基于風險矩陣的多要素水資源承載力綜合評價方法

徐翔宇,酈建強,金菊良,陳 磊,董 濤,陳夢璐,張浩宇

(1.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院,北京 100120; 2.合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009;3.合肥工業(yè)大學水資源與環(huán)境系統(tǒng)工程研究所,安徽 合肥 230009;4. 安徽省(水利部淮河水利委員會)水利科學研究院水利水資源安徽省重點實驗室,安徽 合肥 230088)

水資源是維持區(qū)域社會穩(wěn)定、保障區(qū)域經(jīng)濟穩(wěn)定增長和維護區(qū)域生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要自然資源,承載力是一個物理概念，指物體在不產(chǎn)生任何破壞時所能承受的最大負荷[1]。水資源承載力是承載力概念在水資源、經(jīng)濟社會和生態(tài)環(huán)境3個子系統(tǒng)所組成的復合系統(tǒng)中的具體體現(xiàn)。水資源承載力的研究最早可追溯到20世紀 70 年代,國際相關(guān)組織針對資源匱乏國家的土地、水等資源的承載力進行相關(guān)研究,并提出了水資源承載力的相關(guān)概念[2]。國內(nèi),施雅風等[3]最早明確提出水資源承載力概念,隨后有關(guān)水資源承載力的研究取得了許多成果[4-11]。

水資源承載力評價是結(jié)合相關(guān)定性概念和評價模型定量化地判斷區(qū)域水資源的承載狀態(tài),它是水資源承載力預警的重要組成部分,其評價結(jié)果對優(yōu)化區(qū)域水資源配置和促進區(qū)域生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展等方面具有現(xiàn)實的指導意義。當前,水資源承載力的評價方法主要有綜合評價方法[12-16]、系統(tǒng)分析方法[17-21]和經(jīng)驗公式方法[22]等。王建華等[1]在研究水資源-經(jīng)濟社會-生態(tài)環(huán)境3大系統(tǒng)相互關(guān)系的基礎(chǔ)上,從量-質(zhì)-域-流4個維度出發(fā)賦予水資源承載力新的內(nèi)涵,是研究水資源承載力的一次有益探索。目前,從量-質(zhì)-域-流4個維度評價區(qū)域水資源承載力尚存在一些難點,其中一個關(guān)鍵問題是如何同時考慮四要素的評價結(jié)果以得到水資源承載狀態(tài)的綜合評價結(jié)果。當前,解決上述問題一般采用短板法[22]或加權(quán)和綜合法[23]。短板法取各要素中最差的評價結(jié)果作為最終的綜合評價結(jié)果,這種極端的取值往往造成水資源承載力綜合評價結(jié)果與區(qū)域水資源實際承載狀況有較大的偏差。加權(quán)和綜合法則是將四要素的評價結(jié)果通過加權(quán)綜合得到最終的綜合評價結(jié)果。這種加權(quán)的方法屬于黑箱方法,一方面忽略了水資源承載過程的物理含義,使得綜合評價的過程缺乏物理解釋性,另一方面在計算四要素權(quán)重時存在一定的模糊性和隨機性,導致綜合評價結(jié)果具有較大的不確定性。風險矩陣是一種定性與定量相結(jié)合的綜合評價方法,用于多要素的合成時可充分考慮各合成要素提供的信息,根據(jù)評價對象的綜合過程通過修正風險矩陣的合成規(guī)則達到綜合評價的目的,具有適用性廣、可操作性強等特點。風險矩陣已在區(qū)域水資源承載力評價中得到初步應(yīng)用[24-25],初步驗證了其綜合評價過程具有物理解釋性這一特點。鑒于此,本文將風險矩陣應(yīng)用于水資源承載力的量-質(zhì)-域-流四要素評價結(jié)果的綜合評判,得到區(qū)域水資源承載力綜合評價的最終結(jié)果,構(gòu)建基于量-質(zhì)-域-流四要素和風險矩陣的水資源承載力綜合評價模型(evaluation model of water resources carrying capacity based on water quantity-water quality-water space-stream flow four elements and risk matrix, QQSS-RM),并在西遼河流域進行實證分析研究。

1 基于四要素和風險矩陣的水資源承載力評價模型

構(gòu)建區(qū)域水資源承載力QQSS-RM評價模型的思路是采用綜合評價的方法得到量-質(zhì)-域-流四要素的水資源承載力評價等級,通過分析四要素的內(nèi)在含義,先用風險矩陣分別將水域、水流要素作為水量、水質(zhì)要素的修正要素考慮水量-水域(水質(zhì)-水流)二要素綜合后的承載力評價等級,再用風險矩陣綜合水量-水域雙要素和水質(zhì)-水流雙要素的評價等級,最終得到區(qū)域水資源承載力的評價結(jié)果。

1.1 水資源承載力評價指標體系

受區(qū)域水資源承載力評價對象時空差異等客觀因素的影響,建立合適的水資源承載力評價指標體系一直以來都是水資源承載力評價研究中的重點和難點,本文參考相關(guān)文獻分別選取量-質(zhì)-域-流四要素以及各要素子系統(tǒng)中包含的評價指標,建立區(qū)域水資源承載力初步評價指標體系[26-28]。評價指標數(shù)據(jù)集記為{xhgk|h=1,2,…,H;g=1,2,…,G;k=1,2,…,ng},其中H、G(G=4)和ng分別為評價樣本的總數(shù)、要素子系統(tǒng)的總數(shù)和第g要素中評價指標總數(shù)。

1.2 四要素中各評價指標的權(quán)重

合理確定四要素中各評價指標的權(quán)重是科學評價區(qū)域水資源承載力的重要組成部分,本文采用專家咨詢信息和遺傳層次分析法計算四要素中各評價指標的權(quán)重wgk(wgk表示第g個要素中第k個評價指標的權(quán)重)。設(shè)專家r對第g個要素中第k個評價指標的重要性排序值為{x(g,k,r)|g=1, 2, 3, 4;k=1, 2, …,ng;r=1, 2, …,R},其中R為咨詢的專家總?cè)藬?shù),則第g個要素中第k個評價指標的重要性排序值對應(yīng)的均值和標準差計算式為[29]

(1)

(2)

顯然,重要性排序值越小則該指標的重要性越高[26-29],根據(jù)文獻[29]建立第g個要素的互反判斷矩陣為

Pg=(pg,k,l)

(3)

式中:pg, k, l為第g個要素中第k個評價指標優(yōu)于評價指標l的程度(l=1, 2, …,ng)。當pg, k, l=1時表示評價指標k和l同等重要;當pg, k, l>1時表示評價指標k比l重要,且pg, k, l越大表示評價指標k比l越重要,反之亦然[29-30]。

通常情況判斷矩陣Pg可能不具有滿意的一致性。設(shè)Pg的修正判斷矩陣為Qg=(qg, k, l),Qg中各評價指標的權(quán)重仍記為wgk,則使式(4)達到最小值的Qg為Pg的最優(yōu)一致性判斷矩陣[30]。

(4)

(k=1,2,…,ng-1;l=k+1,…,ng)

式中:C(ng)為一致性指標系數(shù);d為非負參數(shù),根據(jù)經(jīng)驗可從區(qū)間[0, 0.5]內(nèi)取值。利用加速遺傳算法[31]求解式(4)較為簡便而有效[30]。當C(m)≤0.2時一般認為判斷矩陣Pg具有滿意的一致性,此時得到第g個要素中的第k個評價指標的權(quán)重wgk具有較高的可信度,否則可以改變非負參數(shù)d或修改原判斷矩陣Pg使之滿足一致性要求。

1.3 評價等級標準

參考相關(guān)文獻[25]將區(qū)域水資源承載力劃分為4個等級:不超載、臨界超載、超載和嚴重超載。不超載,代表區(qū)域水資源承載力可以支撐區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展、保持社會穩(wěn)定和維持生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展;臨界超載,代表區(qū)域水資源承載力可以維持區(qū)域經(jīng)濟、社會、生態(tài)環(huán)境3個系統(tǒng)正常運行,但同時存在水資源承載力超載的風險;超載,代表水資源不足以支撐區(qū)域經(jīng)濟、社會、生態(tài)環(huán)境3個系統(tǒng),區(qū)域存在水資源短缺,水環(huán)境破壞和飲用水供應(yīng)不足等水問題;嚴重超載,代表區(qū)域存在水資源匱乏,水質(zhì)污染嚴重,水域空間遭受嚴重侵占或河流斷流等嚴重水問題。

1.4 區(qū)域水資源承載力等級

水量要素所考慮的是當維持人類生活生產(chǎn)、支撐社會經(jīng)濟發(fā)展和維系生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展所用的水量超出區(qū)域水循環(huán)可更新的水資源量時,由此帶來地下水過度開發(fā)等問題,而這類問題是阻礙人類生活、制約區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和破壞生態(tài)環(huán)境的重要因素。水域要素所考慮的是區(qū)域為了經(jīng)濟發(fā)展、防洪排澇、農(nóng)業(yè)灌溉等需求修建水庫、河道等水利工程，對原有的水域空間的侵占或改變。區(qū)域水域空間的侵占和改變將直接影響區(qū)域的水量,進一步影響區(qū)域水量要素的承載狀況。因此,綜合相關(guān)研究結(jié)果和專家的意見,將水域要素作為水量要素的修正要素,運用風險矩陣判斷水量-水域2個要素綜合后的承載力等級結(jié)果見表1。

表1 基于風險矩陣方法的水量-水域二要素綜合評價等級

水質(zhì)要素所考慮的是人類生產(chǎn)生活和經(jīng)濟發(fā)展都會產(chǎn)生一定數(shù)量的污染物,造成區(qū)域水資源的質(zhì)量下降。當污染物入河量一旦超過水體的納污能力,就會造成水體的相關(guān)功能喪失,此時劣質(zhì)的水資源則較難滿足人類生活、經(jīng)濟發(fā)展、灌溉排水和維持生態(tài)環(huán)境等對水質(zhì)的基本要求。水流要素所考慮的是河流水資源的過度使用或者是在河流上建設(shè)攔阻工程,造成河流水流流速減緩,嚴重時可能導致斷流等現(xiàn)象。較快的水流速度可以加快河流內(nèi)的水循環(huán),對修復水質(zhì)有一定的積極作用,進一步影響水質(zhì)要素的承載狀況。因此,將水流要素作為水質(zhì)要素的修正要素,運用風險矩陣判斷水質(zhì)-水流2個要素綜合后的承載力等級,結(jié)果見表2。

表2 基于風險矩陣方法的水質(zhì)-水流二要素綜合評價等級

參考文獻[25], 運用風險矩陣綜合考慮區(qū)域水量-水域二要素綜合后的評價等級和水質(zhì)-水流二要素綜合后的評價等級,判斷量-質(zhì)-域-流四要素綜合后的區(qū)域水資源承載力等級,結(jié)果見表3。

表3 基于風險矩陣方法的量-質(zhì)-域-流

2 西遼河流域水資源承載力評價

2.1 研究區(qū)概況

西遼河流域位于我國東北地區(qū)西南部,流經(jīng)河北、遼寧、內(nèi)蒙古和吉林四省,河流全長829 km。西遼河流域地理坐標為:東經(jīng)119°04′～125°01′,北緯42°00′～45°00′,北以松遼流域分水嶺為界和松花江流域接壤,東接東遼河流域,南臨遼河干流和大、小凌河,西與七老圖山、努魯兒虎山、醫(yī)巫閭山和灤河流域毗鄰。西遼河流域面積13.52萬km2,行政區(qū)劃包括吉林省、遼寧省、內(nèi)蒙古自治區(qū)和河北省,分別占流域面積的2.62%,2.58%,91.89%和2.91%。西遼河流域上游為老哈河,下游為西遼河干流,主要支流有西拉木倫河、教來河、新開河和烏力吉木倫河等。西遼河流域地處中溫帶半干旱季風氣候區(qū),大陸性氣候顯著,表現(xiàn)為春季干燥多風,夏季濕熱多雨,秋季涼爽,冬季嚴寒少雪的氣候特點。西遼河流域降水量從東南向西北逐漸減少,從650 mm減少到325 mm,實測年最大降水量1 007.1 mm、年最小降水量158.9 mm。降水量在時間上分布不均勻,6—9月降水量占全年總降水量的80%以上。

表4 區(qū)域水資源承載力評價的初步指標體系[26]

2.2 四要素水資源承載力評價

參考相關(guān)文獻并征詢相關(guān)專家的意見和建議,依據(jù)構(gòu)建水資源承載力指標體系的系統(tǒng)性原則、綜合性原則、動態(tài)性原則和實踐性原則[26]。在構(gòu)建量-質(zhì)-域-流四要素的評價指標體系時,將考慮各要素所囊括的評價指標分成支撐力指標和壓力指標。水量要素的支撐力指標主要包括區(qū)域水資源總量和可利用水總量等,水量要素的壓力指標主要包括維持人類生活、經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境所需要的水資源量等。水質(zhì)要素的支撐力指標主要包括水資源系統(tǒng)的納污能力等,水質(zhì)要素的壓力指標主要包括人類生活和企業(yè)發(fā)展等相關(guān)人類活動會產(chǎn)生一定的入河污染物等。水域要素的支撐力指標主要包括天然水域面積和河網(wǎng)密度等,水域要素的壓力指標主要包括人類活動開發(fā)利用水域岸線和取用生態(tài)水等。水流要素的支撐力指標主要包括天然水流狀態(tài)和區(qū)域的生態(tài)流量等,水流要素的壓力指標主要包括人類活動造成水流阻隔等情況。綜上分析,建立西遼河水資源承載力評價指標體系,各個評價指標如表4所示。這里采用在各種評價指標體系評價中計算權(quán)重都是適用的一種改進層次分析法,即AGA-AHP法計算四要素中各評價指標的權(quán)重wgk,如表4所示。

表4所提供區(qū)域水資源承載力的初步評價指標體系可較為完善、系統(tǒng)反映了一般區(qū)域水資源的承載狀況,但綜合全部的48個指標評價區(qū)域水資源承載力在資料獲取等方面存在較大的難度,實際上也無必要。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)用AGA-AHP計算的四要素評價指標的權(quán)重大小和評價指標是否能代表區(qū)域水資源的承載狀況,制定兩個篩選原則,篩選出相關(guān)評價指標,分析得到綜合評價指標,用綜合評價指標構(gòu)建區(qū)域水資源承載力的評價指標體系[26]:①水量要素中區(qū)域用水總量、區(qū)域可利用水量、區(qū)域水資源總量、平原區(qū)及超采區(qū)地下水開采量和區(qū)域地下水可開采量指標對應(yīng)的權(quán)重較大。區(qū)域用水總量反映區(qū)域經(jīng)濟社會和生態(tài)環(huán)境對水資源系統(tǒng)的實際耗水量,將區(qū)域用水總量和區(qū)域可利用水量比較得到區(qū)域用水程度,是反映區(qū)域水資源量是否能夠保障區(qū)域經(jīng)濟社會和維持生態(tài)環(huán)境的直接體現(xiàn)。將地下水開采量和地下水可開采量比較得到區(qū)域地下水開采程度,是反映區(qū)域地下水是否被過度開發(fā)的直接度量標準。因此,將區(qū)域用水程度和地下水開采程度作為水量要素的綜合評價指標。②水質(zhì)要素中水功能區(qū)水質(zhì)達標率、區(qū)域氨氮入河量和允許入河量、區(qū)域COD入河量和允許入河量所對應(yīng)指標的權(quán)重較大。水功能區(qū)水質(zhì)達標率的含義是滿足水功能區(qū)水質(zhì)達標個數(shù)和水功能區(qū)總個數(shù)的比值,可以反映出區(qū)域水資源被污染的情況。綜合考慮區(qū)域污染物入河量和區(qū)域污染物允許入河量2個方面得到區(qū)域污染物限制排放量,考慮將污染物入河量和污染物限制排污量的比值作為水質(zhì)污染程度度量標準。因此,將水功能區(qū)水質(zhì)達標率和水質(zhì)污染程度作為水質(zhì)要素的綜合評價指標。③水域要素中區(qū)域水資源開發(fā)利用程度和水域岸線開發(fā)利用程度2個評價指標的權(quán)重較大,作為水域要素的綜合評價指標。④水流要素中河流庫徑比和生態(tài)流量保障率2個評價指標的權(quán)重較大,作為水流要素的綜合評價指標。綜上,構(gòu)建得到西遼河量-質(zhì)-域-流四要素水資源承載力評價指標體系,如圖1所示。

表6 水資源承載力評價指標等級劃分標準

注:生態(tài)流量是指維系河流、湖泊和沼澤等水生態(tài)系統(tǒng)的完整性、系統(tǒng)性和穩(wěn)定性,保障人類生存與發(fā)展的合理需求,需要保留在河流、湖泊、沼澤內(nèi)的流量及其過程。生態(tài)流量過程中枯水期最小值通常稱為生態(tài)基流。

圖1 水資源承載力評價指標體系

參考文獻[26]得到量-質(zhì)-域-流四要素的權(quán)重,計算各要素選取的各評價指標的權(quán)重如表5所示。

表5 水資源承載力評價指標權(quán)重

單個要素所包含評價指標的不超載、臨界超載、超載和嚴重超載4個等級劃分標準需要結(jié)合評價區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展水平、生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀和社會人口等因素來合理確定。綜合相關(guān)專家意見和相關(guān)參考文獻[22],得到西遼河水資源承載力8個綜合評價指標的等級劃分標準,如表6所示。

選擇西遼河流域的水資源三級區(qū)作為評價單元,包括西拉木倫河及老哈河、烏力吉木倫河和西遼河下游區(qū)間。收集相關(guān)資料計算得到4個要素中各評價指標值,將這些評價指標值與評價指標等級標準比較,得到各評價指標的水資源承載力評價等級。根據(jù)四要素中各評價指標的權(quán)重對各評價指標的水資源承載力評價等級進行加權(quán)計算,最后得到西遼河流域三級區(qū)的量-質(zhì)-域-流各要素的評價結(jié)果如表7所示。

為進一步直觀化地反映西遼河流域水資源承載力量-質(zhì)-域-流各要素水資源承載狀態(tài)的空間差異,作圖如圖2所示。

圖2(a)所示西遼河流域水量要素的承載狀況總體較好。由表7可知:西拉木倫河及老哈河區(qū)域的用水總量低于區(qū)域用水總量的控制指標,且地下水開采量較少,水量要素的綜合評價等級處于不超載;烏力吉木倫河的用水程度較低,但地下水開采程度相對較高,考慮到地下水開采程度的權(quán)重高于區(qū)域用水程度,水量要素綜合評價等級為臨界超載;西遼河下游區(qū)間用水程度和地下水開采程度相對較高,水量要素綜合評價等級為臨界超載。

圖2 西遼河流域量-質(zhì)-域-流各要素水資源承載狀態(tài)評價結(jié)果

表7 西遼河流域單要素水資源承載力評價等級

注:20世紀80年代以來,特別是2000年以后,受自然因素和人類活動的雙重影響,西遼河斷流時間增加、斷流情況加重,將生態(tài)流量過程中枯水期最小值通常稱為生態(tài)基流,致使生態(tài)基流為0。

圖2(b)所示西遼河流域水質(zhì)要素的承載狀況一般。由表7可知:西拉木倫河及老哈河區(qū)域水功能區(qū)水質(zhì)達標情況一般,水質(zhì)污染程度嚴重,水質(zhì)要素的綜合評價等級為超載;烏力吉木倫河的水功能區(qū)水質(zhì)達標情況較好,水質(zhì)污染程度較低,水質(zhì)要素的綜合評價等級為不超載;西遼河下游區(qū)間水功能區(qū)水質(zhì)達標情況較好,水質(zhì)污染程度一般,考慮到水質(zhì)污染程度的指標權(quán)重高于水功能區(qū)水質(zhì)達標率,水質(zhì)要素的綜合評價等級為臨界超載。

圖2(c)所示西遼河流域水域要素的承載狀況較差。由表7可知:盡管西拉木倫河及老哈河、烏力吉木倫河和西遼河下游區(qū)間的水域岸線開發(fā)利用程度很低,但該3個區(qū)域的水資源開發(fā)利用程度普遍很高,綜合考慮得出3個區(qū)域水域要素的綜合評價等級分別為臨界超載、臨界超載和超載。

圖2(d)所示西遼河流域水流要素的承載狀況很差。由表7可知:西拉木倫河及老哈河、烏力吉木倫河和西遼河下游區(qū)間的河流庫徑比較大,表明河流被阻隔較為嚴重,而常年的河流斷流導致生態(tài)流量無法得到保障,綜合考慮得出3個區(qū)域水流要素的綜合評價等級分別為嚴重超載、超載和嚴重超載。

將上述四要素的評價結(jié)果用風險矩陣法和短板法進行合成得到西遼河流域水資源承載力的綜合評價結(jié)果如圖3所示。

圖3 西遼河流域量-質(zhì)-域-流四要素水資源承載狀態(tài)綜合評價結(jié)果

采用風險矩陣法,得到西拉木倫河及老哈河、烏力吉木倫河和西遼河下游區(qū)間的水資源承載力綜合評價等級分別為超載、臨界超載和超載,表明西遼河流域的水資源承載狀況較差;采用短板法,上述3個水資源三級區(qū)的水資源承載力綜合評價等級分別為嚴重超載、超載和嚴重超載,表明西遼河流域的水資源承載狀況非常差。風險矩陣法、短板法兩種方法所得結(jié)果總體上保持一致,同時也存在一定的差異。短板法直接采用量-質(zhì)-域-流四要素中最差的評價等級作為區(qū)域水資源承載力評價等級,這種方法得到的綜合評價結(jié)果較為保守,不能客觀反映出區(qū)域水資源的實際承載狀況。例如,烏力吉木倫河的水量要素、水質(zhì)要素和水域要素評價結(jié)果較好,水流要素的評價結(jié)果差,綜合考慮得到區(qū)域的水資源承載狀況應(yīng)該是一般,而用短板法得到的結(jié)果是超載等級,與區(qū)域水資源的實際承載狀況存在較大的差異。將風險矩陣應(yīng)用到量-質(zhì)-域-流四要素的等級合成,可進一步考慮四要素之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián),將水量與水域、水質(zhì)與水流分別進行評價等級合成,評價過程具有物理解析意義。用短板法進行等級合成時,若某單一要素的評價結(jié)果很差,最終的綜合評價結(jié)果必然也很差,不合理地忽略了其他評價要素的重要性,而采用風險矩陣法的綜合評價結(jié)果就要科學合理得多。

3 結(jié) 論

a. 將量-質(zhì)-域-流四要素應(yīng)用于區(qū)域水資源承載力評價時,難點是如何綜合考慮四要素得到最終的區(qū)域水資源承載力評價結(jié)果。目前常用方法是運用短板法進行四要素的合成,將四要素中最差的評價等級作為區(qū)域水資源承載力的最終評價結(jié)果。風險矩陣法是一種定量和定性相結(jié)合的綜合評估方法,風險矩陣在進行雙要素的合成時,可充分考慮合成要素的內(nèi)在含義和相互關(guān)系。本文用風險矩陣綜合量-質(zhì)-域-流四要素得到區(qū)域水資源承載力的評價結(jié)果,提出了基于風險矩陣的量-質(zhì)-域-流四要素水資源承載力評價模型(QQSS-RM)。

b. QQSS-RM在西遼河流域水資源承載力的評價結(jié)果表明,基于風險矩陣進行量-質(zhì)-域-流四要素的合成所得到的區(qū)域水資源承載力綜合評價結(jié)果更加符合區(qū)域水資源的實際承載狀況,在將量-質(zhì)-域-流四要素進行兩兩合成時,充分考慮合成要素的相互關(guān)系和內(nèi)在聯(lián)系,增強評價過程的物理解釋性。風險矩陣方法不僅避免了短板法進行多要素合成時忽略其他要素的重要性，使得評價結(jié)果較差的不足，同時也克服了短板法評價結(jié)果的跳躍性和不穩(wěn)定性,以及由此產(chǎn)生的與區(qū)域水資源的實際承載狀況的差異。

c. 本文提出的水資源承載力評價模型進一步完善了風險矩陣方法在水資源承載力評價上的應(yīng)用,為水資源承載力評價提供了新方法,使評價結(jié)果更具解釋性、更趨科學合理。