營口市水資源承載力綜合分析

聶 凱

(遼寧省營口水文局，遼寧 營口 115003)

0 引 言

借鑒相關研究成果，現階段對水資源承載力尚未形成統一的理論體系和認知，如王建華、侯麗敏、惠泱河、段青春等對承載力的定義均有過不同的解釋。但無論研究人員如何的定義，都是以水資源最大支撐的經濟社會發展規模為基礎。所以，可通過經濟、社會、環境、資源等要素確定水資源承載力。目前，綜合評價水資源承載力的方法較多，如逼近理想解排序法(TOPSIS)、態勢分析法(SWOT)、模糊綜合法(FCE)、主成分法(PCA)、層次分析法(AHP)等。其中，TOPSIS法因存在信息失真小、樣本數量要求低、使用簡便等特點，在綜合評價水資源承載力方面得到廣泛應用，如夏歡等、何剛等、屈小娥等研究。然而，實際應用過程中TOPSIS法也存在一些不足，該方法無法體現正負理想解與各方案的貼近程度，使得最接近理想點的解并不一定是TOPSIS法求出的最優解，如郭強華等、Opricovicetal。為解決TOPSIS法存在的以上問題，有學者提出一種多準則妥協解排序法(VIKOR)，該方法能夠兼顧個體遺憾值與群體效用值，從而獲取一個折衷解。目前，在水系統領域VIKOR法已得到一定應用，但利用VIKOR法綜合評價水資源承載力的研究還鮮有報道[1-5]。

1 研究區概況

營口市地處大遼河入海口之左岸，遼東半島西北部，地理坐標為E121°56′-123°02′、N39°55′-40°56′，全市總面積5415.68km2，現轄鲅魚圈區、西市區、老邊區、站前區4個區，蓋州市、大石橋市2個縣級市，被稱為環渤海經濟圈最具競爭力的城市。2014年末，營口市總人口達到233.3萬人，生產總值1591.1億元。境內河網密布，各支流蜿蜒曲折，分布有大清河、熊岳河、碧流河、浮渡河、遼河等130余條河流，建有33座小型水庫和4座大中型水庫。雖然營口市水資源總儲蓄量豐富，但其人均占有量(342m3)較少，遠遠低于全省及全國平均水平，按照國際公認標準屬于水資源匱乏區。此外，營口市具有較高的水資源開發利用率，現狀開采率達到61%，遠遠超出40%的界限值，長期以來該區域都處于缺水狀態。受地形條件和季風性氣候影響，在時間與空間上降水分布不均，汛期6-9月降水比較集中，并且多為強降雨。總體上，水資源系統存在可利用總量少、開采成本高、邊際效益低、開發難度大等特點，加之降水分布不均、水環境污染等，明顯增加了水資源的利用難度。

2 研究方法

2.1 評價體系

水資源承載力評價的關鍵是如何構建系統、全面的綜合評價體系，如左其亭等提出應在生態、經濟、社會、水資源復合系統中研究水資源承載力。一般地，綜合評價體系可劃分為3個層次，即指標層、準則層和目標層。目標層體現了復合系統中水資源的配置情況與整體變化；準則層由水環境、水資源、經濟、社會等子系統構成，它是進一步細化的目標，可用于描述水資源承載力受污染物排放、水資源開發利用、水資源總量、各行業用水效率、生活品質提高、人口增長等因素的影響；指標層包含各項參評因子，它是承載力評價的具體體現，選取的參評指標應符合數據準確易獲取、含義清晰易懂、代表性強等要求。因此，文章結合現有文獻資料，充分考慮營口市水資源現狀，遵循科學性、獨立性、準確性、可行性等原則選擇17項典型指標，構建多因素多層次承載力評價體系如表1。根據水資源承載力與參評指標之間的相關性，將評價指標劃分為數值越小承載力越高(成本型)、數值越大承載力越優(效益型)兩類。

表1 營口市水資源承載力評價體系

2.2 VIKOR評價法

1998年，Opricovic教授基于LP-metric聚合函數提出了一種多屬性決策的VIKOR法，通過計算正、負理想解確定各決策方案的折衷解，在決策過程穩定且處于可接受優勢范圍內，按照理想方案與各決策方案之間的接近程度實現優劣排序。考慮個人主觀偏好的VIKOR法的最大特色，就是妥協了最小化的“個體遺憾”和最大化的“群體效益”，為更加合理的解決多屬性決策問題提供了條件。一般地，可將VIKOR法分為利益比率計算、個體遺憾值與群體效益值計算，理想解計算、數據標準化、權重計算5個步驟，具體如下：

步驟1：權重的計算。目前，比較常用的權重計算方法包括組合賦權法、CRITIC法、熵權法、德爾菲法等。其中，以沖突性和對比強度為基礎的CRITIC法，在構造權重時考慮了參評指標受關聯性、變異性的影響，所以該方法能夠最大程度的挖掘原始數據信息，可以準確的計算指標客觀權重。然而，有學者認為利用標準差判別數據變異程度的CRITIC法，通常存在誤差大、準確度等問題；李寧馨等研究認為平均差能夠客觀、全面地描述數據變異程度。鑒于此，對各參評指標權重(如表1)利用平均差改進的CIRTIC法計算，即：

(1)

(2)

式中：Ej、ADj為參評指標j的信息量及其平均差；ρij為參評指標i與j之間的相關系數；ωj為參評指標j的權重。

步驟2：數據的標準化。為了便于計算分析需要對各項指標的初始數據進行標準化處理，經處理所有數據統一轉化為無量綱的數值，即效益型和成本型指標的標準化公式如下：

(3)

(4)

式中：aij、rij為決策方案i中參評指標j的原始數據和標準化數據。

步驟3：理想解的計算。正理想解是指最小化成本型指標且最大化效益型指標的決策方案，負理想解是指最大化成本型指標且最小化效益型指標的決策方案，固定值法、絕對值法、最大最小值法是常用的理想解計算方法。對于理想解的計算，文章擬選用絕對值法以保證評價結果的可靠穩定性，其表達式為：

(5)

(6)

步驟4：個體遺憾值與群體效用值。個體遺憾值是指最高值與其他值在某決策方案中的差額，主要用于描述因決策者判斷失誤所帶來的價值損失。群體效用值是一種反映對于得失效果決策者們的態度與看法的數值，即衡量對于某些事物決策者的個人偏好與主觀傾向。在個體遺憾值與群體效用值計算過程中，VIKOR法忽視了負理想解信息而僅考慮正理想解的數據。雖然，正、負理想解存在一定的關聯，但負理想解還是存在其特有的信息。所以，對個體遺憾值和群體效用值的計算，文章擬設定的參照值有正、負理想解兩種情況，參照值選正理想解時的計算式為：

(7)

參照值選負理想解時的計算式為：

(8)

綜合考慮以上兩種情況，最終可以利用下式計算決策方案的個體遺憾值和群體效用值，其表達式為：

(9)

(10)

步驟5：利益比率與排序。將個體遺憾值與群體效用值相結合計算確定利益比率Qi，為了促使VIKOR法能夠達到個體遺憾的最小化和群體效用的最大化需要引入決策機制系數u，該值越大則反對者的個體遺憾越不被注重，決策過程中最大化群體效用越被注重。為了同時達到個體遺憾最小化和群體效用最大化決策機制系數u取0.5，并按降序排列利益比率，其計算式為：

(11)

Si,max=maxSi，Si,min=minSi，
Ri,max=maxRi，Ri,min=minRi

(12)

3 結果與分析

3.1 數據來源

以2010-2019年《營口市統計年鑒》作為各參評指標的數據來源，對于其中缺失的數據參照相關環境基礎設施建設、《營口市水資源公報》、《遼寧省統計年鑒》等資料補充。然后按照前文所述步驟，收集整理各項參評指標初始數據，利用公式(3)-(12)完成利益比率Qi、個體遺憾值、群體效用值、正負理想值和初始數據標準化等計算處理。水資源承載力綜合評價值為利益比率Qi，其值越小則承載力越高。

3.2 水資源承載力縱向分析

綜合評價2010-2019年營口市水資源承載力，如表2和圖1。由圖1(a)可知，2010-2019年研究區綜合評價值呈逐年減小的趨勢，則營口市水資源承載力不斷增強。根據其變化特點，總體上劃分成3個階段：2010-2015年的第一階段，該階段綜合評價值不斷減小，從0.7365穩步減小至0.4150，這是由于營口市采取了環境保護政策和節水措施，同時水資源總量整體穩定，所以此期間承載力穩步增強；2015-2016年的第二階段，該階段綜合評價值明顯增加，從0.4150快速增大至0.8641，變化幅度達到50%以上，并達到研究期的最高值。這是由于2016年營口市水資源總量較2015年減少了近20%，此年遭受了嚴重的旱災且水資源利用率達到80%，局部地下水被過度開采；2016-2019年的第三階段，該階段的綜合評價值逐年減少至2016年之前的水平，并進一步下降至最低水平，年均下降幅度0.2160。產生這種變化的原因有很多，例如解決干旱問題后水資源總量逐步得以恢復，農田灌溉節水技術在大規模干旱后得到廣泛應用，農業用水效率明顯提升，實行階梯式水價營口市生活節水取得了明顯成效。此外，近年來營口市建設實施了一批跨流域調水工程、節水增糧項目和灌區節水改造工程等，有效解決了干旱缺水問題。以上措施和政策的有效實施，為快速恢復營口市水資源承載力創造了有利條件，評價結果能夠客觀真實的反映城市水資源狀況。

表2 營口市各區、縣2019年水資源承載力

表2 營口市2010-2019年水資源承載力

由圖1(b)可知，2010-2019年營口市水資源子系統評價值表現出明顯的波動變化特征，其原因為地表水資源占比、供水模數、產水模數等均可對評價值造成影響。在時間分布上，水資源總量不均使得人均水資源量下降、水資源波動變化，這在一定程度上增加了該子系統壓力。為滿足水資源供給需求，營口市保持較高的水資源利用率(60.72%)，明顯高于40%的國際標準，可見營口市水資源短缺問題較為突出。營口市經濟、社會子系統評價值表現出波動下降的變化特征，這主要與不斷推廣應用的節水技術有關，從而使得農業灌溉、生產生活用水量有所下降。2019年較2010年的萬元工業增加值用水量、萬元第一產業增加值用水量、萬元生產總值用水量減少了48.1%、65.0%、71.6%。在2013年生活用水量達到2.91×108m3后不斷減少至2019年的1.94×108m3。然而，營口市節水灌溉系數(0.62)較發達國家的0.7-0.8還存在一定差距，萬元工業增加值用水量(10.61m3)較世界先進水平的3.75m3、國內先進水平的5.0m3還存在較大提升空間，生活節水器具普及率也有待進一步提升。營口市水環境子系統評價值表現出先增加后減少的變化特征，這主要與污染物排放量、生態環境用水率等因素有關。污染物排放量隨著經濟的快速發展不斷增加，并且在2013-2015年排放量達到最高，此后隨著污水處理率的提高和污水治理投資的加大，污染物開始逐漸減小，在2016年后該子系統評價值逐步較少。由此表明，水資源承載力雖然會受到經濟社會發展的影響，但隨著污水處理率的提高和治理力度的加大，能夠緩和并化解經濟社會發展與水資源承載力之間的矛盾。綜上分析，營口市仍具有較大的水資源承載力提升空間，其有效途徑是加大治理力度和投資規模等。

(a)綜合評價值

(b)各子系統評價值

3.3 水資源承載力橫向評價

綜合評價2019年營口市各市、區的水資源承載力，如表3和圖2。由圖2可知，綜合評價值較小的有大石橋市、蓋州市、鲅魚圈區，該地區水資源承載力較高，而綜合評價值較大的有西市區、老邊區、站前區，這些地區水資源承載力較低。由表3可知，蓋州市、大石橋市的水資源子系統評價值較小，該子系統承載力較高，這些地區具有較豐富的水資源，并且水庫、河流較多；老邊區、西市區和站前區的水環境較差，評價值較高，承載力較低；西市區、站前區的經濟和社會子系統評價值較高，該區域屬于生活用水集中區，所以評價值偏高。

圖2 2019年營口市各市、區水資源承載力

由此表明，水資源條件與部分地區產業布局、結構不匹配，水資源承載力不足以維持現狀開發利用程度。以老邊區為例，該區域水資源總量較少但產業密集、人口稠密，水資源承載力偏低且開發率利用率較高；此外，老邊區污染物排放量高水環境壓力大，在水環境保護、非常規水資源利用和水利設施建設方面仍需對老邊區加大投入。

4 結 論

1)VIKOR法能夠有效協調環境、資源、經濟、社會之間的關系，綜合考慮個體遺憾值和群體效用值確定折衷解，確保評價結果更加客觀準確的反映實際情況，該方法逐漸成為綜合評價水資源承載力的有效手段。

2)2010-2019年，營口市綜合評價值呈逐年減小的趨勢，則水資源承載力不斷增強。這主要與水價政策的完善、節水技術的應用、跨流域調水工程建設等措施和政策的實施有關，營口市仍具有較大的水資源承載力提升空間，其有效途徑是加大治理力度和投資規模等。

3)營口市綜合評價值較小的有大石橋市、蓋州市、鲅魚圈區，這些地區水資源承載力較高，而綜合評價值較大的有西市區、老邊區、站前區，這些地區水資源承載力較低。此外，水資源條件與部分地區產業布局、結構不匹配，水資源承載力不足以維持現狀開發利用程度。

4)為增強營口市水資源承載力，建議合理調整產業結構、建設節水型社會，完善污水收集系統、減少污染物排放量，加強非常規水利用、提高污水處理能力，完善相關制度政策、減少用水量等措施，最大程度的維持水系統良性循環。