辽河流域水资源承载能力评价

王 磊

(辽宁省辽阳水文局，辽宁辽阳 111000)

辽河流域位于我国东北部，流域面积21.9万km2，全长约1345km，主要支流包括老哈河、浑河、太子河、柴河、大凌河等；属于半干旱半湿润气候过渡区，冬冷干燥漫长，夏季多雨炎热，年均降雨量在350～1100mm，在时间与空间上水资源分布极不均衡，其中60%以上降水发生在6—9月，西部区域的水域面积较大。流域内地形地貌复杂，主要以低山区、低山丘陵区、平原区为主，其中低山丘陵区植被覆盖度较高，地势整体情况由西南向北呈明显的阶梯式下降趋势，不同区域地势高差介于216～840m区间。流域多年水资源量约638亿m3，地表水占比62.5%以上，其中人均水资源量约360m3，远远低于我国平均水平。近年来，随着我国城镇化与经济社会的不断发展，城市人口密集度不断增加，生态、农业、工业等行业需水量急剧增加，该流域水资源供需矛盾持续紧张，水生态环境恶化以及水污染问题严重，而承载力作为保障生产发展用水的基础和前提，是保证水系统循环的重要基础［1］。

为保证生态系统可持续良性循环，在科学利用水资源的条件下按照目前现有的经济、技术水平，能够持续支撑某地区历史发展阶段最大规模的能力和限度即为承载力的内涵。在可持续发展理论中许多学者对此开展了研究，段青春等［2］利用可支撑合理模型进行描述，并基于复合系统的角度探讨了节水设施的影响作用；周宏飞等［3］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；刘秀美［4］以阜阳市为例，通过建立基于多层次、主成分分析的线性回归模型，从可持续发展的角度系统评价了承载力状况。因此，承载力评价研究必然涉及人口、环境、社会、自然等多方面，并且各评价指标之间往往具有关联或互不相容等特征，对水资源承载力的等级利用评价标准表进行评判分析往往具有局限性或弊端。体现水环境系统保障社会经济良性发展的重要参数指标是水系统承载力特征，其概念是一个集多种因素的全面系统性指标。目前，用于承载力评价的方法主要有投影寻踪方法、层次分析法、模糊综合评判法、BP网络法等，各方法适用范围和特征也不尽相同。据此，本文基于辽河流域水环境与水资源实际状况，利用模糊综合与层次分析相结合的方法，对其2010—2016年的承载力水平进行了评价，以期提升水环境治理的有效性，并为水资源管理规划提供一定决策依据。

1 基于DPSIR框架的指标体系

1.1 建立指标体系

DPSIR模型是一种用于研究分析水资源系统中环境压力、现有状态与响应过程的理论方法，经过多次改进优化可广泛应用于环境报告。模型中所涉及的指标具有能够反映自然、生态、社会等协调的关系特点，并在生态安全、承载力水平、湿地健康以及工业污染评价等方面具有广泛的应用前景。DPSIR模型以自然系统内在驱动力、外来压力、系统状态、影响作用和响应程度5种类型为基本框架。因此，对水资源承载力的评价可从社会经济、生态环境以及水资源状态等方面综合考虑，从可持续发展的角度对比分析各指标作用，并选择具有代表性的指标建立评价体系，结果见表1。

表1 评价指标体系与分级标准

1.2 用层次分析法计算权重

层次分析法可简单、有效地解决无结构特性的多准则复杂决策问题，本文对承载力指标的权重采用该方法计算，并检验了各层次结构的排序结果。通过最大特征根λmax的求解，并进行归一化处理构造特征向量w，然后利用一致性检验公式：CI=对结构层次进行检验。结果显示，总层次和单层次排序均符合一致性检验要求，指标权重较为合理科学。

根据各指标权重可以看出，人均水资源量在指标体系中所占比重最大为0.23，是反映区域水资源未来发展开发潜力和现状情势的重要指标。在一定程度上，人均水资源量也是支撑和限制区域人口规模、社会发展的基础条件与关键因素。其次是与科技水平、产业结构、节水能力等相关的万元GDP用水量指标，其权重为0.21，该指标在驱动力作用下可促进水资源在DPSIR框架中发生改变，因此它不仅可以反映区域承载力水平，而且是衡量工业生产性的重要参数。水功能区是专门设计和划定的能够全面改善与维护水体环境、管理控制水污染体系的区域，是影响区域生态环境的主要参数之一。评价指标体系涉及了生态环境、水资源和社会发展的各个方面，并且重点突出了关键指标的作用，因此可用于评判和揭示辽河流域的水资源发展趋势和现状。

2 确定隶属度函数

模糊综合评价法可广泛应用于水资源、水环境等领域的评价，然而该方法也有局限，主要体现在以下两个方面：对指标权重进行确定存在一定的主观判断性；对承载力不同等级利用最大隶属度原则进行判定，在各评价指标等级隶属度相差不大时存在失效现象，并因此对评价结果造成一定的偏差。针对上述弊端和局限性，本文利用模糊综合法科学评价承载力水平，由此得到的评价结果相对于传统的方法具有更加可靠的准确度。模糊综合法应用的重要条件是确定合理的隶属度函数，结合各指标的内涵应设定不同的评判标准。所以，应首先对指标进行等级的划分，并根据隶属函数μvi确定指标隶属于相应级别的程度，然后综合评价区域承载力状况。

2.1 分级标准的确定

参考我国生态区建设标准和各区域水资源承载力平均水平，并根据辽河流域实际指标值和各指标内涵，将承载力等级划分为3个标准，并建立评语集V={V1，V2，V3}，所对应承载力分别为较强、一般和较弱。V1级表示该区域水资源处于可持续状态，水资源供给状况较好且开发潜力较大；V2级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级表示区域承载力已经达到极限状态，水资源短缺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。综合考虑辽河流域地理特征、气候环境等状况，确定在不同承载力等级标准下各评价指标的阈值，各指标取值范围见表1。然后通过1分制数量化各评语集等级，从而定量分析各因素的影响程度，其中 V1=0.95、V2=0.5、V3=0.05，承载能力随数值的增大而增强。

2.2 构造隶属度函数

利用线性隶属度函数对承载力指标隶属度进行计算，指标在两个相邻级别间的隶属度为1，隶属度在两侧临界点处的值为0.5，并平滑过渡两侧临界点处隶属度。引入12项指标组成的集合为Ci(i=1，2，…，12)，所对应评语集为V={V1，V2，V3}，计算分析各指标等级标准值和实测值确定评判矩阵R中的rij，指标Ci隶属于不同分级标准的隶属度函数可表示为

式中：μv1、μv2、μv3分别为在相应评价等级上指标 Ci的隶属度；k1、k2、k3分别为相应等级区间的临界值。

通过上述计算，可对不同评价等级下承载力指标的隶属度rij进行求解，计算方法为

3 辽河流域水资源承载力综合评价

3.1 指标数据来源

结合辽河流域2010—2016年水资源综合规划、水资源公报、统计年鉴以及政府工作报告等资料，对承载力指标数据进行收集整理，结果见表2。对部分难以量化和获取的指标数值，在征求了水资源领域经验丰富的专家意见后进行估算。

表2 辽河流域2010—2016年承载力指标数值

表3 辽河流域2010—2016年水资源承载力评分值

3.2 结果分析

对承载力各评判指标隶属于不同等级的隶属度rij，利用文中所述式(1)～式(3)进行求解，并得到2010—2016年的承载力评判矩阵R。然后依据评判矩阵R和指标权重系数矩阵W计算结果，并利用公式B=W×R得到辽河流域2010—2016年的承载力综合评价结果，从而求得相应的评分值A，结果见表3。

根据评分值A对承载力水平进行定性评价时，应对A值设定相应的临界值，A值小于0.4时，则可认为承载力处于超载状态；A值高于0.4时，则可认为承载力处于适载状态。由表3评价结果可以看出，辽河流域在2010—2013年的承载力尚处于超载状态，2014—2016年处于适载状态，引起该变化的原因可能与辽河流域的万元GDP用水量相关，随着科技的进步和产业结构的调整该指标用水量逐年降低。然而，辽河流域承载力水平目前仍处于适载与超载状态的中间水平，并有可能继续朝着超载状态发展。该评价结果与流域实际状况基本相符，进一步说明了指标体系的合理性与评价模型的科学性。

4 结语

辽河流域经济发展较快、人口密度较大，而河网水系的环境保护措施相对滞后，河流的水体污染、水资源浪费等现象严重，水功能区整体达标率较低，流域内经常出现缺水现象，水资源与水环境面临潜在威胁，对该流域承载力的研究具有重要意义。本文利用模糊综合法对水资源承载能力进行了科学评价，辽河流域承载力水平目前仍处于适载与超载状态的中间水平，并有可能继续朝着超载状态发展。仅仅依靠当地水资源依旧无法满足生态、经济等领域的用水需求，未来可通过采取工程措施提高洪水的调蓄能力，提高洪水资源的再利用水平。