王寶琛

(阜新市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 阜新 123000)

1 研究區(qū)概況

阜新市位于E121°01′-122°56′，N41°41′-42°56′之間，北與內(nèi)蒙古臨界，南鄰錦州市，西鄰朝陽(yáng)市，東鄰沈陽(yáng)市，總面積1.0355萬(wàn)km2。阜新市總體的地貌格局為西部低山丘陵區(qū)和東部柳繞平原區(qū)，大體呈“六山一水三分田”。境內(nèi)河流按地理位置可將全市河流劃分成以大凌河流域?yàn)橹鞯奈鞑恐T河和以遼河水系為主的東部諸河，有養(yǎng)息牧河、柳河、細(xì)河、饒陽(yáng)河等，阜新市水系圖，見(jiàn)圖1。

圖1 阜新市水系圖

隨季節(jié)變化水汽的輸送量存在明顯差異，一般夏季高于其它季節(jié)，降水量呈現(xiàn)出季節(jié)變化特征。阜新市地處中緯度地區(qū)，屬半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，因自然地理?xiàng)l件不同，氣候差異顯著，受地形及地理位置等因素影響降雨量時(shí)空分布不均，東南部大于西北部，平原區(qū)大于丘陵區(qū)，多年平均降雨量480mm，其中6-9月雨量占全年降水量的60-80%。

歷年來(lái)，阜新市人均水資源量都≤500m3，總體上呈資源性嚴(yán)重缺水特征。近年來(lái)，水污染防治行動(dòng)規(guī)劃的實(shí)施對(duì)水資源保護(hù)提出了更高的要求，2020年作為規(guī)劃實(shí)施的收官之年，有必要對(duì)區(qū)域水環(huán)境治理效果進(jìn)行科學(xué)地評(píng)價(jià)。因此，文章綜合應(yīng)用模糊物元法和DPSIR模型定量計(jì)算了阜新市水資源承載力，旨在為區(qū)域水資源優(yōu)化配置以及水環(huán)境治理提供一定支持。

2 研究方法

2.1 構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

現(xiàn)有研究的水資源管理模塊大多缺乏因果鏈之間的協(xié)調(diào)管理及整體聯(lián)動(dòng)性，僅僅考慮各指標(biāo)間因果鏈的構(gòu)建[1-2]。因此，文章考慮應(yīng)用“管理”模塊構(gòu)建水資源承載力DPSIR模型框架，其影響指標(biāo)可以劃分成六項(xiàng)，DPSIR模型框架，見(jiàn)圖2。

圖2 DPSIR模型框架

1)驅(qū)動(dòng)力D：即促使水資源變化的內(nèi)在因素，該子系統(tǒng)的二級(jí)指標(biāo)有GDP年增長(zhǎng)率、灌溉面積占耕地比例、城鎮(zhèn)化率、人均GDP和人口密度。

2)壓力P：這反映了人類(lèi)活動(dòng)直接影響水資源承載力的程度，考慮數(shù)據(jù)的可獲取性和阜新市優(yōu)于Ⅲ類(lèi)水的水質(zhì)斷面情況，確定該系統(tǒng)的二級(jí)指標(biāo)有氨氮排放量、化學(xué)需氧量排放量、單位工業(yè)產(chǎn)值廢水排放量、單位耕地面積化肥施用量、人均耕地面積、萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量和萬(wàn)元GDP用水量等指標(biāo)。

3)狀態(tài)S：即在壓力下水資源所處的狀態(tài)，結(jié)合城鎮(zhèn)污水處理能力和水污染防治行動(dòng)規(guī)劃要求，選擇該子系統(tǒng)的二級(jí)指標(biāo)有水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、水資源量、年降水量、回用水引水量和供水量[3]。

4)影響I：即森林資源及水資源受水資源系統(tǒng)所處狀態(tài)的影響，為反映水資源對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類(lèi)生活的影響引入森林覆蓋率、人均水資源量作為影響子系統(tǒng)的二級(jí)指標(biāo)。

5)響應(yīng)R：即依據(jù)幾個(gè)子系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)活動(dòng)及社會(huì)生產(chǎn)過(guò)程中制定的相關(guān)政策和采取的對(duì)策，充分考慮防治規(guī)劃中提到的加強(qiáng)管網(wǎng)建設(shè)、工業(yè)節(jié)水措施和水污染處理的具體要求，遵循數(shù)據(jù)可獲取性、科學(xué)性和系統(tǒng)性等原則，選擇響應(yīng)子系統(tǒng)的二級(jí)指標(biāo)有節(jié)水灌溉面積、工業(yè)用水重復(fù)率、廢水治理設(shè)施處理能力、建成區(qū)排水管道密度和污水處理率等指標(biāo)。

6)管理M：采取有效政策增強(qiáng)阜新市的宏觀調(diào)控能力，水資源管理和調(diào)控與整個(gè)系統(tǒng)中的每項(xiàng)指標(biāo)都密切相關(guān)，管理子系統(tǒng)的二級(jí)指標(biāo)有建成區(qū)綠化覆蓋率和環(huán)保支出比例。

2.2 模糊物元模型

2.2.1 綜合模糊物元

(1)

式中：Mn、Cm為第n個(gè)年份和第m個(gè)指標(biāo)；μ(Xij)代表第j年第i項(xiàng)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的模糊量值標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.2 從優(yōu)隸屬度物元

從優(yōu)隸屬度是指決策方案中的指標(biāo)隸屬于標(biāo)準(zhǔn)方案模糊量值μ(Xij)的程度[4-5]，考慮具體的屬性特征可以將篩選出的各項(xiàng)指標(biāo)劃分成越大越優(yōu)和越小越有型兩類(lèi)，其從優(yōu)隸屬度值計(jì)算公式為：

越大越有型：

μ(Xij)=xij/maxxi

(2)

越小越有型：

μ(Xij)=minxi/xij

(3)

(4)

2.2.3 差平方模糊物元

設(shè)復(fù)合模糊物元與標(biāo)準(zhǔn)模糊物元R0n中各項(xiàng)差的平方為△ij，其中i=1，2，……，n；j=1，2，……，m，由此可構(gòu)造差平方模糊物元R△，即：

(5)

2.2.4 熵值法計(jì)算權(quán)重

1)步驟1：采用公式(2)或(3)對(duì)m項(xiàng)指標(biāo)n個(gè)連續(xù)評(píng)價(jià)年份構(gòu)成的判斷矩陣Rmn進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，從而構(gòu)造歸一化矩陣Bmn，處理公式為：

越大越有型：

bij=(xij-minxi)/(maxxi-minxi)

(6)

越小越有型：

bij=(maxxi-xij)/(maxxi-minxi)

(7)

式中：minxi為不同年份中各項(xiàng)指標(biāo)的最小值；maxxi為不同年份中各項(xiàng)指標(biāo)的最大值。

2)步驟2：應(yīng)用公式(8)計(jì)算指標(biāo)熵Hi，其中：

(8)

(9)

3)步驟3：各指標(biāo)熵權(quán)ωi的計(jì)算公式如下：

(10)

2.2.5 水資源承載力指數(shù)

采用歐式距離公式計(jì)算的帖進(jìn)度表示水資源承載力指數(shù)，歐式距離公式如下：

(11)

式中：di為標(biāo)準(zhǔn)方案與評(píng)價(jià)方案之間的距離；ωi為參評(píng)指標(biāo)i的權(quán)重。依據(jù)帖進(jìn)度計(jì)算結(jié)果構(gòu)造水資源承載力評(píng)價(jià)模糊物元矩陣Rd，即：

(12)

3 結(jié)果與分析

3.1 DPSIRM框架體系

采用DPSIR框架模型構(gòu)建包含驅(qū)動(dòng)力、壓力、狀態(tài)、影響、響應(yīng)、管理6個(gè)子系統(tǒng)的水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，阜新市水資源承載力評(píng)價(jià)體系與指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表1。

表1 阜新市水資源承載力評(píng)價(jià)體系與指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3.2 評(píng)價(jià)等級(jí)劃分

文章借鑒相關(guān)文獻(xiàn)中對(duì)指標(biāo)分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)、地方與國(guó)家對(duì)指標(biāo)等級(jí)的規(guī)定、按升序排列2011-2020年各指標(biāo)值并取5-95%的分級(jí)范圍所劃分成5個(gè)等級(jí)[6-8]，以上方法均無(wú)效時(shí)選用專(zhuān)家問(wèn)卷調(diào)查法，從強(qiáng)到弱將評(píng)價(jià)指標(biāo)劃分成Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ五個(gè)等級(jí)，所對(duì)應(yīng)的評(píng)語(yǔ)為強(qiáng)、較強(qiáng)、一般、較弱、弱。各分項(xiàng)指標(biāo)及子系統(tǒng)權(quán)重，見(jiàn)表1。

3.3 分項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重

采用公式(1)-(10)和2011-2020年各指標(biāo)數(shù)據(jù)計(jì)算確定各分項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重，各分項(xiàng)指標(biāo)及子系統(tǒng)權(quán)重，見(jiàn)圖3。從圖3可以看出，對(duì)水資源承載力貢獻(xiàn)從高到低依次為壓力、驅(qū)動(dòng)力、狀態(tài)、響應(yīng)、管理和影響子系統(tǒng)，阜新市水資源承載力受壓力子系統(tǒng)的影響較大。

(a)分項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重

3.4 整體水資源承載力指數(shù)

2011-2020年阜新市水資源承載力指數(shù)，2011-2020年水資源承載力指數(shù)，見(jiàn)圖4，結(jié)果表明阜新市水資源承載力指數(shù)總體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，并達(dá)到“一般”水平(Ⅲ級(jí))。其中，2019-2020年接近“較強(qiáng)”水平(Ⅱ級(jí))，上升幅度比較明顯，這表明2018年實(shí)施的水污染防治行動(dòng)明顯改善了阜新市水環(huán)境狀況，顯著提升了區(qū)域水資源承載力。

圖4 2011-2020年水資源承載力指數(shù)

3.5 各子系統(tǒng)承載力指數(shù)

2011-2020年各子系統(tǒng)承載力指數(shù)變化趨勢(shì)，各子系統(tǒng)承載力指數(shù)，見(jiàn)圖5。結(jié)果表明，2018-2020年壓力子系統(tǒng)承載力從“一般”水平提高至“較強(qiáng)”水平，即由Ⅲ級(jí)增大至Ⅱ級(jí)，阜新市水資源承載力整體較強(qiáng)；響應(yīng)、影響、狀態(tài)子系統(tǒng)處于較弱和弱水平，這三個(gè)系統(tǒng)的承載力指數(shù)較低，應(yīng)引起重點(diǎn)關(guān)注。

(a)驅(qū)動(dòng)力

1)驅(qū)動(dòng)力子系統(tǒng)D：整體呈波動(dòng)下降趨勢(shì)。2011年以來(lái)阜新市越來(lái)越關(guān)注水環(huán)境問(wèn)題，逐漸改善了引起水環(huán)境惡化的因素。結(jié)合指標(biāo)權(quán)重可知，GDP年增長(zhǎng)率和人口密度的權(quán)重較高，其次為城鎮(zhèn)化率和人均GDP，驅(qū)動(dòng)力子系統(tǒng)受產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r和人口的影響較大。為實(shí)現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)、資源與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，阜新市應(yīng)加快產(chǎn)業(yè)升級(jí)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整[9-11]。

2)壓力子系統(tǒng)P：整體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，從2018年承載力指數(shù)處于較強(qiáng)等級(jí)。水資源承載力與人類(lèi)活動(dòng)息息相關(guān)，生產(chǎn)壓力和水環(huán)境壓力指標(biāo)占?jí)毫ψ酉到y(tǒng)的權(quán)重較大，在加快工業(yè)發(fā)展進(jìn)程的同時(shí)還要注重節(jié)約用水和水環(huán)境的保護(hù)。

3)狀態(tài)子系統(tǒng)S：整體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，2011-2018年整體偏上，2018-2020年呈波動(dòng)上升趨勢(shì)。結(jié)合指標(biāo)權(quán)重可知，阜新市用水量受壓力指標(biāo)的影響較大，表明阜新市引水工程對(duì)提高區(qū)域水資源承載力發(fā)揮著重要作用。

4)影響子系統(tǒng)I：總體達(dá)到“較弱”水平，并且水資源量與系統(tǒng)所處狀態(tài)密切相關(guān)。阜新市水資源和人口分布不均勻致使人均水資源量少，應(yīng)引起相關(guān)部門(mén)的重視。

5)響應(yīng)子系統(tǒng)R：整體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，總體達(dá)到“一般”水平。其中，對(duì)節(jié)水的關(guān)注較少而對(duì)污水處理的響應(yīng)較大，在制定水資源政策及對(duì)策時(shí)應(yīng)給予高度重視。

6)管理子系統(tǒng)M：整體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，總體達(dá)到“較高”水平。2015年阜新市提出要加大環(huán)境保護(hù)投資力度和積極創(chuàng)新環(huán)境經(jīng)濟(jì)政策，其中資金投入分項(xiàng)指標(biāo)所占權(quán)重相對(duì)較低，但綠化覆蓋率指標(biāo)對(duì)管理子系統(tǒng)的影響較小，所以該子系統(tǒng)于2015-2020年承載力指數(shù)不斷提高。

4 結(jié) 論

文章利用DPSIRM概念框架構(gòu)建了評(píng)價(jià)體系，并對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不均衡區(qū)域——阜新市的水資源承載力利用DPSIRM模型和模糊物元綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示，阜新市水資源承載力呈現(xiàn)出逐年上升趨勢(shì)，整體達(dá)到“中等”水平。近年來(lái)，阜新市水環(huán)境治理已達(dá)到規(guī)劃目標(biāo)，水環(huán)境得到明顯改善，但仍需進(jìn)一步提高水資源綜合管理水平。