本溪市水資源承載力水平動態變化的主要驅動因素分析

趙海安

(遼寧省本溪水文局,遼寧 本溪 117000)

1 研究方法

1.1 復合系統概念模型

城市水資源承載力是以維護生態系統良性循環為前提,以可預見的社會發展和經濟技術水平為基礎,通過優化配置某一特定時間尺度下某一城市水資源,其最大支撐該城市環境-經濟-社會協調可持續發展的能力[1]。其中,生態環境、社會經濟和水資源是組成城市水資源承載力復合系統的三大子系統,各子系統之間存在相互影響、互相制約的內在復雜聯系,如圖1所示。

圖1 復合系統概念模型

1.2 構建評價指標體系

根據城市水資源承載力復合系統以及生態環境、社會經濟、水資源子系統的內在聯系,遵循系統層、層次性、科學性和可操作性等原則構建水資源承載力評價體系,如表1所示。

表1 本溪市水資源承載力評價體系與權重

1.3 主要評價流程

鑒于生態環境、社會經濟和水資源子系統之間的不確定性和復雜性,以及復合系統評價的模糊性,故選擇模糊數學法評價城市水資源承載力,其評價流程主要有建立評語集與參評因素集、隸屬度計算、合成算子加權運算三大步驟。為了較為客觀地反映研究對象或事物的不確定性,盡量降低主觀隨意性對計算結果的影響,選用熵值法計算各參評指標權重,詳細流程見文獻[2-5]。通過聯合求解熵值法和模糊數學評判法,確保研究區水資源承載力評價的準確性及客觀性。

根據各參評指標對水資源承載力的影響程度,從強到弱將評價標準劃分成Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ五個等級,如表2所示。

表2 評價指標等級劃分標準

然后針對5個等級合理設置相應的評分值,綜合評分值為0、0～0.2、0.2～0.5、0.5～0.8、0.8～1.0時,依次代表城市水資源承載力接近飽和無法滿足生產生活供水需求(即不可承載),水資源進一步開發利用空間較小可基本滿足生產生活用水(準不可承載),水資源還有進一步開發利用潛力但已具相當規模(可承載水平),水資源具有一定的社會經濟發展供水保證(良好承載水平),水資源開發利用空間較大可與生態環境、經濟社會協調發展(理想承載水平)。

2 水資源承載力評價

2.1 研究區概況

本溪市境內有中小河流200余條,分屬于遼河流域的太子河水系、渾江水系、愛河水系,按流域分區劃分葠窩水庫以上、葠窩水庫以下、渾江桓仁水庫以下、愛河4個水資源四級區。然而隨著經濟社會的發展,本溪市可調配水量少、水資源開發利用程度偏低、水質逐漸惡化、經濟發展與水資源水量時空分配不協調等問題日趨突出。因此,為實現本溪市水資源高效可持續開發,有必要評價其水資源承載力動態變化及其主要驅動因素。

2.2 評價結果分析

研究所用數據來源于本溪市歷年《水資源公報》、《統計年鑒》等相關資料,各指標權重計算結果如表1,2015—2020年水資源承載力模糊綜合評判結果如表3所示。

表3 本溪市水資源承載力綜合評分值

綜合評分值代表復合系統和各子系統的承載力水平,分值越大則承載力越高,說明生態環境、經濟社會和水資源之間的協調程度越好,水資源開發利用潛力也就越大。從表3和圖2可以看出,本溪市2015—2020年水資源承載力整體呈波動上升的變化趨勢,水資源達到可承載及良好承載水平。其中,2016年、2018年的綜合評分值和水資源承載力相對較低,2015年和2020年相對較高達到良好承載水平。2016年本溪市水資源承載力下降可能與畝均農田灌溉用水量增加10.7%、萬元工業增加值用水量增加5.1%和人均綜合用水量升高12.6%等社會經濟因素,以及人均水資源量減少12.2%、產水模數減小18.8%等水資源因素有關,以上因素變化加劇了水資源供需矛盾。2018年本溪市水資源承載力下降可能與綠化覆蓋率減小12.6%、排水管道密度下降15.2%以及生態環境用水率降低26.4%等生態環境因素有關,這說明以犧牲生態環境為代價大力發展經濟的問題比較突出,生態環境響應也體現出一定滯后效應。水資源承載力變化趨勢圖,見圖2。

圖2 水資源承載力變化趨勢圖

復合系統與社會經濟子系統的演變趨勢基本相同,說明在城市水資源承載力中社會經濟子系統的貢獻較高,其次為生態環境和水資源子系統,表明地處遼東地區的本溪市,由于其水資源總量相對豐沛、地表水資源豐富以及年降水量較大,復合系統承載力受水資源子系統的約束較小。社會經濟的快速發展對本溪市水資源承載力影響較大,尤其是粗放型經濟發展模式造成水資源供需矛盾加劇、各行業用水時空不均勻等問題,對生態環境進一步造成不利影響,加速水生態環境惡化和水資源可利用性的下降。所以,社會經濟子系統是驅動本溪市水資源承載力動態變化的主要來源。

2.3 單因素敏感性分析

單因素敏感性分析是在保持其它參評因素不變的情況下,分析水資源承載力在不同情景方案下受單個不確定性因素變動影響的方法。為準確識別關鍵驅動因素,對社會經濟子系統中的參評指標利用單因素敏感性分析法進行分析,即在保持其它參評指標數據不變的條件下以平均年際變化率為基礎減少或增加10%和5%,計算單指標增減10%和5%后的綜合評分變化率及水資源承載力,變化率越高則指標敏感性越大,如表4所示。

表4 單因素敏感性分析

從表4可以看出,本溪市水資源承載力動態變化的主要敏感性因素包括工業重復用水率、第三產業占GDP比重和城鎮化率3個指標。

2.4 驅動力情景分析

文章將熵值法與模糊綜合評判法相聯合,結合單因素敏感性分析結果選擇工業重復用水率、第三產業占GDP比重和城鎮化率情景分析指標計算2030年本溪市在不同情境下的水資源承載力。根據實際情況、相關規劃和對數擬合數據,經適當修正確定各指標預測值,見表5,并以國家先進值和2020年指標值作為情景分析指標高、低預測值。

表5 指標預測值

情景分析與設置如圖3所示,其中第一個字母H或L代表高、低預測值,第二個字母U、T、I代表城鎮化率、第三產業占GDP比重和工業重復用水率,如LU+LT+LI表示以上3個指標均為低預測值的情景。

圖3 驅動力情景分析

從圖3可以看出,本溪市2030年水資源承載力在不同情景下均可達到良好承載等級,其中LU+LT+LI、LU+LT+HI和HU+LT+LI情景下的綜合評分<2020年。對比分析發現,3個敏感性因素中對水資源承載力動態變化影響最為顯著的是第三產業占GDP比重,具體分析如下:

1)第三產業占GDP比重體現了區域產業結構和生產用水結構,產業結構演進可以促進用水量及用水結構變化,在一定程度上遏制水資源消耗。HU+HT+LI情景方案下,2030年本溪市第三產業占GDP比重相較于2020年提高20.6%,綜合評分增加0.0209,這說明升級調整產業結構能夠加快水資源利用方式的轉變,產業結構關系與水資源的均衡發展對水資源承載力提升具有積極作用。

2)城鎮化率體現了城市結構變化與規模擴張,該過程伴也隨著經濟發展效率與質量的改變。LU+LT+LI情景方案下,2030年本溪市城鎮化率相較于2020年提高15.9%,綜合評分減小0.0197,這說明水資源供需矛盾會隨著城鎮化的深入發展而更加突出,水資源系統面臨著較大壓力。

3)工業重復用水率體現了在一定循環用水和技術條件下的工業用水效率,結合當前的經濟狀況,本溪市工業發展仍以擴大再生產為主要手段,工業用水量高且技術水平發展比較緩慢,加強工業節水是緩解水資源壓力和減少工業用水量的有效途徑。HU+LT+HI情景方案下,2030年本溪市工業重復用水率相較于2020年明顯提升達到98%,綜合評分提高0.0038,這說明提升工業重復用水率仍然是未來一段時間內工業節水的重要途徑。

3 結 論

文章結合本溪市水資源利用實際情況,從生態環境、經濟社會和水資源子系統中合理選擇19項典型指標構建承載力評價體系,將熵值法與模糊綜合評判法相結合評價2015—2020年城市水資源承載力,主要結論如下:

1)本溪市2015—2020年水資源承載力整體達到可承載及良好承載水平,整體表現出波動上升的變化趨勢,社會經濟子系統是驅動本溪市水資源承載力動態變化的主要來源。

2)單因素敏感性分析表明,驅動本溪市水資源承載力動態變化的主要因素包括工業重復用水率、第三產業占GDP比重和城鎮化率,3個敏感性因素中對水資源承載力影響最為顯著的是第三產業占GDP比重。充分考慮評價結果,從多個角度提出促進水資源系統協調發展的有效措施。