辽宁省水资源脆弱性评价

王 磊

(辽宁省辽阳水文局，辽宁 辽阳 111000)

水资源脆弱性是指在生态系统环境、农业社会、工业经济发展过程中，水资源受到人类活动、自然灾害以及气候环境变化等影响作用，所体现出来的容易受到破坏与改变的特征，如果水资源系统未得到有效的保护并持续发展至一定程度，则可产生较为严重的破坏作用，并且威胁人与水的协调发展[1]。因此，根据水资源系统特征将其脆弱性概括为如下方面：水资源脆弱性在系统内可表现为水环境面对外来作用力时所产生的影响程度，它是具有时间与空间尺度的一种状态；外来驱动因素中的人类生产活动决定了其外部环境的脆弱性承载力，而其自身内在脆弱性则直接受生态环境的影响；在外力作用下水资源系统会尽力维持它原有的现状的性能，即具有一定的时间延迟性；系统脆弱性还未显现时，并不代表其没有脆弱性即系统具有隐性特征，在足够大的外力作用下水资源脆弱性才能显现[2]。

水资源系统中的某一个子系统，在受到外界干扰和系统内部作用时遭到破坏，但是由于各子系统之间的不确定、模糊性关系，可对其他部分产生直接或间接的影响作用，从而产生连锁反应并对整体系统带来较为显著的不利影响，甚至对生态环境、社会经济、人类生活等造成严重的破坏[3- 4]。鉴于此，本文基于辽宁省水资源开发利用概况和已有相关文献，针对各子系统之间的不确定性与模糊性特征，考虑引入模糊物元法和欧式贴进度理论预测分析水资源脆弱性变化趋势，以期为该区域水资源的管理规划和可持续开发利用提供一定决策依据。

1 水资源脆弱性评价指标体系

1.1 区域概况

辽宁省位于我国东北地区南部，占地面积14.8万km2，地理位置处于东经118°53′～125°46′，北纬38°43′～43°26′之间，临黄海、渤海，东与朝鲜相接；属于大陆性季风气候，冬冷干燥、夏热多雨，年降水量在400～1100mm范围，由于其独特的地理特征和环境气候，年际水资源量呈现出典型的周期性丰枯变化特征，其中75%以上的降水量集中在汛期6—9月，并多以暴雨和强降雨的形式出现。水资源补给以大气降水为主，主要包括降水入渗补给和地表径流量两大部分，年均水资源量约为341.79亿m3。境内主要包括大凌河、辽河、浑河、太子河和绕阳河等河流，东南部与渤海相邻，水源面积较大，降水量较为充足，西北区域降水较少并且风沙干旱现象较为频繁。资料显示，境内约80%以上的区域处于极度或重度缺水状态，且已经具有较高的水资源开采程度。近年来，为满足区域经济快速发展的需求而忽视了对水资源的保护，并致使生态环境与社会需水量之间出现了严重失衡，水资源过度利用造成的自然环境退化，水土流失、水资源紧缺以及水体污染等问题日趋突出。

表1 辽宁省水资源脆弱性评价分级标准

水资源脆弱性问题日趋显露并引起社会各界的广泛关注，开展辽宁省水资源脆弱性研究对于缓解该区域水资源的供需矛盾、提高用水效率系数、促进农业和生态发展具有重要意义[5- 10]。

1.2 构建指标体系

为了准确掌握辽宁省水资源年际变化趋势，可根据现状年与规划年的供、需水量预测分析结果，系统、全面地评价该区域水资源脆弱性动态变化趋势，其中现状年为2010—2016年，规划年水平年为2020年和2025年。结合研究区域水资源利用现状、存在的主要问题以及全国水资源承载力评价指标体系，在遵循系统性、科学性、代表性、可行性、独立性原则的基础上，分别从生态环境、水资源和效益水平等方面选取了8项典型指标，并建立了指标体系。然后依据水资源脆弱性有关标准和相关资料，可按照等宽划分的原则将各指标实际数据最大值、最小值分为Ⅰ～Ⅴ及5个标准，所对应的脆弱性分别为不脆弱、轻度、中等、比较脆弱和严重脆弱，各等级标准取值范围与指标体系见表1。

根据各指标分级标准可建立相应的特征矩阵为：C=(c1，c2，c3，c4，c5，c6，c7，c8)，然后参考辽宁省近10年的水资源统计年鉴、水资源公报以及辽宁省水资源利用总体规划等相关资料，统计收集各指标初始数据，见表2。表中“+”、“-”符号，分别代表指标值对水资源脆弱性的正向与负向效应。

1.3 熵权法计算权重

熵权法是以系统中的无序化程度为标准，对各指标的离散程度赋予相应的数值，数值的大小即代表了指标在整个评价过程中所占的权重比例，即所赋予的熵权值，该方法是获取系统中有效信息和数据值的常用手段。利用评价过程中所建立的判断矩阵，可计算研究对象的有关权重系数，不仅可明显降低个人主观因素对计算结果的偏差，而且降低了出现特殊或极端数据的可能性，使得结果数据更加真实并符合实际变化规律，计算效率更加快捷，具体的计算步骤如下。

表2 水资源脆弱性评价指标初始数据及权重值

(1)构造相对隶属度矩阵R。首先设定评价对象有m个，评价体系中包含的指标数总数为n，表达如下所示X=(xij)m×n;(i=1，2，…，m;j=1，2，…，n)。在脆弱性评价指标，为消除不同指标之间的单位与量纲的差异，可分别按照下式进行规范化处理，并建立相对隶属度矩阵：R=(rij)m×n(i=1，2，…，m;n=1，2，…，n)。

(2)指标熵权的计算。根据评价指标熵值的具体含义，各指标熵的确定可按下式计算：

(1)

(2)

式中，Hi—第i项指标的熵值；fij—第j个评价对象的i指标的权重值。根据上述计算结果，可对指标熵权W进行求解，方法如下：

(3)

式中，ωi—各指标的熵权，取值范围为0～1，所有评价指标的熵权之和为1；W—熵权特征向量。

按照上述计算步骤，可分别得到辽宁省水资源脆弱性指标的权重值，结果见表2。

2 构建模糊物元模型

2.1 理论简介

物元分析法是由蔡文[11]教授于1983年提出的一种采用“事物、特征、量值”要素描述事物状态的方法。该方法通过分析事物参数的变化规律可有效解决事物间互不相容的问题，如果将模糊理论引入该理论体系中，即可实现对相关问题的模糊处理。模糊理论是对具有模糊性的客观事物利用模糊数学进行识别、分类和评价的一种常用的方法，其基本内涵和理论是对评价指标集进行隶属度函数的选取和建立，然后以各指标评价等级标准范围为判别原则对各指标进行相对隶属度的计算，利用模糊判断矩阵对指标的权重计算然后经过加权求解得到综合评价结果，依据综合评价结果进行特征公式计算得到评价目标的最终判定和评价。将物元分析和模糊数学有机的结合，就形成了交叉渗透的模糊物元分析法，在水资源脆弱性评价过程中通常具有较强的主观性与模糊性特征，影响水资源的因素较多且相互关系复杂，因此可考虑采用模糊物元法进行脆弱性评价[12]。

描述物元分析理论的关键要素为事物、特征以及向量，设定辽阳市供水方案为研究对象为M，相应的特征值为C，特征向量为X，则可构建基本物元为R=(M，C，X)，利用上述的评价事物、特征和向量可研究分析这些物元及其变化规律。设定向量X具有一定的模糊性即X为基本模糊物元，设定M具有m个评价指标C1，C2，…，Cm和向量值X1，X2，…，Xm。据此，R即为具有m个维度的模糊物元，则具有m个维度的n个样本构成的复合模糊物元如下所示：

(4)

式中，Xij—i指标在j样本中的模糊量值。

2.2 从优隶属度原则

脆弱性指标之间的单位和量纲存在差异，因此可利用从优隶属度原则对模糊物元进行标准化处理，结合指标具体特征和内涵可将其划分为正向和负向两大类型，相应指标的从优隶属度可按下式进行计算：

(5)

式中，μij—方案j中i指标的从优隶属度；(Xij)max、(Xij)min—分别为评价指标的最大值和最小值。

根据上述计算结果，可构建在n个样本中的m项评价指标从优隶属度模糊元矩阵。

(6)

本文中模糊物元R0m与Rmn之间差的平方用Δij(i=1，2，…，m;j=1，2，…，n)表示，则模糊物元RΔ的表达式如下：

(7)

2.3 基于欧式贴近度的综合评价

标准样本与评价样本之间的吻合程度即为贴进度，贴进度值越大，则该样本越接近于标准样本；反之，则该样本水资源越脆弱性[13]。为优选出贴进度最好的样本即最优样本，本文结合辽宁省水资源实际状况利用欧式贴近度ρHj进行表征，并构建贴近度模糊物元矩阵RρH，相应的计算方法如下：

(8)

Rρh=[ρH1，ρH2，…，ρHn]

(9)

式中，ρHj—水资源脆弱性标准样本与评价样本之间的接近度，值越大则脆弱性越低，反之越高；wi—基于熵权法的脆弱性评价指标权重。

3 实例应用

3.1 计算步骤

根据文中所构建的指标体系和分级标准，并利用模糊物元模型对辽宁省水资源脆弱性进行评价，基本流程如下。

(1)结合表1与表2中水资源脆弱性分级标准、各指标初始数据，分别确定水资源脆弱性的4个界限阀值与9个评价单元的13个方案，复合模糊物元根据8项指标数据确定。

(2)根据最大隶属度原则和确定的复合模糊物元，利用公式(5)确定正向、负向指标的计算。然后根据各评价样本中的最大与最小值，构建标准模糊物元。

(3)对标准样本与各评价样本之间的差平方Δij，利用公式(7)进行计算并建立模糊物元RΔ，结果见表3。

表3 差平方复合模糊物元RΔ

(4)然后利用公式(8)和各指标熵权计算结果，可得到各指标模糊物元贴进度，结果见表4。根据计算结果可知，辽宁省水资源脆弱性最大的年份为2020年，其次为2025年，最小值出现在2010年，欧式贴进度处于0.5～0.72范围。

3.2 结果分析

根据评价结果可以看出，辽宁省水资源脆弱性在2010—2013年、2015年处于Ⅱ级，而在2013年、2014年和2016年处于Ⅲ级，规划水平年脆弱性为Ⅳ级并基本区域最高等级，由此表明该区域脆弱性整体呈显著上升趋势，水资源脆弱性受外界的影响作用已十分严峻。结合相关资料，该评价结果与水资源实际状况基本相符，所构建的指标体系基本覆盖了水资源的各个方面，模糊物元模型可适用于水资源脆弱性分析。

为提高研究区域水资源承载平，并促进区域水资源协调发展，本文结合评价结果以及辽宁省近年来的水资源问题实际状况给出了以下建议：加强水资源的管理与调控并完善相应的监控体系；依法淘汰高能耗、高污染的陈旧设备并提高水资源利用效率；加快引进并推广优化配置和水资源开发利用技术，加强水资源的开采和保护体系机制建设；大力宣传提高公民保护用水、节约用水意识；加快污水再处理回收利用建设，提高循环用水制度建设；加快发展水资源科技利用与研发，实现低成本海水转化等非传统资源的利用。

4 结论

(1)辽宁省水资源脆弱性在2010—2013年、2015年处于Ⅱ级，而在2013年、2014年和2016年处于Ⅲ级，规划水平年脆弱性为Ⅳ级并基本区域最高等级，由此表明该区域脆弱性整体呈显著上升趋势，水资源脆弱性受外界的影响作用已十分严峻。

(2)为提高研究区域水资源承载平并促进区域水资源协调发展，本文分别从水资源管理、利用效率、水资源保护以及科技研发等方面提出了有针对性的保护措施。