辽宁省水资源脆弱性评价

徐世俊

(辽阳水文局,辽宁 辽阳 111000)

近年来,受水资源时空分布及开发利用不合理和气候变化等因素影响,水污染及水资源短缺问题日趋突出,水资源脆弱性越来越引起人们的广泛关注[1]。20世纪90年代“脆弱性”的概念逐渐从生态学扩展到人为灾害、技术、自然、水资源等领域的各个环节,其中水资源脆弱性是指水资源系统正常的功能和结构受人类活动、极端事件、气候变化等因素影响发生损伤而难以恢复到原状态的趋势或倾向[2-3]。研究水资源脆弱性有利于实现水资源管理战略的实施,通过暴露水资源承载、人为和自然脆弱性存在的不利因素,为水资源动态管控政策和措施提供参考,促进社会经济健康发展以及水资源可持续利用。目前,国外研究大多集中于气候变化环境下的脆弱性分析、应用GIS与高新技术评价、水资源脆弱性量化等方面,并且对喀斯特地区的研究较为成熟[4]。

我国于20世纪90年代就开始研究水资源脆弱性,早期以定量评价方法和内涵、概念等定性分析为主,2010年后定量评价具体区域水资源脆弱性的研究不断增多,常用的方法有函数法、综合指标法、指标权重法、数学模型与GIS/RS结合法等。如崔东文等以云南文山州为例,采用改进的BP模型计算分析其水资源脆弱性;唐剑锋等以丹江口为例,应用函数法与综合指标法评价水资源脆弱性,并结合实际情况提出有针对性的对策;夏军等从供需平衡的角度上,运用综合模型评价水资源系统受全球气候变化环境的影响;魏兴平等通过分析重庆喀斯特地区土壤类型、坡度分级、发育程度等自然特征评价了地下水脆弱性;朱艺娟等利用模糊综合法评价了2003—2013年武汉市水资源脆弱性动态变化特征,并结合区域实际情况提出降低脆弱性的措施;职璐爽等以广东省为例,综合利用线性加权求合法和熵权法评价其水资源脆弱性,为满足水利发展需求提出建设智慧水务的对策[5-10]。

总体上,研究评价北方缺水地区水资源脆弱性的相对较少,且有关研究大多从影响自然特征的层面分析脆弱性水平,较少考虑人类活动响应和经济社会发展等影响因素,对水资源脆弱性的宏观分析更少。因此,文章以辽宁省为例,依据DPSIR模型选择与水资源脆弱性和区域特色密切相关的指标,采用熵权-TOPSIS法评价分析研究区水资源系统脆弱性,以期为水资源的管理规划、开发保护和可持续利用等提供参考依据。

1 研究区概况

辽宁省位于我国东北地区南部,总面积14.8万km2。研究区属温带半干旱半湿润季风气候,平均气温5～10℃,降水多集中于6～9月,受自然地理环境和气候条件影响,降水空间分布不均,从东向西总体呈递减趋势。该区域跨大凌河、太子河、绕阳河、辽河、浑河、鸭绿江六大水系,地貌形态复杂,水面、平地和山地面积比例为9%、33%、58%。参考水资源公报,2020年辽宁省降水量748.0mm,水资源总量397.11亿m3,水资源利用存在开采难度大、成本高、边际效益低等问题,加之缺乏水环境保护、用水效率不高以及蒸散发强烈,对水资源可持续利用造成严重影响。

2 评价方法

2.1 数据来源

研究数据来源于辽宁省水资源可持续利用关键技术研究报告、2006—2020年国民经济和社会发展统计公报、统计年鉴以及水资源公报等有关资料,通过收集水资源和经济效益相关数据,应用TOPSIS模型评价区域水资源脆弱性动态变化趋势。

2.2 构建评价指标体系

为了更加全面客观的评价辽宁省水资源脆弱性状态,文章遵循数据可获取性、科学性、系统性和层次性等原则,结合区域水资源利用现状,基于DPSIR框架模型选择19个代表性指标构建评价体系,如表1所示。

表1 水资源脆弱性评价体系

在DPSIR模型中,驱动力D涉及人类活动、气候环境和经济发展等因素,压力P反映了间接或直接排放的污染物量,状态S涵盖环境和生物群的化学、物理及生物状况,影响I包括人类健康和生态系统质量等由环境理化性状变化决定的因素,响应R是针对非期望的影响决策者所做出的技术及政策上的反应。

2.3 熵权法计算权重

针对水资源脆弱性评价体系中的各项指标,必须利用合适的方法计算相应的权重[11]。目前,应用最广泛的方法有熵权法、AHP法、专家打分法以及变异系数法等。其中,熵权法能够客观地反映初始数据信息,有效避免决策者主观意愿对评价结果的影响,故考虑利用熵权法计算DPSIR框架模型中各指标权重,具体流程如下:

步骤1:标准化处理。由于不同指标的正、负取向及其数量级或量纲的差异性无法直接参与计算,必须先标准化处理消除这种不可通透性,对正向指标(数值越大则水资源系统越不脆弱)和负向指标(数值越大则水资源系统越脆弱)的预处理公式为:

(1)

式中:rij、xij为评价指标的标准化值和初始数据;xmax、xmin为参评指标初始数据的最大值与最小值。

步骤2:构建待评价矩阵。设水资源脆弱性评价矩阵为Z=(zij)m×n,其中m、n为评价样本树和参评指标数,具体形式为:

(2)

步骤3:计算信息熵Ej。评价指标信息熵Ej的计算公式为:

(3)

(4)

式中:fij为评价样本i的第j项指标占所有样本该指标之和的比例。

步骤4:计算权重ωj。根据上述结果,利用以下公式求解参评指标权重,即:

(5)

2.4 TOPSIS评价方法

为实现多因子、多维度的对比分析,考虑应用TOPSIS法评价辽宁省水资源脆弱性状态,详细计算流程为[12]:

步骤1:构造加权矩阵。将熵权法计算的权重向量W=(ω1,ω2,…,ωn)与标准化矩阵Z=(zij)m×n进行加权运算,从而构造加权矩阵Y=(yij)m×n的计算,即:

(6)

步骤2:确定正负理想解和欧式距离。通过对加权矩阵Y=(yij)m×n中的各项进行大小比较排序确定正、负理想解:Y+=(ymax1,ymax2,…,ymaxn)、Y-=(ymin1,ymin2,…,yminn),其中yminj、ymaxj代表所有样本中参评指标j的最小与最大加权值。采用欧式距离公式计算正、负理想解与评价样本i的距离D+、D-,即:

(7)

(8)

步骤3:计算贴近度Ti。该数值反映了最优方案与评价样本i之间的贴近程度,其取值范围0～1。Ti值越大说明第i年的水资源系统越不脆弱,距离最优水平越近;反之则水资源系统越脆弱,距离最裂水平越近,Ti的计算公式为:

Ti=Di-/(Di++Di-)

(9)

2.5 评价标准等级

水资源脆弱性是受人类活动、极端事件、气候变化等不利因素影响,水资源系统所表现出的适应性变化过程[13-14]。因此,研究认为脆弱性越高则水资源系统的适应性越强,反之则越弱。文章结合水资源脆弱性相关研究成果,充分考虑区域经济、社会、环境和自然特性将贴近度划分成4级,各等级划分标准如表2所示。

表2 水资源脆弱性等级划分

3 结果与分析

3.1 水资源脆弱性分析

采用熵权法计算DPSIR框架模型中各指标权重如表1所示,并进一步确定各子系统权重如图1所示。

(a)指标层

由图1(a)可知,劣Ⅴ类河长占比指标X15和节能环保支出占公共预算比例指标X19的权重较高达到0.0802、0.0841。对于压力P子系统,地下水开采量指标X6和地表水供水量指标X5权重为0.0605、0.0546,两者之和为0.1151;对于状态S子系统,地下水资源量指标X12和地表水资源量指标X11权重为0.0611、0.0476,两者之和为0.1087。研究表明,辽宁省水资源脆弱性主要受水资源总量和总用水量因素的影响,且地下水的影响程度高于地表水;总用水量的不断增加在一定程度上加剧了区域水污染问题,劣Ⅴ类河长占比逐渐提高;同时,加大节能环保投入有利于增强水资源脆弱性。

结合参评因子权重,利用TOPSIS法计算正负理想解、欧式距离及其贴近度Tj如图2所示。结果表明,2006—2020年辽宁省水资源脆弱性整体呈先减小后增大的变化趋势,样本与正理想解D+之间的距离从2006年的0.20波动上升到2020年的0.35,总体呈先上升后小幅下降的趋势;样本与负理想解D-之间的距离从2006年的0.43波动下降到2020年的0.28,总体呈先下降后小幅上升的趋势;贴近度Tj从2006年的0.71波动下降到2020年的0.45,总体呈先快速减小后缓慢增大的变化趋势。具体而言,2006—2008年辽宁省水资源脆弱性逐渐加剧,从轻度快速下降到中度脆弱等级,这是因为此期间经济发展速度较快,伴随着人口规模的增加使得用水量急剧增大,并且地下水和地表水资源量呈减少趋势。2009—2020年辽宁省水资源系统仍处于中度脆弱状态,贴近度处于0.3～0.5范围。

(a)欧式距离D+、D-

3.2 各子系统脆弱性分析

各子系统水资源脆弱性评价结果如图3所示。结果表明:①驱动力D,2006—2020年该子系统贴近度呈波动减小趋势,从2006年的0.61波动减小到2020年的0.30,说明从2006年以来辽宁省经济呈快速发展趋势,水资源系统难以承载经济快速增长压力,不利于水资源脆弱性的提升。②压力P,2006—2020年该子系统贴近度呈快速减小趋势,2013—2019年基本维持在0.2～0.4之间,2020年快速增大到0.48,但整体水平较低。辽宁省在大力发展经济的同时难免会对生态环境造成不利影响,2006—2011年其工业总产值和地表水供水量快速增大,污水排放量也表现出不断上升趋势,以上因素都在不同程度上增大了水资源系统压力。③状态S,2006—2020年该子系统贴近度波动变化较明显,波动范围0.2～0.8,但总体维持在较低水平,这可能气候变化影响地下水和地表水资源量、年降水量等因素有关,通过兴建水利工程可以提高水资源量和脆弱性等级。④影响I,2006～2020年该子系统贴近度呈出先减小后增大的趋势,其中经济快速发展是导致2006—2008年下降的主要原因,之后随着生态保护力度的加强,辽宁省水环境逐渐改善,但整体仍达到中等偏下状态。⑤响应R,2006—2020年该子系统贴近度呈出先减小后增大的趋势,究其原因是污水处理率从2006年的45.2%不断上升到2020年的96.7%,并且环保投资力度也明显提高,水资源总量相对稳定。污水处理效率的提高、水利设施的合理使用以及环保投入的增大等都在不同程度上促进了水资源脆弱性的提升,为实现水资源可持续利用仍需不断完善相关管理政策[15-16]。

图3 各子系统贴近度变化特征

4 结 论

1)总体上,除2006年外达到轻度脆弱状态外,辽宁省2007—2020年水资源系统均达到中等脆弱等级,其中导致水资源脆弱性的主要原因是水资源需求量的快速增长,如何协调水资源开发利用与经济快速发展之间的关系仍是未来需要解决的问题。

2)辽宁省水资源脆弱性的重要影响因素包括水资源总量和总用水量,并且地下水对脆弱性的影响程度高于地表水,从低到高DPSIR中各子系统影响程度排序为响应(R)<状态(S)<驱动力(D)<影响(I)<压力(P)。

3)为促进水资源与经济社会的协调发展,建议出台水环境保护政策、持续加大环保投入、加快节水灌溉技术的推广以及不断优化水资源配置等,提高污水治理力度和水资源利用效率,有效缓解城市用水压力。