付 壯

(撫順市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 撫順 113006)

在內(nèi)、外因素的綜合影響下地球水資源系統(tǒng)不僅表現(xiàn)為一種人水關(guān)系，而且體現(xiàn)了水系統(tǒng)的固有屬性，即生態(tài)環(huán)境或人類(lèi)社會(huì)發(fā)展需求的水資源無(wú)法得到滿足，在一定程度上限制或難以發(fā)揮生態(tài)體系與人類(lèi)社會(huì)的正常功能。在當(dāng)今世界格局下，水污染、旱澇災(zāi)害及水資源短缺等問(wèn)題對(duì)我國(guó)乃至全球的經(jīng)濟(jì)發(fā)展已構(gòu)成嚴(yán)重的潛在威脅[1]。

1968年法國(guó)學(xué)者Albineth等將人類(lèi)所涉及水層的天然特性作為地下水脆弱性研究，這也是研究水資源脆弱性的最早起源[2]。在水資源脆弱性方面我國(guó)的相關(guān)研究起步較晚，但發(fā)展較為迅速，如雒新萍等[3]整體評(píng)價(jià)了我國(guó)8個(gè)代表流域的脆弱性狀態(tài)?；诓煌椒ǖ亩吭u(píng)價(jià)[4]為國(guó)內(nèi)學(xué)者研究水資源問(wèn)題的主要內(nèi)容，當(dāng)前指標(biāo)權(quán)重的確定仍以熵權(quán)法等傳統(tǒng)方法為主，在水資源脆弱性評(píng)價(jià)中也有學(xué)者應(yīng)用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、GIS技術(shù)等[5- 12]。姜海波等[13]以塔里木河流域?yàn)槔捎盟亢退|(zhì)相關(guān)指標(biāo)預(yù)測(cè)了流域脆弱性發(fā)展趨勢(shì)，這些方法通常缺乏對(duì)主觀因素的評(píng)價(jià)，且評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的取值對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響顯著。模糊綜合法是一種綜合了客觀與主觀、定量與定性因素的科學(xué)方法，本文以遼寧省為例，綜合考慮人水關(guān)系的復(fù)雜特征，基于DPSIR概念框架篩選出典型指標(biāo)，然后對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的主客觀組合權(quán)重采用改進(jìn)的熵值法和層次分析法進(jìn)行計(jì)算，對(duì)遼寧省近15年的水資源脆弱性利用模糊綜合法進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中綜合得分與水資源脆弱性間的非線性關(guān)系借助S型曲線確立，通過(guò)識(shí)別關(guān)鍵性主導(dǎo)因子為水資源脆弱性解決方案的優(yōu)選決策提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

遼寧省占地面積為14.8萬(wàn)km2，下轄撫順、鞍山、大連、鐵嶺、沈陽(yáng)等14個(gè)地級(jí)市和綏中縣、昌圖縣2個(gè)省管縣。全省水資源補(bǔ)給以降水入滲與地表徑流為主，境內(nèi)河流有渾河、太子河、饒陽(yáng)河、大凌河以及遼河等，其中遼河流域面積為6.92萬(wàn)km2，全長(zhǎng)480km，是遼寧省第一大河流，地形地貌有“六山一水三分田”之稱。遼寧省屬于大陸性季風(fēng)氣候，年均降水量在400～1100mm之間，約60%以上降水發(fā)生在6—9月份，并且多以暴雨和強(qiáng)降雨為主。區(qū)域內(nèi)徑流量大、水系發(fā)達(dá)、水資源豐富，復(fù)雜的地形地貌和獨(dú)特的氣候條件限制了其可開(kāi)發(fā)利用量較少，水資源具有邊際效益低、開(kāi)采成本高、難度大等特點(diǎn)。另外，不同區(qū)域之間水環(huán)境、水資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)存在較大差異。近年來(lái)，由于遼寧省工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅猛發(fā)展，加之局部地區(qū)水資源開(kāi)發(fā)過(guò)度及水環(huán)境保護(hù)意識(shí)薄弱，使得境內(nèi)水系統(tǒng)生態(tài)安全和水資源脆弱性持續(xù)下降[14- 18]。

2 水資源脆弱性評(píng)價(jià)方法

綜合評(píng)價(jià)遼寧省2004—2018年水資源脆弱性的主要流程為：基于DPSIR概念框架建立評(píng)價(jià)體系，對(duì)各指標(biāo)權(quán)重利用組合賦權(quán)法確定；然后借助S型曲線確立綜合得分與水資源脆弱性間的非線性關(guān)系，并利用模糊綜合法科學(xué)評(píng)價(jià)該區(qū)域近15年的水資源脆弱性狀態(tài)。根據(jù)整體評(píng)價(jià)結(jié)果和得分值，揭示遼寧省2004—2018年水資源的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。

2.1 構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

DPSIR概念模型是從系統(tǒng)的角度描述結(jié)果與起源間的邏輯關(guān)系，從而反映環(huán)境系統(tǒng)與人類(lèi)社會(huì)之間的相互影響程度，主要涉及生態(tài)環(huán)境、社會(huì)發(fā)展、人口規(guī)模、自然資源及經(jīng)濟(jì)等方面因素，能夠較為客觀、全面地體現(xiàn)各子系統(tǒng)間的內(nèi)在聯(lián)系及人與自然環(huán)境的因果關(guān)系特征。

本文基于DPSIR框架模型和水資源脆弱性的基本內(nèi)涵選取19項(xiàng)典型指標(biāo)，然后依據(jù)遼寧省水資源公報(bào)、統(tǒng)計(jì)年鑒等資料作為指標(biāo)數(shù)據(jù)的主要來(lái)源，各指標(biāo)屬性及內(nèi)涵見(jiàn)表1。根據(jù)水資源脆弱性與不同指標(biāo)間的響應(yīng)關(guān)系，將脆弱性指標(biāo)劃分為正向、負(fù)向兩大類(lèi)，分別與脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果呈正相關(guān)和負(fù)相關(guān)。

2.2 組合賦權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重

區(qū)域水資源脆弱性評(píng)價(jià)與各指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算密切相關(guān)，計(jì)算權(quán)重時(shí)不僅要能夠反映其實(shí)際意義，而且要符合水資源變化的客觀規(guī)律?，F(xiàn)有研究中主、客觀賦權(quán)和組合賦權(quán)法是較為常用的權(quán)重計(jì)算方法。為避免單一方法存在的不足并提高評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性，針對(duì)水資源脆弱性各指標(biāo)權(quán)重考慮采用改進(jìn)熵值法和層次分析法耦合的組合法確定。

(1)AHP層次分析法?；贒PSIR框架體系和專(zhuān)家意見(jiàn)建立6個(gè)判斷矩陣，即響應(yīng)、影響、狀態(tài)、壓力、驅(qū)動(dòng)力以及子系統(tǒng)因素判斷矩陣。為避免權(quán)重計(jì)算受個(gè)人偏好的影響，對(duì)水資源脆弱性各指標(biāo)邀請(qǐng)10位專(zhuān)家進(jìn)行打分。根據(jù)專(zhuān)家意見(jiàn)和各因素兩兩重要性比較分析結(jié)果構(gòu)建相應(yīng)的判斷矩陣，對(duì)指標(biāo)按照1～9標(biāo)度法賦值，經(jīng)一致性檢驗(yàn)確定滿足合理性、準(zhǔn)確性要求的指標(biāo)權(quán)重見(jiàn)表2。

(2)改進(jìn)的熵值法。在社會(huì)系統(tǒng)中信息熵是各參數(shù)離散化程度的判別依據(jù)，對(duì)各指標(biāo)的無(wú)序化狀態(tài)賦予相應(yīng)的數(shù)值，數(shù)值的大小即代表了該評(píng)價(jià)指標(biāo)在整個(gè)水資源脆弱性評(píng)價(jià)體系中的權(quán)重比例，即所賦予的熵權(quán)值。該方法能夠顯著減小人為因素對(duì)計(jì)算結(jié)果的主觀影響，同時(shí)降低了可能出現(xiàn)特殊或極端數(shù)據(jù)的概率，在提取有效信息和計(jì)算數(shù)值時(shí)具有較好的適用性。采用該計(jì)算方法的脆弱性評(píng)價(jià)各參數(shù)權(quán)重見(jiàn)表2。

表1 水資源脆弱性評(píng)價(jià)體系及其屬性

(3)組合賦權(quán)法。相對(duì)于單一的權(quán)重計(jì)算法的客觀與主觀耦合的賦權(quán)法，不僅可以提高評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性與客觀性，而且能夠有效避免個(gè)人偏好和主觀判斷對(duì)水資源評(píng)價(jià)的影響。根據(jù)下述計(jì)算公式確定水資源脆弱性各評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重，即

Ai=λA1i+(1-λ)A2i

(1)

式中，A1i，A2i—層次分析法與改進(jìn)熵值法確定的權(quán)重值；Ai—水資源脆弱性評(píng)價(jià)各指標(biāo)綜合權(quán)重。

本文對(duì)各指標(biāo)權(quán)重考慮采用主、客觀耦合的方法確定，結(jié)合已有文獻(xiàn)資料和權(quán)重計(jì)算的實(shí)際情況采用等權(quán)賦值計(jì)算權(quán)重，即式(1)中λ值為0.5，組合權(quán)重計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 組合權(quán)重計(jì)算結(jié)果

2.3 模糊綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)各指標(biāo)的具體內(nèi)涵和屬性劃分結(jié)果，分別采用下式對(duì)正向、負(fù)向指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，其中越大越優(yōu)型即評(píng)價(jià)值越大則水資源脆弱性越低指標(biāo)的計(jì)算公式為：

rjk=(Xjk-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

越小越優(yōu)型即評(píng)價(jià)值越小則水資源脆弱性越低指標(biāo)的計(jì)算公式為：

rjk=(Xmax-Xjk)/(Xmax-Xmin)

(3)

式中，k=1，2，…，15；j=1，2，…，19；Xmin，Xmax分別代表指標(biāo)j的最小值與最大值。通過(guò)以上數(shù)據(jù)可構(gòu)造水資源脆弱性評(píng)價(jià)模糊關(guān)系矩陣R，見(jiàn)表3。

根據(jù)水資源脆弱性各指標(biāo)組合權(quán)重計(jì)算結(jié)果建立模糊權(quán)向量矩陣A，其表達(dá)式為：

A=(0.0726，0.0721，0.0778，0.0425，0.0300，0.0337，0.0352，0.0326，0.0338，0.0504，0.0476，0.0382，0.0691，0.0762，0.0500，0.0578，0.0751，0.0502，0.0551)。然后對(duì)模糊關(guān)系矩陣R和向量矩陣A采用模糊算子M(?，+)進(jìn)行合成運(yùn)算，該方法不僅考慮了脆弱性評(píng)價(jià)各影響因素，而且保留了單一因素的有效信息，其計(jì)算公式為：

(4)

3 結(jié)果分析

考慮到各評(píng)價(jià)指標(biāo)和水資源脆弱性間存在的復(fù)雜關(guān)系，對(duì)于指標(biāo)綜合評(píng)分和水資源脆弱性之間的非線性關(guān)系借助S型曲線進(jìn)行計(jì)算，表達(dá)如下：

(5)

式中，c，d分別為計(jì)算模型對(duì)應(yīng)的上、下限閾值，其中c為0，d為1；x—自變量。

按照Ⅰ～Ⅴ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)等間距劃分S型曲線函數(shù)，然后基于區(qū)域水資源實(shí)際狀況定義脆弱性綜合評(píng)分，其中Ⅰ～Ⅴ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的脆弱性程度依次為不脆弱、輕度、中等、嚴(yán)重和極脆弱，相應(yīng)的綜合評(píng)分依次為≤0.35、0.35～0.45、0.45～0.55、0.55～0.65、≥0.65。

表3 水資源脆弱性評(píng)價(jià)模糊關(guān)系矩陣R

表4 2004—2018年遼寧省水資源脆弱性評(píng)價(jià)值

根據(jù)表4計(jì)算結(jié)果和等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，將遼寧省2004—2018年的水資源脆弱性繪制成分值圖，如圖1所示。

圖1 2004—2018年遼寧省水資源脆弱性變化趨勢(shì)

根據(jù)圖1可以看出，遼寧省2004—2018年的水資源脆弱性呈波動(dòng)性下降的變化趨勢(shì)，且未來(lái)的下降概率較大。根據(jù)脆弱性等級(jí)的分界條件，可將該變化特征分為3個(gè)階段，即2004—2011年處于極脆弱與嚴(yán)重脆弱階段；2012—2013年處于中等脆弱階段；2014—2018年處于輕度脆弱階段?？傮w而言，遼寧省水資源脆弱性近15年來(lái)處于嚴(yán)重脆弱等級(jí)，綜合評(píng)分為0.569。

為確定水資源脆弱性的關(guān)鍵性驅(qū)動(dòng)因子計(jì)算各指標(biāo)的貢獻(xiàn)率，由此更加客觀地揭示未來(lái)水資源的變化特征，受文章篇幅限制，本文僅列出了驅(qū)動(dòng)力和響應(yīng)指標(biāo)各因素的貢獻(xiàn)率變化規(guī)律，如圖2所示。指標(biāo)貢獻(xiàn)率計(jì)算公式如下：

(6)

式中，ri—指標(biāo)i對(duì)水資源脆弱性的影響程度，脆弱性影響與ri值的大小呈正相關(guān)；WRV，WRVi—所有指標(biāo)和i指標(biāo)的貢獻(xiàn)率。

圖2 基于DPSIR框架模型的各指標(biāo)貢獻(xiàn)率

通過(guò)分析圖2可知，響應(yīng)指標(biāo)中的工業(yè)重復(fù)用水率在2004—2018年期間對(duì)遼寧省水資源脆弱性的程度最大?？梢?jiàn)，遼寧省工業(yè)重復(fù)用水率在這段時(shí)間處于較低水平，未能有效地循環(huán)利用大量的工業(yè)用水造成了巨大的水資源壓力；其次為廢污水排放量和萬(wàn)元工業(yè)增加用水量，表明遼寧省工業(yè)生產(chǎn)用水量較大，且工業(yè)發(fā)展產(chǎn)生的大量有害水體進(jìn)一步降低了水環(huán)境質(zhì)量，使得水資源脆弱性更大。

2004—2011年遼寧省水資源脆弱性較強(qiáng)，水質(zhì)總體較差。根據(jù)人均GDP指標(biāo)可知，遼寧省正處于快速發(fā)展時(shí)期，水資源供給壓力還與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理相關(guān)。

遼寧省水資源脆弱性在2012—2013年總體表現(xiàn)為中等水平，相對(duì)于其他年份，此階段的降水量較小，為偏枯水年，從而使得降水量的貢獻(xiàn)率最大；工業(yè)重復(fù)用水率和人均GDP對(duì)水資源脆弱性的貢獻(xiàn)率仍較高，表明該區(qū)域的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)仍有待升級(jí)調(diào)整。另外，為了應(yīng)對(duì)日趨嚴(yán)峻的水資源短缺問(wèn)題和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的新形勢(shì)，這一時(shí)期遼寧省啟動(dòng)了創(chuàng)建節(jié)水型城市的活動(dòng)并取得了較為顯著的成效，在一定程度上降低了水資源脆弱性。

遼寧省水資源脆弱性在2014—2018年處于輕度脆弱時(shí)期，進(jìn)一步分析各指標(biāo)貢獻(xiàn)率發(fā)現(xiàn)，水資源脆弱性在這一階段的主要影響因素為生態(tài)環(huán)境用水比例、豐水期降水比例及人口密度。2014年遼寧省經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城鎮(zhèn)化速度加快，大量的城市人口聚集進(jìn)一步加大了脆弱性程度。同時(shí)，遼河、太子河、渾河干支流水利設(shè)施的建設(shè)工程以及農(nóng)村小型節(jié)水措施的改造項(xiàng)目，在一定程度上降低了遼寧省的水資源脆弱性。2018年，遼河、渾河等河道治理工程逐漸竣工，基本全面實(shí)現(xiàn)干流污水的截留，這對(duì)于保護(hù)遼寧省水生態(tài)環(huán)境和降低水資源脆弱性具有重要的意義。

4 結(jié)論與建議

(1)遼寧省水資源脆弱性在2004—2018年整體處于嚴(yán)重脆弱等級(jí)，研究期間呈波動(dòng)性下降的變化趨勢(shì)且未來(lái)的下降概率較大。根據(jù)脆弱性等級(jí)的分界條件，可將該變化特征分為3個(gè)階段，即2004—2011年、2012—2013年、2014—2018年，脆弱性程度分別處于極脆弱與嚴(yán)重脆弱、中等脆弱和輕度脆弱狀態(tài)。

(2)通過(guò)分析不同指標(biāo)的貢獻(xiàn)率可知，遼寧省水資源脆弱性等級(jí)受人為因素和自然因素的共同影響。其中關(guān)鍵性主導(dǎo)因子有生態(tài)環(huán)境用水量、人口密度、降水量、工業(yè)重復(fù)用水率、廢污水排放量以及萬(wàn)元工業(yè)增加用水量。良好的管理政策和水資源利用制度可在一定程度上降低區(qū)域水資源脆弱性。

(3)結(jié)合關(guān)鍵性驅(qū)動(dòng)因子和脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果，降低水資源脆弱性的有效措施有調(diào)整廢水排放、加大生態(tài)用水投入及提高水資源利用率，為改善水資源脆弱性和水資源優(yōu)化配置應(yīng)積極優(yōu)化其管理模式。