辽宁省水资源承载力评价及水源调配研究

孔祥军

(沈阳市应急管理事务服务中心，沈阳 110034)

0 引 言

辽宁省地处我国东北南部，东与韩国、日本隔海相望，隔鸭绿江与朝鲜相接，南临渤海、黄海，属于东北地区既沿边又沿海重要的多外开放门户。该区域存在生态环境脆弱、水资源开采程度高和降水量小等特征，经济的发函和城镇化的推进使得水资源短缺问题更加突出，当前迫切需要科学规划区域水源调配方案和评价水资源承载力。

从20世纪80年代水资源承载力提出以来，现已发展形成SD法、多目标法和指标体系法等研究方法，其中应用最为广泛的方法为指标体系法。权重的合理分配为指标体系法评价的核心内容，权重的合理分配所涉及的信息有：评价指标权重满足准确合理性要求，能够客观、准确的体现不同区域的水系统承载力整体状况；依据权重值大小能够对比各评价单元的差异水平[1-3]。针对权重的分配问题，前人已尝试了熵值法、主成分分析法、AHP法、模糊综合法及支持向量机等多种方法，根据权重分配的主要依据可分为主观、客观赋权两大类，实际应用过程中各方法存在其使用范围和不足。如，AHP法主要结合人为评判的重要度作为赋值依据，由此获取的权值通常存在较强的不确定性；而熵值法虽然规避了人为赋权存在的不足，但指标权重均值化现象在各评价单位实际应用中普遍存在。近年来，针对高维数据兴起了一种投影寻踪的处理方法，通过分析数据群的自身信息及其结构特征，可实现一维信息反映多维数据的压缩处理，由此客观反映各评价单元之间的承载力差异和区域水资源的总体承载力水平。鉴于此，文章考虑水资源系统的复杂性、区域性和不确定性特征构建适用于该区的承载力评价体系，结合投影寻踪理论形成综合评价模型，结合各分区承载力评价结果制定有效的水源调配方案。

1 水资源承载力评价体系

1.1 区域概况

辽宁省位于E118°53′-125°46′，N38°43′-43°26′范围，下辖沈阳、大连、抚顺、铁岭、朝阳、葫芦岛等14个地级市和2个省管县组成，总面积14.8万km2。该区域地势结构呈中部低、东西两侧高的特征，两侧的山地丘陵平均海拔为500-800m，中部的辽河平原海拔约200m，狭长的海滨平原素有“辽西走廊”之称，地貌形态大致分为“六三一水三分田”。研究区为大陆性季风气候，年均气温为7.0℃-11.5℃，气候特征为冬季少雨干暖，夏季气候凉爽，日照充足，年降水量600-1100mm。由于复杂的气象条件和特殊的地理环境，降水量存在明显的季节性和区域性特征，每年的6-9月降雨较为集中且多暴雨或强降雨；空间尺度上，中部平原地区较高山低降水较少，与渤海相邻的东南部降水量充足，而西北部降水稀少且风沙干旱严重。辽宁地区分布有饶阳河、大凌河、太子河、浑河、辽河等河流，各支流纵横交错、万元曲折，岛屿有大鹿岛、长兴岛、石城列岛及里长山列岛等266个，全省岛岸线长627km。辽宁地区的水资源利用存在以下特征：水资源利用以地下水为主，布局地区的地下水过度开采且水资源浪费严重；水资源边际效益低、可开发总量少、开采成本高；工矿产业及资源开发与工业用水基本匹配，境内水生态功能和水系统承载力呈下降趋势[4-6]。

1.2 评价指标体系

生态、经济、社会与水资源系统之间存在相互影响、互相关联的复杂关系，因此构建的指标体系既要反映各子系统之间的协调程度，同时要体现水系统供需平衡关系和水资源利用的特点。文章结合水资源研究相关资料，遵循可获取性、系统性、层次性、独立性和代表性等原则构建多要素多层次评价体系如表1。该承载力评价体系较以往研究存在以下不同：①引入地下水开发程度指标更好地突出地下水的作用，未考虑区域内的地表水作用；②区域降水量情况为决定地下水的关键因素，对此列出降水量指标；③为了突出牲畜用水情况，将以往的农田灌溉用水利用畜牧用水指标替代；④考虑到辽宁地区的生态用水状况，以总用水量中生态用水的占比作为生态用水率，从而体现生态环境受生态用水的影响[7]。然后根据现场调查相关信息、环境统计公报、统计年鉴及水资源公报等资料获取研究区各评价指标的初始数据，如表1所示。

表1 水资源承载力评价体系及各分区初始数据

当前，还未形成普遍适用的单项指标隶属于不同承载力水平的取值区间和水资源承载力等级划分标准。文章结合区域发展规划和国家公认的评判标准，考虑区域水资源特点将其承载力标准划分为Ⅰ-Ⅴ级，相应的评语为强、较强、中等、较弱、弱。根据其它相似地区的研究资料和行业用水定额标准，确定单项评判指标隶属于不同等级的量值区间如表2所示。

2 投影寻踪模型的构建

投影寻踪法是一种能够有效分析非线性、多样本的数学分析法，对于形式化、数学化非正态高维数据的处理具有较高的应用价值。其理论依据将存在一定内在规律的高维数据运用计算机技术投影至1-2维的低维子空间，通过极小化转换确定最大限度的体现原高维特征的投影方向，通过对低维子空间中投影数据的分析达到处理高维数据的目标。文章简要介绍了投影寻踪的建模流程，具体如下：

表2 水资源承载力等级划分

步骤一：归一化处理数据。由于各参评指标的单位和数量级不同而无法直接参与运算，承载力评价前应先将各指标初始值归一化处理至0-1区间。针对参数值越大则水资源承载力越高型指标，其归一化公式为：

(1)

针对参数值越小则水资源承载力越高型指标，归一化处理公式为：

(2)

(3)

其中，wij=ajxij为评价指标j关于分区i的投影分量值。

(4)

3 水资源承载力投影寻踪评价

3.1 评价结果

采用Matlb编程完成投影寻踪模型的运算，其中实数编码的遗传算法和投影寻踪的部分模块选用Genetic Algorithms Toolbox、自编程序。模型设置的较差概率为0.80，优秀合体数和初始父代种群规模为20、400。根据搭建的寻踪模型和辽宁省各分区指标值，获取能够尽可能反映多维数据特征的最佳投影方向为0.0174、0.4039、0.1926、0.3342、0.4386、0.0617、0.1255、0.0931、0.5788、0.0545、0.0253、0.3441，输出的投影特征值为辽东1.4250、辽南0.7316、辽中0.4801、辽西0.1402、辽北0.8122。该输出结果与以上运算流程基本相同，选用平均值作为区间范围指标数值，将模型输入不同承载力分级标准后获取相应的特征值为：弱、较弱、中等、较强、强的等级区间为<0.7386、0.7386-2.0378、2.0378-3.0345、3.0345-3.4641、>3.4641。

根据以上运算结果，辽宁省各分区的水系统承载力总体处于较弱水平。其中，辽东地区的承载力达到较弱的Ⅳ级，而其它各分区均为弱的Ⅴ级。水资源承载力从低到高排序为：辽西<辽中<辽南<辽北<辽东地区。

3.2 合理性检验

对承载力评价的合理性进行定性分析，地下水为辽宁地区的主要用水方式，该地区的降水量相对较小且地下水利用率较高，因此综合评价结果为较弱水平具有合理性。具体而言，辽东地区临近沿海且降水量较为充足，已建的许多水利工程在很大程度上缓解了当地供水压力，所以水资源承载力相对较高；而辽西、辽中地区多风沙且降水量少，地下水供给压力较大，因此水系统承载力处于弱水平。通过以上分析，较为准确的验证了评价结果的合理性。

水资源承载力受各指标的影响程度通过最佳投影方向描述，其中权重值>0.3的参数有生态用水率、单位GDP耗水量、人口密度、地下水开发程度及人均水资源量，这些指标较好的体现了各分区之间的指标差异性和辽宁地区整体的水资源承载力。虽然，单位面积牲畜量、GDP年增长率、人均生活用水量、牲畜增长率和降水量等指标也对评结果产生影响，但其差异性在各分区内相对较小，所以均质化现象较为明显，赋予的权值也就较低。据此，在权重分配过程中投影寻踪模型保证可评价结果的客观性和准确性。

3.3 水资源配置方案

根据辽宁省水资源分布特点和水资源供需分析结果，以已建和拟建的大中型水利工程为依托，构建由北、中、南三线构成的“东水济西”总体水资源配置格局。全省城市及开发区、乡、镇近、远期围绕大伙房水库输水工程、辽西北供水工程、观音阁引水、三湾水利枢纽、引洋入连等骨干工程进行配置。“东水济西”三线工程全部建成后，配合对地下水资源的有效管理和合理利用，可以根本解决辽宁水资源短缺问题。如：辽西地区的水资源承载力较其它地区最弱，充分考虑当地水资源特点和实际情况，辽西地区的经济发展和居民生产生活已明显受到水资源短缺的影响，制定科学有效的水源调配方案已成为亟待解决的重要问题。辽西地区过境河流较多，其地表水可利用量丰富，因此存在工程调水的客观条件；根据辽西地区大凌河、辽河、浑河等地质勘探相关资料，可通过从辽西北供水工程调水至辽西地区，从而缓解该地区的供水压力。另外，通过采取科学规划和统一管理区域水资源，持续推进辽西地区水生态保护及水污染防治工作，实施生态工程建设与小流域综合治理等，进一步提升用水效率、农业产出效益及水资源承载力[18-22]。

4 结 论

文章结合水资源系统的复杂性、不确定性和区域性特征，从生态、经济、社会和水资源4个子系统构建承载力评价体系，然后运用投影寻踪模型科学评价了不同分区的水资源状况。结果发现，辽东地区处于较弱承载力等级，其它地区均处于弱等级，其中辽西地区最弱。根据最佳投影方向识别出水资源承载力主要影响因素有地下水开发程度。生态用水率、人口密度、人均水资源、单位GDP用水量指标。

综合考虑流域水资源分布特征、水利工程施工难度及水文地质条件等，建议充分利用辽河流域地表水资源缓解该地区的供水压力；另外，为进一步提升用水效率、水资源承载力和农业产出效益的措施，从水源管理、水环境保护、河道治理等方面提出了有效的建议措施。