遼河流域水資源承載能力評價

王 磊

(遼寧省遼陽水文局，遼寧遼陽 111000)

遼河流域位于我國東北部，流域面積21.9萬km2，全長約1345km，主要支流包括老哈河、渾河、太子河、柴河、大凌河等；屬于半干旱半濕潤氣候過渡區，冬冷干燥漫長，夏季多雨炎熱，年均降雨量在350～1100mm，在時間與空間上水資源分布極不均衡，其中60%以上降水發生在6—9月，西部區域的水域面積較大。流域內地形地貌復雜，主要以低山區、低山丘陵區、平原區為主，其中低山丘陵區植被覆蓋度較高，地勢整體情況由西南向北呈明顯的階梯式下降趨勢，不同區域地勢高差介于216～840m區間。流域多年水資源量約638億m3，地表水占比62.5%以上，其中人均水資源量約360m3，遠遠低于我國平均水平。近年來，隨著我國城鎮化與經濟社會的不斷發展，城市人口密集度不斷增加，生態、農業、工業等行業需水量急劇增加，該流域水資源供需矛盾持續緊張，水生態環境惡化以及水污染問題嚴重，而承載力作為保障生產發展用水的基礎和前提，是保證水系統循環的重要基礎［1］。

為保證生態系統可持續良性循環，在科學利用水資源的條件下按照目前現有的經濟、技術水平，能夠持續支撐某地區歷史發展階段最大規模的能力和限度即為承載力的內涵。在可持續發展理論中許多學者對此開展了研究，段青春等［2］利用可支撐合理模型進行描述，并基于復合系統的角度探討了節水設施的影響作用；周宏飛等［3］分析了新疆水資源承載力和可開采利用量，并指出了該區域水資源能夠為可持續發展提供一定保障；劉秀美［4］以阜陽市為例，通過建立基于多層次、主成分分析的線性回歸模型，從可持續發展的角度系統評價了承載力狀況。因此，承載力評價研究必然涉及人口、環境、社會、自然等多方面，并且各評價指標之間往往具有關聯或互不相容等特征，對水資源承載力的等級利用評價標準表進行評判分析往往具有局限性或弊端。體現水環境系統保障社會經濟良性發展的重要參數指標是水系統承載力特征，其概念是一個集多種因素的全面系統性指標。目前，用于承載力評價的方法主要有投影尋蹤方法、層次分析法、模糊綜合評判法、BP網絡法等，各方法適用范圍和特征也不盡相同。據此，本文基于遼河流域水環境與水資源實際狀況，利用模糊綜合與層次分析相結合的方法，對其2010—2016年的承載力水平進行了評價，以期提升水環境治理的有效性，并為水資源管理規劃提供一定決策依據。

1 基于DPSIR框架的指標體系

1.1 建立指標體系

DPSIR模型是一種用于研究分析水資源系統中環境壓力、現有狀態與響應過程的理論方法，經過多次改進優化可廣泛應用于環境報告。模型中所涉及的指標具有能夠反映自然、生態、社會等協調的關系特點，并在生態安全、承載力水平、濕地健康以及工業污染評價等方面具有廣泛的應用前景。DPSIR模型以自然系統內在驅動力、外來壓力、系統狀態、影響作用和響應程度5種類型為基本框架。因此，對水資源承載力的評價可從社會經濟、生態環境以及水資源狀態等方面綜合考慮，從可持續發展的角度對比分析各指標作用，并選擇具有代表性的指標建立評價體系，結果見表1。

表1 評價指標體系與分級標準

1.2 用層次分析法計算權重

層次分析法可簡單、有效地解決無結構特性的多準則復雜決策問題，本文對承載力指標的權重采用該方法計算，并檢驗了各層次結構的排序結果。通過最大特征根λmax的求解，并進行歸一化處理構造特征向量w，然后利用一致性檢驗公式：CI=對結構層次進行檢驗。結果顯示，總層次和單層次排序均符合一致性檢驗要求，指標權重較為合理科學。

根據各指標權重可以看出，人均水資源量在指標體系中所占比重最大為0.23，是反映區域水資源未來發展開發潛力和現狀情勢的重要指標。在一定程度上，人均水資源量也是支撐和限制區域人口規模、社會發展的基礎條件與關鍵因素。其次是與科技水平、產業結構、節水能力等相關的萬元GDP用水量指標，其權重為0.21，該指標在驅動力作用下可促進水資源在DPSIR框架中發生改變，因此它不僅可以反映區域承載力水平，而且是衡量工業生產性的重要參數。水功能區是專門設計和劃定的能夠全面改善與維護水體環境、管理控制水污染體系的區域，是影響區域生態環境的主要參數之一。評價指標體系涉及了生態環境、水資源和社會發展的各個方面，并且重點突出了關鍵指標的作用，因此可用于評判和揭示遼河流域的水資源發展趨勢和現狀。

2 確定隸屬度函數

模糊綜合評價法可廣泛應用于水資源、水環境等領域的評價，然而該方法也有局限，主要體現在以下兩個方面：對指標權重進行確定存在一定的主觀判斷性；對承載力不同等級利用最大隸屬度原則進行判定，在各評價指標等級隸屬度相差不大時存在失效現象，并因此對評價結果造成一定的偏差。針對上述弊端和局限性，本文利用模糊綜合法科學評價承載力水平，由此得到的評價結果相對于傳統的方法具有更加可靠的準確度。模糊綜合法應用的重要條件是確定合理的隸屬度函數，結合各指標的內涵應設定不同的評判標準。所以，應首先對指標進行等級的劃分，并根據隸屬函數μvi確定指標隸屬于相應級別的程度，然后綜合評價區域承載力狀況。

2.1 分級標準的確定

參考我國生態區建設標準和各區域水資源承載力平均水平，并根據遼河流域實際指標值和各指標內涵，將承載力等級劃分為3個標準，并建立評語集V={V1，V2，V3}，所對應承載力分別為較強、一般和較弱。V1級表示該區域水資源處于可持續狀態，水資源供給狀況較好且開發潛力較大；V2級表示區域水資源具有一定的開發利用規模，并且基本能夠滿足社會經濟發展需求，仍存在開發利用潛力；V3級表示區域承載力已經達到極限狀態，水資源短缺并且在一定程度上制約著經濟發展，進一步開發利用水資源的潛力不足。綜合考慮遼河流域地理特征、氣候環境等狀況，確定在不同承載力等級標準下各評價指標的閾值，各指標取值范圍見表1。然后通過1分制數量化各評語集等級，從而定量分析各因素的影響程度，其中 V1=0.95、V2=0.5、V3=0.05，承載能力隨數值的增大而增強。

2.2 構造隸屬度函數

利用線性隸屬度函數對承載力指標隸屬度進行計算，指標在兩個相鄰級別間的隸屬度為1，隸屬度在兩側臨界點處的值為0.5，并平滑過渡兩側臨界點處隸屬度。引入12項指標組成的集合為Ci(i=1，2，…，12)，所對應評語集為V={V1，V2，V3}，計算分析各指標等級標準值和實測值確定評判矩陣R中的rij，指標Ci隸屬于不同分級標準的隸屬度函數可表示為

式中：μv1、μv2、μv3分別為在相應評價等級上指標 Ci的隸屬度；k1、k2、k3分別為相應等級區間的臨界值。

通過上述計算，可對不同評價等級下承載力指標的隸屬度rij進行求解，計算方法為

3 遼河流域水資源承載力綜合評價

3.1 指標數據來源

結合遼河流域2010—2016年水資源綜合規劃、水資源公報、統計年鑒以及政府工作報告等資料，對承載力指標數據進行收集整理，結果見表2。對部分難以量化和獲取的指標數值，在征求了水資源領域經驗豐富的專家意見后進行估算。

表2 遼河流域2010—2016年承載力指標數值

表3 遼河流域2010—2016年水資源承載力評分值

3.2 結果分析

對承載力各評判指標隸屬于不同等級的隸屬度rij，利用文中所述式(1)～式(3)進行求解，并得到2010—2016年的承載力評判矩陣R。然后依據評判矩陣R和指標權重系數矩陣W計算結果，并利用公式B=W×R得到遼河流域2010—2016年的承載力綜合評價結果，從而求得相應的評分值A，結果見表3。

根據評分值A對承載力水平進行定性評價時，應對A值設定相應的臨界值，A值小于0.4時，則可認為承載力處于超載狀態；A值高于0.4時，則可認為承載力處于適載狀態。由表3評價結果可以看出，遼河流域在2010—2013年的承載力尚處于超載狀態，2014—2016年處于適載狀態，引起該變化的原因可能與遼河流域的萬元GDP用水量相關，隨著科技的進步和產業結構的調整該指標用水量逐年降低。然而，遼河流域承載力水平目前仍處于適載與超載狀態的中間水平，并有可能繼續朝著超載狀態發展。該評價結果與流域實際狀況基本相符，進一步說明了指標體系的合理性與評價模型的科學性。

4 結語

遼河流域經濟發展較快、人口密度較大，而河網水系的環境保護措施相對滯后，河流的水體污染、水資源浪費等現象嚴重，水功能區整體達標率較低，流域內經常出現缺水現象，水資源與水環境面臨潛在威脅，對該流域承載力的研究具有重要意義。本文利用模糊綜合法對水資源承載能力進行了科學評價，遼河流域承載力水平目前仍處于適載與超載狀態的中間水平，并有可能繼續朝著超載狀態發展。僅僅依靠當地水資源依舊無法滿足生態、經濟等領域的用水需求，未來可通過采取工程措施提高洪水的調蓄能力，提高洪水資源的再利用水平。