遼河干流水資源承載力狀況分析

李 碩

(遼寧省葫蘆島市平山供水有限責(zé)任公司，遼寧 葫蘆島 125000)

遼河流域自上而下貫穿遼寧地區(qū)多座城市，所賦存的巨大水資源發(fā)揮著供水、灌溉、航運(yùn)、發(fā)電等多種功能，不僅是區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要水源，還是生態(tài)安全屏障區(qū)和水資源能源基地、戰(zhàn)略水源基地，支撐著沿河經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[1-2]。近年來(lái)，受高強(qiáng)度水資源開(kāi)發(fā)、水系統(tǒng)循環(huán)穩(wěn)定性下降、人口壓力持續(xù)增大等多種自然和人為因素影響，遼河流域局部地區(qū)面臨著水生態(tài)受損、水污染加劇、水資源短缺、水災(zāi)害頻發(fā)等問(wèn)題，流域資源環(huán)境承載力與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展失衡或失調(diào)，并逐漸成為流域可持續(xù)發(fā)展的瓶頸[3-5]。因此，為維持水生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)的態(tài)勢(shì)，必須加強(qiáng)流域開(kāi)發(fā)利用管控和水資源承載力的剛性約束，科學(xué)評(píng)價(jià)干流承載力狀況的意義重大。

1 研究區(qū)概況

1.1 基本情況

遼河流域主要由遼河和大遼河兩大水系組成，橫跨河北、遼寧、吉林、內(nèi)蒙古四省(自治區(qū))，全長(zhǎng)1345km，總面積21.9萬(wàn)km2，屬于典型的樹(shù)枝狀水系。其中，遼河水系又細(xì)分成東、西遼河和遼河干流，東、西遼河兩源于福德店匯流成干流，主要有清河、柴河、亮子河、柳河、養(yǎng)息牧河、招蘇臺(tái)河、秀水河、拉馬河、九股河等20多條支流，干流全長(zhǎng)573km，面積69193km2，占全流域的30%；大遼河水系包括太子河、渾河以及兩者匯流后的三岔河至營(yíng)口入河段(河長(zhǎng)95km)。流域內(nèi)森林覆蓋面積2.56萬(wàn)km2，其中耕地1.97萬(wàn)km2，占比為29.31%，天然林占流域的2/3，山地丘陵分列東、西兩側(cè)，地貌類型以沖擊平原為主，地勢(shì)總體上自北向南傾斜。

遼河流域?qū)贉貛О敫珊蛋霛駶?rùn)季風(fēng)氣候，降水量分布與徑流分布特征保持一致。從時(shí)空分布，干流徑流自南向西北呈遞減趨勢(shì)，年內(nèi)徑流分配極不均衡，豐水期(6-9月份)徑流量占全年的60%以上，此期間洪澇災(zāi)害頻發(fā)；平水期(3、4、5、10月份)特別是3、4月份河道流量補(bǔ)給來(lái)源于以地下水補(bǔ)給工程及冬季融冰融雪為主，受灌溉期水庫(kù)供水影響5月份河道流量明顯增大；枯水期(11月-次年2月)河道流量較小。為保證農(nóng)業(yè)灌溉用水，遼河干流已建柴河、清河等水庫(kù)供水工程，年均徑流量10147億m3，總庫(kù)容15153億m3，控制流域3731km2。

1.2 流域分區(qū)

本研究將遼河干流劃分成柳河口以上和以下兩個(gè)分區(qū)，行政分區(qū)劃分成阜新、撫順、沈陽(yáng)、鐵嶺、新民、遼中、鞍山、錦州、盤(pán)錦等9個(gè)市縣區(qū)。選取基準(zhǔn)年、近期和遠(yuǎn)期水平年為2020年、2025年、2030年。

2 研究方法

遼河流域水資源狀況受用水效率偏低、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理、枯季河道斷流和水資源短缺等影響較大，其水資源承載力主要取決于科技發(fā)展水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、生態(tài)環(huán)境、河流開(kāi)發(fā)利用程度和水資源條件等因素[6-8]。因此，為反映問(wèn)題的本質(zhì)應(yīng)合理選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)，從諸多復(fù)雜因素中篩選出典型因子，并應(yīng)用科學(xué)的方法全面評(píng)價(jià)流域水資源承載力水平。

2.1 劃分等級(jí)

考慮各項(xiàng)指標(biāo)的具體內(nèi)涵和屬性特征，將流域水資源承載力劃分成V1、V2、V3三個(gè)等級(jí)，其中V1級(jí)代表流域進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用潛力較小，水資源狀況較差，承載力已接近極限，繼續(xù)開(kāi)發(fā)將出現(xiàn)水源短缺；V3代表流域的發(fā)展規(guī)模和利用程度較小，水資源狀況良好，承載力仍然較大；V2代表流域開(kāi)發(fā)利用程度處于V1、V3等級(jí)之間，流域開(kāi)發(fā)利用具有一定的規(guī)模，但仍有一定的潛力。

為更加直觀地反映不同等級(jí)的流域水資源狀況，以評(píng)分α1=0.05、α2=0.5、α3=0.95代表V1、V2、V3三個(gè)等級(jí)，從而定量反映出水資源承載力受各等級(jí)因素的影響程度，數(shù)值越高則流域開(kāi)發(fā)利用潛力越大。因此，結(jié)合各等級(jí)隸屬度bj和以上α1i的取值可以綜合評(píng)定水資源承載力狀況。

2.2 評(píng)價(jià)流程

步驟1：采用m項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)建立因素集U={u1，u2，…，um}，依據(jù)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造評(píng)價(jià)集V={v1,v2,…,vn}，即各評(píng)價(jià)等級(jí)所對(duì)應(yīng)的模糊子集數(shù)，文中n取3。

步驟2：構(gòu)造隸屬函數(shù)和模糊關(guān)系矩陣。采用模糊數(shù)學(xué)法建立隸屬函數(shù)，利用模數(shù)函數(shù)計(jì)算參評(píng)指標(biāo)的隸屬度，通過(guò)單因素評(píng)價(jià)生成隸屬模糊關(guān)系矩陣R，即：

(1)

以線性變化特征構(gòu)造相對(duì)隸屬度函數(shù)，不同指標(biāo)隸屬于各等級(jí)的函數(shù)表達(dá)式如下：

(2)

(3)

(4)

式中：k1和k3代表V2、V3級(jí)和V1、V2的臨界值，k2代表V2等級(jí)范圍的中點(diǎn)值，以k2=(k1+k3)/2確定。

步驟3：計(jì)算加權(quán)模糊向量。根據(jù)水資源承載力受各參評(píng)因子的影響程度，在綜合評(píng)價(jià)中要構(gòu)造模糊權(quán)向量A：A={a1，a2，…，am}，實(shí)際上ai即為參評(píng)因子ui隸屬于模糊子集的程度[7]。

步驟4：復(fù)合模糊計(jì)算。通過(guò)模糊變換進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，轉(zhuǎn)換方程如下：

B=A·R=(a1，a2，…，am)·=(b1，b2，…，bn)

(5)

步驟5：模糊綜合評(píng)價(jià)。依據(jù)水資源承載力綜合評(píng)判矩陣B確定最終的評(píng)價(jià)值θ，θ值越大則承載潛力越大[8]，具體表達(dá)式為：

(6)

評(píng)價(jià)值θ處于0-0.33、0.33-0.66、0.66-1.0范圍時(shí)，依次代表遼河干流水資源承載狀況良好、適中和基本飽和狀態(tài)。

3 水資源承載力評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

文章遵循代表性、系統(tǒng)性、科學(xué)性和可獲取性等原則，結(jié)合流域具體情況和水資源利用特點(diǎn)選擇10項(xiàng)典型指標(biāo)[9-10]。這些指標(biāo)反映了流域生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和供需水情況，對(duì)流域水資源影響較大，各指標(biāo)等級(jí)劃分見(jiàn)表1。

表1 水資源承載力參評(píng)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)我國(guó)北方河流和遼河流域相關(guān)數(shù)據(jù)資料合理確定各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重，其中水資源承載力受開(kāi)發(fā)利用程度和人均可利用量影響較大，故a1、a2權(quán)重均取0.15；此外，生態(tài)用水率對(duì)水資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用、人類生存發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境的維護(hù)也影響較大，故a10權(quán)重取0.15；水資源承載力受人口密度、人均糧食占有量和人均增加值的影響角度，故a4、a5、a7權(quán)重均取0.05，其他指標(biāo)a3、a6、a8、a9權(quán)重均取0.10，由此構(gòu)造的權(quán)重矩陣A=(0.15，0.15，0.10，0.05，0.05，0.10，0.05，0.10，0.10，0.15)。

3.2 結(jié)果與分析

采用上述方法計(jì)算遼河干流水資源承載力以及各等級(jí)隸屬度，見(jiàn)表2所示。然后對(duì)分區(qū)城市評(píng)價(jià)結(jié)果利用SPSS軟件進(jìn)行主成分分析，主成分Yi及其評(píng)價(jià)值F見(jiàn)表3。經(jīng)對(duì)比分析，主成分分析法和模糊綜合法評(píng)價(jià)結(jié)果基本相同。

表2 遼河干流水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果

表3 水資源承載力主成分分析結(jié)果(2020年)

1)對(duì)于柳河口以上區(qū)間。結(jié)合計(jì)算結(jié)果，該區(qū)間面臨著突出的水資源供需矛盾，流域水資源進(jìn)一步開(kāi)發(fā)潛力較小，加之水環(huán)境破壞、地下水超采等因素致使水資源承載潛力較低，具體如下：

①柳河口以上區(qū)間內(nèi)鐵嶺市水資源承載力所占比重最高，評(píng)價(jià)結(jié)果排序?yàn)榈?，水資源條件較好；深入分析，鐵嶺市的農(nóng)業(yè)用水量和灌溉定額較高，用水效率較低，為提高該地區(qū)灌溉系數(shù)和水資源承載力，應(yīng)結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況采取滴灌、噴灌等工程措施，有效控制灌溉定額。②柳河口以上區(qū)間內(nèi)沈陽(yáng)地區(qū)的綜合評(píng)分值最高，表明該地區(qū)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用潛力不大，水資源利用已具有一定規(guī)模。③流域內(nèi)阜新市水資源承載力較高，但其所占比重較小，加之城市化不高、河流水量充沛以及有柳河流經(jīng)等，所以承載水平較高，水資源開(kāi)采適用仍具有一定的潛力。④遼河干流中阜新地區(qū)所占比例較小，并且多為山區(qū)；水資源承載力評(píng)價(jià)等級(jí)處于V2-V3之間，評(píng)分值最低，表明水資源狀況良好，這與該地區(qū)水資源條件好、人口稀少等因素有關(guān)[11-13]。

2)對(duì)于柳河口以下區(qū)間。結(jié)合計(jì)算結(jié)果，該區(qū)間水資源面臨著嚴(yán)峻的形勢(shì)，整體水質(zhì)較上游稍差，具體如下：

①新民市城市化水平相對(duì)較低，加之有饒陽(yáng)河徑流和多座小型調(diào)節(jié)水庫(kù)，所以水資源狀況較好，具有一定開(kāi)發(fā)潛力，但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也應(yīng)該慎重開(kāi)采。②遼中地區(qū)的水資源承載力評(píng)分相對(duì)較高，表明該地區(qū)開(kāi)發(fā)利用潛力不大，現(xiàn)已具備一定規(guī)模；水資源開(kāi)發(fā)利用程度隨著老工業(yè)基地的振興也不斷增大，未來(lái)該地區(qū)也會(huì)面臨著嚴(yán)峻的形勢(shì)，水資源開(kāi)發(fā)潛力還會(huì)減小。③遼河干流主要流經(jīng)鞍山市臺(tái)安縣，模糊評(píng)價(jià)結(jié)果排序?yàn)榈?，水資源狀況較差；近年來(lái)，鞍山市高度重視滴灌、噴灌等農(nóng)業(yè)節(jié)水工程建設(shè)，不斷提高用水效率，水資源承載力在一定程度上有所提升。④模糊綜合評(píng)分最高的是盤(pán)錦市，但承載力水平較低，盤(pán)錦市雙臺(tái)子入河口處建有多座大型灌區(qū)，灌溉需水量巨大，未來(lái)將面臨著嚴(yán)峻的水資源形勢(shì)；雖然大伙房水庫(kù)二期工程在一定程度上緩解了灌溉用水矛盾，但還要充分利用現(xiàn)有水源，加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整。⑤流域內(nèi)的錦州市水資源狀況也不容樂(lè)觀，評(píng)分處于V2-V3之間，水資源短缺正面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

總體而言，2020年遼河干流處于可承載水平，隨著耕地面積的不斷擴(kuò)大、人口的持續(xù)增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，遼河干流區(qū)水資源承載力將不斷下降，難以支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求。同時(shí)，通過(guò)規(guī)劃節(jié)水措施、加大節(jié)水力度等逐步轉(zhuǎn)變用水浪費(fèi)的現(xiàn)狀，間接提升流域承載力。

4 結(jié) 論

文章結(jié)合流域具體情況和水資源利用特點(diǎn)選擇能夠反映了流域生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、供需水情況的10項(xiàng)指標(biāo)，并利用模糊綜合法科學(xué)評(píng)價(jià)了流域水資源承載狀況。結(jié)果顯示，該模型具有原理清晰、計(jì)算簡(jiǎn)單、精準(zhǔn)可靠等優(yōu)點(diǎn)，評(píng)價(jià)結(jié)果能夠反映出不同水平年流域水資源實(shí)際狀況，并且與主成分法憑借結(jié)果保持一致。遼河干流各分區(qū)規(guī)劃年的水資源承載力有所提升，大部分地區(qū)承載狀況呈好轉(zhuǎn)趨勢(shì)。