冀连华

(辽宁省朝阳水文局,辽宁 朝阳 122000)

水是维持人类生产生活和经济社会发展的自然性基础资源。由于环境变化、人口激增及经济发展使得人类开发利用与依赖水资源的程度不断增大,造成生态破坏、水质恶化、用水紧缺等问题,并进一步促使城市水资源供需矛盾、空间配置失衡以及水资源脆弱性等问题更加突出[1]。

研究水资源脆弱性及迁移规律对科学开发区域水资源极具现实意义,并逐渐成为水文水资源领域研究的热点。我国最早于20世纪60年代逐渐研究水资源脆弱性,包括水系统各层次脆弱性和水资源评价体系的构建等,涵盖生态环境、水利系统和水文系统的诸多方面[2-3]。针对水环境脆弱性的研究大多应用空间可视化、数学模型以及学术理论等手段,包括GIS与RS技术、DRASTIC模型和TOPSIS模型等,主要集中于地域水资源及流域水环境层面[4-8]。例如穆瑾等以贵阳市为例,采用GIS技术及AHP法评价了水资源脆弱性空间变化趋势,结果显示呈南移变化特征;陈岩等以黄河流域为例,运用RS-SVR模型预测评价了不同情景下流域水资源脆弱性[9-10]。

目前,水资源脆弱性研究大多未考虑区域内部的差异性,主要以整体性评价为主。朝阳市经济发展与水资源配置不协调,水污染和水资源短缺问题突出,不同地区的水情存在明显差异。因此,文章朝阳市为例,采用熵权模糊集对法评价2014—2020年各辖区水资源脆弱性,并结合具体情况提出水资源开发与保护对策。

1 研究区概况

朝阳市地处辽宁西部,背依腹地,面向沿海,下辖双塔区、龙城区、北票市、凌源市、朝阳县、建平县和喀左县,总面积19736km2。区域内地貌类型多样,川地、平地、岗地、丘陵、山地交错分布,地表峡谷相见,丘陵起伏,主要有青龙河、老哈河、大凌河和小凌河,降水为河流补给主要来源。该区域属北温带大陆性季风气候平均气温5.4～8.7℃,年降水量450～580mm,呈西北低、东南高的空间分布规律。虽然具有较多过境水,但存在开发难度大、提水杨程高、用水失衡等问题,局部地下水超采严重。参照水资源公报,2019年全市水资源总量119257.0万m3,其中地下、地表水75839.7万m3和89227.7万m3,人均占有量435m3远低于全国平均水平,灌溉用水以渠首引水为主,受凌河分水和来水量持续偏枯限制水资源缺口依然较大。

2 水资源脆弱性评价

2.1 构建指标体系

参评指标的选取直接关系着水资源脆弱性评价的真实有效性,文章结合职璐爽等[11]提出的承载力、人为和自然脆弱性因素,遵循数据可获取性、可比性、合理性和科学性等原则,选择8个典型指标构建评价体系如表1所示,有关数据来源于2014—2020年朝阳市水资源公报。

表1 朝阳市水资源脆弱性评价体系与等级划分

2.2 等级标准划分

充分考虑各参评指标的具体内涵和朝阳市水资源实际情况,通过等距划分及数据离散化处理将水资源脆弱性划分成5个等级,其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级分别代表不脆弱、轻度、中度、比较和严重脆弱,如表1所示。

2.3 指标权重计算

由于主观赋权法易受决策者的认知度影响,评价结果具有较强主观性,故选用熵权计算指标客观权重,其具体流程如下:

步骤1:标准化处理。由于不同指标对水资源脆弱性评价有正向和逆向影响,故必须对初始数据进行标准化处理,正、逆向指标的处理公式为:

(1)

式中:rij、xij为参评样本i中第j项因子的标准和初始值;xjmin、xjmax为所有样本中指标j的最小、最大值。

步骤2:评价指标j的熵值Hj计算公式为:

(2)

步骤3:结合信息熵Hj可以确定评价指标j的权重Wj,计算公式为:

(3)

2.4 模糊集对法评价

集对分析法认为系统内部存在相互联系、制约、影响甚至可以相互转化的复杂关系,对于任何系统都能够按照该方法分成不确定性和确定性信息两部分。将等级标准集合B和评价指标集合A利用集对分析法可以构成含N个特性的集对,一般包含F个差异特性、S个共同特性和P个对立特性,然后利用下式计算集对的联系度μA-B:

(4)

式中:μA-B为联系度,其取值范围-1～1;i、j为差异度和对立度,取值范围-1～1;a、b、c为第k级标准与指标值xij的同一度、差异度和对立度,三者符合a+b+c=1的归一化要求。由于评价等级与样本的单一指标联系度不具实际意义,故按照模糊集理论确定相对隶属度,最后参照置信度准则利用级别特征值加权求和的方法评定水资源脆弱性等级,具体流程如下:

步骤1:计算水资源脆弱性评价样本i中第j个指标与等级k的单因子联系度μijk,正向、负向指标的μijk计算公式为:

(5)

(6)

式中:sk,j为水资源脆弱性评价中s1,j、s2,j、s3,j、s4,j、s5,j五个等级的限制,s0,j为各等级范围内的另一端点值,通过上式可以反映标准等级k与待评样本i关于指标j的关系,定量分析各参评指标的对立性、差异性和同一性特征。

步骤2:标准等级k与待评样本i的综合联系度计算公式如下:

(7)

(8)

(9)

步骤4:为防止在模糊识别过程中按照最大隶属度准则可能引起的信息缺失,考虑选用置信度及加权计算级别特征值的方法评定样本i的水资源脆弱性等级hi,级别特征值和置信度准则如下:

(10)

(11)

式中:γ为置信度,取值区间为0.5～0.7,γ值越大表示评价结果越可靠,γ值越小表示风险越高,为保证评价精度γ取0.7。

3 结果与分析

3.1 评价结果

采用熵权模糊集对法计算确定朝阳市2014—2020年水资源脆弱性参评指标权重及等级,如表2所示。

表2 水资源脆弱性参评指标权重

为检验该方法的科学有效性,以各指标权重为依据选用灰关联法和模糊数学法评定2020年水资源脆弱性,如表3所示。

表3 水资源脆弱性评价等级

3.2 脆弱性分析

1)由表3可知,2020年朝阳市各辖区水资源脆弱性总体达到中度脆弱等级,其中北票市和朝阳县处于轻度脆弱状态。

2)2016年朝阳市最严格水资源管理制度的实施有效改善了水资源短缺、水生态恶化的现状,但由于洗选业及煤炭工业增加值比重较高依然面临着严峻的水资源形势。近年来,朝阳市采取强制性和引导性措施,加强水资源的保护,建立了各项水源管理制度,对于工业循环用水不达标、无计量取水、超计划用水、私自转供水、不按期报送用水情况和浪费水资源的行为进行整治。在水利强监管、补短板的新形势下及降水量明显增多的情况下,朝阳市水生态环境呈好转态势,该变化趋势与评价结果基本相符。

3)通过对比分析发现,灰关联法、模糊集对法和模糊数学法评定的水资源脆弱性具有一定差异,如模糊集对法评定的2020年朝阳市区达到中度脆弱等级,灰关联法和模糊数学评定为不脆弱等级,实际上朝阳市还存在许多的水资源问题。首先,朝阳市区经济较发达,人口密集,虽然其过境水量与上游来水量较多,但受诸多因素影响无法保障水质水量,加之利用率较低造成严重浪费;其次,局部地下水超采问题突出,据统计朝阳市区地下水开采占总取水量近60%,地下水位不断降低,所以市区应处于中度脆弱水平,并非不脆弱状态。通过对比3种方法评价结果,研究认为评价较为准确的是模糊集对法,这也是该方法可以辩证评价样本差异性、对立性、同一性的具体表现。因此,2020年朝阳市水资源总体达到中度脆弱水平,社会经济发展与水资源利用之间的协调性相对较差。

3.3 对策建议

1)水资源分布不均且降水少,提升用水效率。水资源脆弱性与年降水量间的关系密切,考虑到朝阳市水资源空间分布不均且年降水量少的实际情况,建议采取有效措施提升用水效率,通过修建水利工程、建设智慧供水管理系统以及种植耐旱农作物提升水资源利用率。

2)优化产业结构,增大利用效率。朝阳市不同地区的经济发展水平、自然环境条件和产业结构具有一定差异,由此所形成的用水结构也明显不同,必须优化产业结构减小水资源脆弱性,以科技创新的制造业逐渐替代传统的电力、焦炭、煤炭、冶金等重工业。

3)合理利用地表水,逐步恢复地下水位。朝阳市的地貌形态特征决定了其地表水开发难度较大的现状,全市水资源短缺,人均占有量较低,地下水为主要供水来源,地下水位不断下降,局部出现严重超采。因此,在发展经济的同时朝阳市更要注重水资源的优化配置,突出对凌河、老哈河等流域水资源的合理利用。

4)增大植被覆盖率,抑制水土流失。地处辽西低山丘陵区的朝阳市面临着严重的水土流失问题,土壤侵蚀导致的生态环境恶化、面源污染和水资源脆弱性加剧等日趋突出,必须加强植被保护与修复,进一步提高植被覆盖率以达到涵养水源、增强生态系统功能的效果。

4 结 论

文章结合朝阳市实际情况,应用熵权模糊集对法对朝阳市2014—2020年水资源脆弱性进行科学评价,并与灰关联法、模糊数学法相对比验证其科学有效性。结果显示,朝阳市水资源系统总体达到中度脆弱水平,社会经济发展与水资源利用之间的协调性相对较差。研究认为评价较为准确的是模糊集对法,这也是该方法可以辩证评价样本差异性、对立性、同一性的具体表现,可以为朝阳市水资源规划和可持续利用提供一定参考。