遼寧省水資源脆弱性狀況分析與評價

郗梓添

(遼寧省阜新水文局，遼寧 阜新 123000)

0 引 言

經濟的快速發展使得區域水環境污染、用水短缺等問題日趨突出，特別是水資源相對匱乏區對地下水開采遠遠超越極限水平。統計資料顯示，遼寧省人均水資源量顯著低于國際缺水警戒線，其值為385m3/人遠遠小于我國的平均水平，加之極端氣候變化和越來越嚴重的水污染問題，使得遼寧省水生態功能退化和水系統脆弱性問題更加突出。所以，通過對經濟社會與水資源變化之間的響應規律研究，評價分析區域水資源脆弱性并提出合理化建議，對于推進水生態文明建設及人水和諧發展具有重要意義[1-2]。

水資源系統在面對環境和經濟社會改變時所表現出的缺陷及弱點即為水資源脆弱性的內涵，關于脆弱性的早期研究側重于對地下水的評價分析。近年來，水資源系脆弱性理論越來越引起氣候變化委員會、環境規劃署等部門的重視，并已成為當前研究的重要課題和熱點問題。我國關于脆弱性的早期探討側重于地下水資源，而涉及地表水的文獻資料較少，如夏軍等通過對新形勢下水資源系統與環境變化作用關系分析，提出了優化的脆弱性定義；張斌等對連云港市2008年的水資源壓力、困乏度和虛擬水赤字運用水足跡理論進行計算，綜合評價了研究區水資源現狀；劉瑜潔等分析了2003-2013年京津翼地區的水系統特征，結合南水北調工程預測評價了水系統脆弱性；朱怡娟等采用合適的方法評價了武漢地區的水系統脆弱性，結果發現許多不安全因素均可對水資源系統產生影響，結合區域實際情況提出了有效的管理措施和建議[3-6]。當前，在評價方法和技術手段上水資源脆弱性研究均取得了理想成效，但仍具有許多的不足，現有評價指標和評價方法通常存在明顯的區域性，而適用于其它空間尺度的性能較差。鑒于此，文章結合相關研究成果和文獻資料，從生態系統健康、水資源發展壓力、短缺壓力和生產壓力4個方面構建RDEP脆弱性評價框架體系，對水系統響應環境變化的脆弱性運用與水資源政策密切相關的指標量化分析，且各指標數據來源于長系列的國家或省級數據庫。另外，對2012-2018年間遼寧省14個地市水系統脆弱性采用該成果進行初步評價，可從空間和時間尺度上揭示遼寧省水系統脆弱性變化特征，為遼寧省水資源管理規劃和水生態環境保護提供科學的依據。

1 評價方法

1.1 構建指標體系

根據計算公式(1)和建立的RDEP框架體系求解水系統脆弱性指標WRVI，其數學表達式如下：

WRVI=f(RS，DP，EH，PS)

(1)

式中：PS、DP、RS、EH為水資源生產壓力、發展壓力、短缺壓力指數和生態系統健康指數。

由于各項指標量綱和單位的不統一而存在不可通透性，因此在評價分析前需將各指標值歸一化處理至0-1區間，其中1、0代表水資源脆弱性最高值和最低值。

1)短缺壓力指數RS。區域可用水量能否滿足用水需求量利用水資源短缺壓力指數WRS表征，其數學計算式為：

(2)

式中：1700m3/人為國際上公認的水資源短缺境界線；WRP為人均水資源量，m3/人。

2)發展壓力指數DP。采用安全飲用水壓力指數SDW和水資源利用壓力指數WRU描述水資源系統發展壓力狀況，其數學表達如下：

RU=1;WS>WR

(3)

(4)

式中：WR、WS為年總水資源量和用水量，m3；P、P?為年總人口數和供水或改善水源人口數。

3)水生態健康指數EH。水系統脆弱性受廢污水排放程度的影響較為顯著，因此水生態系統健康狀況利用水污染指數WP描述，其計算式為：

(5)

式中：WW為年總廢污水排放量，m3；0.1為單位廢水產生約10單位不能使用的水。

4)生產壓力PS。水資源生產壓力運用水分生產能力WPC描述，計算公式如下：

(6)

式中：GDPWWm、GDPWW為單位水資源量產生的國內生產總值近10a內平均值和年度值，元/m3。

1.2 權重的計算

權重的確定為評價分析水資源脆弱性的重要環節，當前主觀、客觀賦權法為應用最為普遍的兩大類方法，其中專家賦權法和模糊數學法為典型的主觀法，而熵值法、變異系數法、主成分法等為常用的客觀法。在權重計算過程中選取單一的賦權法往往存在局限性，所以對各項指標權重考慮利用熵值法和模糊評級相結合的方法確定，從而保證評價結果的客觀性和準確性。

模糊數學為模糊評價模型的理論依據，數學公式如下：

B=A·R

(7)

式中：R、A為模糊關系矩陣和各項指標權重集；B為水資源脆弱性模糊評價結果；·為模糊合成算子。

1)構造模糊評價矩陣R。根據區域水系統特征和有關數據資料構造模糊矩陣R如下：

(8)

式中：m、n為參評指標數和待評樣本數；R為歸一化處理后的標準矩陣；rjk為脆弱性等級隸屬度，計算式為rjk=(xjk-xjmin)/(xjmax-xjmin)，其中xjmin、xjmax為評價指標j的最小值和最大值。

2)權重的計算。熵值法是依據各評價因子攜帶信息量的多少確定權重的客觀賦權法，針對n個參評樣本的m項評價指標的熵值Hj計算式如下：

(9)

(10)

根據計算式(11)求解各參評因子權重，從而構造脆弱性評價權重集A，即A=(a1，a2，…，am)，權重aj的計算式為：

(11)

3)水資源脆弱性綜合評價。采用合成算子處理模糊關系矩陣R和指標權重矩陣A，最終獲取脆弱性模糊評價結果。

2 水資源脆弱性評價

2.1 研究區概況

遼寧省位于東北地區南部，地理位置為E118°53′-125°46′、N38°43′-43°26′，占地面積14.8萬km2。根據地形起伏特點將全省分為遼河平原、低山丘陵2大部分，地勢總體呈馬蹄形向環渤海傾斜的特征，地勢地貌有“六三一水三分田”之稱。遼寧地區為大陸性季風氣候，氣候特點為冬長夏暖、寒冷期長、春秋季短、光照豐富、平原風大、雨熱同期、四季分明，年降水量600-1100mm。該區域海域遼闊，東、西兩側與黃海和渤海相鄰，近海水域面積6.4萬km2，島岸線長627km，共有遼河、大凌河、牤牛河、太子河和鴨綠江等河流，分布有長興島、石城列島、大鹿島及里長山列島等266個海洋島嶼。特殊的地理環境和復雜的水文條件，使得降水具有明顯的季節性和區域性特征，6-8月主汛期降水集中且以強降雨或暴雨為主。雖然該區域的河流水系較發達、徑流量大、水資源相對豐富，但復雜的地形地貌和獨特的氣候條件使得水系統存在可開發利用量少、邊界效益低、開發難度大和開采成本高等特點，加之用水效率低和水環境保護意識薄弱，使得境內水資源功能和承載力水平持續下降[7-11]。

根據相關統計資料，遼寧地區典型河段的水體污染達到重度的占比為72.0%，參評的15條主要河流均受到不同程度的污染，區域地表水以中度污染為主，其中水功能區水質達標率近有17.7%。該區域水生態功能退化和水污染問題突出，加之局部地區地下水開發過度和水環境保護意識薄弱，使得水資源安全面臨著嚴峻的威脅。隨著水生態文明建設的推進和最嚴格水資源管理的實施，水環境污染現狀有所好轉但仍不容樂觀。

2.2 數據來源

為各地市水資源和經濟社會統計數據，選取2012-2018年遼寧省水資源公報、統計年鑒、環境狀況公報、全國城市建設統計年鑒及經濟社會發展統計資料作為數據來源。另外，考慮到局部地區的個別數據缺失的情況，數據處理過程中利用相鄰年份的均值作填補處理。

2.3 各指標評價

采用文中所述公式(1)-(6)對2012-2018年遼寧省5個水資源脆弱性指標進行處理，評價結果見表1。

表1 2012-2018年遼寧省各地市水資源脆弱性指標值

續表1 2012-2018年遼寧省各地市水資源脆弱性指標值

續表1 2012-2018年遼寧省各地市水資源脆弱性指標值

根據表1可知，14各地市的安全飲水和水資源短缺壓力指數均未呈現出明顯的年際變化特征；大連、丹東、營口、盤錦等地區水資源利用和水短缺壓力指數較大，而照樣、葫蘆島、阜新等地區相對較低，可見當前能夠基本保障各地區飲水安全；水污染壓力較大的地區有本溪、撫順、沈陽、鐵嶺等地區，其它各地區的水污染壓力相差不大；水資源生產壓力指數較小的地區包括鞍山、丹東、大連和營口地區，整體處于0.2-0.5之間。

2.4 水資源脆弱度閾值

綜合考慮專家經驗、數值分布和區域水資源實際情況，借鑒相關資料確定水資源脆弱度不同等級閾值，將綜合評價等級劃分為1級不脆弱、2級輕度脆弱、3級中等脆弱、4級重度脆弱四個等級，所對應的評分區間為≤0.02、0.2-0.5、0.5-0.7、≥0.7。

2.5 結果分析

將模糊數學發和熵權法相耦合，結合以上指標數據和權重計算結果綜合確定區域水資源脆弱性，如表2。

表2 2012-2018年遼寧省水資源脆弱度評價

根據表2可知，大連市水資源脆弱性總體處于中等脆弱水平，且年際變化并未呈現出明顯的規律性，壓力值整體位于高水平，這主要與該區域水污染和水資源開發強度較高，經濟社會發展且人口較為密集等因素相關；2012-2018年其它各地市的脆弱性總體表現出減少趨勢，且丹東、營口、鐵嶺、阜新等地區脆弱性由中等逐漸轉變為輕度，其原因為這些地區的水生態文明建設和最嚴格水資源管理取得了顯著成效。撫順、本溪、沈陽等地區始終屬于輕度脆弱水平；遼寧省各區域2017年脆弱程度總體呈增大趨勢，這與當年降水量較少、水資源總量較低等因素相關，同時這些地區的水污染指數和缺水壓力指數較高。總體而言，水資源稟賦條件、區域自然條件等因素均可對水資源脆弱性產生影響，同時海域經濟發展和人口規模等相關，在風險控制和水資源管理等方面各地市仍需要進一步提升。

綜上分析，為推動遼寧省水生態文明建設和未來經濟社會持續健康發展，需要從如下幾方面采取科學有效的措施降低區域水系統脆弱性：①科學規劃和統一管理區域水資源系統，提升用水效率并改善水資源供需結構，持續推進水生態保護和水污染防治工作；②為改善城市環境和保護水源涵養區，建議實施生態工程建設與小流域綜合治理，加強受污染河道的生態治理和污染控制工程建設，為提高用水效率采取中水回用和污水再利用工程措施；③普及推廣節水器具和高校用水技術，提高用水效率和農業產出效益，減少農藥化肥等施用對地下水的污染程度，切實提升綜合用水效率。

3 結 論

文章結合相關研究成果和文獻資料，從生態系統健康、水資源生產、發展和短缺壓力等方面構建水資源脆弱性RDEP框架體系，然后對2012-2018年遼寧省各地市水系統脆弱程度進行評價，得出的結論如下：

1)RDEP水資源脆弱性框架體系中各指標與水資源政策密切相關，且以長系列省級或國家統計數據獲取各指標初始值，推廣應用價值較強且數據便于獲取。

2)對遼寧省2012-2018年水資源脆弱性利用熵權法耦合模糊數學法評價，結果發現大連市水資源脆弱性總體處于中等脆弱水平且年際變化并未呈現出明顯的規律性。研究期間其它各地市的水系統脆弱性總體表現出下降趨勢。

3)研究表明，各地市水資源政策和社會經濟發展均可對水資源脆弱性產生顯著影響。所以，在未來水資源管理中應保障水資源承載力與各行業用水量的協調匹配，通過對用水結構和格局的優化調整緩解區域水資源脆弱壓力。

4)水資源系統涉及到的范圍廣、內容多且往往存在許多不確定因素，對其脆弱性價屬于一項復雜龐大的綜合體系。因此，評價指標體系的構建往往存在較大的難度，為保證評價結果的客觀、準確性必須篩選出科學、有效且代表性較好的指標。文章所構建的水資源脆弱性評價體系還存在許多不足，未來還需要進一步完善和優化指標體系。