鞍山市水資源承載力空間差異分析

曹明川

（遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114000）

0 引言

水資源是維持人類生存發展和生態系統平衡的自然基礎資源，也是公共社會資源和戰略經濟資源[1]。近年來，水資源所發揮的重要作用日趨突出，生態、經濟、社會和水資源子系統相互促進協調發展，這也是保證水資源合理開發的重要保障[2-5]。水資源承載力是指水體能夠支撐經濟社會發展的最大規模，體現了生態、經濟、社會與水資源各子系統的內在協調性。因此，研究分析水資源承載力時空差異特征，對促進社會經濟與水資源的協調持續發展具有現實意義[6]。

目前，研究水資源承載力的方法有綜合評價法、系統動力學法及經驗公式法等。其中，綜合評價法是利用數學方法，從生態、經濟、社會和水資源等方面選定指標，綜合評價區域水資源承載力；系統動力學法具有全面系統、計算速度快等特點，但初始數據獲取難度大，其推廣應用受到一定限制；經驗公式法未考慮生態、經濟、社會與水資源的內在關聯性，雖計算簡單，但精準度較低。TOPSIS 法是一種具有不受樣本數量限制、信息失真小、計算簡便等優點的綜合評價法，故利用TOPSIS 逼近理想解排序法評價分析2020 年鞍山市下轄的各縣(市)、區水資源承載力及其空間差異性和障礙因子，以期為區域生態、經濟、社會與水資源的協調發展提供技術支持[7-8]。

1 區域概況

鞍山市地處遼東半島對外開放的中心，境內沈秦新電氣化鐵路、中長鐵路、沈山和沈大高速公路橫貫，地理位置優越，交通條件便利。該區域屬溫帶大陸性季風氣候，環境優美，氣候宜人，四季分明，年均降水量703.7mm，年均氣溫9.4℃，年均蒸發量1750.2mm，平均風速3.5m/s，相對濕度60%，日照時數2540h，最大凍土深118cm。境內共有大洋河、饒陽河、渾河、大遼河、太子河、遼河6 條大型河流，哨子河、海城河2 條中型河流以及27條小型河流。

調查顯示，鞍山市年均地表水供水量24712萬m3，地表水248562萬m3，開發利用率9.9%，各流域統計數據如下：大洋河、饒陽河、渾河、大遼河、太子河、遼河流域地表水資源量依次為173400萬m3、1422萬m3、3374萬m3、2467萬m3、43900萬m3、6860萬m3，地表水供水量依次為3656萬m3、53萬m3、228萬m3、257萬m3、19712萬m3、122萬m3，開發利用率依次為2.1%、3.7%、6.8%、10.4%、44.9%、1.8%。地下水實際開采量6.87億m3，可開采量6.58億m3，開采率104%，局部地區更加嚴重，具體如下：大洋河、饒陽河、渾河、大遼河、太子河、遼河流域地下水可開采量依次為0.53億m3、0.29億m3、1.21億m3、0.47億m3、2.11億m3、1.92億m3，實際開采量0.18億m3、0.30億m3、1.58億m3、0.48億m3、2.54億m3、1.75%，開采率為33.4%、103.7%、131.0%、102.5%、120.9%、90.9%。

隨著城市經濟的迅速發展，工農業生產和城鄉居民用水需求量急劇增大，當地水資源供需矛盾突出。因此，研究評價區域水資源承載力及其空間差異性和障礙因子，對于城市生活和工、農業用水調節控制以及水資源合理利用規劃具有重要意義。

2 研究方法

2.1 構建評價體系

水資源承載力可反映區域生態、經濟、社會與水資源的內在協調關系，對促進水資源優化配置具有重要作用。本文結合水資源承載力的內涵、概念和鞍山市水資源實際情況，充分考慮水資源支撐生態環境、社會經濟和人口規模的最大能力，并遵循可操作性、系統性、獨立性和科學性等原則，從水維護、水需求、水供給的角度選擇16 項代表性指標構建評價體系如表1 所示，研究分析2020 年鞍山市下轄的各縣(市)、區水資源承載力及其空間差異性和障礙因子。

表1 水資源承載力評價體系

目前，研究評價水資源承載力的文獻資料有很多，但由于評價指標體系和研究方法存在明顯差異，現階段尚未形成普遍適用的等級劃分標準。因此，為更加直觀地反映區域水資源情況，本文參考相關文獻將評價結果劃分成5 個等級，如表2 所示。

表2 承載等級劃分標準

2.2 計算方法

2.2.1 熵權法

本文利用熵權法計算表1 中各項指標權重，該方法是以所獲取的信息量多少來決定評價結果的精準度，具有較強的客觀性。信息熵越小則指標提供的信息量越多，賦予的權值就會越大，反之則越小。設初始評價矩陣X=(xij)m×n，其中m、n代表評價樣本數和參評指標數，m=4，n=16。

由于不同指標的量綱或數量級不同無法直接進行計算，所以必須對初始數據進行標準化處理，預處理公式為：

式中：xij、rij——參評樣本i中評價指標j的初始數據和標準化值；min(xj)、max(xj)——所有樣本中評價指標j的最小值和最大值，預處理后各指標值變化范圍為0～1。

然后利用以下公式計算各參評指標的信息熵ej，即：

式中：fij——評價樣本i中指標j的標準值比重。

結合信息熵ej計算結果，可利用公式（4）確定各指標權重ωj，即：

2.2.2 TOPSIS 法

1981 年，H Wang 和Yoon 最早提出一種用于多目標決策分析系統工程有限方案的TOPSIS 數學方法，通過計算最劣解、最優解與評價樣本之間的距離判定其優劣程度，具體步驟如下：

步驟1：正負理想解A+、A-。將待評價樣本各指標初始數據標準化處理，從而構造標準矩陣R=(rij)m×n，通過大小排列比較確定正、負理想解，即：A+=(Amax1，Amax2，…，Amaxn)、A-=(Amin1，Amin2，…，Aminn)。

步驟2：相對接近程度Gi。待評價樣本i與正、負理想解之間的距離Z+、Z-利用可下式計算，即：

水資源承載力綜合評價指數就等于待評價樣本i與理想解的相對接近程度Gi，Gi值越大則待評價樣本的水資源承載力越接近理想狀態，水資源系統越優；反之，Gi值越小則待評價樣本的水資源承載力越遠離理想狀態，水資源系統越差，Gi的計算方法為：

2.2.3 障礙度計算

一般地，主要有指標偏離度Ci、障礙度Oi和因子貢獻度Fi三個衡量指標診斷障礙因素。其中，指標偏離度Ci反映了最優目標值與各項指標實際值之間的差距，其數值等于指標的標準化值rij與1之間的差值；障礙度Oi反映了單項指標或子系統影響水資源承載力的高低；因子貢獻度Fi反映了單一指標Xi對總目標的貢獻程度，可以用熵權法獲取的權重ωi來描述。其中，指標偏離度Ci和障礙度Oi的計算方法為：

3 結果與分析

3.1 空間差異分析

研究數據來源于2020 年鞍山市統計年鑒、環境狀況公報、水資源公報、國民經濟統計公報等資料，利用熵權TOPSIS 法定量計算2020 年鞍山市水資源承載力及空間差異，全面反映生態、經濟、社會和水資源系統狀況，如表3 所示。

表3 水資源承載力評價值

結果表明，鞍山市水資源承載力綜合評價值0.46，達到Ⅲ級一般承載狀態，各轄區綜合承載力也在0.6 以內。其中，臺安縣和市轄區水資源承載力均＜0.4，達到Ⅳ級較弱承載狀態，究其原因是該地區降水較少，加之城市人口多且地表水資源不足，致使城市生活和工、農業生產用水壓力大，經濟社會與水資源之間的協調性較差。海城市水資源承載力綜合評價值最高0.61，達到Ⅱ級較強承載狀態，在水資源、社會和經濟等方面均高于其它地區，究其原因是海城市生態治理較好，社會經濟達到中上水平，降水充沛，水資源豐富，因此其綜合承載力較高。從空間上西部和北部承載力最弱，南部較強，東南部居中，從弱到強水資源承載力排序為臺安縣＜市轄區＜岫巖縣＜海城市。

3.2 障礙因子分析

2020 年鞍山市各轄區水資源承載力障礙度排序前10 項指標見表4，結果顯示河流水質達標率X16、萬元GDP 用水量X12、降水量X5、產水模數X2、地表水占比X1、GDPX10六項指標出現頻率較高，排序表中的降水量X5、產水模數X2和GDPX10大多分布于前三。從地域分布上，產水模數X2是市轄區和岫巖縣的第一障礙因子，降水量X5是第二障礙因子；降水量X5是海城市的第一障礙因子，產水模數X2是第二障礙因子；GDPX10是臺安縣的第一障礙因子，產水模數是第二障礙因子，說明鞍山市對降水量X5和產水模數X2較為敏感。另外，森林覆蓋率X15、第三產業占比X11、供水模數X3指標出現頻率也較高，說明這三項指標也在不同程度上影響著區域水資源承載力。

表4 主要障礙因子排序

通過計算鞍山市各轄區水資源承載力指標障礙度均值可知，產水模數X2、GDPX10和降水量X5的障礙度均值依次為15.26%、15.41%、15.92%，這三項指標障礙度均值高于其它指標，表明其對水資源承載力評價結果貢獻率最大。對于經濟子系統，從小到大對水資源承載力影響程度排序為社會(9.2%)＜生態(11.8%)＜經濟(27.6%)＜水資源(51.4%)，由此表明區域水資源承載力受水資源子系統的影響最大，并且經濟子系統中的GDPX10和水資源子系統中的降水量X5、產水模數X2對評價結果影響最大。

4 結論

1）2020 年鞍山市各轄區水資源承載力評價值均在0.6 以內，全市整體達到Ⅲ級一般承載狀態，海城市生態治理較好，社會經濟達到中上水平，降水充沛，水資源豐富，其水資源承載力相對較高。各地區生態環境的差異性、經濟發展的不均衡性和水資源的不均勻性使得各子系統承載力空間分布存在一定差異。

2）從小到大4 個子系統的障礙影響排序為社會＜生態＜經濟＜水資源，其中降水量、產水模數和GDP 是影響2020 年水資源承載力的重要指標。因此，促進生態、經濟、社會與水資源協調發展的關鍵是實現水資源的合理利用以及人口規模的合理控制，并注重經濟社會的發展。

3）受限于數據資料，本研究評價分析了鞍山市各轄區水資源承載力空間差異性及其障礙因子，可為區域水資源高效利用提供一定參考。由于未考慮水資源的空間與時間屬性，未來仍需完善評價體系，進一步探討水資源承載力的時間與空間演變規律，為城市生活和工、農業用水調節控制以及水資源合理利用規劃指明方向。