鐵嶺市水資源承載力預(yù)警分析研究

李 玥

(遼寧省河庫管理服務(wù)中心，沈陽 110000)

水是生態(tài)環(huán)境和人類活動中影響最廣、最為活躍、起決定作用的因素，也是國民經(jīng)濟的命脈和生命與文明的搖籃。近年來，隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，環(huán)境、資源和人口問題不斷突出，水資源承載力逐漸成為學術(shù)界研究的熱點之一。水資源承載力預(yù)警可以明確經(jīng)濟社會協(xié)調(diào)發(fā)展狀況，及時準確地掌握水資源系統(tǒng)變化速度和發(fā)展趨勢，為實現(xiàn)水資源可持續(xù)發(fā)展與合理調(diào)控提供支持[1-3]。目前，針對水資源承載力國內(nèi)學者開展了深入研究，如曹可馨等[4]將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與水資源承載力理論相結(jié)合，科學預(yù)警分析了水環(huán)境承載力；高偉等[5]在水資源承載力預(yù)警分析時引入系統(tǒng)動力學法進行研究；樓勝霞等[6]以遵義市為例，分縣級和市級兩個層面利用GIS技術(shù)定量分析了水資源承載力。鑒于此，文章結(jié)合現(xiàn)有研究資料，應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)法和GM(1，1)模型預(yù)測預(yù)警了鐵嶺市現(xiàn)狀年及未來的水資源承載力，旨在為實現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展及水資源規(guī)劃和利用提供決策依據(jù)。

1 構(gòu)建預(yù)警指標體系

為確保水資源承載力預(yù)警體系的全面性與整體性，綜合考慮當?shù)厮Y源實際情況和社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境、資源開發(fā)狀態(tài)，借鑒相關(guān)研究資料，應(yīng)用PSR模型篩選出14項典型指標形成預(yù)警指標體系，基于PSR模型的預(yù)警指標體系及權(quán)重，見表1。其中，承載壓力反映水資源系統(tǒng)受人類活動的壓力和干擾，承載狀態(tài)體現(xiàn)了自然要素受各種因素長期作用的結(jié)果，承載響應(yīng)反映了面對自然問題人類采取的措施與決策。該體系能夠全面地反映經(jīng)濟發(fā)展與水資源的相互關(guān)系，反映水資源承載安全狀態(tài)。

表1 基于PSR模型的預(yù)警指標體系及權(quán)重

2 水資源承載力預(yù)警模型

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

不同指標對水資源承載力的貢獻具有明顯差異，總體上可分為正向(越大越優(yōu)型)和負向(越小越優(yōu)型)兩種類型。由于不同指標間的不可通透性直接計算會帶來較大誤差，致使評價結(jié)果失真。因此，在計算分析前必須先歸一化處理各指標初始數(shù)據(jù)，參考李祚泳[7]等推薦的方法先歸一化處理各參評因子值，再利用熵權(quán)法計算水資源承載力各指標客觀權(quán)重Wi。

2.2 灰色關(guān)聯(lián)預(yù)警

灰色關(guān)聯(lián)分析是一種利用序列曲線幾何形狀的相似程度來定量分析所有參評因子之間關(guān)聯(lián)度的方法，一般適用于時間序列信息較少的小樣本研究，能夠保證分析結(jié)果與量化數(shù)據(jù)的一致性[8-9]。

1)步驟1：灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)。設(shè)Xj={xj(1)，xj(2)，…，xj(m)}、L0={x0(1)，x0(2)，…，x0(m)}為比較序列和參考序列，令△j(i)=|x0(i)-xj(i)|，利用下式計算Xj與L0之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)，即：

(1)

式中：ρ為分辨系數(shù)，文中ρ取0.5。

2)步驟2：灰色關(guān)聯(lián)度。采用公式(2)計算灰色關(guān)聯(lián)度Ej，即：

(2)

2.3 GM(1，1)預(yù)測模型

GM(1，1)模型是利用一次累加將原始非負離散數(shù)據(jù)列轉(zhuǎn)變成新的序列，并應(yīng)用微分方程求解離散點數(shù)值的方法，經(jīng)累減計算近似估計值預(yù)測原始數(shù)據(jù)發(fā)展態(tài)勢，建模流程如下：

2)步驟2：結(jié)合以上計算結(jié)果建立GM(1，1)微分方程，其數(shù)學表達式：

(3)

3)步驟3：采用最小二乘法可以確定(a,b)T=(BTB)-1(BTY)，其中參數(shù)a、b可以利用下式計算：

(4)

3 實例應(yīng)用

3.1 區(qū)域概況

鐵嶺市位于松遼平原中段，地處E123°27′～125°06′，N41°59′～43°23′之間，全市面積12985 km2。地勢南低北高、中低東高、西部稍高，中部屬從北向南緩泄的遼河平原，東西兩側(cè)分布山地和丘陵，大體呈“四山一水四分田，一分道路和莊園”。境內(nèi)河網(wǎng)水系密布，遼河干流貫穿南北。根據(jù)技術(shù)要求，可以將全市劃分成12個水資源分區(qū)，即渾河、遼河右岸諸小河、中固河、凡河、柴河、清河、寇河、亮子河、二道河、昭蘇臺河、東遼河(Ⅰ)和(Ⅱ)。鐵嶺市屬溫帶半濕潤、濕潤季風氣候，多年平均降雨量700mm，年均氣溫6.3℃，雨量適中，四季分明。2020年降水量769.1mm，蒸發(fā)量1119.6mm，水資源總量31.91億m3，其中地表水和地下水23.49億m3、12.28億m3，兩者重復(fù)計算量3.85億m3，為鐵嶺城鄉(xiāng)居民生活用水以及下游工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了必要條件[10-11]。

近年來，隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展以及城鎮(zhèn)化進程的加快，各行業(yè)用水量急劇增加，鐵嶺市水資源矛盾突出，因此預(yù)警分析水資源承載力及其變化趨勢的意義重大。以2014-2020年《鐵嶺市國民經(jīng)濟與社會發(fā)展公報》、《鐵嶺市水資源公報》、《鐵嶺市統(tǒng)計年鑒》和政府部門工作年報獲取文中相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.2 權(quán)重計算

通過歸一化處理各指標初始數(shù)據(jù)，應(yīng)用Matlab編程和熵權(quán)法求解各層次指標客觀權(quán)重。

3.3 結(jié)果分析

以鐵嶺市2014-2020年水資源承載力14項評價指標的最大值構(gòu)造參考序列，即L0={x0(1),x0(2),…,x0(14)}，然后選擇各項指標的第30%、60%、90%分位數(shù)構(gòu)造三個比較序列，具體如下：X1={x1(1),x1(2),…,x1(14)}、X2=={x2(1),x2(2),…,x2(14)、X3=={x3(1),x3(2),…,x3(14)}。令△j(i)=|x0(i)-xj(i)|，2014-2020年各指標間的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度利用公式(1)～(2)計算，灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)與關(guān)聯(lián)度，見表2。其中，理想數(shù)與L1、L2、L3的灰色關(guān)聯(lián)度用E1、E2、E3表示，關(guān)聯(lián)度>L1、介于L1～L2、介于L2～L3、

表2 灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)與關(guān)聯(lián)度

結(jié)合表2中數(shù)據(jù)，2015-2019年鐵力市水資源承載力警情達到“中警”級別，2014年、2020年處于“輕警”級別。借鑒《鐵嶺市國民經(jīng)濟與社會發(fā)展》和《鐵嶺市水資源公報》等相關(guān)資料，2014-2020年鐵嶺市萬元GDP用水量表現(xiàn)出逐年減少趨勢，人均用水量呈穩(wěn)中上升趨勢；其中，2017-2019年鐵嶺市城鎮(zhèn)化率從65%持續(xù)上升到70%，用水水的提高及用水量、經(jīng)濟GDP的不斷增加使得水資源系統(tǒng)負荷逐漸加重，在一定程度上降低了水資源承載力。

近年來，鐵嶺市積極引入多種供水模式，產(chǎn)水模式持續(xù)增加，對于提高當?shù)厮Y源承載力發(fā)揮積極作用；通過采取地下水、提水工程、引水工程和蓄水工程等多種供水方式，有效緩解了城鎮(zhèn)化率和人口密度增大所帶來的水資源供給壓力，人均水資源量也明顯提高；同時，為增強節(jié)水力度設(shè)立了多項法令法規(guī)，對維持水資源承載力達到安全狀態(tài)提供了可靠保障。2020年，鐵嶺市開始推行定額管理和計劃用水，通過降低城市供水管網(wǎng)漏損率以及提高非常規(guī)水資源利用率等保證城市節(jié)水目標的實現(xiàn)。鐵嶺市政府越來越關(guān)注水資源管理與保護，加快推進節(jié)水型社會建設(shè)和水資源優(yōu)化配置；此外，加強推進河湖長制，切實提升水生態(tài)系統(tǒng)和水資源保護力度。隨著污水處理水平和用水效率的提高以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，水系統(tǒng)警情呈好轉(zhuǎn)趨勢，在很大程度上緩解了警戒程度。

3.4 警度預(yù)測

采用GM(1，1)預(yù)警模型和2014-2020年水資源承載力原始數(shù)據(jù)得到未來5a預(yù)測值，水資源承載力警情預(yù)測，見表3。結(jié)果顯示，該預(yù)警模型的平均級比偏差為0.12056，相對殘差只有0.10415，對水資源承載力數(shù)據(jù)具有較好的擬合效果。從表3可以看出，2021-2025年鐵嶺市水資源承載力處于“輕警”級別，這表明水資源系統(tǒng)負荷逐漸減小，水系統(tǒng)發(fā)展態(tài)勢良好，這與鐵嶺市大力推進水污染治理、全面建設(shè)節(jié)水型社會等密切相關(guān)。雖然水資源承載力預(yù)測值達到良好狀態(tài)，但隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展水資源仍面臨著較大的壓力，仍需加強水資源管理與保護。

表3 水資源承載力警情預(yù)測

4 結(jié) 論

1)文章基于PSR模型從生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟社會、水資源等角度選擇指標構(gòu)建承載力預(yù)警體系，利用GM(1，1)預(yù)測模型和灰色關(guān)聯(lián)法預(yù)警預(yù)測了鐵嶺市現(xiàn)狀及其未來水資源承載力發(fā)展趨勢。

2)實例表明，鐵嶺市水資源承載力整體呈向輕度預(yù)警的發(fā)展態(tài)勢，預(yù)警級別為“中警”，預(yù)警結(jié)果能夠客觀反映實際情況，該模型具有較高的精度和較好的實用性。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和城鎮(zhèn)化的加快推進，鐵嶺市應(yīng)以河湖長制為抓手、以改善水生態(tài)環(huán)境為核心，以保障水安全為重點制定切實可行的水資源管理制度，從而維持水資源系統(tǒng)處于安全可控狀態(tài)。