辽宁省水资源利用和谐度分析

陈德勇

(灯塔市水务局万宝桥水利水土保持监督管理站，辽宁 辽阳 111300)

水资源作为社会发展与人类赖以生存不可或缺的自然资源，正面临严峻威胁和挑战，水资源紧缺已成为限制人们生活质量及社会经济发展的主要因素[1]。辽宁省年内、年际降水量受季风气候因素影响其降水量发生了很大变化，连续多年降水量低于800mm，水资源储备量为340亿m3，不足全国平均水平的1/3，远远低于国际缺水警戒线，水资源紧缺以及生态环境问题已严重影响到农业发展与地理系统的问题[2]。近年来，在水资源开发利用过程中出现的供需矛盾紧张、水质恶化、利用率低等问题已引起众多学者的广泛关注，如任倩[3]等在分析了流域水资源管理的基础上提出了水资源可持续利用对策；李元寿[4]等基于水资源引起的生态环境问题分析结果，对西北干旱地区提出了水资源利用生态环境保护对策；周宏飞[5]等分析了新疆水资源承载力和可开采利用量，并指出了该区域水资源能够为可持续发展提供一定保障；桂东伟[6]等对干旱区域的生态用水问题利用虚拟水理论进行分析并提出了合理利用措施；李海涛[7]研究分析了民勤绿洲水资源利用状况，认为地下水质持续恶化以及开采程度较高为该区域水资源特征。上述研究主要集中在生态环境与水资源利用之间作用关系的研究，而涉及社会、经济与水资源等综合因素的定量分析相对较少[8]。据此，本文以辽宁省为例利用模糊理论体系中的和谐度内涵，定量、综合分析该区域生态系统、社会、经济与水资源利用的和谐程度，对水资源利用变化特征从时间尺度进行研究，以期为提高水资源利用效率以及水污染治理提供参考。

1 研究区域概况

辽宁省占地面积为14.8万km2。地形地貌结构复杂，主要是以山地、丘陵地、平原区为主；属于温带、寒温带大陆性季风气候，冬冷干燥漫长，夏季多雨炎热，全年降雨量为600～1100mm之间，降雨量和径流量分布不均匀，东部山地丘陵区降雨量较为充足。辽宁省工业发展较为充分，畜牧业和农林业发展迅速，不仅是我国的重要的粮食生产基地而且位于重工业发展核心区域。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，并致使生态环境与社会经济需水量的出现严重失调，水资源过渡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[9]。

2 水资源利用和谐度及评价方法

2.1 和谐度的内涵

和谐度是对某一现象或事物的一致性通过科学的计算与分析进行度量的数量指标，利用各子系统之间的相互适应、关联、联系以及协调运行程度衡量整个系统的和谐性。系统和谐性不仅可反映子系统与系统成员之间的创造性、能动性及环境条件，而且可表述各分项内容的总体协调特征[10]。水资源利用和谐度是反映外部环境与水资源系统运行状况、构成要素是否和谐、协调的综合指标，其基本内涵包括以下四个方面：通过对水资源系统内部各项功能的客观、系统的评价表征各组成要素之间的匹配关系；反映社会经济发展以及生态环境需水量与水资源供给之间的平衡关系；在一定时期、技术以及区域范围内反映外部环境与水资源的相互关系；对水资源科学开发利用的程度进行综合反映[11]。

2.2 评价指标体系

本文结合水资源利用和谐度基本内涵与相关资料，在遵循可操作性、科学性、动态性以及系统性原则的基础上选取了具有代表性的11项评价指标，并采用AHP法构建了指标体系，见表1。

表1 辽宁省水资源利用和谐度评价指标体系

注：表中C1～C4分别代表城市用水普及率、农村居民人均供水量、城镇居民人均供水量以及农田有效灌溉面积；C5～C6分别为第一产业、第二产业以及第三产业万元耗水量；C8～C11分别为城市人均绿地面积、水资源开发率、污水排放量以及生态环境用水量。

2.3 基于AHP法的指标权重

对水资源利用和谐度各评价指标采用问卷调查的形式进行两两相对重要性对比分析，然后通过邀请水文学领域具有丰富经验的11名专家进行打分，最终得到基于几何平均法的指标判断矩阵，如下所示：

特征向量的近似解W即为最大特征根λmax所对应的特征向量，本文利用方根法进行求解，公式如下：

(1)

最大特征根λmax按下式进行求解：

(2)

(3)

式中，bij—判断矩阵第i行的第j列数值。

对于一致矩阵其权向量为非零特征根p所对应的经归一化处理后的向量；对于非一致阵其权向量W为满足特征根λmax最大的特征向量，应对该向量仍需要按照下式进行一致性检验。

(4)

CR=CI/RI

(5)

式中，C1—一致性指标，其值越趋近于0则一致性程度就越高；RI—随机一致性指标，其取值特征见表2；CR—比率，通常条件下其值小于0.1即为A的不一致程度处于容许区间。

分别对各判断矩阵按照上述方法与CR值小于等于0.10的原则进行一致性检验，最终求得各指标的权重值，见表1。

2.4 数据处理

为消除不同评价指标量纲和单位的差异对评价结果造成的误差需对判断矩阵进行标准化处理，对于正向指标其计算结果越大则评价越优，此类评价指标的标准化可采用下式进行计算：

表2 平均随机一致性指标

表3 辽宁省2010—2016年水资源评价指标标准化数据

(6)

对于负向指标其计算结果越小则评价越优，此类评价指标的标准化可采用下式进行计算：

(7)

式中，rij—经标准化处理的指标值；(xij)max、(xij)min—各评价指标中xij的最大值和最小值。

为直观、准确的反映出各指标值对评价结果的影响程度，本文利用上述计算公式对辽宁省2010—2016年的水资源利用各指标进行标准化处理，结果见表3。

2.5 构建和谐度评价模型

影响和谐度的因素较多，且各因素之间相互作用并存在一定的模糊性特征，因此采用传统的定量数学模型难以进行准确的模拟分析[12]。模糊数学在处理分析客观事物之间的不确定性问题时具有较好的优势和适用性，模糊评价法其基本过程是对各变量的隶属度采用科学合理的隶属函数进行求解，然后对各指标的相对权重运用层次分析理论进行确定，在对比分析了各指标之间的关联度后确定指标的隶属度并得到水资源和谐度评价等级，模型如下：

H=h[h1，h2，h3];h=∑Wi·Ci

(8)

式中，h、h1、h2、h3—和谐度函数与社会、经济、生态系统和谐度；Wi、Ci—第i个指标的权重与标准化指标值；H—水资源利用和谐度，取值范围为0～1，其值的大小代表了水资源利用和谐度的高低，值越大则系统越和谐。

通常情况下，可定义水资源利用和谐程度为和谐、较和谐、一般和谐、不和谐以及极不和谐5个等级，相对应的和谐度取值区间分别为0.9～1、0.7～0.9、0.5～0.7、0.3～0.5、0.1～0.3。

2.6 结果分析

利用式(8)以及标准化处理后的各指标数据，可求得辽宁省2010—2016年水资源利用社会、经济、生态子系统以及综合和谐度，见表4。

表4 2010—2016年辽宁省水资源利用和谐度

由表4计算结果可以看出，辽宁省水资源利用和谐度在2010年处于0.1～0.3区间，即为极不和谐状态；而在2011—2012年处于0.3～0.5区间为不和谐水平；在2013—2014年期间处于0.5～0.7区间为一般和谐水平；在2015—2016年期间处于0.7～0.9区间为较和谐状态。由此表明，辽宁省水资源利用和谐度在研究期间一直处于逐渐改善的发展趋势，水资源配置及科学利用措施得到优化。社会与经济子系统的和谐度同样表现出不断优化改善的变化规律，并且经济子系统的优化程度更加显著，并最终达到1.000的和谐状态。生态系统的和谐度呈现出波动上升的变化趋势。

分析在2010—2016年期间辽宁省水资源利用和谐度逐渐得到改善的原因可归纳为以下几个方面：①在研究期间加大了对农田水利设施以及城市给排水系统建设，改善了农村饮水状态，提高了居民用水的合理供给以及城市用水普及率，农田有效灌溉面积增加并显著提高了水资源利用效率；②研究期间产业结构得到调整与优化，各产业万元耗水量逐年递减并促进了经济子系统和谐度的大幅度上升；③在2010—2016年通过加强工业污染排放的管理力度，显著降低了污水排放量并确保了生态环境用水，然而此期间由于水资源开发率的提高以及人均绿地面积的降低对生态环境系统造成一定的不利影响，综合两种正、负因素影响使得生态系统呈现出一定的波动变化趋势。总而言之，在促进社会、经济以生态和谐度的同时促进了水资源的科学合理的利用。

3 结语

本文对各变量的隶属度采用科学合理的隶属函数进行求解，然后对各指标的相对权重运用层次分析理论进行确定，在对比分析了各指标之间的关联度后确定指标的隶属度并得到水资源和谐度评价等级。

辽宁省水资源利用和谐度在研究期间一直处于逐渐改善的发展趋势，水资源配置及科学利用措施得到优化。社会与经济子系统的和谐度同样表现出不断优化改善的变化规律，并且经济子系统的优化程度更加显著，并最终达到1.000的和谐状态。生态系统的和谐度呈现出波动上升的变化趋势。