大凌河流域水資源可持續(xù)性動(dòng)態(tài)綜合評(píng)價(jià)

孫志強(qiáng)

(北票市水資源辦公室，遼寧 北票 122100)

1 研究方法

1.1 流域概況

大凌河是遼寧省西部最大的河流，發(fā)源于建昌縣，流經(jīng)葫蘆島、朝陽(yáng)、錦州、喀左、朝陽(yáng)縣、朝陽(yáng)市區(qū)、北票市、義縣、凌海、盤錦等市縣區(qū)，全長(zhǎng)447 km，流域面積23 263 km2，其中，境內(nèi)面積占全流域的86%。大凌河在建凌水庫(kù)以上段地勢(shì)較陡，白石水庫(kù)以下段地勢(shì)趨向平緩，支流多集中于左側(cè)，較大支流主要有細(xì)河、牤牛河、涼水河子河和老虎山河。

近年來，大凌河流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)迅速增長(zhǎng)，同時(shí)帶來了水環(huán)境污染、生態(tài)環(huán)境脆弱、水資源短缺、防洪體系不完善和洪水災(zāi)害頻繁等問題，加之管理保護(hù)與治理薄弱，已成為制約遼西經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。因此，聚焦于大凌河流域水資源可持續(xù)利用問題是促進(jìn)遼西生態(tài)帶健康發(fā)展的重要內(nèi)容。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來源于2012—2020年遼寧省水資源公報(bào)、統(tǒng)計(jì)年鑒、環(huán)境年鑒和中國(guó)統(tǒng)計(jì)信息網(wǎng)等有關(guān)資料，通過線性內(nèi)插法或數(shù)理統(tǒng)計(jì)法補(bǔ)充個(gè)別缺失數(shù)據(jù)。

1.3 構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

本文遵循最小均方差、極大不相關(guān)、數(shù)據(jù)獲取難易程度、指標(biāo)可量化性及系統(tǒng)性等原則，采用PSR概念模型選擇15項(xiàng)代表性指標(biāo)構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)體系如表1。其中，P代表流域人類活動(dòng)對(duì)流域水資源所產(chǎn)生的壓力，S代表水資源系統(tǒng)在壓力作用下的狀態(tài)，R代表人類社會(huì)對(duì)狀態(tài)發(fā)生變化后的水資源系統(tǒng)所做出的響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)資源、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

表1 大凌河流域水資源可持續(xù)性評(píng)價(jià)體系與等級(jí)劃分

借鑒有關(guān)文獻(xiàn)資料[1-2]，將水資源可持續(xù)性劃分成Ⅴ級(jí)(非常好)、Ⅳ級(jí)(好)、Ⅲ級(jí)(警戒)、Ⅱ級(jí)(差)、Ⅰ級(jí)(非常差)5個(gè)等級(jí)，不同等級(jí)下各評(píng)價(jià)指標(biāo)取值范圍如表1。

1.4 評(píng)價(jià)流程

1995年李德毅院士提出一種用不確定語(yǔ)言值轉(zhuǎn)換處理定量描述與定性概念的元模型，采用正態(tài)云模型評(píng)價(jià)流域水資源可持續(xù)性可以有效解決可能存在的隨機(jī)性和離散性問題，其具體計(jì)算步驟如下：

步驟1：首先，生成正態(tài)隨機(jī)數(shù)En′=NORM(En，He2)(以He2為方差、En為期望)和xi=NORM(Ex，He′2)(以En′2為方差、Ex為期望)。然后，采用公式(1)計(jì)算數(shù)域中的云滴μ(xi)，并重復(fù)以上步驟直至生成n個(gè)云滴，如式(1)。

(1)

式中：μ為由多個(gè)云滴所組成的云；xi為數(shù)域中第i個(gè)云滴數(shù)值；Ex為期望；En′2為方差。

(2)

di值越小代表決策方案越接近理想方案。然后，利用式(3)～式(5)歸一化處理各向量，并構(gòu)建理想方案到主、客觀權(quán)重與組合權(quán)重方案距離偏差量的規(guī)劃模型，采用拉格朗日函數(shù)促使主、客觀組合權(quán)重偏差最小，其表達(dá)式與極值ω′如式(6)～式(7)：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

將組合權(quán)重利用公式(8)進(jìn)行歸一化處理，構(gòu)造水資源可持續(xù)性評(píng)價(jià)因素域Z={z1，z2，…，zn}和評(píng)價(jià)域V={v1，v2，…，vn}。

(8)

(9)

式中：He為超熵值，用于衡量熵的不確定性，He值越小，則云滴離散型越低，相應(yīng)的云層厚度就越小，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)和有關(guān)研究成果確定超熵值He為0.01。然后，采用正向云發(fā)生器和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算參評(píng)指標(biāo)i隸屬于等級(jí)j的程度zij，建立隸屬度矩陣Z=(zij)n×m。

步驟4：通過模糊轉(zhuǎn)換處理將隸屬度矩陣Z與權(quán)向量W轉(zhuǎn)變成評(píng)語(yǔ)集V上的模糊子集B，如式(10)：

B=W×Z=(b1，b2，…，bm)

(10)

(11)

式中：zij為參評(píng)指標(biāo)i隸屬于等級(jí)j的程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 正態(tài)云標(biāo)準(zhǔn)

為了計(jì)算確定不同等級(jí)下各參評(píng)指標(biāo)的隸屬云，還需要基于正態(tài)云模型建立大凌河流域水資源可持續(xù)性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表2，在Matlab軟件中輸入各參評(píng)指標(biāo)的正態(tài)云標(biāo)準(zhǔn)可以生成相應(yīng)的云圖形。

表2 水資源可持續(xù)性正態(tài)云標(biāo)準(zhǔn)

2.2 權(quán)重計(jì)算

采用三標(biāo)度改進(jìn)的層次分析法和熵權(quán)法計(jì)算各指標(biāo)主、客觀權(quán)重，具體過程不再贅述，詳見文獻(xiàn)[3]。利用式(7)～式(8)計(jì)算理想點(diǎn)組合權(quán)重，結(jié)果如表3。

表3 水資源可持續(xù)性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

2.3 水資源可持續(xù)性評(píng)價(jià)

2.3.1 橫向?qū)Ρ确治?/p>

根據(jù)以上計(jì)算步驟和大凌河流域2012—2020年有關(guān)數(shù)據(jù)，遵循最大隸屬度原則確定建昌、喀左、朝陽(yáng)縣、朝陽(yáng)市區(qū)、北票市、義縣、凌海、盤錦8個(gè)市縣區(qū)水資源可持續(xù)性評(píng)分及其所屬等級(jí)，如表4。

表4 2012—2020年大凌河流域水資源可持續(xù)性評(píng)分

結(jié)果表明，2012—2020年大凌河流域水資源可持續(xù)性總體處于較低水平，但表現(xiàn)出波動(dòng)上升趨勢(shì)。對(duì)于不同區(qū)域，水資源可持續(xù)性存在明顯差異，其中，朝陽(yáng)縣、朝陽(yáng)市區(qū)評(píng)價(jià)等級(jí)逐漸提高，2020年水資源可持續(xù)性處于Ⅳ級(jí)(好)水平，其他地區(qū)均處于Ⅱ級(jí)(差)及以下狀態(tài)。

2.3.2 縱向指標(biāo)分析

采用相同的方法和正態(tài)云模型計(jì)算2012、2020年大凌河流域水資源可持續(xù)性各子系統(tǒng)評(píng)分及其等級(jí)，如表5。

表5 水資源可持續(xù)性準(zhǔn)則層指標(biāo)評(píng)價(jià)值(2012年、2020年)

結(jié)果表明，2012—2020年大凌河流域壓力子系統(tǒng)整體位于較低水平，其中，建昌縣、喀左縣和朝陽(yáng)縣的綜合評(píng)分有所減少，但評(píng)價(jià)等級(jí)不變；朝陽(yáng)市區(qū)、北票市、凌海市和盤錦市的壓力子系統(tǒng)評(píng)價(jià)等級(jí)下降，這是因?yàn)榻?jīng)濟(jì)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化水平的提升使得水資源消耗量急劇增大，從而引起水污染加劇、水資源短缺等問題[4-5]；雖然，義縣的壓力子系統(tǒng)始終達(dá)到Ⅰ級(jí)水平，但評(píng)分從2012年的0.0382增加至2020年的0.1080，表明壓力子系統(tǒng)表現(xiàn)出好轉(zhuǎn)態(tài)勢(shì)。

2012—2020年大凌河流域狀態(tài)子系統(tǒng)表現(xiàn)出兩級(jí)分化態(tài)勢(shì)，其中，凌海市始終達(dá)到Ⅰ級(jí)最低水平，并且評(píng)分表現(xiàn)出明顯下降趨勢(shì)，結(jié)合原始數(shù)據(jù)可知，2020年凌海市水資源儲(chǔ)存量和人均水資源量相較于2012年均大幅下降；朝陽(yáng)市區(qū)和盤錦市狀態(tài)子系統(tǒng)呈快速發(fā)展態(tài)勢(shì)，2020年處于Ⅲ級(jí)狀態(tài)，其他地區(qū)達(dá)到中等水平。另外，2012—2020年大凌河流域響應(yīng)子系統(tǒng)表現(xiàn)出明顯提升趨勢(shì)，2020年朝陽(yáng)縣、朝陽(yáng)市區(qū)、北票市和盤錦市響應(yīng)子系統(tǒng)均處于Ⅳ級(jí)(好)水平，這主要得益于當(dāng)?shù)爻鞘形鬯幚硭教嵘⒊鞘芯G化建設(shè)和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)等眾多水資源治理措施。然而，建昌縣和喀左縣響應(yīng)子系統(tǒng)依然處于Ⅱ級(jí)(差)狀態(tài)，為促進(jìn)水資源可持續(xù)發(fā)展仍需加大治理力度[6-8]。

3 結(jié) 論

(1)2012—2020年，大凌河流域水資源可持續(xù)性總體處于較低水平，但表現(xiàn)出波動(dòng)上升趨勢(shì)。對(duì)于不同區(qū)域，水資源可持續(xù)性存在明顯差異，其中，朝陽(yáng)縣、朝陽(yáng)市區(qū)評(píng)價(jià)等級(jí)逐漸提高，2020年水資源可持續(xù)性處于Ⅳ級(jí)(好)水平，其他地區(qū)均處于Ⅱ級(jí)(差)及以下狀態(tài)。對(duì)各子系統(tǒng)，2012—2020年壓力和狀態(tài)系統(tǒng)提升速度較快且處于較低水平，這也是限制水資源可持續(xù)發(fā)展的主要因素，水資源響應(yīng)子系統(tǒng)具有較快發(fā)展速度。

(2)統(tǒng)籌指標(biāo)和時(shí)間維度，大凌河流域人口大量聚集、城鎮(zhèn)化快速推進(jìn)以及經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展使得水資源需求量增加，加之水生態(tài)治理保護(hù)較為滯后，在一定程度上制約著流域水資源可持續(xù)發(fā)展。因此，為進(jìn)一步促進(jìn)水資源可持續(xù)利用，在今后發(fā)展中建議采取以下措施：其一，建立統(tǒng)一管理制度，有效開發(fā)和科學(xué)配置流域水資源，協(xié)調(diào)供需關(guān)系實(shí)現(xiàn)可持續(xù)利用；其二，加強(qiáng)環(huán)境治理及保護(hù)，通過植樹造林增強(qiáng)水源涵養(yǎng)功能，利用先進(jìn)技術(shù)手段提高水資源利用率和污水源循環(huán)利用率；其三，加大節(jié)水宣傳與教育，鼓勵(lì)廣大居民參與節(jié)水行動(dòng)。