辽宁省水资源承载力评价与预测

2019-03-06

中国水能及电气化 2019年2期

(辽宁省锦州水文局，辽宁锦州 121000)

辽宁省位于我国东北部区域，不仅是我国重要的粮食生产基地，而且位于工业发展核心区域，其水资源可持续利用水平将直接影响着区域经济发展与生态环境建设。

境内地势自北向南、由东西两侧向中间整体呈降低趋势，辽东、辽西区域主要以低山丘陵为主。辽宁省共辖14个地级市和绥中县、昌图县2个省管县，境内河网水系密集，大小河流约300多条，主要有饶阳河、大凌河、太子河、辽河等，其中辽河流域面积6.92万km2，全长480km，为辽宁省第一大河流。2015年辽宁省生产总值较2014年增长约7.8%，其中第一、第二和第三产业年增长率分别为4.2%、7.6%和5.5%。虽然近年来该区域人均GDP呈显著逐年增长的发展趋势，但是相比同期其他省份及全国的平均增幅还有较大的差距。

辽宁省2015年总降水量约568mm，相对于多年平均值下降约16.80%，并且在时空分布上极不均衡，主要集中在汛期(6—9月)。全省水资源总量为178.98亿m3，人均水资源量185.60m3/人，远远低于全国平均水平。辽宁省2015年水资源供应量和总用水量大致相同，地表水与地下水供应量分别为23.43亿m3和5.52亿m3，地下水质良好，生产、生活及生态用量分别占总量的62%、36%和2%。近年来，为满足区域经济快速发展的需要，而忽视了对水资源的保护，致使生态环境与社会经济需水量之间出现了严重失调，水资源过度的开发与利用造成生态系统的退化，水土流失、水资源紧缺以及水体污染等矛盾日趋突出，加之该区域节水设施较为落后、水资源浪费及污染等问题，其承载力面临着更加严峻的挑战[1-3]。基于该现状背景，分别选取了现状水平年2015年，规划水平年2020年、2025年和2030年水资源承载力为研究对象，通过建立指标体系和评价模型分析预测了其承载力发展趋势，以期为缓解该区域社会经济发展与水资源需求之间紧张的矛盾关系，为制定科学合理的水资源管理政策提供一定参考和依据。

1 多层次模糊综合评价模型

1.1 构建评价指标体系

承载力指标体系是以系统、综合、简明、科学的方式，反映水资源对被评价区域的生态环境和社会经济能够承载的内容和过程，不仅可体现被承载对象的各个方面，而且可为制定水资源管理政策，水资源合理配置以及可持续利用等提供决策依据和参考。实践表明，水资源开发利用程度、水资源量、社会经济、生态环境、生产力水平、社会消费结构、区域交流等为影响区域水资源承载力的主要因素。本文参考相关专家意见和全国水资源供需分析指标体系，在遵循独立性与系统性、定量与定性、可操作与可比性、概括性与全面性等原则的基础上，分别从生态环境、社会经济与水资源3个维度建立了包含9个代表性指标的体系[4-5]。然后依据辽宁省现状发展规划以及历史发展过程，并参考文献资料预测分析了各水平年的需水量和社会经济发展趋势，各指标预测值及建立的指标体系见表1。

表1 辽宁省水资源承载力指标体系及预测值

1.2 确定指标分级标准

结合各指标具体含义以及辽宁省水资源现状可将其承载力等级划分为3个标准，从而建立评语集V={v1,v2,v3}，分别对应于承载力较强、一般和较差。其中v1表示该区域水资源处于可持续状态，水资源供给较好且开发潜力较大；v2表示区域水资源具有一定的开发利用规模，并且基本能够满足社会经济发展需求，仍存在开发利用潜力；v3表示区域承载力已经达到极限状态，水资源的短缺问题提出并且在一定程度上制约着经济发展，进一步开发利用水资源的潜力不足。

结合已有研究成果和辽宁省气候环境、地理特征，可确定在不同承载力等级标准下各评价指标的阀值(见表2)。然后通过一分制数量化各评判集等级，定量分析各因素的影响程度，其中α1=0.95、α2=0.50、α3=0.05，承载能力随数值的增大而增强。

表2 在不同分级标准下各指标取值范围

1.3 建立评价模型

引入有限论域u=u1,u2,…,um、V=V1,V2,…,Vm分别作为综合评判因素集合和评语集合，因此可利用模糊变化公式B=A·R进行模糊综合评判，其中A为有限论域u上的模糊子集，而论域V上的模糊子集则为评判结果B。而且，A=(a1,a2,…,am),0≤ai≤1；B=(b1,b2,…,bn),0≤bi≤1，其中ai、bi分别为A的隶属度和模糊子集B隶属于等级Vj的隶属度，并以此作为最终的评判依据。评判矩阵R表达式如下：

式中rij——在Vj等级下因素ui的隶属度，因此第i行Ri在评判矩阵R中即可作为单因素ui的评判结果。

2 辽宁省水资源承载力综合评价

2.1 利用层次分析法确定指标权重

不同评价指标对水资源承载力的影响程度存在一定差异，因此可采用权重反映各指标对评价结果的贡献率。为进一步提高评价结果的准确性与科学性，本文对各级指标要素的权重利用层次分析法进行确定。层次分析法的核心理论为：按照一定的规则和方法将待评价对象进行若干层次分级，从而构建结构模型，然后对各指标之间的作用关系、内在关联利用定量与定性相结合的方法进行系统分析。该方法对评价对象可利用层次结构理论进行数学处理，可简单、有效地解决无结构特性多准则复杂决策问题[6-9]。本文利用该方法对水资源承载指标权重进行确定，主要流程为：对不同风险要素的重要性程度采用1～9标度法进行两两对比分析，按照判断准则建立相应的判断矩阵A(其中判断矩阵标度准则见表3)；然后利用判断矩阵求解权重向量W1，并对n个元素C1，C2，…，Cn的权重依据标度准则进行排序，从而可对矩阵A的最大特征根λmax进行求解；最后对判断矩阵进行一致性检验，若满足检验要求则可将该权向量作为指标权重；否则，应重新修改判断矩阵，并按照上述方法进行重复检验。根据上述流程和检验方法分别对承载力各指标权重进行确定，结果见表4。

表3 判断矩阵标度准则

表4 各层次指标权重

2.2 构造隶属度矩阵

单独对一个因素利用单因素模糊评价法进行分析，从而确定在评价集合中各评价对象的隶属度。在评价等级为vj的条件下利用评价因素ci实际值和隶属度函数，确定相应隶属度rij，从而构造隶属度矩阵R；然后模糊化处理隶属度函数并使其平滑过渡至各级区间范围。对各水平年评价指标值及隶属度矩阵利用相应的预测数值进行确定，各指标现状年与规划水平年预测值见表1，2015年其隶属度矩阵如下(同理可求得其他年份的隶属度矩阵)：

2.3 计算综合评判值

根据各水平年的隶属度矩阵R以及权重矩阵A，利用公式B=A·R可求得最终的评判矩阵B，然后利用下列公式进行综合评判值α的计算，水资源承载力随α值的增大而逐渐增强，结果见表5。

式中g——突出优势等级的参数，取值范围为0～1；

其他各参数意义同上。

表5 辽宁省各年份水资源承载力评价结果

衡量区域水资源承载力状态的指标为综合评价指数，指数值越高则其承载力状态越高。结合辽宁省水资源现状和相关研究成果，可根据不同评价指数值进行承载力状态的划分，其中评价指数为：0代表水资源处于不可承载状态；0～0.2区间为准不可承载状态；0.2～0.5为可承载状态；0.5～0.8为良好可承载状态；0.8～1为理想可承载状态。

2.4 结果分析

利用综合评判值并依据最大隶属度原则对辽宁省各年份水资源承载状态进行分析，结果显示，该区域对v3级隶属度最大的年份出现在2015年，为0.5746，相对应的综合评价值最小，为0.2516，由此表明该年份水资源供需矛盾较为突出并以基本达到饱和状态；在2020年对v3级的隶属度仍然最大,为0.5143，综合评价值相对于2015年有所提升,为0.2713，虽然水资源承载力存在一定的改善但仍处于超载状态；随着时间的推移，到2030年对v2级的隶属最大，为0.6842，相应的综合评价值为0.4218，承载力水平存在较大的提升并在一定程度上保障了该区域经济发展的用水需水，但是对于v1级的隶属程度仍显著低于对v3级的0.2365，由此表明该区域水资源开发潜力仍存在一定的有限性[10]。

根据各指标变化预测结果可知，在研究期间森林覆盖率、草地覆盖率指标的预测值有所增大，生态环境得到明显改善并促进了水资源贡献率的提升。在水资源方面，人均水资源占有量和水资源供需比不断增大，由此说明该区域资源型缺水问题并不十分明显，但是水资源供需平衡压力会随着未来人口的增长而越来越大[11]。综上分析，未来通过采取各项节水措施可有利于恢复该区域生态系统的良性循环并提升承载力水平。