基于壓力-狀態-響應模型的沿海地區水資源承載力研究

楊天宇

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

水資源不僅是組成國家綜合國力的重要部分，而且是支撐經濟發展的戰略資源，對人類的生存發展和社會進步發揮著不可替代的作用。水資源供需矛盾將直接影響到人水和諧可持續發展的進程，尤其是在我國北方環渤海區域，淡水供需矛盾緊張、水體污染嚴重、用水效率低等問題已成為制約該區域可持續發展的主要因素。水資源科學領域研究熱點主要集中在水資源承載力評價方面，可為促進區域經濟發展以及產業結構調整提供重要的理論支持[1- 5]。目前，用于水資源承載力研究的主要方法較多，主要有多目標決策法、主成因分析法、模糊綜合判斷法以及系統動力學法，上述計算方法具有各自的特點和優點，在不同的應用領域均具有一定的適用性，應結合研究區域的實際情況選擇合適的評價方法。對此，國內許多學者分別利用多種方法進行了大量研究，如寧立波[6]等以武漢市為例，對該區域水資源承載力水平利用物元分析法進行了分析和評價；徐毅[7]等對大連市2001—2020年的承載力動態變化特征利用系統動力學法進行了模擬分析；左其亭[8]等以鄭州市為例，利用控制目標反推模型提出了水環境調控對策。

遼寧省沿海經濟帶具有較長的海岸線2920km，主要有葫蘆島、營口、大連、錦州、丹東、盤錦等6個城市，涉及海域面積6.8萬km2，陸域面積5.65萬km2。該區域屬于溫帶、寒溫帶大陸性季風氣候，全年降雨量和徑流量分布不均勻，其中東南部水資源面積較大。在水資源管理中出現的主要問題有水供應能力不足，局部地下水過度開采、水污染和浪費情況嚴重、工農業廢水排放不達標、水資源凈化設施不完善等。省內水資源儲蓄量嚴重不足屬于國家重度缺水區域，人均水資源占有量僅為全國的8.6%，沿海經濟帶僅為遼寧省的1/2并遠遠低于世界缺水警戒線，水資源緊缺已成為阻礙經濟發展的主要因素。遼寧沿海經濟區的水資源開發利用問題隨著城市化與工業化進程的加快以及經濟建設的不斷推進而日趨嚴峻，開展水資源承載力研究對于緩解該區域城鎮化、工業化與水資源緊缺的矛盾關系，促進社會經濟與水資源的協調可持續發展具有重大意義[9- 12]。

考慮到水資源系統在一定的時空條件下具有動態性和相對性的特征，并且在評價承載力時往往存在不確定性和復雜性，因此本文對水資源承載力分析采用可變模糊識別模型，以期為促進該區域社會經濟與水資源的合理配置提供一定決策依據。

1 構建可變模糊識別模型

可變模糊識別模型是水資源承載力分析的主要方法之一，其主要內容是進行相對隸屬度、差異度和模糊可變集合的計算分析，在一定程度上可提高模型的可靠性與準確性，具體流程如下：

(1)引入n個樣本集合X={x1，x2，…，xn}為承載力識別對象，并采用m個指標特征值xj=(x1j，x2j，…，xmj)T為第j個樣本特性，因此可利用X=(xij)m×n代表指標特征值矩陣，其中指標i在樣本xj中的特征值可表示為xij。若依據m個指標識別樣本xj的c個級別標準特征值，則可構造矩陣Y=(yih)m×c為指標i的標準特征值，其中指標i在h級別下的標準特征值可表示為yih。

(2)根據待評價年份的承載力實際狀況和指標標準值矩陣確定可變集合的范圍域矩陣Icd=([cih，dih])m×c與吸引域矩陣Iab=([aih，bih])m×c，然后參考評價指標各級別的實際狀況，確定點Mih的相對差異度DA(xij)h=1時的矩陣M=(Mih)m×c。以點Mih為基準對樣本特征值落在該點的左側或右側進行識別判斷，并對h級別下指標的相對隸屬度μA(xij)h和差異度進行求解，在滿足μA(xij)h=Uh的條件下聯立可變模數識別模型，如下所示：

(1)

(3)根據不同的模型優化準則和距離參數可分別設定模糊綜合、理想點、神經網絡以及模糊優選模型。根據上述非歸一化隸屬度矩陣可建立綜合矩陣，然后經歸一化處理可有：

(2)

根據最大隸屬度原則在模糊概念分析條件下的不適用性特征，可對評價樣本利用級別特征根進行評價，矩陣形式如下：

H=(1，2，…，c)U

(3)

根據判斷準則公式和級別特征根對承載力水平進行判斷，其中H值位于1.0～1.5范圍，應隸屬于1級；H值位于(h-0.5)與h之間，應隸屬于h級，并偏向于(h-1)級別；H值在h與(h+0.5)范圍時，應隸屬于h級，并偏向于(h+1)級別；H值在(c-0.5)與c區間時，應隸屬于c級。按照最大隸屬度原則和級別特征根，并考慮其他隸屬度的影響作用，最終可得到更加全面、客觀的評價結果。

2 沿海地區水資源承載力評價

2.1 指標體系與指標權值

水資源承載力評價指標體系是由若干個相互補充且與水資源問題密切相關的指標構成，據此本文從水資源系統壓力、狀態、響應的角度，在遵循客觀性、科學性、系統性原則的基礎上建立了遼寧沿海經濟帶承載力指標體系，見表1。

不同評價指標對承載力的影響程度存在一定差異，因此各指標權重也不相同采用層次分析法確定指標權重，并按照由高到低的次序將系統各要素之間的隸屬度進行分解，得到目標、準則、方案等層級，結合專家意見得到兩兩指標之間的判斷矩陣。然后采用求和或方根的方法對判斷矩陣的最大特征根及其對應的特征向量進行求解，并采用DPS處理系統進行一致性檢驗，各指標權重結果見表1。

2.2 評價等級的劃分

為了對承載力狀態進行定量描述，本文對單項指標的分級標準值根據目前公認的指標值進行擬定和設計，針對新提出的還未形成公認的單項指標值，根據該指標在國內外的發展趨勢和特點以及沿海經濟帶水資源實際狀況合理擬定其分級標準。本研究擬定承載力級別分別為1～5級，所對應的承載力級別分別為極高、高、中級、低、極低5個級別，各指標在不同分級下的取值范圍見表2。

2.3 結果分析

對2004—2016年遼寧沿海經濟帶的水資源承載力級別特征值利用可變模糊識別模型進行求解，結果見表3。然后對承載力級別特征值按照文中所述最大隸屬度計算公式進行判定，并對其承載力狀態變化從時空的角度進行分析。

根據表3可知，在2004—2016年研究區域承載力級別特征值位于2.6420～4.1165范圍，并且整體呈現出波動性下降趨勢，由此表明沿海經濟帶承載力狀態呈波動上升趨勢。其中葫蘆島、盤錦以及大連地區的承載力特征值在2006年均達到最大值，而錦州、營口以及丹東等區域的特征值在2008年達到最大，這可能與該年份自然環境因素以及當年降水量明顯降低等因素相關，人均水資源和單位面積水資源量下降。并且，隨著沿海經濟帶城鎮化的不斷推進，加之社會環境的影響作用，使得水資源的依賴程度不斷提高，而相應的保護措施相對滯后，水環境保護設施及投資力度未滿足相關要求，降低了水環境質量。

表1 基于壓力、狀態、響應模型的評價指標體系及權重

可從空間上對各區域承載力級別特征的差異性進行分析，結果顯示等級相對較高的區域主要是大連市和盤錦市，3年平均值均處于中等水平，其原因為該區域雖然單位面積水資源量處于劣勢，但水資源開發程度適中且水質狀況良好。并且，盤錦市蓄水工程具有較高的供水率，而大連市具有一定規模的海水利用技術設施，在很大程度上提高了海水淡化能力并彌補了水資源量較低的狀態。

雖然大連市與營口市的人口密度相差不大，但是營口市海水利用率和水資源人均占有量較低，因此整體承載力稍低。而丹東市因經濟技術較為落后，雖然具有豐富的水資源，但利用效率較低并造成承載力水平處于中等偏低水平。錦州市與盤錦市承載力較低，位于4級水平，其原因為該區域量級分化嚴重，并且地下水質受海水入侵影響嚴重，這也是引起2014和2016年大連市承載力顯著降低的因素。自2015年以來，錦州市和葫蘆島市加大了對水資源環境的投資力度，提高了環境保護意識，這在一定程度上促進了承載力水平的提高，但整體仍處于低等偏低的狀態。

表2 各分級標準下指標的取值范圍

表3 2004—2016年承載力級別特征值

3 結論

(1)在2004—2016年研究區域承載力級別特征值位于2.6420～4.1165范圍，并且整體呈現出波動性下降趨勢，由此表明沿海經濟帶承載力狀態呈波動上升趨勢。

(2)葫蘆島、盤錦以及大連地區的承載力特征值在2006年均達到最大值，而錦州、營口以及丹東等區域的特征值在2008年達到最大，這可能與該年份自然環境因素以及當年降水量明顯降低等因素相關，人均水資源和單位面積水資源量下降。

(3)從空間上對各區域承載力級別特征的差異性進行分析，結果顯示等級相對較高的區域主要是大連市和盤錦市，3年平均值均處于中等水平，其原因為該區域雖然單位面積水資源量處于劣勢，但水資源開發程度適中且水質狀況較為良好。