鞍山市水資源承載力空間差異分析

曹明川

（遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114000）

0 引言

水資源是維持人類生存發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)平衡的自然基礎(chǔ)資源，也是公共社會(huì)資源和戰(zhàn)略經(jīng)濟(jì)資源[1]。近年來，水資源所發(fā)揮的重要作用日趨突出，生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和水資源子系統(tǒng)相互促進(jìn)協(xié)調(diào)發(fā)展，這也是保證水資源合理開發(fā)的重要保障[2-5]。水資源承載力是指水體能夠支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的最大規(guī)模，體現(xiàn)了生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與水資源各子系統(tǒng)的內(nèi)在協(xié)調(diào)性。因此，研究分析水資源承載力時(shí)空差異特征，對(duì)促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與水資源的協(xié)調(diào)持續(xù)發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義[6]。

目前，研究水資源承載力的方法有綜合評(píng)價(jià)法、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法及經(jīng)驗(yàn)公式法等。其中，綜合評(píng)價(jià)法是利用數(shù)學(xué)方法，從生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和水資源等方面選定指標(biāo)，綜合評(píng)價(jià)區(qū)域水資源承載力；系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法具有全面系統(tǒng)、計(jì)算速度快等特點(diǎn)，但初始數(shù)據(jù)獲取難度大，其推廣應(yīng)用受到一定限制；經(jīng)驗(yàn)公式法未考慮生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與水資源的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，雖計(jì)算簡單，但精準(zhǔn)度較低。TOPSIS 法是一種具有不受樣本數(shù)量限制、信息失真小、計(jì)算簡便等優(yōu)點(diǎn)的綜合評(píng)價(jià)法，故利用TOPSIS 逼近理想解排序法評(píng)價(jià)分析2020 年鞍山市下轄的各縣(市)、區(qū)水資源承載力及其空間差異性和障礙因子，以期為區(qū)域生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與水資源的協(xié)調(diào)發(fā)展提供技術(shù)支持[7-8]。

1 區(qū)域概況

鞍山市地處遼東半島對(duì)外開放的中心，境內(nèi)沈秦新電氣化鐵路、中長鐵路、沈山和沈大高速公路橫貫，地理位置優(yōu)越，交通條件便利。該區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，環(huán)境優(yōu)美，氣候宜人，四季分明，年均降水量703.7mm，年均氣溫9.4℃，年均蒸發(fā)量1750.2mm，平均風(fēng)速3.5m/s，相對(duì)濕度60%，日照時(shí)數(shù)2540h，最大凍土深118cm。境內(nèi)共有大洋河、饒陽河、渾河、大遼河、太子河、遼河6 條大型河流，哨子河、海城河2 條中型河流以及27條小型河流。

調(diào)查顯示，鞍山市年均地表水供水量24712萬m3，地表水248562萬m3，開發(fā)利用率9.9%，各流域統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如下：大洋河、饒陽河、渾河、大遼河、太子河、遼河流域地表水資源量依次為173400萬m3、1422萬m3、3374萬m3、2467萬m3、43900萬m3、6860萬m3，地表水供水量依次為3656萬m3、53萬m3、228萬m3、257萬m3、19712萬m3、122萬m3，開發(fā)利用率依次為2.1%、3.7%、6.8%、10.4%、44.9%、1.8%。地下水實(shí)際開采量6.87億m3，可開采量6.58億m3，開采率104%，局部地區(qū)更加嚴(yán)重，具體如下：大洋河、饒陽河、渾河、大遼河、太子河、遼河流域地下水可開采量依次為0.53億m3、0.29億m3、1.21億m3、0.47億m3、2.11億m3、1.92億m3，實(shí)際開采量0.18億m3、0.30億m3、1.58億m3、0.48億m3、2.54億m3、1.75%，開采率為33.4%、103.7%、131.0%、102.5%、120.9%、90.9%。

隨著城市經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城鄉(xiāng)居民用水需求量急劇增大，當(dāng)?shù)厮Y源供需矛盾突出。因此，研究評(píng)價(jià)區(qū)域水資源承載力及其空間差異性和障礙因子，對(duì)于城市生活和工、農(nóng)業(yè)用水調(diào)節(jié)控制以及水資源合理利用規(guī)劃具有重要意義。

2 研究方法

2.1 構(gòu)建評(píng)價(jià)體系

水資源承載力可反映區(qū)域生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與水資源的內(nèi)在協(xié)調(diào)關(guān)系，對(duì)促進(jìn)水資源優(yōu)化配置具有重要作用。本文結(jié)合水資源承載力的內(nèi)涵、概念和鞍山市水資源實(shí)際情況，充分考慮水資源支撐生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人口規(guī)模的最大能力，并遵循可操作性、系統(tǒng)性、獨(dú)立性和科學(xué)性等原則，從水維護(hù)、水需求、水供給的角度選擇16 項(xiàng)代表性指標(biāo)構(gòu)建評(píng)價(jià)體系如表1 所示，研究分析2020 年鞍山市下轄的各縣(市)、區(qū)水資源承載力及其空間差異性和障礙因子。

表1 水資源承載力評(píng)價(jià)體系

目前，研究評(píng)價(jià)水資源承載力的文獻(xiàn)資料有很多，但由于評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和研究方法存在明顯差異，現(xiàn)階段尚未形成普遍適用的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)。因此，為更加直觀地反映區(qū)域水資源情況，本文參考相關(guān)文獻(xiàn)將評(píng)價(jià)結(jié)果劃分成5 個(gè)等級(jí)，如表2 所示。

表2 承載等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

2.2 計(jì)算方法

2.2.1 熵權(quán)法

本文利用熵權(quán)法計(jì)算表1 中各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重，該方法是以所獲取的信息量多少來決定評(píng)價(jià)結(jié)果的精準(zhǔn)度，具有較強(qiáng)的客觀性。信息熵越小則指標(biāo)提供的信息量越多，賦予的權(quán)值就會(huì)越大，反之則越小。設(shè)初始評(píng)價(jià)矩陣X=(xij)m×n，其中m、n代表評(píng)價(jià)樣本數(shù)和參評(píng)指標(biāo)數(shù)，m=4，n=16。

由于不同指標(biāo)的量綱或數(shù)量級(jí)不同無法直接進(jìn)行計(jì)算，所以必須對(duì)初始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，預(yù)處理公式為：

式中：xij、rij——參評(píng)樣本i中評(píng)價(jià)指標(biāo)j的初始數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)化值；min(xj)、max(xj)——所有樣本中評(píng)價(jià)指標(biāo)j的最小值和最大值，預(yù)處理后各指標(biāo)值變化范圍為0～1。

然后利用以下公式計(jì)算各參評(píng)指標(biāo)的信息熵ej，即：

式中：fij——評(píng)價(jià)樣本i中指標(biāo)j的標(biāo)準(zhǔn)值比重。

結(jié)合信息熵ej計(jì)算結(jié)果，可利用公式（4）確定各指標(biāo)權(quán)重ωj，即：

2.2.2 TOPSIS 法

1981 年，H Wang 和Yoon 最早提出一種用于多目標(biāo)決策分析系統(tǒng)工程有限方案的TOPSIS 數(shù)學(xué)方法，通過計(jì)算最劣解、最優(yōu)解與評(píng)價(jià)樣本之間的距離判定其優(yōu)劣程度，具體步驟如下：

步驟1：正負(fù)理想解A+、A-。將待評(píng)價(jià)樣本各指標(biāo)初始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，從而構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)矩陣R=(rij)m×n，通過大小排列比較確定正、負(fù)理想解，即：A+=(Amax1，Amax2，…，Amaxn)、A-=(Amin1，Amin2，…，Aminn)。

步驟2：相對(duì)接近程度Gi。待評(píng)價(jià)樣本i與正、負(fù)理想解之間的距離Z+、Z-利用可下式計(jì)算，即：

水資源承載力綜合評(píng)價(jià)指數(shù)就等于待評(píng)價(jià)樣本i與理想解的相對(duì)接近程度Gi，Gi值越大則待評(píng)價(jià)樣本的水資源承載力越接近理想狀態(tài)，水資源系統(tǒng)越優(yōu)；反之，Gi值越小則待評(píng)價(jià)樣本的水資源承載力越遠(yuǎn)離理想狀態(tài)，水資源系統(tǒng)越差，Gi的計(jì)算方法為：

2.2.3 障礙度計(jì)算

一般地，主要有指標(biāo)偏離度Ci、障礙度Oi和因子貢獻(xiàn)度Fi三個(gè)衡量指標(biāo)診斷障礙因素。其中，指標(biāo)偏離度Ci反映了最優(yōu)目標(biāo)值與各項(xiàng)指標(biāo)實(shí)際值之間的差距，其數(shù)值等于指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值rij與1之間的差值；障礙度Oi反映了單項(xiàng)指標(biāo)或子系統(tǒng)影響水資源承載力的高低；因子貢獻(xiàn)度Fi反映了單一指標(biāo)Xi對(duì)總目標(biāo)的貢獻(xiàn)程度，可以用熵權(quán)法獲取的權(quán)重ωi來描述。其中，指標(biāo)偏離度Ci和障礙度Oi的計(jì)算方法為：

3 結(jié)果與分析

3.1 空間差異分析

研究數(shù)據(jù)來源于2020 年鞍山市統(tǒng)計(jì)年鑒、環(huán)境狀況公報(bào)、水資源公報(bào)、國民經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)公報(bào)等資料，利用熵權(quán)TOPSIS 法定量計(jì)算2020 年鞍山市水資源承載力及空間差異，全面反映生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和水資源系統(tǒng)狀況，如表3 所示。

表3 水資源承載力評(píng)價(jià)值

結(jié)果表明，鞍山市水資源承載力綜合評(píng)價(jià)值0.46，達(dá)到Ⅲ級(jí)一般承載狀態(tài)，各轄區(qū)綜合承載力也在0.6 以內(nèi)。其中，臺(tái)安縣和市轄區(qū)水資源承載力均＜0.4，達(dá)到Ⅳ級(jí)較弱承載狀態(tài)，究其原因是該地區(qū)降水較少，加之城市人口多且地表水資源不足，致使城市生活和工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水壓力大，經(jīng)濟(jì)社會(huì)與水資源之間的協(xié)調(diào)性較差。海城市水資源承載力綜合評(píng)價(jià)值最高0.61，達(dá)到Ⅱ級(jí)較強(qiáng)承載狀態(tài)，在水資源、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)等方面均高于其它地區(qū)，究其原因是海城市生態(tài)治理較好，社會(huì)經(jīng)濟(jì)達(dá)到中上水平，降水充沛，水資源豐富，因此其綜合承載力較高。從空間上西部和北部承載力最弱，南部較強(qiáng)，東南部居中，從弱到強(qiáng)水資源承載力排序?yàn)榕_(tái)安縣＜市轄區(qū)＜岫巖縣＜海城市。

3.2 障礙因子分析

2020 年鞍山市各轄區(qū)水資源承載力障礙度排序前10 項(xiàng)指標(biāo)見表4，結(jié)果顯示河流水質(zhì)達(dá)標(biāo)率X16、萬元GDP 用水量X12、降水量X5、產(chǎn)水模數(shù)X2、地表水占比X1、GDPX10六項(xiàng)指標(biāo)出現(xiàn)頻率較高，排序表中的降水量X5、產(chǎn)水模數(shù)X2和GDPX10大多分布于前三。從地域分布上，產(chǎn)水模數(shù)X2是市轄區(qū)和岫巖縣的第一障礙因子，降水量X5是第二障礙因子；降水量X5是海城市的第一障礙因子，產(chǎn)水模數(shù)X2是第二障礙因子；GDPX10是臺(tái)安縣的第一障礙因子，產(chǎn)水模數(shù)是第二障礙因子，說明鞍山市對(duì)降水量X5和產(chǎn)水模數(shù)X2較為敏感。另外，森林覆蓋率X15、第三產(chǎn)業(yè)占比X11、供水模數(shù)X3指標(biāo)出現(xiàn)頻率也較高，說明這三項(xiàng)指標(biāo)也在不同程度上影響著區(qū)域水資源承載力。

表4 主要障礙因子排序

通過計(jì)算鞍山市各轄區(qū)水資源承載力指標(biāo)障礙度均值可知，產(chǎn)水模數(shù)X2、GDPX10和降水量X5的障礙度均值依次為15.26%、15.41%、15.92%，這三項(xiàng)指標(biāo)障礙度均值高于其它指標(biāo)，表明其對(duì)水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果貢獻(xiàn)率最大。對(duì)于經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)，從小到大對(duì)水資源承載力影響程度排序?yàn)樯鐣?huì)(9.2%)＜生態(tài)(11.8%)＜經(jīng)濟(jì)(27.6%)＜水資源(51.4%)，由此表明區(qū)域水資源承載力受水資源子系統(tǒng)的影響最大，并且經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)中的GDPX10和水資源子系統(tǒng)中的降水量X5、產(chǎn)水模數(shù)X2對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果影響最大。

4 結(jié)論

1）2020 年鞍山市各轄區(qū)水資源承載力評(píng)價(jià)值均在0.6 以內(nèi)，全市整體達(dá)到Ⅲ級(jí)一般承載狀態(tài)，海城市生態(tài)治理較好，社會(huì)經(jīng)濟(jì)達(dá)到中上水平，降水充沛，水資源豐富，其水資源承載力相對(duì)較高。各地區(qū)生態(tài)環(huán)境的差異性、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不均衡性和水資源的不均勻性使得各子系統(tǒng)承載力空間分布存在一定差異。

2）從小到大4 個(gè)子系統(tǒng)的障礙影響排序?yàn)樯鐣?huì)＜生態(tài)＜經(jīng)濟(jì)＜水資源，其中降水量、產(chǎn)水模數(shù)和GDP 是影響2020 年水資源承載力的重要指標(biāo)。因此，促進(jìn)生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與水資源協(xié)調(diào)發(fā)展的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)水資源的合理利用以及人口規(guī)模的合理控制，并注重經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展。

3）受限于數(shù)據(jù)資料，本研究評(píng)價(jià)分析了鞍山市各轄區(qū)水資源承載力空間差異性及其障礙因子，可為區(qū)域水資源高效利用提供一定參考。由于未考慮水資源的空間與時(shí)間屬性，未來仍需完善評(píng)價(jià)體系，進(jìn)一步探討水資源承載力的時(shí)間與空間演變規(guī)律，為城市生活和工、農(nóng)業(yè)用水調(diào)節(jié)控制以及水資源合理利用規(guī)劃指明方向。