林 磊

（遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118001）

水資源的脆弱性相比于承載力能夠反映水資源自身受氣候變化、生態(tài)環(huán)境、供需條件等因素的影響程度以及水資源可持續(xù)發(fā)展能力[1]。由于水資源短缺、環(huán)境變化、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和地理位置差異致使水系統(tǒng)脆弱性較高，降低水資源脆弱性能夠為用水效率提升及科學(xué)配置提供數(shù)據(jù)支持。定量評價城市水資源脆弱性有利于提升用水效率，緩解水資源供給壓力，促進(jìn)社會、生態(tài)環(huán)境與資源的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展，有效解決水系統(tǒng)存在的問題，對維持社會經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展具有重要作用[2-3]。

目前水資源研究主要集中于評價體系、計算方法和地域尺度等方面，其中按照不同指標(biāo)體系可劃分成氣候變化和人類活動影響等；按照評價方法可以劃分成模糊綜合法、模糊集對法、線性加權(quán)求和法、GIS 技術(shù)和函數(shù)法等；按照研究區(qū)劃分成地形地貌、省市行政地區(qū)、河流流域等[4-6]。文章結(jié)合前人研究成果，考慮人類活動、氣候變化對水資源自生特性(分布不均勻性、稀缺性、可再生性與循環(huán)性、不確定性等)的影響，將線性加權(quán)求和法與熵權(quán)法相耦合科學(xué)評價遼寧省2017—2021 年水資源脆弱性，以期為城市水資源配置和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃提供參考依據(jù)[7-9]。

1 水資源脆弱性評價方法

1.1 構(gòu)建評價體系

評價指標(biāo)的合理選取直接影響著水資源脆弱性評價的科學(xué)可靠性，故選擇能夠全面反映水系統(tǒng)信息的指標(biāo)是水資源脆弱性評價的關(guān)鍵。研究人員不同所選取的評價指標(biāo)往往不同，雖然現(xiàn)有評價體系存在較大差異，但主要包括水資源的壓力性、敏感性、危險性、驅(qū)動力、人為和自然因素等。當(dāng)前主要依據(jù)水資源脆弱性的主要影響因素及評價結(jié)果的可比性、數(shù)據(jù)獲取的難易程度等條件選擇評價指標(biāo)[10]。總體上，可以將水資源脆弱性劃分成承載力、人為、自然3 個方面。其中，自然脆弱性主要是水系統(tǒng)內(nèi)部的非人為自然因素，從水質(zhì)、水量等角度使得水系統(tǒng)滿足人類社會需求，主要表現(xiàn)為土壤信息、水質(zhì)和降水量等；人為脆弱性是水資源系統(tǒng)因人類活動干擾發(fā)生的結(jié)構(gòu)改變，主要表現(xiàn)為退耕還林、水利工程、蓄水和引水工程等提升用水效率；承載力脆弱性是各種負(fù)荷和人類活動等外部壓力對水資源系統(tǒng)的作用，從水量、水質(zhì)等方面使得水資源系統(tǒng)存在一定敏感性，主要表現(xiàn)為工業(yè)與農(nóng)業(yè)過度污染、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口規(guī)模等。

1.2 評價方法

總體上可以將賦權(quán)方法分為主、客觀兩大類，前者主要是利用研究者的知識經(jīng)驗和主觀認(rèn)知判定計算權(quán)重值，如AHP 法等，但權(quán)重分配受主觀判斷影響往往存在差異；后者主要是利用統(tǒng)計學(xué)方法按照原始數(shù)據(jù)信息科學(xué)分配指標(biāo)權(quán)重，如熵權(quán)法、主成分法和變異系數(shù)法等，這類方法能夠規(guī)避主觀法存在的不足，權(quán)重分配不受決策者偏好的影響，結(jié)果較為穩(wěn)定[11]。文章選用熵權(quán)法進(jìn)行賦權(quán)，該方法主要是利用信息熵計算權(quán)重，能夠保證水資源脆弱性評價的客觀科學(xué)性，由于不存在復(fù)雜的非線性關(guān)系式被廣泛應(yīng)用于權(quán)重計算，具體流程如下：

步驟1：為便于數(shù)據(jù)的對比分析，先標(biāo)準(zhǔn)化處理每個指標(biāo)原始數(shù)據(jù)，對于正、負(fù)向指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化公式如下：

式中：rij、xij為評價對象i的第j個指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化和原始數(shù)值；xjmin、xjmax為所有評價對象中指標(biāo)j的最小、最大數(shù)值。

步驟2：通過標(biāo)準(zhǔn)化處理每個xij值構(gòu)造決策矩陣R=(rij)m×n，然后利用下式計算指標(biāo)j的熵值Hj：

其中，i=1，2，…，m；，fij=0 時fij1nfij=0，fij為評價對象i的第j項指標(biāo)所占比例。

步驟3：根據(jù)信息熵Hj計算評價指標(biāo)j的權(quán)重Wj，即：

其中，Wj取值區(qū)間為0～1，并且符合。

步驟4：結(jié)合各指標(biāo)權(quán)重值，采用線性加權(quán)求和法計算水資源脆弱性指數(shù)WVI，其計算公式為：

2 實例分析

2.1 遼寧省水資源現(xiàn)狀

遼寧省屬于溫帶半干旱半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，2021 年全省水資源總量511.67 億m3，比多年平均值多53.9%，平均降水量933.0 mm，折合降水總量1 355.21 億m3，全省29 座大型水庫年末蓄水總量79.75 億m3，比上年同期多8.32 億m3，同時境內(nèi)有灤河、柳河、老哈河、渾河、太子河、沿渤海西部和黃渤海東部諸河等。遼寧省夏秋季水資源充足易出現(xiàn)洪澇災(zāi)害，而春冬季水資源不足又容易出現(xiàn)干旱缺水情況，其水資源時空分布極不均衡。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展省內(nèi)許多河流特別是中下游產(chǎn)生不同程度的污染，加之低山丘陵以及沿海地區(qū)蓄水能力較差，在外界環(huán)境發(fā)生變化時全省水資源情況也出現(xiàn)了明顯的改變，宏觀表現(xiàn)為水資源開發(fā)利用難以支撐未來經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展[12]。

2.2 遼寧省水資源脆弱性評價體系

為保證評價結(jié)果的客觀準(zhǔn)確性，文章結(jié)合遼寧省水資源數(shù)據(jù)信息和相關(guān)資料，遵循數(shù)據(jù)可獲取性和主導(dǎo)型等原則，從承載力、人為和自然脆弱性的角度合理選擇9 個指標(biāo)構(gòu)建評價體系如表1 所示。其中，正向指標(biāo)有利于降低脆弱性，其數(shù)值越大則脆弱性越??；負(fù)向指標(biāo)能夠提高脆弱性，其數(shù)值越大則脆弱性越大[13-14]。

表1 水資源脆弱性評價體系

2.3 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

研究所用數(shù)據(jù)來源于2017—2021 年遼寧省水資源公報，采用公式（1）標(biāo)準(zhǔn)化處理正、負(fù)向指標(biāo)原始數(shù)據(jù)構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)化矩陣R：

2.4 指標(biāo)權(quán)重

采用公式（2）～（4）和標(biāo)準(zhǔn)化矩陣R計算2017—2021 年各參評指標(biāo)權(quán)重，如表2 所示。

表2 水資源脆弱性參評指標(biāo)權(quán)重

2.5 脆弱性評價

采用線性加權(quán)求和法計算各年份標(biāo)準(zhǔn)化矩陣R與相應(yīng)指標(biāo)權(quán)重W，從而確定2017—2021 年遼寧省各地級市的水資源脆弱性指數(shù)WVI，如表3 所示。

表3 2017—2021 年水資源脆弱性指數(shù)WVI

由于現(xiàn)階段尚未形成統(tǒng)一的水資源脆弱性評價標(biāo)準(zhǔn)，故文章結(jié)合遼寧省水資源實際情況合理確定各評價指標(biāo)極值，并考慮水域具體數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗，將水資源劃分成不脆弱、輕度、中度、比較和極度脆弱5 個等級，所對應(yīng)的脆弱性指數(shù)WVI 取值范圍為0～0.40、0.40～0.55、0.55～0.63、0.63～0.69、0.69～0.90。

2.6 結(jié)果分析

由表3 可知，2017—2021 年遼寧省水資源脆弱性整體處于輕度脆弱等級，且研究期間較為平穩(wěn)未發(fā)現(xiàn)較高或較低脆弱性年份。對于14 個地級市，鐵嶺市、撫順市和沈陽市水資源整體達(dá)到極度脆弱等級，并且2017—2021 年脆弱性指數(shù)WVI呈現(xiàn)出波動上升的變化趨勢；盤錦市、阜新市、葫蘆島市水資源整體達(dá)到比較脆弱等級，營口市水資源總體達(dá)到中度脆弱等級，遼陽市、大連市、錦州市水資源總體達(dá)到輕度脆弱等級，本溪市、丹東市、鞍山市和朝陽市水資源總體達(dá)到不脆弱等級，2017—2021 年撫順市、沈陽市、葫蘆島市的水資源脆弱性變化較大[15-18]。

從各指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果可知，人均GDP、地下水源供水率和平均降水量是影響遼寧省水資源脆弱性的主要因素。地表水資源量與平均降水量可以反映區(qū)域水資源豐枯狀況，而平均降水量越大則研究時段內(nèi)的水資源脆弱性越小，反之則越大；另外，在水資源脆弱性評價中地下水源供水率的貢獻(xiàn)率較高，這種反向指標(biāo)值越大則水資源脆弱性越大，未來應(yīng)加強(qiáng)地下水源的管理，嚴(yán)格控制地下水的開發(fā)利用和供水量；人均GDP 在一定程度上體現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展越好相應(yīng)的水資源脆弱性越大。

2017—2021 年本溪市水資源脆弱性表現(xiàn)出逐年增大趨勢，截至2021 年達(dá)到輕度脆弱等級；丹東市水資源條件較好，脆弱性較低達(dá)到不脆弱狀態(tài)，這是因為丹東市位于遼寧省東部，境內(nèi)河網(wǎng)水系發(fā)育，降水量較多且水資源豐富。依據(jù)相關(guān)資料，歸納總結(jié)丹東市2017—2021 年水資源不脆弱的原因如下：①優(yōu)化調(diào)整了用水結(jié)構(gòu)。雖然2016—2017 年丹東市用水量有所增加，但隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級和最嚴(yán)格水資源管理制度的逐步落實，丹東市工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)用水效率明顯提升，2017—2019 年丹東市總用水量明顯減少，但在2019—2021 年生態(tài)環(huán)境和城市公共用水量呈上升趨勢，2017—2021 年丹東市工業(yè)用水量下降，城市公共用水逐漸提高。②丹東市污水處理能力明顯提升，海水和雨水得到有效利用。2017—2021年丹東市以地表水供水為主，海水、雨水利用和污水處理回用率逐漸提升，人均用水量在5a 內(nèi)基本平穩(wěn)。③優(yōu)化了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化大幅度提升了丹東市用水效率，2017—2021 年丹東市第三產(chǎn)業(yè)、工業(yè)和農(nóng)業(yè)用水指標(biāo)均表現(xiàn)出明顯下降趨勢。

根據(jù)有關(guān)資料，2017—2021 年本溪市用水總量呈逐漸減小趨勢，具體而言工、農(nóng)業(yè)用水有所下降，而城市公共和生活用水呈現(xiàn)增大趨勢。研究期間單位面積農(nóng)田灌溉用水量表現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢，但總體仍呈增大趨勢。2017 年本溪市逐漸落實工農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移升級和最嚴(yán)格水資源管理，在政策宣傳指引下逐漸關(guān)閉或轉(zhuǎn)移重污染、高耗水企業(yè)，歷經(jīng)5a 本溪市用水情況基本符合省級考核要求。由于本溪市與其它地區(qū)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)存在較大差異，所以加快了該地區(qū)用水結(jié)構(gòu)的調(diào)整，本溪市內(nèi)經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)的農(nóng)業(yè)用水占比較低，而居民生活和工業(yè)用水較高。

3 結(jié) 論

水資源脆弱性是反映水系統(tǒng)承載力和開發(fā)利用情況的重要參數(shù)，與區(qū)域水資源管理規(guī)劃密切相關(guān)。文章從水資源承載力、人為和自然脆弱性3 個方面選擇9 項指標(biāo)，采用熵權(quán)法計算各指標(biāo)權(quán)重，應(yīng)用線性加權(quán)求和法評價2017—2021 年遼寧省各地市的水資源脆弱性狀況，可為遼寧省水資源科學(xué)管理提供參考依據(jù)。受數(shù)據(jù)資料的限制所選研究時間較短，在今后的社會經(jīng)濟(jì)與水資源協(xié)調(diào)發(fā)展、水資源脆弱性等研究中，應(yīng)綜合利用信息技術(shù)、智慧城市建設(shè)等手段更加客觀真實地反映區(qū)域水資源脆弱性狀況。