營口市水資源承載力綜合分析

聶 凱

(遼寧省營口水文局，遼寧 營口 115003)

0 引 言

借鑒相關(guān)研究成果，現(xiàn)階段對水資源承載力尚未形成統(tǒng)一的理論體系和認知，如王建華、侯麗敏、惠泱河、段青春等對承載力的定義均有過不同的解釋。但無論研究人員如何的定義，都是以水資源最大支撐的經(jīng)濟社會發(fā)展規(guī)模為基礎(chǔ)。所以，可通過經(jīng)濟、社會、環(huán)境、資源等要素確定水資源承載力。目前，綜合評價水資源承載力的方法較多，如逼近理想解排序法(TOPSIS)、態(tài)勢分析法(SWOT)、模糊綜合法(FCE)、主成分法(PCA)、層次分析法(AHP)等。其中，TOPSIS法因存在信息失真小、樣本數(shù)量要求低、使用簡便等特點，在綜合評價水資源承載力方面得到廣泛應用，如夏歡等、何剛等、屈小娥等研究。然而，實際應用過程中TOPSIS法也存在一些不足，該方法無法體現(xiàn)正負理想解與各方案的貼近程度，使得最接近理想點的解并不一定是TOPSIS法求出的最優(yōu)解，如郭強華等、Opricovicetal。為解決TOPSIS法存在的以上問題，有學者提出一種多準則妥協(xié)解排序法(VIKOR)，該方法能夠兼顧個體遺憾值與群體效用值，從而獲取一個折衷解。目前，在水系統(tǒng)領(lǐng)域VIKOR法已得到一定應用，但利用VIKOR法綜合評價水資源承載力的研究還鮮有報道[1-5]。

1 研究區(qū)概況

營口市地處大遼河入?？谥蟀叮|東半島西北部，地理坐標為E121°56′-123°02′、N39°55′-40°56′，全市總面積5415.68km2，現(xiàn)轄鲅魚圈區(qū)、西市區(qū)、老邊區(qū)、站前區(qū)4個區(qū)，蓋州市、大石橋市2個縣級市，被稱為環(huán)渤海經(jīng)濟圈最具競爭力的城市。2014年末，營口市總?cè)丝谶_到233.3萬人，生產(chǎn)總值1591.1億元。境內(nèi)河網(wǎng)密布，各支流蜿蜒曲折，分布有大清河、熊岳河、碧流河、浮渡河、遼河等130余條河流，建有33座小型水庫和4座大中型水庫。雖然營口市水資源總儲蓄量豐富，但其人均占有量(342m3)較少，遠遠低于全省及全國平均水平，按照國際公認標準屬于水資源匱乏區(qū)。此外，營口市具有較高的水資源開發(fā)利用率，現(xiàn)狀開采率達到61%，遠遠超出40%的界限值，長期以來該區(qū)域都處于缺水狀態(tài)。受地形條件和季風性氣候影響，在時間與空間上降水分布不均，汛期6-9月降水比較集中，并且多為強降雨?？傮w上，水資源系統(tǒng)存在可利用總量少、開采成本高、邊際效益低、開發(fā)難度大等特點，加之降水分布不均、水環(huán)境污染等，明顯增加了水資源的利用難度。

2 研究方法

2.1 評價體系

水資源承載力評價的關(guān)鍵是如何構(gòu)建系統(tǒng)、全面的綜合評價體系，如左其亭等提出應在生態(tài)、經(jīng)濟、社會、水資源復合系統(tǒng)中研究水資源承載力。一般地，綜合評價體系可劃分為3個層次，即指標層、準則層和目標層。目標層體現(xiàn)了復合系統(tǒng)中水資源的配置情況與整體變化；準則層由水環(huán)境、水資源、經(jīng)濟、社會等子系統(tǒng)構(gòu)成，它是進一步細化的目標，可用于描述水資源承載力受污染物排放、水資源開發(fā)利用、水資源總量、各行業(yè)用水效率、生活品質(zhì)提高、人口增長等因素的影響；指標層包含各項參評因子，它是承載力評價的具體體現(xiàn)，選取的參評指標應符合數(shù)據(jù)準確易獲取、含義清晰易懂、代表性強等要求。因此，文章結(jié)合現(xiàn)有文獻資料，充分考慮營口市水資源現(xiàn)狀，遵循科學性、獨立性、準確性、可行性等原則選擇17項典型指標，構(gòu)建多因素多層次承載力評價體系如表1。根據(jù)水資源承載力與參評指標之間的相關(guān)性，將評價指標劃分為數(shù)值越小承載力越高(成本型)、數(shù)值越大承載力越優(yōu)(效益型)兩類。

表1 營口市水資源承載力評價體系

2.2 VIKOR評價法

1998年，Opricovic教授基于LP-metric聚合函數(shù)提出了一種多屬性決策的VIKOR法，通過計算正、負理想解確定各決策方案的折衷解，在決策過程穩(wěn)定且處于可接受優(yōu)勢范圍內(nèi)，按照理想方案與各決策方案之間的接近程度實現(xiàn)優(yōu)劣排序?？紤]個人主觀偏好的VIKOR法的最大特色，就是妥協(xié)了最小化的“個體遺憾”和最大化的“群體效益”，為更加合理的解決多屬性決策問題提供了條件。一般地，可將VIKOR法分為利益比率計算、個體遺憾值與群體效益值計算，理想解計算、數(shù)據(jù)標準化、權(quán)重計算5個步驟，具體如下：

步驟1：權(quán)重的計算。目前，比較常用的權(quán)重計算方法包括組合賦權(quán)法、CRITIC法、熵權(quán)法、德爾菲法等。其中，以沖突性和對比強度為基礎(chǔ)的CRITIC法，在構(gòu)造權(quán)重時考慮了參評指標受關(guān)聯(lián)性、變異性的影響，所以該方法能夠最大程度的挖掘原始數(shù)據(jù)信息，可以準確的計算指標客觀權(quán)重。然而，有學者認為利用標準差判別數(shù)據(jù)變異程度的CRITIC法，通常存在誤差大、準確度等問題；李寧馨等研究認為平均差能夠客觀、全面地描述數(shù)據(jù)變異程度。鑒于此，對各參評指標權(quán)重(如表1)利用平均差改進的CIRTIC法計算，即：

(1)

(2)

式中：Ej、ADj為參評指標j的信息量及其平均差；ρij為參評指標i與j之間的相關(guān)系數(shù)；ωj為參評指標j的權(quán)重。

步驟2：數(shù)據(jù)的標準化。為了便于計算分析需要對各項指標的初始數(shù)據(jù)進行標準化處理，經(jīng)處理所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為無量綱的數(shù)值，即效益型和成本型指標的標準化公式如下：

(3)

(4)

式中：aij、rij為決策方案i中參評指標j的原始數(shù)據(jù)和標準化數(shù)據(jù)。

步驟3：理想解的計算。正理想解是指最小化成本型指標且最大化效益型指標的決策方案，負理想解是指最大化成本型指標且最小化效益型指標的決策方案，固定值法、絕對值法、最大最小值法是常用的理想解計算方法。對于理想解的計算，文章擬選用絕對值法以保證評價結(jié)果的可靠穩(wěn)定性，其表達式為：

(5)

(6)

步驟4：個體遺憾值與群體效用值。個體遺憾值是指最高值與其他值在某決策方案中的差額，主要用于描述因決策者判斷失誤所帶來的價值損失。群體效用值是一種反映對于得失效果決策者們的態(tài)度與看法的數(shù)值，即衡量對于某些事物決策者的個人偏好與主觀傾向。在個體遺憾值與群體效用值計算過程中，VIKOR法忽視了負理想解信息而僅考慮正理想解的數(shù)據(jù)。雖然，正、負理想解存在一定的關(guān)聯(lián)，但負理想解還是存在其特有的信息。所以，對個體遺憾值和群體效用值的計算，文章擬設(shè)定的參照值有正、負理想解兩種情況，參照值選正理想解時的計算式為：

(7)

參照值選負理想解時的計算式為：

(8)

綜合考慮以上兩種情況，最終可以利用下式計算決策方案的個體遺憾值和群體效用值，其表達式為：

(9)

(10)

步驟5：利益比率與排序。將個體遺憾值與群體效用值相結(jié)合計算確定利益比率Qi，為了促使VIKOR法能夠達到個體遺憾的最小化和群體效用的最大化需要引入決策機制系數(shù)u，該值越大則反對者的個體遺憾越不被注重，決策過程中最大化群體效用越被注重。為了同時達到個體遺憾最小化和群體效用最大化決策機制系數(shù)u取0.5，并按降序排列利益比率，其計算式為：

(11)

Si,max=maxSi，Si,min=minSi，
Ri,max=maxRi，Ri,min=minRi

(12)

3 結(jié)果與分析

3.1 數(shù)據(jù)來源

以2010-2019年《營口市統(tǒng)計年鑒》作為各參評指標的數(shù)據(jù)來源，對于其中缺失的數(shù)據(jù)參照相關(guān)環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、《營口市水資源公報》、《遼寧省統(tǒng)計年鑒》等資料補充。然后按照前文所述步驟，收集整理各項參評指標初始數(shù)據(jù)，利用公式(3)-(12)完成利益比率Qi、個體遺憾值、群體效用值、正負理想值和初始數(shù)據(jù)標準化等計算處理。水資源承載力綜合評價值為利益比率Qi，其值越小則承載力越高。

3.2 水資源承載力縱向分析

綜合評價2010-2019年營口市水資源承載力，如表2和圖1。由圖1(a)可知，2010-2019年研究區(qū)綜合評價值呈逐年減小的趨勢，則營口市水資源承載力不斷增強。根據(jù)其變化特點，總體上劃分成3個階段：2010-2015年的第一階段，該階段綜合評價值不斷減小，從0.7365穩(wěn)步減小至0.4150，這是由于營口市采取了環(huán)境保護政策和節(jié)水措施，同時水資源總量整體穩(wěn)定，所以此期間承載力穩(wěn)步增強；2015-2016年的第二階段，該階段綜合評價值明顯增加，從0.4150快速增大至0.8641，變化幅度達到50%以上，并達到研究期的最高值。這是由于2016年營口市水資源總量較2015年減少了近20%，此年遭受了嚴重的旱災且水資源利用率達到80%，局部地下水被過度開采；2016-2019年的第三階段，該階段的綜合評價值逐年減少至2016年之前的水平，并進一步下降至最低水平，年均下降幅度0.2160。產(chǎn)生這種變化的原因有很多，例如解決干旱問題后水資源總量逐步得以恢復，農(nóng)田灌溉節(jié)水技術(shù)在大規(guī)模干旱后得到廣泛應用，農(nóng)業(yè)用水效率明顯提升，實行階梯式水價營口市生活節(jié)水取得了明顯成效。此外，近年來營口市建設(shè)實施了一批跨流域調(diào)水工程、節(jié)水增糧項目和灌區(qū)節(jié)水改造工程等，有效解決了干旱缺水問題。以上措施和政策的有效實施，為快速恢復營口市水資源承載力創(chuàng)造了有利條件，評價結(jié)果能夠客觀真實的反映城市水資源狀況。

表2 營口市各區(qū)、縣2019年水資源承載力

表2 營口市2010-2019年水資源承載力

由圖1(b)可知，2010-2019年營口市水資源子系統(tǒng)評價值表現(xiàn)出明顯的波動變化特征，其原因為地表水資源占比、供水模數(shù)、產(chǎn)水模數(shù)等均可對評價值造成影響。在時間分布上，水資源總量不均使得人均水資源量下降、水資源波動變化，這在一定程度上增加了該子系統(tǒng)壓力。為滿足水資源供給需求，營口市保持較高的水資源利用率(60.72%)，明顯高于40%的國際標準，可見營口市水資源短缺問題較為突出。營口市經(jīng)濟、社會子系統(tǒng)評價值表現(xiàn)出波動下降的變化特征，這主要與不斷推廣應用的節(jié)水技術(shù)有關(guān)，從而使得農(nóng)業(yè)灌溉、生產(chǎn)生活用水量有所下降。2019年較2010年的萬元工業(yè)增加值用水量、萬元第一產(chǎn)業(yè)增加值用水量、萬元生產(chǎn)總值用水量減少了48.1%、65.0%、71.6%。在2013年生活用水量達到2.91×108m3后不斷減少至2019年的1.94×108m3。然而，營口市節(jié)水灌溉系數(shù)(0.62)較發(fā)達國家的0.7-0.8還存在一定差距，萬元工業(yè)增加值用水量(10.61m3)較世界先進水平的3.75m3、國內(nèi)先進水平的5.0m3還存在較大提升空間，生活節(jié)水器具普及率也有待進一步提升。營口市水環(huán)境子系統(tǒng)評價值表現(xiàn)出先增加后減少的變化特征，這主要與污染物排放量、生態(tài)環(huán)境用水率等因素有關(guān)。污染物排放量隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展不斷增加，并且在2013-2015年排放量達到最高，此后隨著污水處理率的提高和污水治理投資的加大，污染物開始逐漸減小，在2016年后該子系統(tǒng)評價值逐步較少。由此表明，水資源承載力雖然會受到經(jīng)濟社會發(fā)展的影響，但隨著污水處理率的提高和治理力度的加大，能夠緩和并化解經(jīng)濟社會發(fā)展與水資源承載力之間的矛盾。綜上分析，營口市仍具有較大的水資源承載力提升空間，其有效途徑是加大治理力度和投資規(guī)模等。

(a)綜合評價值

(b)各子系統(tǒng)評價值

3.3 水資源承載力橫向評價

綜合評價2019年營口市各市、區(qū)的水資源承載力，如表3和圖2。由圖2可知，綜合評價值較小的有大石橋市、蓋州市、鲅魚圈區(qū)，該地區(qū)水資源承載力較高，而綜合評價值較大的有西市區(qū)、老邊區(qū)、站前區(qū)，這些地區(qū)水資源承載力較低。由表3可知，蓋州市、大石橋市的水資源子系統(tǒng)評價值較小，該子系統(tǒng)承載力較高，這些地區(qū)具有較豐富的水資源，并且水庫、河流較多；老邊區(qū)、西市區(qū)和站前區(qū)的水環(huán)境較差，評價值較高，承載力較低；西市區(qū)、站前區(qū)的經(jīng)濟和社會子系統(tǒng)評價值較高，該區(qū)域?qū)儆谏钣盟袇^(qū)，所以評價值偏高。

圖2 2019年營口市各市、區(qū)水資源承載力

由此表明，水資源條件與部分地區(qū)產(chǎn)業(yè)布局、結(jié)構(gòu)不匹配，水資源承載力不足以維持現(xiàn)狀開發(fā)利用程度。以老邊區(qū)為例，該區(qū)域水資源總量較少但產(chǎn)業(yè)密集、人口稠密，水資源承載力偏低且開發(fā)率利用率較高；此外，老邊區(qū)污染物排放量高水環(huán)境壓力大，在水環(huán)境保護、非常規(guī)水資源利用和水利設(shè)施建設(shè)方面仍需對老邊區(qū)加大投入。

4 結(jié) 論

1)VIKOR法能夠有效協(xié)調(diào)環(huán)境、資源、經(jīng)濟、社會之間的關(guān)系，綜合考慮個體遺憾值和群體效用值確定折衷解，確保評價結(jié)果更加客觀準確的反映實際情況，該方法逐漸成為綜合評價水資源承載力的有效手段。

2)2010-2019年，營口市綜合評價值呈逐年減小的趨勢，則水資源承載力不斷增強。這主要與水價政策的完善、節(jié)水技術(shù)的應用、跨流域調(diào)水工程建設(shè)等措施和政策的實施有關(guān)，營口市仍具有較大的水資源承載力提升空間，其有效途徑是加大治理力度和投資規(guī)模等。

3)營口市綜合評價值較小的有大石橋市、蓋州市、鲅魚圈區(qū)，這些地區(qū)水資源承載力較高，而綜合評價值較大的有西市區(qū)、老邊區(qū)、站前區(qū)，這些地區(qū)水資源承載力較低。此外，水資源條件與部分地區(qū)產(chǎn)業(yè)布局、結(jié)構(gòu)不匹配，水資源承載力不足以維持現(xiàn)狀開發(fā)利用程度。

4)為增強營口市水資源承載力，建議合理調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、建設(shè)節(jié)水型社會，完善污水收集系統(tǒng)、減少污染物排放量，加強非常規(guī)水利用、提高污水處理能力，完善相關(guān)制度政策、減少用水量等措施，最大程度的維持水系統(tǒng)良性循環(huán)。