遼寧省水資源脆弱性評價

徐世俊

(遼陽水文局,遼寧 遼陽 111000)

近年來,受水資源時空分布及開發(fā)利用不合理和氣候變化等因素影響,水污染及水資源短缺問題日趨突出,水資源脆弱性越來越引起人們的廣泛關(guān)注[1]。20世紀(jì)90年代“脆弱性”的概念逐漸從生態(tài)學(xué)擴(kuò)展到人為災(zāi)害、技術(shù)、自然、水資源等領(lǐng)域的各個環(huán)節(jié),其中水資源脆弱性是指水資源系統(tǒng)正常的功能和結(jié)構(gòu)受人類活動、極端事件、氣候變化等因素影響發(fā)生損傷而難以恢復(fù)到原狀態(tài)的趨勢或傾向[2-3]。研究水資源脆弱性有利于實(shí)現(xiàn)水資源管理戰(zhàn)略的實(shí)施,通過暴露水資源承載、人為和自然脆弱性存在的不利因素,為水資源動態(tài)管控政策和措施提供參考,促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展以及水資源可持續(xù)利用。目前,國外研究大多集中于氣候變化環(huán)境下的脆弱性分析、應(yīng)用GIS與高新技術(shù)評價、水資源脆弱性量化等方面,并且對喀斯特地區(qū)的研究較為成熟[4]。

我國于20世紀(jì)90年代就開始研究水資源脆弱性,早期以定量評價方法和內(nèi)涵、概念等定性分析為主,2010年后定量評價具體區(qū)域水資源脆弱性的研究不斷增多,常用的方法有函數(shù)法、綜合指標(biāo)法、指標(biāo)權(quán)重法、數(shù)學(xué)模型與GIS/RS結(jié)合法等。如崔東文等以云南文山州為例,采用改進(jìn)的BP模型計算分析其水資源脆弱性;唐劍鋒等以丹江口為例,應(yīng)用函數(shù)法與綜合指標(biāo)法評價水資源脆弱性,并結(jié)合實(shí)際情況提出有針對性的對策;夏軍等從供需平衡的角度上,運(yùn)用綜合模型評價水資源系統(tǒng)受全球氣候變化環(huán)境的影響;魏興平等通過分析重慶喀斯特地區(qū)土壤類型、坡度分級、發(fā)育程度等自然特征評價了地下水脆弱性;朱藝娟等利用模糊綜合法評價了2003—2013年武漢市水資源脆弱性動態(tài)變化特征,并結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況提出降低脆弱性的措施;職璐爽等以廣東省為例,綜合利用線性加權(quán)求合法和熵權(quán)法評價其水資源脆弱性,為滿足水利發(fā)展需求提出建設(shè)智慧水務(wù)的對策[5-10]。

總體上,研究評價北方缺水地區(qū)水資源脆弱性的相對較少,且有關(guān)研究大多從影響自然特征的層面分析脆弱性水平,較少考慮人類活動響應(yīng)和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展等影響因素,對水資源脆弱性的宏觀分析更少。因此,文章以遼寧省為例,依據(jù)DPSIR模型選擇與水資源脆弱性和區(qū)域特色密切相關(guān)的指標(biāo),采用熵權(quán)-TOPSIS法評價分析研究區(qū)水資源系統(tǒng)脆弱性,以期為水資源的管理規(guī)劃、開發(fā)保護(hù)和可持續(xù)利用等提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

遼寧省位于我國東北地區(qū)南部,總面積14.8萬km2。研究區(qū)屬溫帶半干旱半濕潤季風(fēng)氣候,平均氣溫5～10℃,降水多集中于6～9月,受自然地理環(huán)境和氣候條件影響,降水空間分布不均,從東向西總體呈遞減趨勢。該區(qū)域跨大凌河、太子河、繞陽河、遼河、渾河、鴨綠江六大水系,地貌形態(tài)復(fù)雜,水面、平地和山地面積比例為9%、33%、58%。參考水資源公報,2020年遼寧省降水量748.0mm,水資源總量397.11億m3,水資源利用存在開采難度大、成本高、邊際效益低等問題,加之缺乏水環(huán)境保護(hù)、用水效率不高以及蒸散發(fā)強(qiáng)烈,對水資源可持續(xù)利用造成嚴(yán)重影響。

2 評價方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來源于遼寧省水資源可持續(xù)利用關(guān)鍵技術(shù)研究報告、2006—2020年國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報、統(tǒng)計年鑒以及水資源公報等有關(guān)資料,通過收集水資源和經(jīng)濟(jì)效益相關(guān)數(shù)據(jù),應(yīng)用TOPSIS模型評價區(qū)域水資源脆弱性動態(tài)變化趨勢。

2.2 構(gòu)建評價指標(biāo)體系

為了更加全面客觀的評價遼寧省水資源脆弱性狀態(tài),文章遵循數(shù)據(jù)可獲取性、科學(xué)性、系統(tǒng)性和層次性等原則,結(jié)合區(qū)域水資源利用現(xiàn)狀,基于DPSIR框架模型選擇19個代表性指標(biāo)構(gòu)建評價體系,如表1所示。

表1 水資源脆弱性評價體系

在DPSIR模型中,驅(qū)動力D涉及人類活動、氣候環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素,壓力P反映了間接或直接排放的污染物量,狀態(tài)S涵蓋環(huán)境和生物群的化學(xué)、物理及生物狀況,影響I包括人類健康和生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量等由環(huán)境理化性狀變化決定的因素,響應(yīng)R是針對非期望的影響決策者所做出的技術(shù)及政策上的反應(yīng)。

2.3 熵權(quán)法計算權(quán)重

針對水資源脆弱性評價體系中的各項(xiàng)指標(biāo),必須利用合適的方法計算相應(yīng)的權(quán)重[11]。目前,應(yīng)用最廣泛的方法有熵權(quán)法、AHP法、專家打分法以及變異系數(shù)法等。其中,熵權(quán)法能夠客觀地反映初始數(shù)據(jù)信息,有效避免決策者主觀意愿對評價結(jié)果的影響,故考慮利用熵權(quán)法計算DPSIR框架模型中各指標(biāo)權(quán)重,具體流程如下:

步驟1:標(biāo)準(zhǔn)化處理。由于不同指標(biāo)的正、負(fù)取向及其數(shù)量級或量綱的差異性無法直接參與計算,必須先標(biāo)準(zhǔn)化處理消除這種不可通透性,對正向指標(biāo)(數(shù)值越大則水資源系統(tǒng)越不脆弱)和負(fù)向指標(biāo)(數(shù)值越大則水資源系統(tǒng)越脆弱)的預(yù)處理公式為:

(1)

式中:rij、xij為評價指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值和初始數(shù)據(jù);xmax、xmin為參評指標(biāo)初始數(shù)據(jù)的最大值與最小值。

步驟2:構(gòu)建待評價矩陣。設(shè)水資源脆弱性評價矩陣為Z=(zij)m×n,其中m、n為評價樣本樹和參評指標(biāo)數(shù),具體形式為:

(2)

步驟3:計算信息熵Ej。評價指標(biāo)信息熵Ej的計算公式為:

(3)

(4)

式中:fij為評價樣本i的第j項(xiàng)指標(biāo)占所有樣本該指標(biāo)之和的比例。

步驟4:計算權(quán)重ωj。根據(jù)上述結(jié)果,利用以下公式求解參評指標(biāo)權(quán)重,即:

(5)

2.4 TOPSIS評價方法

為實(shí)現(xiàn)多因子、多維度的對比分析,考慮應(yīng)用TOPSIS法評價遼寧省水資源脆弱性狀態(tài),詳細(xì)計算流程為[12]:

步驟1:構(gòu)造加權(quán)矩陣。將熵權(quán)法計算的權(quán)重向量W=(ω1,ω2,…,ωn)與標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Z=(zij)m×n進(jìn)行加權(quán)運(yùn)算,從而構(gòu)造加權(quán)矩陣Y=(yij)m×n的計算,即:

(6)

步驟2:確定正負(fù)理想解和歐式距離。通過對加權(quán)矩陣Y=(yij)m×n中的各項(xiàng)進(jìn)行大小比較排序確定正、負(fù)理想解:Y+=(ymax1,ymax2,…,ymaxn)、Y-=(ymin1,ymin2,…,yminn),其中yminj、ymaxj代表所有樣本中參評指標(biāo)j的最小與最大加權(quán)值。采用歐式距離公式計算正、負(fù)理想解與評價樣本i的距離D+、D-,即:

(7)

(8)

步驟3:計算貼近度Ti。該數(shù)值反映了最優(yōu)方案與評價樣本i之間的貼近程度,其取值范圍0～1。Ti值越大說明第i年的水資源系統(tǒng)越不脆弱,距離最優(yōu)水平越近;反之則水資源系統(tǒng)越脆弱,距離最裂水平越近,Ti的計算公式為:

Ti=Di-/(Di++Di-)

(9)

2.5 評價標(biāo)準(zhǔn)等級

水資源脆弱性是受人類活動、極端事件、氣候變化等不利因素影響,水資源系統(tǒng)所表現(xiàn)出的適應(yīng)性變化過程[13-14]。因此,研究認(rèn)為脆弱性越高則水資源系統(tǒng)的適應(yīng)性越強(qiáng),反之則越弱。文章結(jié)合水資源脆弱性相關(guān)研究成果,充分考慮區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境和自然特性將貼近度劃分成4級,各等級劃分標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 水資源脆弱性等級劃分

3 結(jié)果與分析

3.1 水資源脆弱性分析

采用熵權(quán)法計算DPSIR框架模型中各指標(biāo)權(quán)重如表1所示,并進(jìn)一步確定各子系統(tǒng)權(quán)重如圖1所示。

(a)指標(biāo)層

由圖1(a)可知,劣Ⅴ類河長占比指標(biāo)X15和節(jié)能環(huán)保支出占公共預(yù)算比例指標(biāo)X19的權(quán)重較高達(dá)到0.0802、0.0841。對于壓力P子系統(tǒng),地下水開采量指標(biāo)X6和地表水供水量指標(biāo)X5權(quán)重為0.0605、0.0546,兩者之和為0.1151;對于狀態(tài)S子系統(tǒng),地下水資源量指標(biāo)X12和地表水資源量指標(biāo)X11權(quán)重為0.0611、0.0476,兩者之和為0.1087。研究表明,遼寧省水資源脆弱性主要受水資源總量和總用水量因素的影響,且地下水的影響程度高于地表水;總用水量的不斷增加在一定程度上加劇了區(qū)域水污染問題,劣Ⅴ類河長占比逐漸提高;同時,加大節(jié)能環(huán)保投入有利于增強(qiáng)水資源脆弱性。

結(jié)合參評因子權(quán)重,利用TOPSIS法計算正負(fù)理想解、歐式距離及其貼近度Tj如圖2所示。結(jié)果表明,2006—2020年遼寧省水資源脆弱性整體呈先減小后增大的變化趨勢,樣本與正理想解D+之間的距離從2006年的0.20波動上升到2020年的0.35,總體呈先上升后小幅下降的趨勢;樣本與負(fù)理想解D-之間的距離從2006年的0.43波動下降到2020年的0.28,總體呈先下降后小幅上升的趨勢;貼近度Tj從2006年的0.71波動下降到2020年的0.45,總體呈先快速減小后緩慢增大的變化趨勢。具體而言,2006—2008年遼寧省水資源脆弱性逐漸加劇,從輕度快速下降到中度脆弱等級,這是因?yàn)榇似陂g經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度較快,伴隨著人口規(guī)模的增加使得用水量急劇增大,并且地下水和地表水資源量呈減少趨勢。2009—2020年遼寧省水資源系統(tǒng)仍處于中度脆弱狀態(tài),貼近度處于0.3～0.5范圍。

(a)歐式距離D+、D-

3.2 各子系統(tǒng)脆弱性分析

各子系統(tǒng)水資源脆弱性評價結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明:①驅(qū)動力D,2006—2020年該子系統(tǒng)貼近度呈波動減小趨勢,從2006年的0.61波動減小到2020年的0.30,說明從2006年以來遼寧省經(jīng)濟(jì)呈快速發(fā)展趨勢,水資源系統(tǒng)難以承載經(jīng)濟(jì)快速增長壓力,不利于水資源脆弱性的提升。②壓力P,2006—2020年該子系統(tǒng)貼近度呈快速減小趨勢,2013—2019年基本維持在0.2～0.4之間,2020年快速增大到0.48,但整體水平較低。遼寧省在大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時難免會對生態(tài)環(huán)境造成不利影響,2006—2011年其工業(yè)總產(chǎn)值和地表水供水量快速增大,污水排放量也表現(xiàn)出不斷上升趨勢,以上因素都在不同程度上增大了水資源系統(tǒng)壓力。③狀態(tài)S,2006—2020年該子系統(tǒng)貼近度波動變化較明顯,波動范圍0.2～0.8,但總體維持在較低水平,這可能氣候變化影響地下水和地表水資源量、年降水量等因素有關(guān),通過興建水利工程可以提高水資源量和脆弱性等級。④影響I,2006～2020年該子系統(tǒng)貼近度呈出先減小后增大的趨勢,其中經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展是導(dǎo)致2006—2008年下降的主要原因,之后隨著生態(tài)保護(hù)力度的加強(qiáng),遼寧省水環(huán)境逐漸改善,但整體仍達(dá)到中等偏下狀態(tài)。⑤響應(yīng)R,2006—2020年該子系統(tǒng)貼近度呈出先減小后增大的趨勢,究其原因是污水處理率從2006年的45.2%不斷上升到2020年的96.7%,并且環(huán)保投資力度也明顯提高,水資源總量相對穩(wěn)定。污水處理效率的提高、水利設(shè)施的合理使用以及環(huán)保投入的增大等都在不同程度上促進(jìn)了水資源脆弱性的提升,為實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用仍需不斷完善相關(guān)管理政策[15-16]。

圖3 各子系統(tǒng)貼近度變化特征

4 結(jié) 論

1)總體上,除2006年外達(dá)到輕度脆弱狀態(tài)外,遼寧省2007—2020年水資源系統(tǒng)均達(dá)到中等脆弱等級,其中導(dǎo)致水資源脆弱性的主要原因是水資源需求量的快速增長,如何協(xié)調(diào)水資源開發(fā)利用與經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展之間的關(guān)系仍是未來需要解決的問題。

2)遼寧省水資源脆弱性的重要影響因素包括水資源總量和總用水量,并且地下水對脆弱性的影響程度高于地表水,從低到高DPSIR中各子系統(tǒng)影響程度排序?yàn)轫憫?yīng)(R)<狀態(tài)(S)<驅(qū)動力(D)<影響(I)<壓力(P)。

3)為促進(jìn)水資源與經(jīng)濟(jì)社會的協(xié)調(diào)發(fā)展,建議出臺水環(huán)境保護(hù)政策、持續(xù)加大環(huán)保投入、加快節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣以及不斷優(yōu)化水資源配置等,提高污水治理力度和水資源利用效率,有效緩解城市用水壓力。