遼寧省水資源承載力評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

遼寧省位于我國(guó)東北部區(qū)域，不僅是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地，而且位于工業(yè)發(fā)展核心區(qū)域，其水資源可持續(xù)利用水平將直接影響著區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境建設(shè)。

境內(nèi)地勢(shì)自北向南、由東西兩側(cè)向中間整體呈降低趨勢(shì)，遼東、遼西區(qū)域主要以低山丘陵為主。遼寧省共轄14個(gè)地級(jí)市和綏中縣、昌圖縣2個(gè)省管縣，境內(nèi)河網(wǎng)水系密集，大小河流約300多條，主要有饒陽河、大凌河、太子河、遼河等，其中遼河流域面積6.92萬km2，全長(zhǎng)480km，為遼寧省第一大河流。2015年遼寧省生產(chǎn)總值較2014年增長(zhǎng)約7.8%，其中第一、第二和第三產(chǎn)業(yè)年增長(zhǎng)率分別為4.2%、7.6%和5.5%。雖然近年來該區(qū)域人均GDP呈顯著逐年增長(zhǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，但是相比同期其他省份及全國(guó)的平均增幅還有較大的差距。

遼寧省2015年總降水量約568mm，相對(duì)于多年平均值下降約16.80%，并且在時(shí)空分布上極不均衡，主要集中在汛期(6—9月)。全省水資源總量為178.98億m3，人均水資源量185.60m3/人，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于全國(guó)平均水平。遼寧省2015年水資源供應(yīng)量和總用水量大致相同，地表水與地下水供應(yīng)量分別為23.43億m3和5.52億m3，地下水質(zhì)良好，生產(chǎn)、生活及生態(tài)用量分別占總量的62%、36%和2%。近年來，為滿足區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的需要，而忽視了對(duì)水資源的保護(hù)，致使生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水量之間出現(xiàn)了嚴(yán)重失調(diào)，水資源過度的開發(fā)與利用造成生態(tài)系統(tǒng)的退化，水土流失、水資源緊缺以及水體污染等矛盾日趨突出，加之該區(qū)域節(jié)水設(shè)施較為落后、水資源浪費(fèi)及污染等問題，其承載力面臨著更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1-3]。基于該現(xiàn)狀背景，分別選取了現(xiàn)狀水平年2015年，規(guī)劃水平年2020年、2025年和2030年水資源承載力為研究對(duì)象，通過建立指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)模型分析預(yù)測(cè)了其承載力發(fā)展趨勢(shì)，以期為緩解該區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源需求之間緊張的矛盾關(guān)系，為制定科學(xué)合理的水資源管理政策提供一定參考和依據(jù)。

1 多層次模糊綜合評(píng)價(jià)模型

1.1 構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

承載力指標(biāo)體系是以系統(tǒng)、綜合、簡(jiǎn)明、科學(xué)的方式，反映水資源對(duì)被評(píng)價(jià)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)能夠承載的內(nèi)容和過程，不僅可體現(xiàn)被承載對(duì)象的各個(gè)方面，而且可為制定水資源管理政策，水資源合理配置以及可持續(xù)利用等提供決策依據(jù)和參考。實(shí)踐表明，水資源開發(fā)利用程度、水資源量、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境、生產(chǎn)力水平、社會(huì)消費(fèi)結(jié)構(gòu)、區(qū)域交流等為影響區(qū)域水資源承載力的主要因素。本文參考相關(guān)專家意見和全國(guó)水資源供需分析指標(biāo)體系，在遵循獨(dú)立性與系統(tǒng)性、定量與定性、可操作與可比性、概括性與全面性等原則的基礎(chǔ)上，分別從生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)與水資源3個(gè)維度建立了包含9個(gè)代表性指標(biāo)的體系[4-5]。然后依據(jù)遼寧省現(xiàn)狀發(fā)展規(guī)劃以及歷史發(fā)展過程，并參考文獻(xiàn)資料預(yù)測(cè)分析了各水平年的需水量和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)，各指標(biāo)預(yù)測(cè)值及建立的指標(biāo)體系見表1。

表1 遼寧省水資源承載力指標(biāo)體系及預(yù)測(cè)值

1.2 確定指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合各指標(biāo)具體含義以及遼寧省水資源現(xiàn)狀可將其承載力等級(jí)劃分為3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，從而建立評(píng)語集V={v1,v2,v3}，分別對(duì)應(yīng)于承載力較強(qiáng)、一般和較差。其中v1表示該區(qū)域水資源處于可持續(xù)狀態(tài)，水資源供給較好且開發(fā)潛力較大；v2表示區(qū)域水資源具有一定的開發(fā)利用規(guī)模，并且基本能夠滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，仍存在開發(fā)利用潛力；v3表示區(qū)域承載力已經(jīng)達(dá)到極限狀態(tài)，水資源的短缺問題提出并且在一定程度上制約著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，進(jìn)一步開發(fā)利用水資源的潛力不足。

結(jié)合已有研究成果和遼寧省氣候環(huán)境、地理特征，可確定在不同承載力等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)下各評(píng)價(jià)指標(biāo)的閥值(見表2)。然后通過一分制數(shù)量化各評(píng)判集等級(jí)，定量分析各因素的影響程度，其中α1=0.95、α2=0.50、α3=0.05，承載能力隨數(shù)值的增大而增強(qiáng)。

表2 在不同分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)下各指標(biāo)取值范圍

1.3 建立評(píng)價(jià)模型

引入有限論域u=u1,u2,…,um、V=V1,V2,…,Vm分別作為綜合評(píng)判因素集合和評(píng)語集合，因此可利用模糊變化公式B=A·R進(jìn)行模糊綜合評(píng)判，其中A為有限論域u上的模糊子集，而論域V上的模糊子集則為評(píng)判結(jié)果B。而且，A=(a1,a2,…,am),0≤ai≤1；B=(b1,b2,…,bn),0≤bi≤1，其中ai、bi分別為A的隸屬度和模糊子集B隸屬于等級(jí)Vj的隸屬度，并以此作為最終的評(píng)判依據(jù)。評(píng)判矩陣R表達(dá)式如下：

式中rij——在Vj等級(jí)下因素ui的隸屬度，因此第i行Ri在評(píng)判矩陣R中即可作為單因素ui的評(píng)判結(jié)果。

2 遼寧省水資源承載力綜合評(píng)價(jià)

2.1 利用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重

不同評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)水資源承載力的影響程度存在一定差異，因此可采用權(quán)重反映各指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的貢獻(xiàn)率。為進(jìn)一步提高評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性與科學(xué)性，本文對(duì)各級(jí)指標(biāo)要素的權(quán)重利用層次分析法進(jìn)行確定。層次分析法的核心理論為：按照一定的規(guī)則和方法將待評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行若干層次分級(jí)，從而構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型，然后對(duì)各指標(biāo)之間的作用關(guān)系、內(nèi)在關(guān)聯(lián)利用定量與定性相結(jié)合的方法進(jìn)行系統(tǒng)分析。該方法對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象可利用層次結(jié)構(gòu)理論進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，可簡(jiǎn)單、有效地解決無結(jié)構(gòu)特性多準(zhǔn)則復(fù)雜決策問題[6-9]。本文利用該方法對(duì)水資源承載指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行確定，主要流程為：對(duì)不同風(fēng)險(xiǎn)要素的重要性程度采用1～9標(biāo)度法進(jìn)行兩兩對(duì)比分析，按照判斷準(zhǔn)則建立相應(yīng)的判斷矩陣A(其中判斷矩陣標(biāo)度準(zhǔn)則見表3)；然后利用判斷矩陣求解權(quán)重向量W1，并對(duì)n個(gè)元素C1，C2，…，Cn的權(quán)重依據(jù)標(biāo)度準(zhǔn)則進(jìn)行排序，從而可對(duì)矩陣A的最大特征根λmax進(jìn)行求解；最后對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，若滿足檢驗(yàn)要求則可將該權(quán)向量作為指標(biāo)權(quán)重；否則，應(yīng)重新修改判斷矩陣，并按照上述方法進(jìn)行重復(fù)檢驗(yàn)。根據(jù)上述流程和檢驗(yàn)方法分別對(duì)承載力各指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行確定，結(jié)果見表4。

表3 判斷矩陣標(biāo)度準(zhǔn)則

表4 各層次指標(biāo)權(quán)重

2.2 構(gòu)造隸屬度矩陣

單獨(dú)對(duì)一個(gè)因素利用單因素模糊評(píng)價(jià)法進(jìn)行分析，從而確定在評(píng)價(jià)集合中各評(píng)價(jià)對(duì)象的隸屬度。在評(píng)價(jià)等級(jí)為vj的條件下利用評(píng)價(jià)因素ci實(shí)際值和隸屬度函數(shù)，確定相應(yīng)隸屬度rij，從而構(gòu)造隸屬度矩陣R；然后模糊化處理隸屬度函數(shù)并使其平滑過渡至各級(jí)區(qū)間范圍。對(duì)各水平年評(píng)價(jià)指標(biāo)值及隸屬度矩陣?yán)孟鄳?yīng)的預(yù)測(cè)數(shù)值進(jìn)行確定，各指標(biāo)現(xiàn)狀年與規(guī)劃水平年預(yù)測(cè)值見表1，2015年其隸屬度矩陣如下(同理可求得其他年份的隸屬度矩陣)：

2.3 計(jì)算綜合評(píng)判值

根據(jù)各水平年的隸屬度矩陣R以及權(quán)重矩陣A，利用公式B=A·R可求得最終的評(píng)判矩陣B，然后利用下列公式進(jìn)行綜合評(píng)判值α的計(jì)算，水資源承載力隨α值的增大而逐漸增強(qiáng)，結(jié)果見表5。

式中g(shù)——突出優(yōu)勢(shì)等級(jí)的參數(shù)，取值范圍為0～1；

其他各參數(shù)意義同上。

表5 遼寧省各年份水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果

衡量區(qū)域水資源承載力狀態(tài)的指標(biāo)為綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，指數(shù)值越高則其承載力狀態(tài)越高。結(jié)合遼寧省水資源現(xiàn)狀和相關(guān)研究成果，可根據(jù)不同評(píng)價(jià)指數(shù)值進(jìn)行承載力狀態(tài)的劃分，其中評(píng)價(jià)指數(shù)為：0代表水資源處于不可承載狀態(tài)；0～0.2區(qū)間為準(zhǔn)不可承載狀態(tài)；0.2～0.5為可承載狀態(tài)；0.5～0.8為良好可承載狀態(tài)；0.8～1為理想可承載狀態(tài)。

2.4 結(jié)果分析

利用綜合評(píng)判值并依據(jù)最大隸屬度原則對(duì)遼寧省各年份水資源承載狀態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，該區(qū)域?qū)3級(jí)隸屬度最大的年份出現(xiàn)在2015年，為0.5746，相對(duì)應(yīng)的綜合評(píng)價(jià)值最小，為0.2516，由此表明該年份水資源供需矛盾較為突出并以基本達(dá)到飽和狀態(tài)；在2020年對(duì)v3級(jí)的隸屬度仍然最大,為0.5143，綜合評(píng)價(jià)值相對(duì)于2015年有所提升,為0.2713，雖然水資源承載力存在一定的改善但仍處于超載狀態(tài)；隨著時(shí)間的推移，到2030年對(duì)v2級(jí)的隸屬最大，為0.6842，相應(yīng)的綜合評(píng)價(jià)值為0.4218，承載力水平存在較大的提升并在一定程度上保障了該區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的用水需水，但是對(duì)于v1級(jí)的隸屬程度仍顯著低于對(duì)v3級(jí)的0.2365，由此表明該區(qū)域水資源開發(fā)潛力仍存在一定的有限性[10]。

根據(jù)各指標(biāo)變化預(yù)測(cè)結(jié)果可知，在研究期間森林覆蓋率、草地覆蓋率指標(biāo)的預(yù)測(cè)值有所增大，生態(tài)環(huán)境得到明顯改善并促進(jìn)了水資源貢獻(xiàn)率的提升。在水資源方面，人均水資源占有量和水資源供需比不斷增大，由此說明該區(qū)域資源型缺水問題并不十分明顯，但是水資源供需平衡壓力會(huì)隨著未來人口的增長(zhǎng)而越來越大[11]。綜上分析，未來通過采取各項(xiàng)節(jié)水措施可有利于恢復(fù)該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)并提升承載力水平。

3 結(jié) 論

本文選取遼寧省現(xiàn)狀水平年2015年，規(guī)劃水平年2020年、2025年和2030年水資源承載力為研究對(duì)象，通過建立指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)模型分析預(yù)測(cè)了其承載力發(fā)展趨勢(shì)，得出的主要結(jié)論如下：

a.該區(qū)域?qū)3級(jí)隸屬度最大的年份出現(xiàn)在2015年，為0.5746，相對(duì)應(yīng)的綜合評(píng)價(jià)值最小，為0.2516，由此表明該年份水資源供需矛盾較為突出并以基本達(dá)到飽和狀態(tài)。

b.到2030年對(duì)v2級(jí)的隸屬最大，為0.6842，相應(yīng)的綜合評(píng)價(jià)值為0.4218，承載力水平存在較大的提升并在一定程度上保障了該區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的用水需水，但是對(duì)于v1級(jí)的隸屬程度仍顯著低于對(duì)v3級(jí)的0.2365，由此表明該區(qū)域水資源開發(fā)潛力仍存在一定的有限性。

c.未來通過采取各項(xiàng)節(jié)水措施可有利于恢復(fù)該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)并提升承載力水平。