陳德勇

(燈塔市水務(wù)局萬寶橋水利水土保持監(jiān)督管理站，遼寧 遼陽 111300)

水資源作為社會發(fā)展與人類賴以生存不可或缺的自然資源，正面臨嚴峻威脅和挑戰(zhàn)，水資源緊缺已成為限制人們生活質(zhì)量及社會經(jīng)濟發(fā)展的主要因素[1]。遼寧省年內(nèi)、年際降水量受季風氣候因素影響其降水量發(fā)生了很大變化，連續(xù)多年降水量低于800mm，水資源儲備量為340億m3，不足全國平均水平的1/3，遠遠低于國際缺水警戒線，水資源緊缺以及生態(tài)環(huán)境問題已嚴重影響到農(nóng)業(yè)發(fā)展與地理系統(tǒng)的問題[2]。近年來，在水資源開發(fā)利用過程中出現(xiàn)的供需矛盾緊張、水質(zhì)惡化、利用率低等問題已引起眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注，如任倩[3]等在分析了流域水資源管理的基礎(chǔ)上提出了水資源可持續(xù)利用對策；李元壽[4]等基于水資源引起的生態(tài)環(huán)境問題分析結(jié)果，對西北干旱地區(qū)提出了水資源利用生態(tài)環(huán)境保護對策；周宏飛[5]等分析了新疆水資源承載力和可開采利用量，并指出了該區(qū)域水資源能夠為可持續(xù)發(fā)展提供一定保障；桂東偉[6]等對干旱區(qū)域的生態(tài)用水問題利用虛擬水理論進行分析并提出了合理利用措施；李海濤[7]研究分析了民勤綠洲水資源利用狀況，認為地下水質(zhì)持續(xù)惡化以及開采程度較高為該區(qū)域水資源特征。上述研究主要集中在生態(tài)環(huán)境與水資源利用之間作用關(guān)系的研究，而涉及社會、經(jīng)濟與水資源等綜合因素的定量分析相對較少[8]。據(jù)此，本文以遼寧省為例利用模糊理論體系中的和諧度內(nèi)涵，定量、綜合分析該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)、社會、經(jīng)濟與水資源利用的和諧程度，對水資源利用變化特征從時間尺度進行研究，以期為提高水資源利用效率以及水污染治理提供參考。

1 研究區(qū)域概況

遼寧省占地面積為14.8萬km2。地形地貌結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要是以山地、丘陵地、平原區(qū)為主；屬于溫帶、寒溫帶大陸性季風氣候，冬冷干燥漫長，夏季多雨炎熱，全年降雨量為600～1100mm之間，降雨量和徑流量分布不均勻，東部山地丘陵區(qū)降雨量較為充足。遼寧省工業(yè)發(fā)展較為充分，畜牧業(yè)和農(nóng)林業(yè)發(fā)展迅速，不僅是我國的重要的糧食生產(chǎn)基地而且位于重工業(yè)發(fā)展核心區(qū)域。近年來，為滿足區(qū)域經(jīng)濟快速發(fā)展的需要而忽視了對水資源的保護，并致使生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟需水量的出現(xiàn)嚴重失調(diào)，水資源過渡開發(fā)與利用造成生態(tài)系統(tǒng)的退化，水土流失、水資源緊缺以及水體污染等矛盾日趨突出[9]。

2 水資源利用和諧度及評價方法

2.1 和諧度的內(nèi)涵

和諧度是對某一現(xiàn)象或事物的一致性通過科學(xué)的計算與分析進行度量的數(shù)量指標，利用各子系統(tǒng)之間的相互適應(yīng)、關(guān)聯(lián)、聯(lián)系以及協(xié)調(diào)運行程度衡量整個系統(tǒng)的和諧性。系統(tǒng)和諧性不僅可反映子系統(tǒng)與系統(tǒng)成員之間的創(chuàng)造性、能動性及環(huán)境條件，而且可表述各分項內(nèi)容的總體協(xié)調(diào)特征[10]。水資源利用和諧度是反映外部環(huán)境與水資源系統(tǒng)運行狀況、構(gòu)成要素是否和諧、協(xié)調(diào)的綜合指標，其基本內(nèi)涵包括以下四個方面：通過對水資源系統(tǒng)內(nèi)部各項功能的客觀、系統(tǒng)的評價表征各組成要素之間的匹配關(guān)系；反映社會經(jīng)濟發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境需水量與水資源供給之間的平衡關(guān)系；在一定時期、技術(shù)以及區(qū)域范圍內(nèi)反映外部環(huán)境與水資源的相互關(guān)系；對水資源科學(xué)開發(fā)利用的程度進行綜合反映[11]。

2.2 評價指標體系

本文結(jié)合水資源利用和諧度基本內(nèi)涵與相關(guān)資料，在遵循可操作性、科學(xué)性、動態(tài)性以及系統(tǒng)性原則的基礎(chǔ)上選取了具有代表性的11項評價指標，并采用AHP法構(gòu)建了指標體系，見表1。

表1 遼寧省水資源利用和諧度評價指標體系

注：表中C1～C4分別代表城市用水普及率、農(nóng)村居民人均供水量、城鎮(zhèn)居民人均供水量以及農(nóng)田有效灌溉面積；C5～C6分別為第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)以及第三產(chǎn)業(yè)萬元耗水量；C8～C11分別為城市人均綠地面積、水資源開發(fā)率、污水排放量以及生態(tài)環(huán)境用水量。

2.3 基于AHP法的指標權(quán)重

對水資源利用和諧度各評價指標采用問卷調(diào)查的形式進行兩兩相對重要性對比分析，然后通過邀請水文學(xué)領(lǐng)域具有豐富經(jīng)驗的11名專家進行打分，最終得到基于幾何平均法的指標判斷矩陣，如下所示：

特征向量的近似解W即為最大特征根λmax所對應(yīng)的特征向量，本文利用方根法進行求解，公式如下：

(1)

最大特征根λmax按下式進行求解：

(2)

(3)

式中，bij—判斷矩陣第i行的第j列數(shù)值。

對于一致矩陣其權(quán)向量為非零特征根p所對應(yīng)的經(jīng)歸一化處理后的向量；對于非一致陣其權(quán)向量W為滿足特征根λmax最大的特征向量，應(yīng)對該向量仍需要按照下式進行一致性檢驗。

(4)

CR=CI/RI

(5)

式中，C1—一致性指標，其值越趨近于0則一致性程度就越高；RI—隨機一致性指標，其取值特征見表2；CR—比率，通常條件下其值小于0.1即為A的不一致程度處于容許區(qū)間。

分別對各判斷矩陣按照上述方法與CR值小于等于0.10的原則進行一致性檢驗，最終求得各指標的權(quán)重值，見表1。

2.4 數(shù)據(jù)處理

為消除不同評價指標量綱和單位的差異對評價結(jié)果造成的誤差需對判斷矩陣進行標準化處理，對于正向指標其計算結(jié)果越大則評價越優(yōu)，此類評價指標的標準化可采用下式進行計算：

表2 平均隨機一致性指標

表3 遼寧省2010—2016年水資源評價指標標準化數(shù)據(jù)

(6)

對于負向指標其計算結(jié)果越小則評價越優(yōu)，此類評價指標的標準化可采用下式進行計算：

(7)

式中，rij—經(jīng)標準化處理的指標值；(xij)max、(xij)min—各評價指標中xij的最大值和最小值。

為直觀、準確的反映出各指標值對評價結(jié)果的影響程度，本文利用上述計算公式對遼寧省2010—2016年的水資源利用各指標進行標準化處理，結(jié)果見表3。

2.5 構(gòu)建和諧度評價模型

影響和諧度的因素較多，且各因素之間相互作用并存在一定的模糊性特征，因此采用傳統(tǒng)的定量數(shù)學(xué)模型難以進行準確的模擬分析[12]。模糊數(shù)學(xué)在處理分析客觀事物之間的不確定性問題時具有較好的優(yōu)勢和適用性，模糊評價法其基本過程是對各變量的隸屬度采用科學(xué)合理的隸屬函數(shù)進行求解，然后對各指標的相對權(quán)重運用層次分析理論進行確定，在對比分析了各指標之間的關(guān)聯(lián)度后確定指標的隸屬度并得到水資源和諧度評價等級，模型如下：

H=h[h1，h2，h3];h=∑Wi·Ci

(8)

式中，h、h1、h2、h3—和諧度函數(shù)與社會、經(jīng)濟、生態(tài)系統(tǒng)和諧度；Wi、Ci—第i個指標的權(quán)重與標準化指標值；H—水資源利用和諧度，取值范圍為0～1，其值的大小代表了水資源利用和諧度的高低，值越大則系統(tǒng)越和諧。

通常情況下，可定義水資源利用和諧程度為和諧、較和諧、一般和諧、不和諧以及極不和諧5個等級，相對應(yīng)的和諧度取值區(qū)間分別為0.9～1、0.7～0.9、0.5～0.7、0.3～0.5、0.1～0.3。

2.6 結(jié)果分析

利用式(8)以及標準化處理后的各指標數(shù)據(jù)，可求得遼寧省2010—2016年水資源利用社會、經(jīng)濟、生態(tài)子系統(tǒng)以及綜合和諧度，見表4。

表4 2010—2016年遼寧省水資源利用和諧度

由表4計算結(jié)果可以看出，遼寧省水資源利用和諧度在2010年處于0.1～0.3區(qū)間，即為極不和諧狀態(tài)；而在2011—2012年處于0.3～0.5區(qū)間為不和諧水平；在2013—2014年期間處于0.5～0.7區(qū)間為一般和諧水平；在2015—2016年期間處于0.7～0.9區(qū)間為較和諧狀態(tài)。由此表明，遼寧省水資源利用和諧度在研究期間一直處于逐漸改善的發(fā)展趨勢，水資源配置及科學(xué)利用措施得到優(yōu)化。社會與經(jīng)濟子系統(tǒng)的和諧度同樣表現(xiàn)出不斷優(yōu)化改善的變化規(guī)律，并且經(jīng)濟子系統(tǒng)的優(yōu)化程度更加顯著，并最終達到1.000的和諧狀態(tài)。生態(tài)系統(tǒng)的和諧度呈現(xiàn)出波動上升的變化趨勢。

分析在2010—2016年期間遼寧省水資源利用和諧度逐漸得到改善的原因可歸納為以下幾個方面：①在研究期間加大了對農(nóng)田水利設(shè)施以及城市給排水系統(tǒng)建設(shè)，改善了農(nóng)村飲水狀態(tài)，提高了居民用水的合理供給以及城市用水普及率，農(nóng)田有效灌溉面積增加并顯著提高了水資源利用效率；②研究期間產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)得到調(diào)整與優(yōu)化，各產(chǎn)業(yè)萬元耗水量逐年遞減并促進了經(jīng)濟子系統(tǒng)和諧度的大幅度上升；③在2010—2016年通過加強工業(yè)污染排放的管理力度，顯著降低了污水排放量并確保了生態(tài)環(huán)境用水，然而此期間由于水資源開發(fā)率的提高以及人均綠地面積的降低對生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)造成一定的不利影響，綜合兩種正、負因素影響使得生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)出一定的波動變化趨勢?？偠灾?，在促進社會、經(jīng)濟以生態(tài)和諧度的同時促進了水資源的科學(xué)合理的利用。

3 結(jié)語

本文對各變量的隸屬度采用科學(xué)合理的隸屬函數(shù)進行求解，然后對各指標的相對權(quán)重運用層次分析理論進行確定，在對比分析了各指標之間的關(guān)聯(lián)度后確定指標的隸屬度并得到水資源和諧度評價等級。

遼寧省水資源利用和諧度在研究期間一直處于逐漸改善的發(fā)展趨勢，水資源配置及科學(xué)利用措施得到優(yōu)化。社會與經(jīng)濟子系統(tǒng)的和諧度同樣表現(xiàn)出不斷優(yōu)化改善的變化規(guī)律，并且經(jīng)濟子系統(tǒng)的優(yōu)化程度更加顯著，并最終達到1.000的和諧狀態(tài)。生態(tài)系統(tǒng)的和諧度呈現(xiàn)出波動上升的變化趨勢。