曹明川

（遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114000）

0 引言

水資源是維持人類生存發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)平衡的自然基礎資源，也是公共社會資源和戰(zhàn)略經(jīng)濟資源[1]。近年來，水資源所發(fā)揮的重要作用日趨突出，生態(tài)、經(jīng)濟、社會和水資源子系統(tǒng)相互促進協(xié)調(diào)發(fā)展，這也是保證水資源合理開發(fā)的重要保障[2-5]。水資源承載力是指水體能夠支撐經(jīng)濟社會發(fā)展的最大規(guī)模，體現(xiàn)了生態(tài)、經(jīng)濟、社會與水資源各子系統(tǒng)的內(nèi)在協(xié)調(diào)性。因此，研究分析水資源承載力時空差異特征，對促進社會經(jīng)濟與水資源的協(xié)調(diào)持續(xù)發(fā)展具有現(xiàn)實意義[6]。

目前，研究水資源承載力的方法有綜合評價法、系統(tǒng)動力學法及經(jīng)驗公式法等。其中，綜合評價法是利用數(shù)學方法，從生態(tài)、經(jīng)濟、社會和水資源等方面選定指標，綜合評價區(qū)域水資源承載力；系統(tǒng)動力學法具有全面系統(tǒng)、計算速度快等特點，但初始數(shù)據(jù)獲取難度大，其推廣應用受到一定限制；經(jīng)驗公式法未考慮生態(tài)、經(jīng)濟、社會與水資源的內(nèi)在關聯(lián)性，雖計算簡單，但精準度較低。TOPSIS 法是一種具有不受樣本數(shù)量限制、信息失真小、計算簡便等優(yōu)點的綜合評價法，故利用TOPSIS 逼近理想解排序法評價分析2020 年鞍山市下轄的各縣(市)、區(qū)水資源承載力及其空間差異性和障礙因子，以期為區(qū)域生態(tài)、經(jīng)濟、社會與水資源的協(xié)調(diào)發(fā)展提供技術支持[7-8]。

1 區(qū)域概況

鞍山市地處遼東半島對外開放的中心，境內(nèi)沈秦新電氣化鐵路、中長鐵路、沈山和沈大高速公路橫貫，地理位置優(yōu)越，交通條件便利。該區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶约撅L氣候，環(huán)境優(yōu)美，氣候宜人，四季分明，年均降水量703.7mm，年均氣溫9.4℃，年均蒸發(fā)量1750.2mm，平均風速3.5m/s，相對濕度60%，日照時數(shù)2540h，最大凍土深118cm。境內(nèi)共有大洋河、饒陽河、渾河、大遼河、太子河、遼河6 條大型河流，哨子河、海城河2 條中型河流以及27條小型河流。

調(diào)查顯示，鞍山市年均地表水供水量24712萬m3，地表水248562萬m3，開發(fā)利用率9.9%，各流域統(tǒng)計數(shù)據(jù)如下：大洋河、饒陽河、渾河、大遼河、太子河、遼河流域地表水資源量依次為173400萬m3、1422萬m3、3374萬m3、2467萬m3、43900萬m3、6860萬m3，地表水供水量依次為3656萬m3、53萬m3、228萬m3、257萬m3、19712萬m3、122萬m3，開發(fā)利用率依次為2.1%、3.7%、6.8%、10.4%、44.9%、1.8%。地下水實際開采量6.87億m3，可開采量6.58億m3，開采率104%，局部地區(qū)更加嚴重，具體如下：大洋河、饒陽河、渾河、大遼河、太子河、遼河流域地下水可開采量依次為0.53億m3、0.29億m3、1.21億m3、0.47億m3、2.11億m3、1.92億m3，實際開采量0.18億m3、0.30億m3、1.58億m3、0.48億m3、2.54億m3、1.75%，開采率為33.4%、103.7%、131.0%、102.5%、120.9%、90.9%。

隨著城市經(jīng)濟的迅速發(fā)展，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城鄉(xiāng)居民用水需求量急劇增大，當?shù)厮Y源供需矛盾突出。因此，研究評價區(qū)域水資源承載力及其空間差異性和障礙因子，對于城市生活和工、農(nóng)業(yè)用水調(diào)節(jié)控制以及水資源合理利用規(guī)劃具有重要意義。

2 研究方法

2.1 構建評價體系

水資源承載力可反映區(qū)域生態(tài)、經(jīng)濟、社會與水資源的內(nèi)在協(xié)調(diào)關系，對促進水資源優(yōu)化配置具有重要作用。本文結合水資源承載力的內(nèi)涵、概念和鞍山市水資源實際情況，充分考慮水資源支撐生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟和人口規(guī)模的最大能力，并遵循可操作性、系統(tǒng)性、獨立性和科學性等原則，從水維護、水需求、水供給的角度選擇16 項代表性指標構建評價體系如表1 所示，研究分析2020 年鞍山市下轄的各縣(市)、區(qū)水資源承載力及其空間差異性和障礙因子。

表1 水資源承載力評價體系

目前，研究評價水資源承載力的文獻資料有很多，但由于評價指標體系和研究方法存在明顯差異，現(xiàn)階段尚未形成普遍適用的等級劃分標準。因此，為更加直觀地反映區(qū)域水資源情況，本文參考相關文獻將評價結果劃分成5 個等級，如表2 所示。

表2 承載等級劃分標準

2.2 計算方法

2.2.1 熵權法

本文利用熵權法計算表1 中各項指標權重，該方法是以所獲取的信息量多少來決定評價結果的精準度，具有較強的客觀性。信息熵越小則指標提供的信息量越多，賦予的權值就會越大，反之則越小。設初始評價矩陣X=(xij)m×n，其中m、n代表評價樣本數(shù)和參評指標數(shù)，m=4，n=16。

由于不同指標的量綱或數(shù)量級不同無法直接進行計算，所以必須對初始數(shù)據(jù)進行標準化處理，預處理公式為：

式中：xij、rij——參評樣本i中評價指標j的初始數(shù)據(jù)和標準化值；min(xj)、max(xj)——所有樣本中評價指標j的最小值和最大值，預處理后各指標值變化范圍為0～1。

然后利用以下公式計算各參評指標的信息熵ej，即：

式中：fij——評價樣本i中指標j的標準值比重。

結合信息熵ej計算結果，可利用公式（4）確定各指標權重ωj，即：

2.2.2 TOPSIS 法

1981 年，H Wang 和Yoon 最早提出一種用于多目標決策分析系統(tǒng)工程有限方案的TOPSIS 數(shù)學方法，通過計算最劣解、最優(yōu)解與評價樣本之間的距離判定其優(yōu)劣程度，具體步驟如下：

步驟1：正負理想解A+、A-。將待評價樣本各指標初始數(shù)據(jù)標準化處理，從而構造標準矩陣R=(rij)m×n，通過大小排列比較確定正、負理想解，即：A+=(Amax1，Amax2，…，Amaxn)、A-=(Amin1，Amin2，…，Aminn)。

步驟2：相對接近程度Gi。待評價樣本i與正、負理想解之間的距離Z+、Z-利用可下式計算，即：

水資源承載力綜合評價指數(shù)就等于待評價樣本i與理想解的相對接近程度Gi，Gi值越大則待評價樣本的水資源承載力越接近理想狀態(tài)，水資源系統(tǒng)越優(yōu)；反之，Gi值越小則待評價樣本的水資源承載力越遠離理想狀態(tài)，水資源系統(tǒng)越差，Gi的計算方法為：

2.2.3 障礙度計算

一般地，主要有指標偏離度Ci、障礙度Oi和因子貢獻度Fi三個衡量指標診斷障礙因素。其中，指標偏離度Ci反映了最優(yōu)目標值與各項指標實際值之間的差距，其數(shù)值等于指標的標準化值rij與1之間的差值；障礙度Oi反映了單項指標或子系統(tǒng)影響水資源承載力的高低；因子貢獻度Fi反映了單一指標Xi對總目標的貢獻程度，可以用熵權法獲取的權重ωi來描述。其中，指標偏離度Ci和障礙度Oi的計算方法為：

3 結果與分析

3.1 空間差異分析

研究數(shù)據(jù)來源于2020 年鞍山市統(tǒng)計年鑒、環(huán)境狀況公報、水資源公報、國民經(jīng)濟統(tǒng)計公報等資料，利用熵權TOPSIS 法定量計算2020 年鞍山市水資源承載力及空間差異，全面反映生態(tài)、經(jīng)濟、社會和水資源系統(tǒng)狀況，如表3 所示。

表3 水資源承載力評價值

結果表明，鞍山市水資源承載力綜合評價值0.46，達到Ⅲ級一般承載狀態(tài)，各轄區(qū)綜合承載力也在0.6 以內(nèi)。其中，臺安縣和市轄區(qū)水資源承載力均＜0.4，達到Ⅳ級較弱承載狀態(tài)，究其原因是該地區(qū)降水較少，加之城市人口多且地表水資源不足，致使城市生活和工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水壓力大，經(jīng)濟社會與水資源之間的協(xié)調(diào)性較差。海城市水資源承載力綜合評價值最高0.61，達到Ⅱ級較強承載狀態(tài)，在水資源、社會和經(jīng)濟等方面均高于其它地區(qū)，究其原因是海城市生態(tài)治理較好，社會經(jīng)濟達到中上水平，降水充沛，水資源豐富，因此其綜合承載力較高。從空間上西部和北部承載力最弱，南部較強，東南部居中，從弱到強水資源承載力排序為臺安縣＜市轄區(qū)＜岫巖縣＜海城市。

3.2 障礙因子分析

2020 年鞍山市各轄區(qū)水資源承載力障礙度排序前10 項指標見表4，結果顯示河流水質(zhì)達標率X16、萬元GDP 用水量X12、降水量X5、產(chǎn)水模數(shù)X2、地表水占比X1、GDPX10六項指標出現(xiàn)頻率較高，排序表中的降水量X5、產(chǎn)水模數(shù)X2和GDPX10大多分布于前三。從地域分布上，產(chǎn)水模數(shù)X2是市轄區(qū)和岫巖縣的第一障礙因子，降水量X5是第二障礙因子；降水量X5是海城市的第一障礙因子，產(chǎn)水模數(shù)X2是第二障礙因子；GDPX10是臺安縣的第一障礙因子，產(chǎn)水模數(shù)是第二障礙因子，說明鞍山市對降水量X5和產(chǎn)水模數(shù)X2較為敏感。另外，森林覆蓋率X15、第三產(chǎn)業(yè)占比X11、供水模數(shù)X3指標出現(xiàn)頻率也較高，說明這三項指標也在不同程度上影響著區(qū)域水資源承載力。

表4 主要障礙因子排序

通過計算鞍山市各轄區(qū)水資源承載力指標障礙度均值可知，產(chǎn)水模數(shù)X2、GDPX10和降水量X5的障礙度均值依次為15.26%、15.41%、15.92%，這三項指標障礙度均值高于其它指標，表明其對水資源承載力評價結果貢獻率最大。對于經(jīng)濟子系統(tǒng)，從小到大對水資源承載力影響程度排序為社會(9.2%)＜生態(tài)(11.8%)＜經(jīng)濟(27.6%)＜水資源(51.4%)，由此表明區(qū)域水資源承載力受水資源子系統(tǒng)的影響最大，并且經(jīng)濟子系統(tǒng)中的GDPX10和水資源子系統(tǒng)中的降水量X5、產(chǎn)水模數(shù)X2對評價結果影響最大。

4 結論

1）2020 年鞍山市各轄區(qū)水資源承載力評價值均在0.6 以內(nèi)，全市整體達到Ⅲ級一般承載狀態(tài)，海城市生態(tài)治理較好，社會經(jīng)濟達到中上水平，降水充沛，水資源豐富，其水資源承載力相對較高。各地區(qū)生態(tài)環(huán)境的差異性、經(jīng)濟發(fā)展的不均衡性和水資源的不均勻性使得各子系統(tǒng)承載力空間分布存在一定差異。

2）從小到大4 個子系統(tǒng)的障礙影響排序為社會＜生態(tài)＜經(jīng)濟＜水資源，其中降水量、產(chǎn)水模數(shù)和GDP 是影響2020 年水資源承載力的重要指標。因此，促進生態(tài)、經(jīng)濟、社會與水資源協(xié)調(diào)發(fā)展的關鍵是實現(xiàn)水資源的合理利用以及人口規(guī)模的合理控制，并注重經(jīng)濟社會的發(fā)展。

3）受限于數(shù)據(jù)資料，本研究評價分析了鞍山市各轄區(qū)水資源承載力空間差異性及其障礙因子，可為區(qū)域水資源高效利用提供一定參考。由于未考慮水資源的空間與時間屬性，未來仍需完善評價體系，進一步探討水資源承載力的時間與空間演變規(guī)律，為城市生活和工、農(nóng)業(yè)用水調(diào)節(jié)控制以及水資源合理利用規(guī)劃指明方向。