朝陽(yáng)市水資源脆弱性評(píng)價(jià)

冀連華

(遼寧省朝陽(yáng)水文局,遼寧 朝陽(yáng) 122000)

水是維持人類生產(chǎn)生活和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的自然性基礎(chǔ)資源。由于環(huán)境變化、人口激增及經(jīng)濟(jì)發(fā)展使得人類開(kāi)發(fā)利用與依賴水資源的程度不斷增大,造成生態(tài)破壞、水質(zhì)惡化、用水緊缺等問(wèn)題,并進(jìn)一步促使城市水資源供需矛盾、空間配置失衡以及水資源脆弱性等問(wèn)題更加突出[1]。

研究水資源脆弱性及遷移規(guī)律對(duì)科學(xué)開(kāi)發(fā)區(qū)域水資源極具現(xiàn)實(shí)意義,并逐漸成為水文水資源領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。我國(guó)最早于20世紀(jì)60年代逐漸研究水資源脆弱性,包括水系統(tǒng)各層次脆弱性和水資源評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建等,涵蓋生態(tài)環(huán)境、水利系統(tǒng)和水文系統(tǒng)的諸多方面[2-3]。針對(duì)水環(huán)境脆弱性的研究大多應(yīng)用空間可視化、數(shù)學(xué)模型以及學(xué)術(shù)理論等手段,包括GIS與RS技術(shù)、DRASTIC模型和TOPSIS模型等,主要集中于地域水資源及流域水環(huán)境層面[4-8]。例如穆瑾等以貴陽(yáng)市為例,采用GIS技術(shù)及AHP法評(píng)價(jià)了水資源脆弱性空間變化趨勢(shì),結(jié)果顯示呈南移變化特征;陳巖等以黃河流域?yàn)槔?運(yùn)用RS-SVR模型預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)了不同情景下流域水資源脆弱性[9-10]。

目前,水資源脆弱性研究大多未考慮區(qū)域內(nèi)部的差異性,主要以整體性評(píng)價(jià)為主。朝陽(yáng)市經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源配置不協(xié)調(diào),水污染和水資源短缺問(wèn)題突出,不同地區(qū)的水情存在明顯差異。因此,文章朝陽(yáng)市為例,采用熵權(quán)模糊集對(duì)法評(píng)價(jià)2014—2020年各轄區(qū)水資源脆弱性,并結(jié)合具體情況提出水資源開(kāi)發(fā)與保護(hù)對(duì)策。

1 研究區(qū)概況

朝陽(yáng)市地處遼寧西部,背依腹地,面向沿海,下轄雙塔區(qū)、龍城區(qū)、北票市、凌源市、朝陽(yáng)縣、建平縣和喀左縣,總面積19736km2。區(qū)域內(nèi)地貌類型多樣,川地、平地、崗地、丘陵、山地交錯(cuò)分布,地表峽谷相見(jiàn),丘陵起伏,主要有青龍河、老哈河、大凌河和小凌河,降水為河流補(bǔ)給主要來(lái)源。該區(qū)域?qū)俦睖貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候平均氣溫5.4～8.7℃,年降水量450～580mm,呈西北低、東南高的空間分布規(guī)律。雖然具有較多過(guò)境水,但存在開(kāi)發(fā)難度大、提水楊程高、用水失衡等問(wèn)題,局部地下水超采嚴(yán)重。參照水資源公報(bào),2019年全市水資源總量119257.0萬(wàn)m3,其中地下、地表水75839.7萬(wàn)m3和89227.7萬(wàn)m3,人均占有量435m3遠(yuǎn)低于全國(guó)平均水平,灌溉用水以渠首引水為主,受凌河分水和來(lái)水量持續(xù)偏枯限制水資源缺口依然較大。

2 水資源脆弱性評(píng)價(jià)

2.1 構(gòu)建指標(biāo)體系

參評(píng)指標(biāo)的選取直接關(guān)系著水資源脆弱性評(píng)價(jià)的真實(shí)有效性,文章結(jié)合職璐爽等[11]提出的承載力、人為和自然脆弱性因素,遵循數(shù)據(jù)可獲取性、可比性、合理性和科學(xué)性等原則,選擇8個(gè)典型指標(biāo)構(gòu)建評(píng)價(jià)體系如表1所示,有關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)源于2014—2020年朝陽(yáng)市水資源公報(bào)。

表1 朝陽(yáng)市水資源脆弱性評(píng)價(jià)體系與等級(jí)劃分

2.2 等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分

充分考慮各參評(píng)指標(biāo)的具體內(nèi)涵和朝陽(yáng)市水資源實(shí)際情況,通過(guò)等距劃分及數(shù)據(jù)離散化處理將水資源脆弱性劃分成5個(gè)等級(jí),其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)分別代表不脆弱、輕度、中度、比較和嚴(yán)重脆弱,如表1所示。

2.3 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

由于主觀賦權(quán)法易受決策者的認(rèn)知度影響,評(píng)價(jià)結(jié)果具有較強(qiáng)主觀性,故選用熵權(quán)計(jì)算指標(biāo)客觀權(quán)重,其具體流程如下:

步驟1:標(biāo)準(zhǔn)化處理。由于不同指標(biāo)對(duì)水資源脆弱性評(píng)價(jià)有正向和逆向影響,故必須對(duì)初始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,正、逆向指標(biāo)的處理公式為:

(1)

式中:rij、xij為參評(píng)樣本i中第j項(xiàng)因子的標(biāo)準(zhǔn)和初始值;xjmin、xjmax為所有樣本中指標(biāo)j的最小、最大值。

步驟2:評(píng)價(jià)指標(biāo)j的熵值Hj計(jì)算公式為:

(2)

步驟3:結(jié)合信息熵Hj可以確定評(píng)價(jià)指標(biāo)j的權(quán)重Wj,計(jì)算公式為:

(3)

2.4 模糊集對(duì)法評(píng)價(jià)

集對(duì)分析法認(rèn)為系統(tǒng)內(nèi)部存在相互聯(lián)系、制約、影響甚至可以相互轉(zhuǎn)化的復(fù)雜關(guān)系,對(duì)于任何系統(tǒng)都能夠按照該方法分成不確定性和確定性信息兩部分。將等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)集合B和評(píng)價(jià)指標(biāo)集合A利用集對(duì)分析法可以構(gòu)成含N個(gè)特性的集對(duì),一般包含F(xiàn)個(gè)差異特性、S個(gè)共同特性和P個(gè)對(duì)立特性,然后利用下式計(jì)算集對(duì)的聯(lián)系度μA-B:

(4)

式中:μA-B為聯(lián)系度,其取值范圍-1～1;i、j為差異度和對(duì)立度,取值范圍-1～1;a、b、c為第k級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與指標(biāo)值xij的同一度、差異度和對(duì)立度,三者符合a+b+c=1的歸一化要求。由于評(píng)價(jià)等級(jí)與樣本的單一指標(biāo)聯(lián)系度不具實(shí)際意義,故按照模糊集理論確定相對(duì)隸屬度,最后參照置信度準(zhǔn)則利用級(jí)別特征值加權(quán)求和的方法評(píng)定水資源脆弱性等級(jí),具體流程如下:

步驟1:計(jì)算水資源脆弱性評(píng)價(jià)樣本i中第j個(gè)指標(biāo)與等級(jí)k的單因子聯(lián)系度μijk,正向、負(fù)向指標(biāo)的μijk計(jì)算公式為:

(5)

(6)

式中:sk,j為水資源脆弱性評(píng)價(jià)中s1,j、s2,j、s3,j、s4,j、s5,j五個(gè)等級(jí)的限制,s0,j為各等級(jí)范圍內(nèi)的另一端點(diǎn)值,通過(guò)上式可以反映標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)k與待評(píng)樣本i關(guān)于指標(biāo)j的關(guān)系,定量分析各參評(píng)指標(biāo)的對(duì)立性、差異性和同一性特征。

步驟2:標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)k與待評(píng)樣本i的綜合聯(lián)系度計(jì)算公式如下:

(7)

(8)

(9)

步驟4:為防止在模糊識(shí)別過(guò)程中按照最大隸屬度準(zhǔn)則可能引起的信息缺失,考慮選用置信度及加權(quán)計(jì)算級(jí)別特征值的方法評(píng)定樣本i的水資源脆弱性等級(jí)hi,級(jí)別特征值和置信度準(zhǔn)則如下:

(10)

(11)

式中:γ為置信度,取值區(qū)間為0.5～0.7,γ值越大表示評(píng)價(jià)結(jié)果越可靠,γ值越小表示風(fēng)險(xiǎn)越高,為保證評(píng)價(jià)精度γ取0.7。

3 結(jié)果與分析

3.1 評(píng)價(jià)結(jié)果

采用熵權(quán)模糊集對(duì)法計(jì)算確定朝陽(yáng)市2014—2020年水資源脆弱性參評(píng)指標(biāo)權(quán)重及等級(jí),如表2所示。

表2 水資源脆弱性參評(píng)指標(biāo)權(quán)重

為檢驗(yàn)該方法的科學(xué)有效性,以各指標(biāo)權(quán)重為依據(jù)選用灰關(guān)聯(lián)法和模糊數(shù)學(xué)法評(píng)定2020年水資源脆弱性,如表3所示。

表3 水資源脆弱性評(píng)價(jià)等級(jí)

3.2 脆弱性分析

1)由表3可知,2020年朝陽(yáng)市各轄區(qū)水資源脆弱性總體達(dá)到中度脆弱等級(jí),其中北票市和朝陽(yáng)縣處于輕度脆弱狀態(tài)。

2)2016年朝陽(yáng)市最嚴(yán)格水資源管理制度的實(shí)施有效改善了水資源短缺、水生態(tài)惡化的現(xiàn)狀,但由于洗選業(yè)及煤炭工業(yè)增加值比重較高依然面臨著嚴(yán)峻的水資源形勢(shì)。近年來(lái),朝陽(yáng)市采取強(qiáng)制性和引導(dǎo)性措施,加強(qiáng)水資源的保護(hù),建立了各項(xiàng)水源管理制度,對(duì)于工業(yè)循環(huán)用水不達(dá)標(biāo)、無(wú)計(jì)量取水、超計(jì)劃用水、私自轉(zhuǎn)供水、不按期報(bào)送用水情況和浪費(fèi)水資源的行為進(jìn)行整治。在水利強(qiáng)監(jiān)管、補(bǔ)短板的新形勢(shì)下及降水量明顯增多的情況下,朝陽(yáng)市水生態(tài)環(huán)境呈好轉(zhuǎn)態(tài)勢(shì),該變化趨勢(shì)與評(píng)價(jià)結(jié)果基本相符。

3)通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),灰關(guān)聯(lián)法、模糊集對(duì)法和模糊數(shù)學(xué)法評(píng)定的水資源脆弱性具有一定差異,如模糊集對(duì)法評(píng)定的2020年朝陽(yáng)市區(qū)達(dá)到中度脆弱等級(jí),灰關(guān)聯(lián)法和模糊數(shù)學(xué)評(píng)定為不脆弱等級(jí),實(shí)際上朝陽(yáng)市還存在許多的水資源問(wèn)題。首先,朝陽(yáng)市區(qū)經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá),人口密集,雖然其過(guò)境水量與上游來(lái)水量較多,但受諸多因素影響無(wú)法保障水質(zhì)水量,加之利用率較低造成嚴(yán)重浪費(fèi);其次,局部地下水超采問(wèn)題突出,據(jù)統(tǒng)計(jì)朝陽(yáng)市區(qū)地下水開(kāi)采占總?cè)∷拷?0%,地下水位不斷降低,所以市區(qū)應(yīng)處于中度脆弱水平,并非不脆弱狀態(tài)。通過(guò)對(duì)比3種方法評(píng)價(jià)結(jié)果,研究認(rèn)為評(píng)價(jià)較為準(zhǔn)確的是模糊集對(duì)法,這也是該方法可以辯證評(píng)價(jià)樣本差異性、對(duì)立性、同一性的具體表現(xiàn)。因此,2020年朝陽(yáng)市水資源總體達(dá)到中度脆弱水平,社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源利用之間的協(xié)調(diào)性相對(duì)較差。

3.3 對(duì)策建議

1)水資源分布不均且降水少,提升用水效率。水資源脆弱性與年降水量間的關(guān)系密切,考慮到朝陽(yáng)市水資源空間分布不均且年降水量少的實(shí)際情況,建議采取有效措施提升用水效率,通過(guò)修建水利工程、建設(shè)智慧供水管理系統(tǒng)以及種植耐旱農(nóng)作物提升水資源利用率。

2)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),增大利用效率。朝陽(yáng)市不同地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、自然環(huán)境條件和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)具有一定差異,由此所形成的用水結(jié)構(gòu)也明顯不同,必須優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)減小水資源脆弱性,以科技創(chuàng)新的制造業(yè)逐漸替代傳統(tǒng)的電力、焦炭、煤炭、冶金等重工業(yè)。

3)合理利用地表水,逐步恢復(fù)地下水位。朝陽(yáng)市的地貌形態(tài)特征決定了其地表水開(kāi)發(fā)難度較大的現(xiàn)狀,全市水資源短缺,人均占有量較低,地下水為主要供水來(lái)源,地下水位不斷下降,局部出現(xiàn)嚴(yán)重超采。因此,在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)朝陽(yáng)市更要注重水資源的優(yōu)化配置,突出對(duì)凌河、老哈河等流域水資源的合理利用。

4)增大植被覆蓋率,抑制水土流失。地處遼西低山丘陵區(qū)的朝陽(yáng)市面臨著嚴(yán)重的水土流失問(wèn)題,土壤侵蝕導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境惡化、面源污染和水資源脆弱性加劇等日趨突出,必須加強(qiáng)植被保護(hù)與修復(fù),進(jìn)一步提高植被覆蓋率以達(dá)到涵養(yǎng)水源、增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)功能的效果。

4 結(jié) 論

文章結(jié)合朝陽(yáng)市實(shí)際情況,應(yīng)用熵權(quán)模糊集對(duì)法對(duì)朝陽(yáng)市2014—2020年水資源脆弱性進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià),并與灰關(guān)聯(lián)法、模糊數(shù)學(xué)法相對(duì)比驗(yàn)證其科學(xué)有效性。結(jié)果顯示,朝陽(yáng)市水資源系統(tǒng)總體達(dá)到中度脆弱水平,社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源利用之間的協(xié)調(diào)性相對(duì)較差。研究認(rèn)為評(píng)價(jià)較為準(zhǔn)確的是模糊集對(duì)法,這也是該方法可以辯證評(píng)價(jià)樣本差異性、對(duì)立性、同一性的具體表現(xiàn),可以為朝陽(yáng)市水資源規(guī)劃和可持續(xù)利用提供一定參考。