提高農(nóng)業(yè)節(jié)水力度，此外可提高城鎮(zhèn)污水處理能力來降低其水環(huán)境風(fēng)險指數(shù)。

(2)朝陽市和錦州市水資源短缺中等風(fēng)險建議可加大對農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，通過增設(shè)農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水設(shè)施來有效降低農(nóng)業(yè)耗水量，從而保障區(qū)域水資源可持續(xù)利用。

(3)在現(xiàn)狀條件水資源短缺風(fēng)險評估模型建立的基礎(chǔ)上，可以增加未來水資源趨勢變化成果，對區(qū)域水資源短缺風(fēng)險進行趨勢預(yù)測。