基于模糊集对法的大凌河流域水资源承载力研究

王继承

(北票市常河营水利服务站,辽宁 北票 122122)

1 大凌河流域概况

大凌河是辽宁省西部最大的河流,发源于建昌县的水泉沟,海拔高程1150m,呈西向东,流经朝阳、北票、义县于凌海注入渤海,流域面积23263 km2,其中辽宁省内19998 km2,全河长度447km。干流建有白石、阎王鼻子、宫山咀三座控制性水库,流域左侧支流较多,主要有细河、凉水河子河、老虎山河和牤牛河。受经济快速发展、引水、城市化、筑坝、施肥等人类活动影响,流域内存在一定的地下水过度开发、水体污染和水生态功能退化等问题,经济社会、生态环境与水资源之间的协调性下降。

大凌河流域属于温带季风气候,年均降水量600～400mm,从南向北递减,这也是全省降水最小的区域。降水量年际变化较大,年内变化极不均匀,多集中于6～9月,占全年80%左右,年内分配如表1所示。

表1 主要站点年均降水量

2 研究方法

2.1 评价指标

充分考虑大凌河实际情况,遵循科学性、独立性、系统性和可操作性等原则选择9项典型指标,这些指标显著影响着流域水资源承载力,可以基本反映流域社会经济、生态环境和各行业供需水情况[1-3]。以《大凌河河道治理保护规划》、《辽宁省水资源公报》、《凌河“三带”战略性规划》、《凌河重点段生态综合治理工程项目库》等资料获取现状年各指标数据,如表2所示。

表2 水资源承载力评价指标与现状年数值

2.2 模糊集对法

集对分析法主要是定量刻画和定性分类某一特性上集对的联系,并建立相应问题背景下集对的同异反函数[4-5]。模糊集对分析主要是利用对立性、差异性和同一性描述系统内特定属性集对的内在联系或信息,对评价、预测、决策复杂系统性问题具有较好适用性与可行性,现已被广泛应用于生态环境、水资源、工程技术、自然资源等多个领域[6-8]。文章利用模糊集对法评价分析大凌河流域现状年(2020年)和规划水平年(2025年、2030年)水资源承载力,各等级划分如表3所示。

表3 水资源承载力等级划分

3 结果与分析

3.1 流域水资源现状

3.1.1 水资源短缺

大凌河流域年均水资源总量17.2亿m3,其中地表水16.33亿m3,地下水8.91亿m3。地下水可开采量为4.94亿m3,其中平原区和山丘区为2.14亿m3、2.8亿m3,人均水资源量378m3,不到全省平均820m3的1/2,为全国人均2210m3的1/6,按联合国标准属于中度缺水区。亩均水资源量仅有199m3,是全省平均577m3的1/3,是全国1440m3的1/8。流域内水资源短缺,干旱缺水,水利工程基础设施薄弱,严重制约工农业快速、健康发展;地下水超采对可持续利用构成极大威胁,争水问题突出,对流域内社会安定和经济发展构成严峻挑战;生态环境用水严重不足,生态系统脆弱。

3.1.2 水环境问题

大凌河流域所接纳的污废水中,朝阳、阜新两市所占比例较大,其中COD排放量中凌海市最大,氨氮排放量以朝阳、阜新两市为主。沿河工矿企业、城镇的污废水大都不经处理直接排放到凌河干、支流,并且随着经济的发展和人口的增多排污量不断增大,加之径流量的减少,河道的自净能力不断降低,造成排污量远大于河道纳污能力,水质污染严重。另外,干流建成水库较多,当前面临着突出的水源保护等问题。

根据2020年大凌河诸排污口监测资料进行统计,大凌河干流朝阳段、义县段、凌海段及支流大凌河西支凌源及喀左段、细河阜新段、第二牤牛河建平段水质为Ⅴ类,未达到相应水功能区水质目标。

3.1.3 生态环境脆弱

大凌河流域面临着突出的土壤沙化、水土流失等生态问题,由于干旱少雨和风沙等影响,加之人为生产建设干扰,使流域内的植被退化严重,生态功能明显下降。人工林和天然次生林覆盖率低,并且树种单一、郁闭度低、林领较短,草场质量差,生态系统调节气候环境的功能下降。流域内水资源短缺,加之大量城市废污水的排放,造成河流水质恶化,水环境承载力变低。

另外,辽西地区旱作耕地和稀疏草地较多,森林植被稀少,而人为干扰更加重了对水土资源的破坏程度,致使水土流失现象依然存在,在大风、少雨、干旱等气候环境下极易产生风蚀,甚至发生沙尘暴。

3.1.4 旱灾情况

大凌河流域属温带季风气候,冬春少雨,气候干燥,多年平均降水量在400～600mm,蒸发量一般在900～1200mm之间,是辽宁省干旱地区之一。流域内多石山及风化沙土,植被条件较差,土壤涵养水源能力较差。据历史文献记载和调查,1949年至今亦平均6～7a发生一次较大的旱灾,其中1959—1978年20a间就有10a春旱、8a秋旱与秋吊。2009年流域内出现历史大旱,造成了严重损失,干旱缺水及水资源短缺严重制约了当地发展。

3.2 水资源承载力评价

根据大凌河流域现状年(2020年)和规划水平年(2025年、2030年)相关数据资料,利用模糊集对法评价流域水资源承载力,结果如表4和图1所示。

(a)GDP承载力

表4 大凌河流域主要站点水资源承载力

结果表明,大凌河流域现状年(2020年)水资源承载力整体达到Ⅱ级～Ⅲ级水平,水资源开发利用潜力较小,基本达到饱和状态,评价结果能够准确反映流域水资源实际情况,说明所构建的评价体系和模糊集对法具有较强的适用性与可靠性,可以用于水资源承载力评价。从总体上,大凌河流域面临着严峻的水资源形式,喀左、朝阳站均达到Ⅲ级,说明这些地区水资源进一步开发利用潜力较小;建昌、北票、义县和凌海站达到Ⅱ级,说明以上地区水资源供给能够满足一定的经济发展,具有一定开发利用潜力,但已有相当规模。规划水平年(2025年、2030年)水资源呈好转趋势,其中建昌、北票、凌海站水资源承载力从Ⅱ级提升到Ⅰ级,说明这三个地区的到2030年水资源供给情况乐观,开发利用潜力大,承载力水平较高,这可能与流域内水资源保护和管理等有关[10]。

3.3 防治对策

今后生态环境、居民生活和社会经济发展对水资源的新增需求,总体上必须依靠生态修复、雨水污水资源化、节水和跨流域调水等解决,单纯的加大流域内水资源开发规模已无法满足可持续发展要求。

1)建设跨流域调水工程。采用输水工程从辽东富水流域调水,经水库调节向辽西缺水的朝阳、喀左等市县区提供生态环境、居民生活和工农业用水,有效缓解当地缺水问题。对大凌河流域实施水资源优化配置,以提升规划水平年流域内人口和经济承载力。

2)强化污水、雨水资源化。雨水是一种最直接经济的水源,城市雨水资源化一般涉及存储、收集、下渗、集流、利用、运输等环节,应加快推进一体化系统研发应用,其中贮存和下渗工程实现雨水资源化的重要途径[11-12]。另外,坚持治污与防污同步的原则,加快污水处理工程建设实现流域水资源可持续利用,污水资源化后可以用于景观、路面冲洗、绿化、冲厕、电厂冷却水等用途。

3)推动节水工程建设。紧急围绕不排污或少排污、低碳、降低能耗的原则,积极推进工业节水尽可能降低用水定额,最大限度地增加工业循环和重复用水率;加快节水型农业发展和产业结构调整,推广绿色、先进的农业技术和城市生活节水结束,扩大节水灌溉面积,减少灌溉定额,实行分质供水,提高水资源利用率和灌溉水利用系数。

4)保障生态用水。流域水资源承载力与生态环境密切相关,必须改善水资源功能创造良好的平台与条件,所以生态环境用水是提高水资源承载力和利用效率、改善区域用水条件的重要基础。大凌河流域生态用水率整体较低,生态环境用水只是能够维持河流动植物基本生存需求,与河畅、景美、岸绿、人水协调发展的目标相差甚远[13-15]。因此,保障生态用水实现经济、环境、资源协调发展,这也是实现大凌河流域水资源承载力提升的重要手段。

4 结 论

文章全面分析了大凌河流域水资源现状,从生态环境、经济、社会和水资源子系统选择9项指标,采用模糊集对法评价建昌、喀左、朝阳、北票、义县、凌海主要站点2020年、2025年和2030年的水资源承载力的水资源承载力。结果显示,2020年除除建昌站承载力达到Ⅱ级外,其它站点均属于Ⅲ级,水资源利用潜力较低已基本饱和。因此,为满足大凌河流域未来生态环境、居民生活和社会经济发展对水资源的新增需求,结合当前存在的问题提出建设跨流域调水工程、强化污水与雨水资源化、推动节水工程建设以及保障生态用水等防治对策。