基于强度控制的多维度水资源承载力评价指标体系

2021-08-19田硕秋王玉

四川水利 2021年3期

田硕秋，王玉

(1.四川省广元水文水资源勘测局，四川广元,628017)(2.广元市利州区水利局，四川广元，628017)

引言

水是一种不可替代的维持区域经济、社会和生态环境可持续发展的自然资源。在物理学领域中，承载力是指一个物体在不发生结构或功能破坏的前提下，能够承受的最大荷载。虽然我国水资源总量丰富，但人均水资源量较低，水污染问题日益严重。由于不同地区发展水平不一致，水资源问题日益突出，甚至会出现水资源承载能力超载现象。当前水资源承载能力评价指标体系多种多样，评价方法也日益丰富。李娟芳[1]通过选取水质、水量、水生态、社会经济4项指标，对洛阳市水资源承载能力进行了评价；根据人水和谐理论，张艳明、孟珍珠[2-3]从健康、发展、协调三个方面的26个指标对辽宁省和安徽省阜阳市的水资源承载能力进行了评价；于倩雯等[4]采用模糊物元法和因素分析法对青海省水资源承载能力进行了评价。目前的评价指标体系都是从环境系统的角度来选择的，还没有反映出水资源承载能力与系统结构功能之间的物理关系。为进一步分析水资源承载能力的物理内涵，构建强度控制的多维度水资源承载力评价指标体系，以强度控制为基础，为构建分析水资源环境承载能力提供理论依据和新思路。

1 研究区域

以四川省广元市的嘉陵江流域为研究区域。嘉陵江自清风峡进入广元境内，由北向南纵贯广元市境中部，沿着嘉陵江共有16个乡镇驻地，众多小流域与嘉陵江干流组成嘉陵江水系。该区域土壤水平、垂直地带性分布规律如表1所示。

表1 嘉陵江流域土壤水平、垂直地带性分布规律

随着广元市人口总量持续增长，污染物产生量继续增加，环境约束日趋强化。在保证环境不被污染情况下，对水资源承载力展开分析是很有必要性的。

2 基于强度控制水资源承载过程

承载力原为结构力学中的物理量，通过对概念内涵的扩展，得到水、土壤、资源、环境的生态承载能力，用以表示各种资源面对外部环境变化时的最大承载能力。承载力是衡量和判断系统结构的相对稳定性和功能平衡性的重要指标，这是一种与可持续发展密不可分的、主客观相统一的相互反馈机制[5]。水量、水质和机械能是决定水流系统结构的主要因素，地形环境作为最直接的水流载体和边界条件，与水流系统有着密切的联系，具有独特的流域作用和多种水生生境，其中，强度控制的连通性和栖息环境是保障该机制发挥的主要因素。连接包括时间和空间上的水流联系，是水循环和流域流动的物理保证；水生栖息环境是强度控制对多维度水资源承载力的支持和反应[6]。

总之，强度控制水资源承载力可通过四个维度的要素来表征：水量、水质、水生栖息环境和连通性。在图1中显示了强度控制结构、功能与水资源承载能力的关系。

图1 强度控制结构、功能与水资源承载力关系

由图1可知，强度控制结构、功能与水资源承载力间是通过水量、水质、水生栖息环境和连通性四个一级指标联系的。

2.1 水量

在经济和社会用水过度的情况下，挤占了河流和湖泊的生态水量，造成河流干涸、湖泊萎缩、地下水过度开采等现象时常发生。在影响自然水循环过程的同时，也影响了经济社会系统与生态环境系统之间的关系，导致水资源三大功能不能正常发挥，区域水资源承载力下降。水资源可利用总量是基于技术可行性基础上考虑的，真实反映出该地区非河流经济社会系统可利用的最大水量，表示水资源承载力的水空间支撑力[7]。区域水资源可利用总量越大，水资源承载能力就越强。维持人类生活、经济发展和生态环境所需要的水资源总量给水量维度造成一定压力，水资源承载力越大，区域水资源承载状况就越差。

2.2 水质

一旦入河污染物超过了水体的承载能力，将导致水体功能的丧失，不符合水质要求的水资源也难以满足生态系统需求。水环境质量维度的支撑作用体现在与水资源纳污能力相关的因素上，纳污能力的高低在很大程度上决定了区域水资源承载力，一个地区水资源系统纳污能力越强，其承载力就越强。水质压力对水资源承载力的影响主要表现为该地区人类生活污染对水资源系统的破坏程度，区域水资源承载能力随着破坏程度的增大而降低。

2.3 水生栖息环境

伴随着城市化进程的加快和人类对自然的改造逐渐深入，水空间的不断利用以及人类对自然生境的大规模干扰，强迫开垦、修整河道，增加防渗护坡，限制河流的自然摆动，占用海岸线和水域等，对水生生物栖息场所造成不同程度的破坏。对于水生栖息环境受到的破坏可分为四个等级，分别是简单可修复水生栖息环境、复杂水生栖息环境、难以可修复水生栖息环境、不可修复水生栖息环境。水资源承载力水生栖息环境维度的支撑作用体现在区域生态环境对维护区域动植物生境所必需的相关功能上，区域水资源承载能力较强的地区，生境环境条件较好。水体环境压力是指人类活动对水体环境的干扰，区域水资源承载状况随着扰动程度的增大而恶化。

2.4 连通性

在大尺度水循环背景下，水流系统的连通性不仅表现为水流更新，而且还包含了河段水流结构特征。其在大时空尺度上表现为河流、湖泊的水文状况；在小时空尺度上表现为与物理栖息环境的相互影响。在人类活动日益频繁的情况下，筑坝和过度取水切断了水与水之间的水力联系，阻碍了河流的水平、垂直和纵向连通，破坏了原有的水文节奏。水源连通性尺度的支撑作用表现为流域内水流通道相对畅通，在水流系统中，充分发挥物质输送、能量传递和信息传递的载体作用，是所有生态过程的基础，人工阻断的水流通道越小，其水资源承载能力越强。连通性维度的压力主要表现为供水、发电、航运、养殖等社会服务功能在时间和空间上的阻隔与不连续。

总之，多维度水资源承载力主要取决于水压力平衡情况，该因素受到承载力影响，在一定经济技术支持下，构建多维度水资源承载力评价指标体系。

3 多维度水资源承载力评价指标体系构建方法

构建水资源承载力评价指标体系，分析水资源与水资源承载力之间关系，由此完成指标体系研究。

3.1 指标体系构建

在构建指标体系时，应先分析能够对水资源承载力产生影响的客观因素，然后对水量、水质、水生栖息环境、连通性四个指标进一步分解，获取二级指标，由此构成相应指标体系。通过上述分析，确定基于强度控制的多维度水资源承载力评价指标体系。如图2所示。

图2 基于强度控制的区域水资源承载能力评价指标

(1)水量质量

区域水资源承载能力的水量尺度不仅与降雨、径流等地区水资源背景有关，还与人类活动密切相关。经济生态发展与生态环境保护之间存在用水冲突问题，在社会不断发展的今天，地方生态水资源消耗与社会水资源循环利用冲突更为明显。承载支撑力是指降水量、径流深度、区域总耗水量、平原区地下水抽取等；压力是指不同行业对水资源的需求和区域可用水资源总量。取用水时，可通过调整定额、提高取用水效率措施，提高水资源承载能力。

(2)水质指标

水体对污染物有一定的降解能力，能自我更新修复。污染物超出环境容量或水体容量是造成水污染的根本原因，因而，水体允许纳污能力和水功能区水质符合率可以作为一个支持性水质维度的指标；压力指标可以描述污染物的实际排放量、入河量等；有关降低污染物排放量、提高水质符合率等指标可作为调节能力指标。

(3)水生栖息环境指标

河流地貌又称水生栖息环境，是水生态系统中的重要非生物因子。其作为水流动的载体，在更大的时空尺度上，表现为与气候、自然地理条件等因素相互作用，并相互影响；在较小的时空尺度上，表现为与水流动条件及周围生境动态演化相适应，从狭义上讲，它是一个包含了许多物理空间元素的栖息系统，如河流湖泊形态、坡度、河湖底质、岸坡等。水生态环境的结构完整性、功能稳定性、多样性、异质性是水生态系统健康持续发展的重要标志。

(4)连通性指标

畅通的水流通道既是水流系统物质、能量、信息传递的载体，又是生态系统发展演化的动力基础。每一条河流在外界环境影响下，都有其独特的水文规律，使维持水循环等自然净化功能和供水、发电等社会服务功能得到充分发挥。

3.2 评价等级确定

充分考虑区域水资源承载力和区域经济社会发展的协调性，可将其划分为5个等级，分别是好(a1)、较好(a2)、一般(a3)、较差(a4)和差(a5)。“好(a1)、较好(a2)”等级说明该区水资源承载能力较强，能适应经济社会发展；“一般(a3)”等级说明该区域水资源承载力与经济社会发展水平基本保持平衡；“较差(a4)、差(a5)”等级说明该区域水资源承载能力超过极限值，持续开发将破坏生态平衡。

3.3 指标标准化与权重确定

在多维度水资源承载力评价指标体系中，不同指标单位不同，部分指标和水资源承载力呈正相关关系，指标值越大，说明该区域水资源承载力越强；部分指标和水资源承载力呈负相关关系，指标值越大，说明该区域水资源承载力越弱。基于此，需对不同指标进行标准化处理。计算公式如式(1)所示：

(1)

式(1)中：Qi表示指标统计值；Qi表示评价值；Wi表示标准值。

标准化处理的指标值越大，表明该指标相对于总体目标处于高水平发展阶段；标准化处理的指标值越小，表明该指标相对于总体目标处于低水平发展阶段。由于不同指标在评价指标体系中所占比例不同，因此，需先确定各个指标权重。

依据多维度水资源承载力评价指标标准化处理结果及权重，需获取综合评价得分，即为水资源承载力得分。计算公式如式(2)所示：

(2)

式(2)中：P表示水资源承载力得分；ωi表示各项指标综合权重。

3.4 指标体系评价

在确定指标标准化与权重情况下，采用指标综合评价法。计算公式如式(3)、式(4)所示：

(3)

(4)

式(3)、式(4)中：i表示指标数量；RRi表示实际监测值；RRs,i表示承载数值。

根据上述公式，计算多维度水资源承载力。计算公式如式(5)所示：

(5)

当承载力F为1时，多维度水资源承载情况正好满足水资源承载力；当承载力F小于1时，多维度水资源承载情况在水资源承载力之内；当承载力F大于1时，多维度水资源承载情况超过水资源承载力范围。该值越大说明多维度水资源承载情况超出水资源承载力越多。

4 评价结果与分析

分析水资源承载力评价指标体系及评价结果，根据评价等级，将承载力分为5个等级。如表2所示。

表2 水资源承载力指标分级标准

根据表2确定的指标分级标准，进行一致性检验。根据相互比较法进行矩阵分析，产生结果会具有不一致特点，因此，需对结果进行一致性检验。计算公式如式(6)所示：

(6)

式(6)中：CI表示不同层次一致性指数；RI表示平均一致性指数；λmax表示最大特征值；n表示矩阵。当CR<0.1时，表明指标一致性通过，检验满足要求。由此分析水资源承载力综合得分情况，如表3所示。

表3 水资源承载力综合得分

由表3可知，各项指标综合得分都在70分以上，评价分值较高。指标层权重指的是多维度水资源承载力考察指标在整体中相对重要程度所占比例大小量化值；综合权重作为评价参照标准，属于多元权重信息，能够确定影响综合评价结果可信度。由指标层权值和综合权值得到的权值信息是水资源承载力对指标相对重要性认知的数据集，综合得分主要用于定量分析评价指标不同量纲情况，加权相加，求得总分，在确定权值时，同一指标的权值认知在一定范围内具有一致性。因此，使用基于强度控制的多维度水资源承载力较好。