朝陽市水資源脆弱性評價

冀連華

(遼寧省朝陽水文局,遼寧 朝陽 122000)

水是維持人類生產生活和經濟社會發展的自然性基礎資源。由于環境變化、人口激增及經濟發展使得人類開發利用與依賴水資源的程度不斷增大,造成生態破壞、水質惡化、用水緊缺等問題,并進一步促使城市水資源供需矛盾、空間配置失衡以及水資源脆弱性等問題更加突出[1]。

研究水資源脆弱性及遷移規律對科學開發區域水資源極具現實意義,并逐漸成為水文水資源領域研究的熱點。我國最早于20世紀60年代逐漸研究水資源脆弱性,包括水系統各層次脆弱性和水資源評價體系的構建等,涵蓋生態環境、水利系統和水文系統的諸多方面[2-3]。針對水環境脆弱性的研究大多應用空間可視化、數學模型以及學術理論等手段,包括GIS與RS技術、DRASTIC模型和TOPSIS模型等,主要集中于地域水資源及流域水環境層面[4-8]。例如穆瑾等以貴陽市為例,采用GIS技術及AHP法評價了水資源脆弱性空間變化趨勢,結果顯示呈南移變化特征;陳巖等以黃河流域為例,運用RS-SVR模型預測評價了不同情景下流域水資源脆弱性[9-10]。

目前,水資源脆弱性研究大多未考慮區域內部的差異性,主要以整體性評價為主。朝陽市經濟發展與水資源配置不協調,水污染和水資源短缺問題突出,不同地區的水情存在明顯差異。因此,文章朝陽市為例,采用熵權模糊集對法評價2014—2020年各轄區水資源脆弱性,并結合具體情況提出水資源開發與保護對策。

1 研究區概況

朝陽市地處遼寧西部,背依腹地,面向沿海,下轄雙塔區、龍城區、北票市、凌源市、朝陽縣、建平縣和喀左縣,總面積19736km2。區域內地貌類型多樣,川地、平地、崗地、丘陵、山地交錯分布,地表峽谷相見,丘陵起伏,主要有青龍河、老哈河、大凌河和小凌河,降水為河流補給主要來源。該區域屬北溫帶大陸性季風氣候平均氣溫5.4～8.7℃,年降水量450～580mm,呈西北低、東南高的空間分布規律。雖然具有較多過境水,但存在開發難度大、提水楊程高、用水失衡等問題,局部地下水超采嚴重。參照水資源公報,2019年全市水資源總量119257.0萬m3,其中地下、地表水75839.7萬m3和89227.7萬m3,人均占有量435m3遠低于全國平均水平,灌溉用水以渠首引水為主,受凌河分水和來水量持續偏枯限制水資源缺口依然較大。

2 水資源脆弱性評價

2.1 構建指標體系

參評指標的選取直接關系著水資源脆弱性評價的真實有效性,文章結合職璐爽等[11]提出的承載力、人為和自然脆弱性因素,遵循數據可獲取性、可比性、合理性和科學性等原則,選擇8個典型指標構建評價體系如表1所示,有關數據來源于2014—2020年朝陽市水資源公報。

表1 朝陽市水資源脆弱性評價體系與等級劃分

2.2 等級標準劃分

充分考慮各參評指標的具體內涵和朝陽市水資源實際情況,通過等距劃分及數據離散化處理將水資源脆弱性劃分成5個等級,其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級分別代表不脆弱、輕度、中度、比較和嚴重脆弱,如表1所示。

2.3 指標權重計算

由于主觀賦權法易受決策者的認知度影響,評價結果具有較強主觀性,故選用熵權計算指標客觀權重,其具體流程如下:

步驟1:標準化處理。由于不同指標對水資源脆弱性評價有正向和逆向影響,故必須對初始數據進行標準化處理,正、逆向指標的處理公式為:

(1)

式中:rij、xij為參評樣本i中第j項因子的標準和初始值;xjmin、xjmax為所有樣本中指標j的最小、最大值。

步驟2:評價指標j的熵值Hj計算公式為:

(2)

步驟3:結合信息熵Hj可以確定評價指標j的權重Wj,計算公式為:

(3)

2.4 模糊集對法評價

集對分析法認為系統內部存在相互聯系、制約、影響甚至可以相互轉化的復雜關系,對于任何系統都能夠按照該方法分成不確定性和確定性信息兩部分。將等級標準集合B和評價指標集合A利用集對分析法可以構成含N個特性的集對,一般包含F個差異特性、S個共同特性和P個對立特性,然后利用下式計算集對的聯系度μA-B:

(4)

式中:μA-B為聯系度,其取值范圍-1～1;i、j為差異度和對立度,取值范圍-1～1;a、b、c為第k級標準與指標值xij的同一度、差異度和對立度,三者符合a+b+c=1的歸一化要求。由于評價等級與樣本的單一指標聯系度不具實際意義,故按照模糊集理論確定相對隸屬度,最后參照置信度準則利用級別特征值加權求和的方法評定水資源脆弱性等級,具體流程如下:

步驟1:計算水資源脆弱性評價樣本i中第j個指標與等級k的單因子聯系度μijk,正向、負向指標的μijk計算公式為:

(5)

(6)

式中:sk,j為水資源脆弱性評價中s1,j、s2,j、s3,j、s4,j、s5,j五個等級的限制,s0,j為各等級范圍內的另一端點值,通過上式可以反映標準等級k與待評樣本i關于指標j的關系,定量分析各參評指標的對立性、差異性和同一性特征。

步驟2:標準等級k與待評樣本i的綜合聯系度計算公式如下:

(7)

(8)

(9)

步驟4:為防止在模糊識別過程中按照最大隸屬度準則可能引起的信息缺失,考慮選用置信度及加權計算級別特征值的方法評定樣本i的水資源脆弱性等級hi,級別特征值和置信度準則如下:

(10)

(11)

式中:γ為置信度,取值區間為0.5～0.7,γ值越大表示評價結果越可靠,γ值越小表示風險越高,為保證評價精度γ取0.7。

3 結果與分析

3.1 評價結果

采用熵權模糊集對法計算確定朝陽市2014—2020年水資源脆弱性參評指標權重及等級,如表2所示。

表2 水資源脆弱性參評指標權重

為檢驗該方法的科學有效性,以各指標權重為依據選用灰關聯法和模糊數學法評定2020年水資源脆弱性,如表3所示。

表3 水資源脆弱性評價等級

3.2 脆弱性分析

1)由表3可知,2020年朝陽市各轄區水資源脆弱性總體達到中度脆弱等級,其中北票市和朝陽縣處于輕度脆弱狀態。

2)2016年朝陽市最嚴格水資源管理制度的實施有效改善了水資源短缺、水生態惡化的現狀,但由于洗選業及煤炭工業增加值比重較高依然面臨著嚴峻的水資源形勢。近年來,朝陽市采取強制性和引導性措施,加強水資源的保護,建立了各項水源管理制度,對于工業循環用水不達標、無計量取水、超計劃用水、私自轉供水、不按期報送用水情況和浪費水資源的行為進行整治。在水利強監管、補短板的新形勢下及降水量明顯增多的情況下,朝陽市水生態環境呈好轉態勢,該變化趨勢與評價結果基本相符。

3)通過對比分析發現,灰關聯法、模糊集對法和模糊數學法評定的水資源脆弱性具有一定差異,如模糊集對法評定的2020年朝陽市區達到中度脆弱等級,灰關聯法和模糊數學評定為不脆弱等級,實際上朝陽市還存在許多的水資源問題。首先,朝陽市區經濟較發達,人口密集,雖然其過境水量與上游來水量較多,但受諸多因素影響無法保障水質水量,加之利用率較低造成嚴重浪費;其次,局部地下水超采問題突出,據統計朝陽市區地下水開采占總取水量近60%,地下水位不斷降低,所以市區應處于中度脆弱水平,并非不脆弱狀態。通過對比3種方法評價結果,研究認為評價較為準確的是模糊集對法,這也是該方法可以辯證評價樣本差異性、對立性、同一性的具體表現。因此,2020年朝陽市水資源總體達到中度脆弱水平,社會經濟發展與水資源利用之間的協調性相對較差。

3.3 對策建議

1)水資源分布不均且降水少,提升用水效率。水資源脆弱性與年降水量間的關系密切,考慮到朝陽市水資源空間分布不均且年降水量少的實際情況,建議采取有效措施提升用水效率,通過修建水利工程、建設智慧供水管理系統以及種植耐旱農作物提升水資源利用率。

2)優化產業結構,增大利用效率。朝陽市不同地區的經濟發展水平、自然環境條件和產業結構具有一定差異,由此所形成的用水結構也明顯不同,必須優化產業結構減小水資源脆弱性,以科技創新的制造業逐漸替代傳統的電力、焦炭、煤炭、冶金等重工業。

3)合理利用地表水,逐步恢復地下水位。朝陽市的地貌形態特征決定了其地表水開發難度較大的現狀,全市水資源短缺,人均占有量較低,地下水為主要供水來源,地下水位不斷下降,局部出現嚴重超采。因此,在發展經濟的同時朝陽市更要注重水資源的優化配置,突出對凌河、老哈河等流域水資源的合理利用。

4)增大植被覆蓋率,抑制水土流失。地處遼西低山丘陵區的朝陽市面臨著嚴重的水土流失問題,土壤侵蝕導致的生態環境惡化、面源污染和水資源脆弱性加劇等日趨突出,必須加強植被保護與修復,進一步提高植被覆蓋率以達到涵養水源、增強生態系統功能的效果。

4 結 論

文章結合朝陽市實際情況,應用熵權模糊集對法對朝陽市2014—2020年水資源脆弱性進行科學評價,并與灰關聯法、模糊數學法相對比驗證其科學有效性。結果顯示,朝陽市水資源系統總體達到中度脆弱水平,社會經濟發展與水資源利用之間的協調性相對較差。研究認為評價較為準確的是模糊集對法,這也是該方法可以辯證評價樣本差異性、對立性、同一性的具體表現,可以為朝陽市水資源規劃和可持續利用提供一定參考。