遼河流域水資源承載能力評價

王 磊

(遼寧省遼陽水文局，遼寧遼陽 111000)

遼河流域位于我國東北部，流域面積21.9萬km2，全長約1345km，主要支流包括老哈河、渾河、太子河、柴河、大凌河等；屬于半干旱半濕潤氣候過渡區(qū)，冬冷干燥漫長，夏季多雨炎熱，年均降雨量在350～1100mm，在時間與空間上水資源分布極不均衡，其中60%以上降水發(fā)生在6—9月，西部區(qū)域的水域面積較大。流域內(nèi)地形地貌復(fù)雜，主要以低山區(qū)、低山丘陵區(qū)、平原區(qū)為主，其中低山丘陵區(qū)植被覆蓋度較高，地勢整體情況由西南向北呈明顯的階梯式下降趨勢，不同區(qū)域地勢高差介于216～840m區(qū)間。流域多年水資源量約638億m3，地表水占比62.5%以上，其中人均水資源量約360m3，遠遠低于我國平均水平。近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化與經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，城市人口密集度不斷增加，生態(tài)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等行業(yè)需水量急劇增加，該流域水資源供需矛盾持續(xù)緊張，水生態(tài)環(huán)境惡化以及水污染問題嚴重，而承載力作為保障生產(chǎn)發(fā)展用水的基礎(chǔ)和前提，是保證水系統(tǒng)循環(huán)的重要基礎(chǔ)［1］。

為保證生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)良性循環(huán)，在科學(xué)利用水資源的條件下按照目前現(xiàn)有的經(jīng)濟、技術(shù)水平，能夠持續(xù)支撐某地區(qū)歷史發(fā)展階段最大規(guī)模的能力和限度即為承載力的內(nèi)涵。在可持續(xù)發(fā)展理論中許多學(xué)者對此開展了研究，段青春等［2］利用可支撐合理模型進行描述，并基于復(fù)合系統(tǒng)的角度探討了節(jié)水設(shè)施的影響作用；周宏飛等［3］分析了新疆水資源承載力和可開采利用量，并指出了該區(qū)域水資源能夠為可持續(xù)發(fā)展提供一定保障；劉秀美［4］以阜陽市為例，通過建立基于多層次、主成分分析的線性回歸模型，從可持續(xù)發(fā)展的角度系統(tǒng)評價了承載力狀況。因此，承載力評價研究必然涉及人口、環(huán)境、社會、自然等多方面，并且各評價指標之間往往具有關(guān)聯(lián)或互不相容等特征，對水資源承載力的等級利用評價標準表進行評判分析往往具有局限性或弊端。體現(xiàn)水環(huán)境系統(tǒng)保障社會經(jīng)濟良性發(fā)展的重要參數(shù)指標是水系統(tǒng)承載力特征，其概念是一個集多種因素的全面系統(tǒng)性指標。目前，用于承載力評價的方法主要有投影尋蹤方法、層次分析法、模糊綜合評判法、BP網(wǎng)絡(luò)法等，各方法適用范圍和特征也不盡相同。據(jù)此，本文基于遼河流域水環(huán)境與水資源實際狀況，利用模糊綜合與層次分析相結(jié)合的方法，對其2010—2016年的承載力水平進行了評價，以期提升水環(huán)境治理的有效性，并為水資源管理規(guī)劃提供一定決策依據(jù)。

1 基于DPSIR框架的指標體系

1.1 建立指標體系

DPSIR模型是一種用于研究分析水資源系統(tǒng)中環(huán)境壓力、現(xiàn)有狀態(tài)與響應(yīng)過程的理論方法，經(jīng)過多次改進優(yōu)化可廣泛應(yīng)用于環(huán)境報告。模型中所涉及的指標具有能夠反映自然、生態(tài)、社會等協(xié)調(diào)的關(guān)系特點，并在生態(tài)安全、承載力水平、濕地健康以及工業(yè)污染評價等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。DPSIR模型以自然系統(tǒng)內(nèi)在驅(qū)動力、外來壓力、系統(tǒng)狀態(tài)、影響作用和響應(yīng)程度5種類型為基本框架。因此，對水資源承載力的評價可從社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境以及水資源狀態(tài)等方面綜合考慮，從可持續(xù)發(fā)展的角度對比分析各指標作用，并選擇具有代表性的指標建立評價體系，結(jié)果見表1。

表1 評價指標體系與分級標準

1.2 用層次分析法計算權(quán)重

層次分析法可簡單、有效地解決無結(jié)構(gòu)特性的多準則復(fù)雜決策問題，本文對承載力指標的權(quán)重采用該方法計算，并檢驗了各層次結(jié)構(gòu)的排序結(jié)果。通過最大特征根λmax的求解，并進行歸一化處理構(gòu)造特征向量w，然后利用一致性檢驗公式：CI=對結(jié)構(gòu)層次進行檢驗。結(jié)果顯示，總層次和單層次排序均符合一致性檢驗要求，指標權(quán)重較為合理科學(xué)。

根據(jù)各指標權(quán)重可以看出，人均水資源量在指標體系中所占比重最大為0.23，是反映區(qū)域水資源未來發(fā)展開發(fā)潛力和現(xiàn)狀情勢的重要指標。在一定程度上，人均水資源量也是支撐和限制區(qū)域人口規(guī)模、社會發(fā)展的基礎(chǔ)條件與關(guān)鍵因素。其次是與科技水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、節(jié)水能力等相關(guān)的萬元GDP用水量指標，其權(quán)重為0.21，該指標在驅(qū)動力作用下可促進水資源在DPSIR框架中發(fā)生改變，因此它不僅可以反映區(qū)域承載力水平，而且是衡量工業(yè)生產(chǎn)性的重要參數(shù)。水功能區(qū)是專門設(shè)計和劃定的能夠全面改善與維護水體環(huán)境、管理控制水污染體系的區(qū)域，是影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境的主要參數(shù)之一。評價指標體系涉及了生態(tài)環(huán)境、水資源和社會發(fā)展的各個方面，并且重點突出了關(guān)鍵指標的作用，因此可用于評判和揭示遼河流域的水資源發(fā)展趨勢和現(xiàn)狀。

2 確定隸屬度函數(shù)

模糊綜合評價法可廣泛應(yīng)用于水資源、水環(huán)境等領(lǐng)域的評價，然而該方法也有局限，主要體現(xiàn)在以下兩個方面：對指標權(quán)重進行確定存在一定的主觀判斷性；對承載力不同等級利用最大隸屬度原則進行判定，在各評價指標等級隸屬度相差不大時存在失效現(xiàn)象，并因此對評價結(jié)果造成一定的偏差。針對上述弊端和局限性，本文利用模糊綜合法科學(xué)評價承載力水平，由此得到的評價結(jié)果相對于傳統(tǒng)的方法具有更加可靠的準確度。模糊綜合法應(yīng)用的重要條件是確定合理的隸屬度函數(shù)，結(jié)合各指標的內(nèi)涵應(yīng)設(shè)定不同的評判標準。所以，應(yīng)首先對指標進行等級的劃分，并根據(jù)隸屬函數(shù)μvi確定指標隸屬于相應(yīng)級別的程度，然后綜合評價區(qū)域承載力狀況。

2.1 分級標準的確定

參考我國生態(tài)區(qū)建設(shè)標準和各區(qū)域水資源承載力平均水平，并根據(jù)遼河流域?qū)嶋H指標值和各指標內(nèi)涵，將承載力等級劃分為3個標準，并建立評語集V={V1，V2，V3}，所對應(yīng)承載力分別為較強、一般和較弱。V1級表示該區(qū)域水資源處于可持續(xù)狀態(tài)，水資源供給狀況較好且開發(fā)潛力較大；V2級表示區(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經(jīng)濟發(fā)展需求，仍存在開發(fā)利用潛力；V3級表示區(qū)域承載力已經(jīng)達到極限狀態(tài)，水資源短缺并且在一定程度上制約著經(jīng)濟發(fā)展，進一步開發(fā)利用水資源的潛力不足。綜合考慮遼河流域地理特征、氣候環(huán)境等狀況，確定在不同承載力等級標準下各評價指標的閾值，各指標取值范圍見表1。然后通過1分制數(shù)量化各評語集等級，從而定量分析各因素的影響程度，其中 V1=0.95、V2=0.5、V3=0.05，承載能力隨數(shù)值的增大而增強。

2.2 構(gòu)造隸屬度函數(shù)

利用線性隸屬度函數(shù)對承載力指標隸屬度進行計算，指標在兩個相鄰級別間的隸屬度為1，隸屬度在兩側(cè)臨界點處的值為0.5，并平滑過渡兩側(cè)臨界點處隸屬度。引入12項指標組成的集合為Ci(i=1，2，…，12)，所對應(yīng)評語集為V={V1，V2，V3}，計算分析各指標等級標準值和實測值確定評判矩陣R中的rij，指標Ci隸屬于不同分級標準的隸屬度函數(shù)可表示為

式中：μv1、μv2、μv3分別為在相應(yīng)評價等級上指標 Ci的隸屬度；k1、k2、k3分別為相應(yīng)等級區(qū)間的臨界值。

通過上述計算，可對不同評價等級下承載力指標的隸屬度rij進行求解，計算方法為

3 遼河流域水資源承載力綜合評價

3.1 指標數(shù)據(jù)來源

結(jié)合遼河流域2010—2016年水資源綜合規(guī)劃、水資源公報、統(tǒng)計年鑒以及政府工作報告等資料，對承載力指標數(shù)據(jù)進行收集整理，結(jié)果見表2。對部分難以量化和獲取的指標數(shù)值，在征求了水資源領(lǐng)域經(jīng)驗豐富的專家意見后進行估算。

表2 遼河流域2010—2016年承載力指標數(shù)值

表3 遼河流域2010—2016年水資源承載力評分值

3.2 結(jié)果分析

對承載力各評判指標隸屬于不同等級的隸屬度rij，利用文中所述式(1)～式(3)進行求解，并得到2010—2016年的承載力評判矩陣R。然后依據(jù)評判矩陣R和指標權(quán)重系數(shù)矩陣W計算結(jié)果，并利用公式B=W×R得到遼河流域2010—2016年的承載力綜合評價結(jié)果，從而求得相應(yīng)的評分值A(chǔ)，結(jié)果見表3。

根據(jù)評分值A(chǔ)對承載力水平進行定性評價時，應(yīng)對A值設(shè)定相應(yīng)的臨界值，A值小于0.4時，則可認為承載力處于超載狀態(tài)；A值高于0.4時，則可認為承載力處于適載狀態(tài)。由表3評價結(jié)果可以看出，遼河流域在2010—2013年的承載力尚處于超載狀態(tài)，2014—2016年處于適載狀態(tài)，引起該變化的原因可能與遼河流域的萬元GDP用水量相關(guān)，隨著科技的進步和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整該指標用水量逐年降低。然而，遼河流域承載力水平目前仍處于適載與超載狀態(tài)的中間水平，并有可能繼續(xù)朝著超載狀態(tài)發(fā)展。該評價結(jié)果與流域?qū)嶋H狀況基本相符，進一步說明了指標體系的合理性與評價模型的科學(xué)性。

4 結(jié)語

遼河流域經(jīng)濟發(fā)展較快、人口密度較大，而河網(wǎng)水系的環(huán)境保護措施相對滯后，河流的水體污染、水資源浪費等現(xiàn)象嚴重，水功能區(qū)整體達標率較低，流域內(nèi)經(jīng)常出現(xiàn)缺水現(xiàn)象，水資源與水環(huán)境面臨潛在威脅，對該流域承載力的研究具有重要意義。本文利用模糊綜合法對水資源承載能力進行了科學(xué)評價，遼河流域承載力水平目前仍處于適載與超載狀態(tài)的中間水平，并有可能繼續(xù)朝著超載狀態(tài)發(fā)展。僅僅依靠當?shù)厮Y源依舊無法滿足生態(tài)、經(jīng)濟等領(lǐng)域的用水需求，未來可通過采取工程措施提高洪水的調(diào)蓄能力，提高洪水資源的再利用水平。