基于风险矩阵的多要素水资源承载力综合评价方法

徐翔宇,郦建强,金菊良,陈 磊,董 涛,陈梦璐,张浩宇

(1.水利部水利水电规划设计总院,北京 100120; 2.合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009;3.合肥工业大学水资源与环境系统工程研究所,安徽 合肥 230009;4. 安徽省(水利部淮河水利委员会)水利科学研究院水利水资源安徽省重点实验室,安徽 合肥 230088)

水资源是维持区域社会稳定、保障区域经济稳定增长和维护区域生态环境可持续发展的重要自然资源,承载力是一个物理概念，指物体在不产生任何破坏时所能承受的最大负荷[1]。水资源承载力是承载力概念在水资源、经济社会和生态环境3个子系统所组成的复合系统中的具体体现。水资源承载力的研究最早可追溯到20世纪 70 年代,国际相关组织针对资源匮乏国家的土地、水等资源的承载力进行相关研究,并提出了水资源承载力的相关概念[2]。国内,施雅风等[3]最早明确提出水资源承载力概念,随后有关水资源承载力的研究取得了许多成果[4-11]。

水资源承载力评价是结合相关定性概念和评价模型定量化地判断区域水资源的承载状态,它是水资源承载力预警的重要组成部分,其评价结果对优化区域水资源配置和促进区域生态环境可持续发展等方面具有现实的指导意义。当前,水资源承载力的评价方法主要有综合评价方法[12-16]、系统分析方法[17-21]和经验公式方法[22]等。王建华等[1]在研究水资源-经济社会-生态环境3大系统相互关系的基础上,从量-质-域-流4个维度出发赋予水资源承载力新的内涵,是研究水资源承载力的一次有益探索。目前,从量-质-域-流4个维度评价区域水资源承载力尚存在一些难点,其中一个关键问题是如何同时考虑四要素的评价结果以得到水资源承载状态的综合评价结果。当前,解决上述问题一般采用短板法[22]或加权和综合法[23]。短板法取各要素中最差的评价结果作为最终的综合评价结果,这种极端的取值往往造成水资源承载力综合评价结果与区域水资源实际承载状况有较大的偏差。加权和综合法则是将四要素的评价结果通过加权综合得到最终的综合评价结果。这种加权的方法属于黑箱方法,一方面忽略了水资源承载过程的物理含义,使得综合评价的过程缺乏物理解释性,另一方面在计算四要素权重时存在一定的模糊性和随机性,导致综合评价结果具有较大的不确定性。风险矩阵是一种定性与定量相结合的综合评价方法,用于多要素的合成时可充分考虑各合成要素提供的信息,根据评价对象的综合过程通过修正风险矩阵的合成规则达到综合评价的目的,具有适用性广、可操作性强等特点。风险矩阵已在区域水资源承载力评价中得到初步应用[24-25],初步验证了其综合评价过程具有物理解释性这一特点。鉴于此,本文将风险矩阵应用于水资源承载力的量-质-域-流四要素评价结果的综合评判,得到区域水资源承载力综合评价的最终结果,构建基于量-质-域-流四要素和风险矩阵的水资源承载力综合评价模型(evaluation model of water resources carrying capacity based on water quantity-water quality-water space-stream flow four elements and risk matrix, QQSS-RM),并在西辽河流域进行实证分析研究。

1 基于四要素和风险矩阵的水资源承载力评价模型

构建区域水资源承载力QQSS-RM评价模型的思路是采用综合评价的方法得到量-质-域-流四要素的水资源承载力评价等级,通过分析四要素的内在含义,先用风险矩阵分别将水域、水流要素作为水量、水质要素的修正要素考虑水量-水域(水质-水流)二要素综合后的承载力评价等级,再用风险矩阵综合水量-水域双要素和水质-水流双要素的评价等级,最终得到区域水资源承载力的评价结果。

1.1 水资源承载力评价指标体系

受区域水资源承载力评价对象时空差异等客观因素的影响,建立合适的水资源承载力评价指标体系一直以来都是水资源承载力评价研究中的重点和难点,本文参考相关文献分别选取量-质-域-流四要素以及各要素子系统中包含的评价指标,建立区域水资源承载力初步评价指标体系[26-28]。评价指标数据集记为{xhgk|h=1,2,…,H;g=1,2,…,G;k=1,2,…,ng},其中H、G(G=4)和ng分别为评价样本的总数、要素子系统的总数和第g要素中评价指标总数。

1.2 四要素中各评价指标的权重

合理确定四要素中各评价指标的权重是科学评价区域水资源承载力的重要组成部分,本文采用专家咨询信息和遗传层次分析法计算四要素中各评价指标的权重wgk(wgk表示第g个要素中第k个评价指标的权重)。设专家r对第g个要素中第k个评价指标的重要性排序值为{x(g,k,r)|g=1, 2, 3, 4;k=1, 2, …,ng;r=1, 2, …,R},其中R为咨询的专家总人数,则第g个要素中第k个评价指标的重要性排序值对应的均值和标准差计算式为[29]

(1)

(2)

显然,重要性排序值越小则该指标的重要性越高[26-29],根据文献[29]建立第g个要素的互反判断矩阵为

Pg=(pg,k,l)

(3)

式中:pg, k, l为第g个要素中第k个评价指标优于评价指标l的程度(l=1, 2, …,ng)。当pg, k, l=1时表示评价指标k和l同等重要;当pg, k, l>1时表示评价指标k比l重要,且pg, k, l越大表示评价指标k比l越重要,反之亦然[29-30]。

通常情况判断矩阵Pg可能不具有满意的一致性。设Pg的修正判断矩阵为Qg=(qg, k, l),Qg中各评价指标的权重仍记为wgk,则使式(4)达到最小值的Qg为Pg的最优一致性判断矩阵[30]。

(4)

(k=1,2,…,ng-1;l=k+1,…,ng)

式中:C(ng)为一致性指标系数;d为非负参数,根据经验可从区间[0, 0.5]内取值。利用加速遗传算法[31]求解式(4)较为简便而有效[30]。当C(m)≤0.2时一般认为判断矩阵Pg具有满意的一致性,此时得到第g个要素中的第k个评价指标的权重wgk具有较高的可信度,否则可以改变非负参数d或修改原判断矩阵Pg使之满足一致性要求。

1.3 评价等级标准

参考相关文献[25]将区域水资源承载力划分为4个等级:不超载、临界超载、超载和严重超载。不超载,代表区域水资源承载力可以支撑区域经济发展、保持社会稳定和维持生态环境可持续发展;临界超载,代表区域水资源承载力可以维持区域经济、社会、生态环境3个系统正常运行,但同时存在水资源承载力超载的风险;超载,代表水资源不足以支撑区域经济、社会、生态环境3个系统,区域存在水资源短缺,水环境破坏和饮用水供应不足等水问题;严重超载,代表区域存在水资源匮乏,水质污染严重,水域空间遭受严重侵占或河流断流等严重水问题。

1.4 区域水资源承载力等级

水量要素所考虑的是当维持人类生活生产、支撑社会经济发展和维系生态环境可持续发展所用的水量超出区域水循环可更新的水资源量时,由此带来地下水过度开发等问题,而这类问题是阻碍人类生活、制约区域经济发展和破坏生态环境的重要因素。水域要素所考虑的是区域为了经济发展、防洪排涝、农业灌溉等需求修建水库、河道等水利工程，对原有的水域空间的侵占或改变。区域水域空间的侵占和改变将直接影响区域的水量,进一步影响区域水量要素的承载状况。因此,综合相关研究结果和专家的意见,将水域要素作为水量要素的修正要素,运用风险矩阵判断水量-水域2个要素综合后的承载力等级结果见表1。

表1 基于风险矩阵方法的水量-水域二要素综合评价等级

水质要素所考虑的是人类生产生活和经济发展都会产生一定数量的污染物,造成区域水资源的质量下降。当污染物入河量一旦超过水体的纳污能力,就会造成水体的相关功能丧失,此时劣质的水资源则较难满足人类生活、经济发展、灌溉排水和维持生态环境等对水质的基本要求。水流要素所考虑的是河流水资源的过度使用或者是在河流上建设拦阻工程,造成河流水流流速减缓,严重时可能导致断流等现象。较快的水流速度可以加快河流内的水循环,对修复水质有一定的积极作用,进一步影响水质要素的承载状况。因此,将水流要素作为水质要素的修正要素,运用风险矩阵判断水质-水流2个要素综合后的承载力等级,结果见表2。

表2 基于风险矩阵方法的水质-水流二要素综合评价等级

参考文献[25], 运用风险矩阵综合考虑区域水量-水域二要素综合后的评价等级和水质-水流二要素综合后的评价等级,判断量-质-域-流四要素综合后的区域水资源承载力等级,结果见表3。

表3 基于风险矩阵方法的量-质-域-流

2 西辽河流域水资源承载力评价

2.1 研究区概况

西辽河流域位于我国东北地区西南部,流经河北、辽宁、内蒙古和吉林四省,河流全长829 km。西辽河流域地理坐标为:东经119°04′～125°01′,北纬42°00′～45°00′,北以松辽流域分水岭为界和松花江流域接壤,东接东辽河流域,南临辽河干流和大、小凌河,西与七老图山、努鲁儿虎山、医巫闾山和滦河流域毗邻。西辽河流域面积13.52万km2,行政区划包括吉林省、辽宁省、内蒙古自治区和河北省,分别占流域面积的2.62%,2.58%,91.89%和2.91%。西辽河流域上游为老哈河,下游为西辽河干流,主要支流有西拉木伦河、教来河、新开河和乌力吉木伦河等。西辽河流域地处中温带半干旱季风气候区,大陆性气候显著,表现为春季干燥多风,夏季湿热多雨,秋季凉爽,冬季严寒少雪的气候特点。西辽河流域降水量从东南向西北逐渐减少,从650 mm减少到325 mm,实测年最大降水量1 007.1 mm、年最小降水量158.9 mm。降水量在时间上分布不均匀,6—9月降水量占全年总降水量的80%以上。

表4 区域水资源承载力评价的初步指标体系[26]

2.2 四要素水资源承载力评价

参考相关文献并征询相关专家的意见和建议,依据构建水资源承载力指标体系的系统性原则、综合性原则、动态性原则和实践性原则[26]。在构建量-质-域-流四要素的评价指标体系时,将考虑各要素所囊括的评价指标分成支撑力指标和压力指标。水量要素的支撑力指标主要包括区域水资源总量和可利用水总量等,水量要素的压力指标主要包括维持人类生活、经济发展和生态环境所需要的水资源量等。水质要素的支撑力指标主要包括水资源系统的纳污能力等,水质要素的压力指标主要包括人类生活和企业发展等相关人类活动会产生一定的入河污染物等。水域要素的支撑力指标主要包括天然水域面积和河网密度等,水域要素的压力指标主要包括人类活动开发利用水域岸线和取用生态水等。水流要素的支撑力指标主要包括天然水流状态和区域的生态流量等,水流要素的压力指标主要包括人类活动造成水流阻隔等情况。综上分析,建立西辽河水资源承载力评价指标体系,各个评价指标如表4所示。这里采用在各种评价指标体系评价中计算权重都是适用的一种改进层次分析法,即AGA-AHP法计算四要素中各评价指标的权重wgk,如表4所示。

表4所提供区域水资源承载力的初步评价指标体系可较为完善、系统反映了一般区域水资源的承载状况,但综合全部的48个指标评价区域水资源承载力在资料获取等方面存在较大的难度,实际上也无必要。在此基础上,根据用AGA-AHP计算的四要素评价指标的权重大小和评价指标是否能代表区域水资源的承载状况,制定两个筛选原则,筛选出相关评价指标,分析得到综合评价指标,用综合评价指标构建区域水资源承载力的评价指标体系[26]:①水量要素中区域用水总量、区域可利用水量、区域水资源总量、平原区及超采区地下水开采量和区域地下水可开采量指标对应的权重较大。区域用水总量反映区域经济社会和生态环境对水资源系统的实际耗水量,将区域用水总量和区域可利用水量比较得到区域用水程度,是反映区域水资源量是否能够保障区域经济社会和维持生态环境的直接体现。将地下水开采量和地下水可开采量比较得到区域地下水开采程度,是反映区域地下水是否被过度开发的直接度量标准。因此,将区域用水程度和地下水开采程度作为水量要素的综合评价指标。②水质要素中水功能区水质达标率、区域氨氮入河量和允许入河量、区域COD入河量和允许入河量所对应指标的权重较大。水功能区水质达标率的含义是满足水功能区水质达标个数和水功能区总个数的比值,可以反映出区域水资源被污染的情况。综合考虑区域污染物入河量和区域污染物允许入河量2个方面得到区域污染物限制排放量,考虑将污染物入河量和污染物限制排污量的比值作为水质污染程度度量标准。因此,将水功能区水质达标率和水质污染程度作为水质要素的综合评价指标。③水域要素中区域水资源开发利用程度和水域岸线开发利用程度2个评价指标的权重较大,作为水域要素的综合评价指标。④水流要素中河流库径比和生态流量保障率2个评价指标的权重较大,作为水流要素的综合评价指标。综上,构建得到西辽河量-质-域-流四要素水资源承载力评价指标体系,如图1所示。

表6 水资源承载力评价指标等级划分标准

注:生态流量是指维系河流、湖泊和沼泽等水生态系统的完整性、系统性和稳定性,保障人类生存与发展的合理需求,需要保留在河流、湖泊、沼泽内的流量及其过程。生态流量过程中枯水期最小值通常称为生态基流。

图1 水资源承载力评价指标体系

参考文献[26]得到量-质-域-流四要素的权重,计算各要素选取的各评价指标的权重如表5所示。

表5 水资源承载力评价指标权重

单个要素所包含评价指标的不超载、临界超载、超载和严重超载4个等级划分标准需要结合评价区域经济发展水平、生态环境现状和社会人口等因素来合理确定。综合相关专家意见和相关参考文献[22],得到西辽河水资源承载力8个综合评价指标的等级划分标准,如表6所示。

选择西辽河流域的水资源三级区作为评价单元,包括西拉木伦河及老哈河、乌力吉木伦河和西辽河下游区间。收集相关资料计算得到4个要素中各评价指标值,将这些评价指标值与评价指标等级标准比较,得到各评价指标的水资源承载力评价等级。根据四要素中各评价指标的权重对各评价指标的水资源承载力评价等级进行加权计算,最后得到西辽河流域三级区的量-质-域-流各要素的评价结果如表7所示。

为进一步直观化地反映西辽河流域水资源承载力量-质-域-流各要素水资源承载状态的空间差异,作图如图2所示。

图2(a)所示西辽河流域水量要素的承载状况总体较好。由表7可知:西拉木伦河及老哈河区域的用水总量低于区域用水总量的控制指标,且地下水开采量较少,水量要素的综合评价等级处于不超载;乌力吉木伦河的用水程度较低,但地下水开采程度相对较高,考虑到地下水开采程度的权重高于区域用水程度,水量要素综合评价等级为临界超载;西辽河下游区间用水程度和地下水开采程度相对较高,水量要素综合评价等级为临界超载。

图2 西辽河流域量-质-域-流各要素水资源承载状态评价结果

表7 西辽河流域单要素水资源承载力评价等级

注:20世纪80年代以来,特别是2000年以后,受自然因素和人类活动的双重影响,西辽河断流时间增加、断流情况加重,将生态流量过程中枯水期最小值通常称为生态基流,致使生态基流为0。

图2(b)所示西辽河流域水质要素的承载状况一般。由表7可知:西拉木伦河及老哈河区域水功能区水质达标情况一般,水质污染程度严重,水质要素的综合评价等级为超载;乌力吉木伦河的水功能区水质达标情况较好,水质污染程度较低,水质要素的综合评价等级为不超载;西辽河下游区间水功能区水质达标情况较好,水质污染程度一般,考虑到水质污染程度的指标权重高于水功能区水质达标率,水质要素的综合评价等级为临界超载。

图2(c)所示西辽河流域水域要素的承载状况较差。由表7可知:尽管西拉木伦河及老哈河、乌力吉木伦河和西辽河下游区间的水域岸线开发利用程度很低,但该3个区域的水资源开发利用程度普遍很高,综合考虑得出3个区域水域要素的综合评价等级分别为临界超载、临界超载和超载。

图2(d)所示西辽河流域水流要素的承载状况很差。由表7可知:西拉木伦河及老哈河、乌力吉木伦河和西辽河下游区间的河流库径比较大,表明河流被阻隔较为严重,而常年的河流断流导致生态流量无法得到保障,综合考虑得出3个区域水流要素的综合评价等级分别为严重超载、超载和严重超载。

将上述四要素的评价结果用风险矩阵法和短板法进行合成得到西辽河流域水资源承载力的综合评价结果如图3所示。

图3 西辽河流域量-质-域-流四要素水资源承载状态综合评价结果

采用风险矩阵法,得到西拉木伦河及老哈河、乌力吉木伦河和西辽河下游区间的水资源承载力综合评价等级分别为超载、临界超载和超载,表明西辽河流域的水资源承载状况较差;采用短板法,上述3个水资源三级区的水资源承载力综合评价等级分别为严重超载、超载和严重超载,表明西辽河流域的水资源承载状况非常差。风险矩阵法、短板法两种方法所得结果总体上保持一致,同时也存在一定的差异。短板法直接采用量-质-域-流四要素中最差的评价等级作为区域水资源承载力评价等级,这种方法得到的综合评价结果较为保守,不能客观反映出区域水资源的实际承载状况。例如,乌力吉木伦河的水量要素、水质要素和水域要素评价结果较好,水流要素的评价结果差,综合考虑得到区域的水资源承载状况应该是一般,而用短板法得到的结果是超载等级,与区域水资源的实际承载状况存在较大的差异。将风险矩阵应用到量-质-域-流四要素的等级合成,可进一步考虑四要素之间的内在关联,将水量与水域、水质与水流分别进行评价等级合成,评价过程具有物理解析意义。用短板法进行等级合成时,若某单一要素的评价结果很差,最终的综合评价结果必然也很差,不合理地忽略了其他评价要素的重要性,而采用风险矩阵法的综合评价结果就要科学合理得多。

3 结 论

a. 将量-质-域-流四要素应用于区域水资源承载力评价时,难点是如何综合考虑四要素得到最终的区域水资源承载力评价结果。目前常用方法是运用短板法进行四要素的合成,将四要素中最差的评价等级作为区域水资源承载力的最终评价结果。风险矩阵法是一种定量和定性相结合的综合评估方法,风险矩阵在进行双要素的合成时,可充分考虑合成要素的内在含义和相互关系。本文用风险矩阵综合量-质-域-流四要素得到区域水资源承载力的评价结果,提出了基于风险矩阵的量-质-域-流四要素水资源承载力评价模型(QQSS-RM)。

b. QQSS-RM在西辽河流域水资源承载力的评价结果表明,基于风险矩阵进行量-质-域-流四要素的合成所得到的区域水资源承载力综合评价结果更加符合区域水资源的实际承载状况,在将量-质-域-流四要素进行两两合成时,充分考虑合成要素的相互关系和内在联系,增强评价过程的物理解释性。风险矩阵方法不仅避免了短板法进行多要素合成时忽略其他要素的重要性，使得评价结果较差的不足，同时也克服了短板法评价结果的跳跃性和不稳定性,以及由此产生的与区域水资源的实际承载状况的差异。

c. 本文提出的水资源承载力评价模型进一步完善了风险矩阵方法在水资源承载力评价上的应用,为水资源承载力评价提供了新方法,使评价结果更具解释性、更趋科学合理。