遼寧省水資源承載力評價及水源調配研究

孔祥軍

(沈陽市應急管理事務服務中心，沈陽 110034)

0 引 言

遼寧省地處我國東北南部，東與韓國、日本隔海相望，隔鴨綠江與朝鮮相接，南臨渤海、黃海，屬于東北地區既沿邊又沿海重要的多外開放門戶。該區域存在生態環境脆弱、水資源開采程度高和降水量小等特征，經濟的發函和城鎮化的推進使得水資源短缺問題更加突出，當前迫切需要科學規劃區域水源調配方案和評價水資源承載力。

從20世紀80年代水資源承載力提出以來，現已發展形成SD法、多目標法和指標體系法等研究方法，其中應用最為廣泛的方法為指標體系法。權重的合理分配為指標體系法評價的核心內容，權重的合理分配所涉及的信息有：評價指標權重滿足準確合理性要求，能夠客觀、準確的體現不同區域的水系統承載力整體狀況；依據權重值大小能夠對比各評價單元的差異水平[1-3]。針對權重的分配問題，前人已嘗試了熵值法、主成分分析法、AHP法、模糊綜合法及支持向量機等多種方法，根據權重分配的主要依據可分為主觀、客觀賦權兩大類，實際應用過程中各方法存在其使用范圍和不足。如，AHP法主要結合人為評判的重要度作為賦值依據，由此獲取的權值通常存在較強的不確定性；而熵值法雖然規避了人為賦權存在的不足，但指標權重均值化現象在各評價單位實際應用中普遍存在。近年來，針對高維數據興起了一種投影尋蹤的處理方法，通過分析數據群的自身信息及其結構特征，可實現一維信息反映多維數據的壓縮處理，由此客觀反映各評價單元之間的承載力差異和區域水資源的總體承載力水平。鑒于此，文章考慮水資源系統的復雜性、區域性和不確定性特征構建適用于該區的承載力評價體系，結合投影尋蹤理論形成綜合評價模型，結合各分區承載力評價結果制定有效的水源調配方案。

1 水資源承載力評價體系

1.1 區域概況

遼寧省位于E118°53′-125°46′，N38°43′-43°26′范圍，下轄沈陽、大連、撫順、鐵嶺、朝陽、葫蘆島等14個地級市和2個省管縣組成，總面積14.8萬km2。該區域地勢結構呈中部低、東西兩側高的特征，兩側的山地丘陵平均海拔為500-800m，中部的遼河平原海拔約200m，狹長的海濱平原素有“遼西走廊”之稱，地貌形態大致分為“六三一水三分田”。研究區為大陸性季風氣候，年均氣溫為7.0℃-11.5℃，氣候特征為冬季少雨干暖，夏季氣候涼爽，日照充足，年降水量600-1100mm。由于復雜的氣象條件和特殊的地理環境，降水量存在明顯的季節性和區域性特征，每年的6-9月降雨較為集中且多暴雨或強降雨；空間尺度上，中部平原地區較高山低降水較少，與渤海相鄰的東南部降水量充足，而西北部降水稀少且風沙干旱嚴重。遼寧地區分布有饒陽河、大凌河、太子河、渾河、遼河等河流，各支流縱橫交錯、萬元曲折，島嶼有大鹿島、長興島、石城列島及里長山列島等266個，全省島岸線長627km。遼寧地區的水資源利用存在以下特征：水資源利用以地下水為主，布局地區的地下水過度開采且水資源浪費嚴重；水資源邊際效益低、可開發總量少、開采成本高；工礦產業及資源開發與工業用水基本匹配，境內水生態功能和水系統承載力呈下降趨勢[4-6]。

1.2 評價指標體系

生態、經濟、社會與水資源系統之間存在相互影響、互相關聯的復雜關系，因此構建的指標體系既要反映各子系統之間的協調程度，同時要體現水系統供需平衡關系和水資源利用的特點。文章結合水資源研究相關資料，遵循可獲取性、系統性、層次性、獨立性和代表性等原則構建多要素多層次評價體系如表1。該承載力評價體系較以往研究存在以下不同：①引入地下水開發程度指標更好地突出地下水的作用，未考慮區域內的地表水作用；②區域降水量情況為決定地下水的關鍵因素，對此列出降水量指標；③為了突出牲畜用水情況，將以往的農田灌溉用水利用畜牧用水指標替代；④考慮到遼寧地區的生態用水狀況，以總用水量中生態用水的占比作為生態用水率，從而體現生態環境受生態用水的影響[7]。然后根據現場調查相關信息、環境統計公報、統計年鑒及水資源公報等資料獲取研究區各評價指標的初始數據，如表1所示。

表1 水資源承載力評價體系及各分區初始數據

當前，還未形成普遍適用的單項指標隸屬于不同承載力水平的取值區間和水資源承載力等級劃分標準。文章結合區域發展規劃和國家公認的評判標準，考慮區域水資源特點將其承載力標準劃分為Ⅰ-Ⅴ級，相應的評語為強、較強、中等、較弱、弱。根據其它相似地區的研究資料和行業用水定額標準，確定單項評判指標隸屬于不同等級的量值區間如表2所示。

2 投影尋蹤模型的構建

投影尋蹤法是一種能夠有效分析非線性、多樣本的數學分析法，對于形式化、數學化非正態高維數據的處理具有較高的應用價值。其理論依據將存在一定內在規律的高維數據運用計算機技術投影至1-2維的低維子空間，通過極小化轉換確定最大限度的體現原高維特征的投影方向，通過對低維子空間中投影數據的分析達到處理高維數據的目標。文章簡要介紹了投影尋蹤的建模流程，具體如下：

表2 水資源承載力等級劃分

步驟一：歸一化處理數據。由于各參評指標的單位和數量級不同而無法直接參與運算，承載力評價前應先將各指標初始值歸一化處理至0-1區間。針對參數值越大則水資源承載力越高型指標，其歸一化公式為：

(1)

針對參數值越小則水資源承載力越高型指標，歸一化處理公式為：

(2)

(3)

其中，wij=ajxij為評價指標j關于分區i的投影分量值。

(4)

3 水資源承載力投影尋蹤評價

3.1 評價結果

采用Matlb編程完成投影尋蹤模型的運算，其中實數編碼的遺傳算法和投影尋蹤的部分模塊選用Genetic Algorithms Toolbox、自編程序。模型設置的較差概率為0.80，優秀合體數和初始父代種群規模為20、400。根據搭建的尋蹤模型和遼寧省各分區指標值，獲取能夠盡可能反映多維數據特征的最佳投影方向為0.0174、0.4039、0.1926、0.3342、0.4386、0.0617、0.1255、0.0931、0.5788、0.0545、0.0253、0.3441，輸出的投影特征值為遼東1.4250、遼南0.7316、遼中0.4801、遼西0.1402、遼北0.8122。該輸出結果與以上運算流程基本相同，選用平均值作為區間范圍指標數值，將模型輸入不同承載力分級標準后獲取相應的特征值為：弱、較弱、中等、較強、強的等級區間為<0.7386、0.7386-2.0378、2.0378-3.0345、3.0345-3.4641、>3.4641。

根據以上運算結果，遼寧省各分區的水系統承載力總體處于較弱水平。其中，遼東地區的承載力達到較弱的Ⅳ級，而其它各分區均為弱的Ⅴ級。水資源承載力從低到高排序為：遼西<遼中<遼南<遼北<遼東地區。

3.2 合理性檢驗

對承載力評價的合理性進行定性分析，地下水為遼寧地區的主要用水方式，該地區的降水量相對較小且地下水利用率較高，因此綜合評價結果為較弱水平具有合理性。具體而言，遼東地區臨近沿海且降水量較為充足，已建的許多水利工程在很大程度上緩解了當地供水壓力，所以水資源承載力相對較高；而遼西、遼中地區多風沙且降水量少，地下水供給壓力較大，因此水系統承載力處于弱水平。通過以上分析，較為準確的驗證了評價結果的合理性。

水資源承載力受各指標的影響程度通過最佳投影方向描述，其中權重值>0.3的參數有生態用水率、單位GDP耗水量、人口密度、地下水開發程度及人均水資源量，這些指標較好的體現了各分區之間的指標差異性和遼寧地區整體的水資源承載力。雖然，單位面積牲畜量、GDP年增長率、人均生活用水量、牲畜增長率和降水量等指標也對評結果產生影響，但其差異性在各分區內相對較小，所以均質化現象較為明顯，賦予的權值也就較低。據此，在權重分配過程中投影尋蹤模型保證可評價結果的客觀性和準確性。

3.3 水資源配置方案

根據遼寧省水資源分布特點和水資源供需分析結果，以已建和擬建的大中型水利工程為依托，構建由北、中、南三線構成的“東水濟西”總體水資源配置格局。全省城市及開發區、鄉、鎮近、遠期圍繞大伙房水庫輸水工程、遼西北供水工程、觀音閣引水、三灣水利樞紐、引洋入連等骨干工程進行配置。“東水濟西”三線工程全部建成后，配合對地下水資源的有效管理和合理利用，可以根本解決遼寧水資源短缺問題。如：遼西地區的水資源承載力較其它地區最弱，充分考慮當地水資源特點和實際情況，遼西地區的經濟發展和居民生產生活已明顯受到水資源短缺的影響，制定科學有效的水源調配方案已成為亟待解決的重要問題。遼西地區過境河流較多，其地表水可利用量豐富，因此存在工程調水的客觀條件；根據遼西地區大凌河、遼河、渾河等地質勘探相關資料，可通過從遼西北供水工程調水至遼西地區，從而緩解該地區的供水壓力。另外，通過采取科學規劃和統一管理區域水資源，持續推進遼西地區水生態保護及水污染防治工作，實施生態工程建設與小流域綜合治理等，進一步提升用水效率、農業產出效益及水資源承載力[18-22]。

4 結 論

文章結合水資源系統的復雜性、不確定性和區域性特征，從生態、經濟、社會和水資源4個子系統構建承載力評價體系，然后運用投影尋蹤模型科學評價了不同分區的水資源狀況。結果發現，遼東地區處于較弱承載力等級，其它地區均處于弱等級，其中遼西地區最弱。根據最佳投影方向識別出水資源承載力主要影響因素有地下水開發程度。生態用水率、人口密度、人均水資源、單位GDP用水量指標。

綜合考慮流域水資源分布特征、水利工程施工難度及水文地質條件等，建議充分利用遼河流域地表水資源緩解該地區的供水壓力；另外，為進一步提升用水效率、水資源承載力和農業產出效益的措施，從水源管理、水環境保護、河道治理等方面提出了有效的建議措施。