本溪市水资源承载力水平动态变化的主要驱动因素分析

赵海安

(辽宁省本溪水文局,辽宁 本溪 117000)

1 研究方法

1.1 复合系统概念模型

城市水资源承载力是以维护生态系统良性循环为前提,以可预见的社会发展和经济技术水平为基础,通过优化配置某一特定时间尺度下某一城市水资源,其最大支撑该城市环境-经济-社会协调可持续发展的能力[1]。其中,生态环境、社会经济和水资源是组成城市水资源承载力复合系统的三大子系统,各子系统之间存在相互影响、互相制约的内在复杂联系,如图1所示。

图1 复合系统概念模型

1.2 构建评价指标体系

根据城市水资源承载力复合系统以及生态环境、社会经济、水资源子系统的内在联系,遵循系统层、层次性、科学性和可操作性等原则构建水资源承载力评价体系,如表1所示。

表1 本溪市水资源承载力评价体系与权重

1.3 主要评价流程

鉴于生态环境、社会经济和水资源子系统之间的不确定性和复杂性,以及复合系统评价的模糊性,故选择模糊数学法评价城市水资源承载力,其评价流程主要有建立评语集与参评因素集、隶属度计算、合成算子加权运算三大步骤。为了较为客观地反映研究对象或事物的不确定性,尽量降低主观随意性对计算结果的影响,选用熵值法计算各参评指标权重,详细流程见文献[2-5]。通过联合求解熵值法和模糊数学评判法,确保研究区水资源承载力评价的准确性及客观性。

根据各参评指标对水资源承载力的影响程度,从强到弱将评价标准划分成Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ五个等级,如表2所示。

表2 评价指标等级划分标准

然后针对5个等级合理设置相应的评分值,综合评分值为0、0～0.2、0.2～0.5、0.5～0.8、0.8～1.0时,依次代表城市水资源承载力接近饱和无法满足生产生活供水需求(即不可承载),水资源进一步开发利用空间较小可基本满足生产生活用水(准不可承载),水资源还有进一步开发利用潜力但已具相当规模(可承载水平),水资源具有一定的社会经济发展供水保证(良好承载水平),水资源开发利用空间较大可与生态环境、经济社会协调发展(理想承载水平)。

2 水资源承载力评价

2.1 研究区概况

本溪市境内有中小河流200余条,分属于辽河流域的太子河水系、浑江水系、爱河水系,按流域分区划分葠窝水库以上、葠窝水库以下、浑江桓仁水库以下、爱河4个水资源四级区。然而随着经济社会的发展,本溪市可调配水量少、水资源开发利用程度偏低、水质逐渐恶化、经济发展与水资源水量时空分配不协调等问题日趋突出。因此,为实现本溪市水资源高效可持续开发,有必要评价其水资源承载力动态变化及其主要驱动因素。

2.2 评价结果分析

研究所用数据来源于本溪市历年《水资源公报》、《统计年鉴》等相关资料,各指标权重计算结果如表1,2015—2020年水资源承载力模糊综合评判结果如表3所示。

表3 本溪市水资源承载力综合评分值

综合评分值代表复合系统和各子系统的承载力水平,分值越大则承载力越高,说明生态环境、经济社会和水资源之间的协调程度越好,水资源开发利用潜力也就越大。从表3和图2可以看出,本溪市2015—2020年水资源承载力整体呈波动上升的变化趋势,水资源达到可承载及良好承载水平。其中,2016年、2018年的综合评分值和水资源承载力相对较低,2015年和2020年相对较高达到良好承载水平。2016年本溪市水资源承载力下降可能与亩均农田灌溉用水量增加10.7%、万元工业增加值用水量增加5.1%和人均综合用水量升高12.6%等社会经济因素,以及人均水资源量减少12.2%、产水模数减小18.8%等水资源因素有关,以上因素变化加剧了水资源供需矛盾。2018年本溪市水资源承载力下降可能与绿化覆盖率减小12.6%、排水管道密度下降15.2%以及生态环境用水率降低26.4%等生态环境因素有关,这说明以牺牲生态环境为代价大力发展经济的问题比较突出,生态环境响应也体现出一定滞后效应。水资源承载力变化趋势图,见图2。

图2 水资源承载力变化趋势图

复合系统与社会经济子系统的演变趋势基本相同,说明在城市水资源承载力中社会经济子系统的贡献较高,其次为生态环境和水资源子系统,表明地处辽东地区的本溪市,由于其水资源总量相对丰沛、地表水资源丰富以及年降水量较大,复合系统承载力受水资源子系统的约束较小。社会经济的快速发展对本溪市水资源承载力影响较大,尤其是粗放型经济发展模式造成水资源供需矛盾加剧、各行业用水时空不均匀等问题,对生态环境进一步造成不利影响,加速水生态环境恶化和水资源可利用性的下降。所以,社会经济子系统是驱动本溪市水资源承载力动态变化的主要来源。

2.3 单因素敏感性分析

单因素敏感性分析是在保持其它参评因素不变的情况下,分析水资源承载力在不同情景方案下受单个不确定性因素变动影响的方法。为准确识别关键驱动因素,对社会经济子系统中的参评指标利用单因素敏感性分析法进行分析,即在保持其它参评指标数据不变的条件下以平均年际变化率为基础减少或增加10%和5%,计算单指标增减10%和5%后的综合评分变化率及水资源承载力,变化率越高则指标敏感性越大,如表4所示。

表4 单因素敏感性分析

从表4可以看出,本溪市水资源承载力动态变化的主要敏感性因素包括工业重复用水率、第三产业占GDP比重和城镇化率3个指标。

2.4 驱动力情景分析

文章将熵值法与模糊综合评判法相联合,结合单因素敏感性分析结果选择工业重复用水率、第三产业占GDP比重和城镇化率情景分析指标计算2030年本溪市在不同情境下的水资源承载力。根据实际情况、相关规划和对数拟合数据,经适当修正确定各指标预测值,见表5,并以国家先进值和2020年指标值作为情景分析指标高、低预测值。

表5 指标预测值

情景分析与设置如图3所示,其中第一个字母H或L代表高、低预测值,第二个字母U、T、I代表城镇化率、第三产业占GDP比重和工业重复用水率,如LU+LT+LI表示以上3个指标均为低预测值的情景。

图3 驱动力情景分析

从图3可以看出,本溪市2030年水资源承载力在不同情景下均可达到良好承载等级,其中LU+LT+LI、LU+LT+HI和HU+LT+LI情景下的综合评分<2020年。对比分析发现,3个敏感性因素中对水资源承载力动态变化影响最为显著的是第三产业占GDP比重,具体分析如下:

1)第三产业占GDP比重体现了区域产业结构和生产用水结构,产业结构演进可以促进用水量及用水结构变化,在一定程度上遏制水资源消耗。HU+HT+LI情景方案下,2030年本溪市第三产业占GDP比重相较于2020年提高20.6%,综合评分增加0.0209,这说明升级调整产业结构能够加快水资源利用方式的转变,产业结构关系与水资源的均衡发展对水资源承载力提升具有积极作用。

2)城镇化率体现了城市结构变化与规模扩张,该过程伴也随着经济发展效率与质量的改变。LU+LT+LI情景方案下,2030年本溪市城镇化率相较于2020年提高15.9%,综合评分减小0.0197,这说明水资源供需矛盾会随着城镇化的深入发展而更加突出,水资源系统面临着较大压力。

3)工业重复用水率体现了在一定循环用水和技术条件下的工业用水效率,结合当前的经济状况,本溪市工业发展仍以扩大再生产为主要手段,工业用水量高且技术水平发展比较缓慢,加强工业节水是缓解水资源压力和减少工业用水量的有效途径。HU+LT+HI情景方案下,2030年本溪市工业重复用水率相较于2020年明显提升达到98%,综合评分提高0.0038,这说明提升工业重复用水率仍然是未来一段时间内工业节水的重要途径。

3 结 论

文章结合本溪市水资源利用实际情况,从生态环境、经济社会和水资源子系统中合理选择19项典型指标构建承载力评价体系,将熵值法与模糊综合评判法相结合评价2015—2020年城市水资源承载力,主要结论如下:

1)本溪市2015—2020年水资源承载力整体达到可承载及良好承载水平,整体表现出波动上升的变化趋势,社会经济子系统是驱动本溪市水资源承载力动态变化的主要来源。

2)单因素敏感性分析表明,驱动本溪市水资源承载力动态变化的主要因素包括工业重复用水率、第三产业占GDP比重和城镇化率,3个敏感性因素中对水资源承载力影响最为显著的是第三产业占GDP比重。充分考虑评价结果,从多个角度提出促进水资源系统协调发展的有效措施。