徐世俊

(遼陽水文局,遼寧 遼陽 111000)

0 引 言

水資源承載力是反映經(jīng)濟社會發(fā)展、生態(tài)環(huán)境、人口規(guī)模與水資源相互關(guān)系的關(guān)鍵指標(biāo),科學(xué)評價水資源承載力狀況也是合理調(diào)控與科學(xué)配置區(qū)域水資源的重要依據(jù)[1]。目前,應(yīng)用最廣泛的水資源承載力評價方法有系統(tǒng)動力學(xué)、集對分析、主成分分析和模糊綜合法等,如劉夏等[2]利用系統(tǒng)動力學(xué)法預(yù)測分析了多種配置方案下區(qū)域水資源系統(tǒng)能夠承載的最大人口規(guī)模;楊海燕等等將CRITIC法與TOPSIS法相耦合評價了2003—2018年河北省水資源承載力,結(jié)果發(fā)現(xiàn)區(qū)域承載力呈逐年上升趨勢;葉飛等合肥市為例,應(yīng)用集對分析法計算了2011—2016年水資源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)力、壓力、支撐力以及整體承載力;李少朋等以江蘇省為例,采用指數(shù)標(biāo)度改進的AHP法和TOPSIS法評價其水資源承載力,該方法保證了判斷矩陣一致性和計算結(jié)果的合理性;王奕淇等運用AHP法計算指標(biāo)權(quán)重,通過系統(tǒng)動力學(xué)法仿真模擬了流域水資源承載力;朱一中等較為全面地概括總結(jié)了水資源承載力的概念、研究內(nèi)容、計算方法和評價體系等,并指出研究水資源承載力的理論基礎(chǔ)[3-7]。然而,水資源承載力會受經(jīng)濟發(fā)展、資源利用、生態(tài)環(huán)境等諸多因素的影響,計算評價時必須考慮各因子與評價目標(biāo)之間的密切聯(lián)系。

集對分析法是一種將研究對象不確定性因素利用聯(lián)系數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)問題的研究方法,該方法可以考慮水資源承載力受優(yōu)劣評價指標(biāo)的影響,通過定量化處理定性問題保證評價結(jié)果可信度與準(zhǔn)確度,具有計算誤差小、過程簡單、樣本需求少及問題分析全面等優(yōu)點[8-10]。另外,基于減法集對勢理論和樣本系數(shù)對立度、差異度、同一度診斷各項指標(biāo),可以準(zhǔn)確識別導(dǎo)致承載力不足的主導(dǎo)因素。鑒于此,文章利用集對分析聯(lián)系數(shù)評價分析2015—2020年遼寧省水資源承載力,并進一步識別導(dǎo)致承載力不足的關(guān)鍵因素,以期為區(qū)域水資源科學(xué)管理規(guī)劃和可持續(xù)利用提供參考依據(jù)。

1 研究方法

1.1 構(gòu)建水資源評價體系

生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟社會及水資源系統(tǒng)與水資源承載力密切相關(guān),人類活動和生態(tài)環(huán)境變化顯著影響著各系統(tǒng)之間的互饋關(guān)系及水資源承載力變化趨勢[11]。因此,為更加準(zhǔn)確客觀地評價水資源承載力,必須充分考慮各子系統(tǒng)與水資源承載力間的相互關(guān)系。文章遵循科學(xué)性、系統(tǒng)性、獨立性、層次性和數(shù)據(jù)可獲取性等原則,從壓力、調(diào)控力、支撐力3個子系統(tǒng)選擇13項典型指標(biāo)構(gòu)建評價體系,如表1所示。

表1 遼寧省水資源承載力評價體系與分級標(biāo)準(zhǔn)

評價標(biāo)準(zhǔn)是衡量區(qū)域水資源承載力及其評定等級的重要依據(jù),借鑒部分專家意見和相關(guān)文獻資料,將水資源承載力劃分成Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級,不同等級下各指標(biāo)的取值區(qū)間如表1。其中,Ⅰ級代表區(qū)域水資源供給條件良好,水系統(tǒng)承載力較高能夠進一步開發(fā)利用,總體處于可承載狀態(tài);Ⅱ級代表區(qū)域水資源已達(dá)到一定開發(fā)利用規(guī)模,但水系統(tǒng)還有部分開發(fā)空間,總體處于臨界或一般狀態(tài);Ⅲ級代表區(qū)域水資源進一步開發(fā)難度大,水系統(tǒng)接近或達(dá)到飽和狀態(tài),為了支撐經(jīng)濟社會發(fā)展必須及時采取有效的調(diào)控對策,總體處于超載或弱承載狀態(tài)。

1.2 集對分析法計算流程

集對分析的基本原理主要是利用A、B兩個集合對描述研究對象的特定關(guān)系,集合對的聯(lián)系數(shù)、差異度和對立度系數(shù)分別用μ、I、J表示,結(jié)合具體情況μ可以取-1～1之間的數(shù)值,J一般取-1。采用a、b、c表示同一度、差異度和對立度,符合條件a+b+c=1,可以用下式表示聯(lián)系數(shù)μ(A,B)[12],即:

μ(A,B)=a+bI+cJ

(1)

采用集對分析法評價區(qū)域水資源承載力的主要流程如下:

步驟1:計算三元聯(lián)系數(shù)。依據(jù)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)計算指標(biāo)值xij的聯(lián)系數(shù),可利用下式計算正向指標(biāo)(數(shù)值越大則承載力越高)的聯(lián)系數(shù):

(2)

(3)

(4)

式中:s1j、s2j、s3j為評價等級Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的臨界值;s0j為各等級區(qū)間內(nèi)另一較遠(yuǎn)的臨界值,i=(1,2,…,m),j=(1,2,…,n)。

對于負(fù)向指標(biāo)(數(shù)值越小則承載力越高)的聯(lián)系數(shù),將公式(2)～(4)中右端xij區(qū)間號做反向處理,其他保持不變計算此類指標(biāo)聯(lián)系數(shù)。

步驟2:單指標(biāo)聯(lián)系數(shù)uij。參評指標(biāo)隸屬于評價等級k(其中k=1,2,3)的程度vijk以及單指標(biāo)聯(lián)系數(shù)uij的計算公式如下[13]:

(5)

(6)

uij=vij1+vij2I+vij3J

(7)

步驟3:綜合聯(lián)系數(shù)ui。根據(jù)參評指標(biāo)組合權(quán)重ωj(j=1,2,…,n)和以上計算結(jié)果可以確定樣本i的水資源承載力聯(lián)系數(shù)ui:

(8)

步驟4:確定評價等級。水資源承載力評價等級按照置信度準(zhǔn)則進行評判,具體如下:

(9)

式中:γ為置信度,其取值區(qū)間一般為0.5～0.7,γ值越大則水資源承載力評價越保守,結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況γ值取0.6。

1.3 計算指標(biāo)組合權(quán)重

采用合適的方法確定各參評指標(biāo)權(quán)重ωj是科學(xué)計算水資源承載力綜合聯(lián)系數(shù)ui的關(guān)鍵環(huán)節(jié),考慮到現(xiàn)有評價方法的成熟度和權(quán)重計算的客觀性、主觀性等特點,擬選用AHP法、熵權(quán)法和均值思想計算各參評指標(biāo)組合權(quán)重[13-15]。

1)AHP法計算主觀權(quán)重ω1j。主要流程包括:①構(gòu)建多層次框架體系,按照表1選取的評價指標(biāo)構(gòu)建指標(biāo)層-系統(tǒng)層-目標(biāo)層水資源承載力評價結(jié)構(gòu)模型。②構(gòu)造判斷矩陣。通過兩兩比較調(diào)控力、壓力、支撐力子系統(tǒng)各指標(biāo)相對重要度,并結(jié)合專家意見和標(biāo)度準(zhǔn)則構(gòu)建判斷矩陣。③權(quán)重計算。通過一致性檢驗不同階數(shù)判斷矩陣的一致性指標(biāo)RI,保證一致性比率CR<0.1,在符合一致性要求的情況下利用Matlab軟件確定歸一化特征向量,其對應(yīng)的各分量就是參評指標(biāo)權(quán)重,按照層次結(jié)構(gòu)模型計算的各指標(biāo)權(quán)重為ω1j。

2)熵權(quán)法計算客觀權(quán)重ω2j?？紤]到各參評指標(biāo)單位或數(shù)量級不同無法直接進行比較,所以需要先利用下式標(biāo)準(zhǔn)化處理原始數(shù)據(jù),即:

(10)

式中:xij、yij為樣本i中評價指標(biāo)j的原始數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)值;min(xj)、max(xj)為所有樣本中評價指標(biāo)j的最小值與最大值。

然后利用下列公式計算評價指標(biāo)j的信息熵Hj及其權(quán)重ω2j、即:

(11)

(12)

(13)

3)組合權(quán)重ωj。將AHP法確定的主觀權(quán)重ω1j與熵權(quán)法確定的客觀權(quán)重ω2j按均值思想計算最終的組合權(quán)重ωj:

(14)

2 遼寧省水資源承載力

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究評價所用到的水資源有關(guān)數(shù)據(jù)來源于遼寧省2015—2020年統(tǒng)計年鑒、水資源公報等相關(guān)資料,考慮各參評指標(biāo)的具體內(nèi)涵,通過數(shù)據(jù)預(yù)處理確定評價標(biāo)準(zhǔn)值,如表2所示。

表2 2015—2020年水資源承載力評價標(biāo)準(zhǔn)值

根據(jù)研究區(qū)實際情況,采用文中所述相關(guān)公式計算各參評指標(biāo)主觀、客觀和組合權(quán)重,結(jié)果如表2。

2.2 評價等級

通過公式(2)～(8)計算遼寧省2015—2020年水資源承載力單指標(biāo)和綜合聯(lián)系數(shù),然后利用公式(9)確定相應(yīng)的評價等級,如表3所示。

表3 2015—2020年承載力評價聯(lián)系數(shù)

2.3 結(jié)果與分析

1)從表3可以看出,2015—2019年遼寧省水資源承載力達(dá)到3級超載狀態(tài),2020年達(dá)到2級臨界或一般狀態(tài),水資源開發(fā)利用面臨著嚴(yán)峻的形勢,雖然水系統(tǒng)承載力較低,但已出現(xiàn)好轉(zhuǎn)。通過分析聯(lián)系數(shù)計算結(jié)果發(fā)現(xiàn),2015—2020年研究區(qū)水資源承載力總體保持上升態(tài)勢,其中差異度、同一度優(yōu)勢分量逐漸提高,特別是2020年已改善到一般狀態(tài),這也是近年來遼寧省加強水生態(tài)環(huán)境保護和水資源可持續(xù)利用的重要體現(xiàn),隨著科技的發(fā)展和生態(tài)保護意識的增強,遼寧省水生態(tài)環(huán)境和水資源承載力將進一步改善提高。

2)根據(jù)“評價樣本對立度c越大、同一度a越小則越趨近于3級”的集對分析置信度準(zhǔn)則評判法,確定生態(tài)用水率Q13、水資源開發(fā)利用率Q11、人口密度Q8、植被覆蓋度Q4、產(chǎn)水模數(shù)Q2以及人均水資源量Q1是導(dǎo)致遼寧省水資源承載力偏弱的主要因素,指標(biāo)Q11、Q8值越大,Q13、Q4、Q2、Q1值越小說明水系統(tǒng)承載力越弱。為準(zhǔn)確識別水資源調(diào)控和數(shù)據(jù)分析指標(biāo),并進一步驗證評價結(jié)果可靠性,通過減法集對勢sf(u)診斷和識別研究區(qū)各脆弱性指標(biāo),具體如下:Sf(u)=a-c+ba-bc=(a-c)(1+b)。

其中,sf(u)處于(0.6,1.0]、(0.2,0.6]、[-0.2,0.2]、[-0.6,-0.2)、[-1.0,-0.6)時,所對應(yīng)的趨勢為同勢、偏同勢、均勢、偏反勢、反勢。通過減法集對勢確定水資源承載力脆弱性指標(biāo)就是處于偏反勢或反勢的指標(biāo),如表4所示。結(jié)果表明,遼寧省水資源承載力脆弱性指標(biāo)有生態(tài)用水率、水資源開發(fā)利用率、人口密度、植被覆蓋度、產(chǎn)水模數(shù)以及人均水資源量,這也是水資源調(diào)控管理的重要內(nèi)容。

表4 參評指標(biāo)減法集對勢

3)對于支撐力子系統(tǒng),對遼寧省水資源承載力發(fā)揮支撐作用的有區(qū)域水資源可利用量、水系統(tǒng)自身及水資源總量。植被覆蓋率、產(chǎn)水模數(shù)和人均水資源量是導(dǎo)致區(qū)域水資源支撐力偏弱的主導(dǎo)因素,且水系統(tǒng)開發(fā)利用無法完全保證全省實際用水需求,水系統(tǒng)支撐區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的能力已接近極限。從承載力變化趨勢上,2015—2020年遼寧省年均降水量明顯上升,與此同時全省外調(diào)引水總量不斷加大,通過加強外調(diào)引水工程、長距離輸水工程等,在一定程度上增大了全省可利用水資源量,未來水資源承載力將進一步提升。

對于壓力子系統(tǒng),區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展、經(jīng)濟結(jié)構(gòu)和水資源供水結(jié)構(gòu)調(diào)整等都會在一定程度上產(chǎn)生壓力作用。其中,人口密度和城市化率、農(nóng)田灌溉定額指標(biāo)是導(dǎo)致遼寧省水資源承載壓力弱的主導(dǎo)及輔助因素。2015—2020年,遼寧省通過大力發(fā)展創(chuàng)新型產(chǎn)業(yè)和積極調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)使得工業(yè)產(chǎn)值逐年增大,高水耗和高能耗的工業(yè)企業(yè)數(shù)量也逐漸減少,萬元工業(yè)增加值需水量和萬元GDP用水量降低,從而促使遼寧省水資源承載壓力逐漸下降。

對于調(diào)控力子系統(tǒng),遼寧省人均經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境和水資源利用率等具有一定調(diào)控作用,其中生態(tài)用水率和水資源開發(fā)利用率是導(dǎo)致承載調(diào)控力偏弱的主導(dǎo)因素。隨著河道環(huán)境與黑臭水體整治、流域水生態(tài)及污廢水處理等一系列工程的開展,遼寧省水資源承載力和水生態(tài)環(huán)境將進一步提高改善[16-18]。

3 結(jié) 論

1)文章利用集對分析聯(lián)系數(shù)評價了2015—2020年遼寧省水資源承載力,結(jié)果顯示2015—2019年遼寧省水資源承載力達(dá)到3級超載狀態(tài),2020年達(dá)到2級臨界或一般狀態(tài),水資源開發(fā)利用面臨著嚴(yán)峻的形勢,雖然水系統(tǒng)承載力較低,但已出現(xiàn)好轉(zhuǎn),未來水生態(tài)環(huán)境和水資源承載力將進一步改善提高。經(jīng)減法集對勢分析確定導(dǎo)致遼寧省水資源承載力脆弱性指標(biāo),主要有生態(tài)用水率、水資源開發(fā)利用率、人口密度、植被覆蓋度、產(chǎn)水模數(shù)以及人均水資源量,這也是水資源調(diào)控管理的重要內(nèi)容。

2)為解決遼寧省水資源承載力超載問題必須采取有效的調(diào)控對策與方案,一般從水環(huán)境污染和開源節(jié)流2個層面采取有效措施,通過強化河湖水生態(tài)保護、水資源管理利用、合理配置水資源等提高區(qū)域水資源承載力,逐步實現(xiàn)水資源的高效可持續(xù)利用。