遼寧省水資源承載力評(píng)價(jià)及水源調(diào)配研究

孔祥軍

(沈陽(yáng)市應(yīng)急管理事務(wù)服務(wù)中心，沈陽(yáng) 110034)

0 引 言

遼寧省地處我國(guó)東北南部，東與韓國(guó)、日本隔海相望，隔鴨綠江與朝鮮相接，南臨渤海、黃海，屬于東北地區(qū)既沿邊又沿海重要的多外開(kāi)放門(mén)戶。該區(qū)域存在生態(tài)環(huán)境脆弱、水資源開(kāi)采程度高和降水量小等特征，經(jīng)濟(jì)的發(fā)函和城鎮(zhèn)化的推進(jìn)使得水資源短缺問(wèn)題更加突出，當(dāng)前迫切需要科學(xué)規(guī)劃區(qū)域水源調(diào)配方案和評(píng)價(jià)水資源承載力。

從20世紀(jì)80年代水資源承載力提出以來(lái)，現(xiàn)已發(fā)展形成SD法、多目標(biāo)法和指標(biāo)體系法等研究方法，其中應(yīng)用最為廣泛的方法為指標(biāo)體系法。權(quán)重的合理分配為指標(biāo)體系法評(píng)價(jià)的核心內(nèi)容，權(quán)重的合理分配所涉及的信息有：評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重滿足準(zhǔn)確合理性要求，能夠客觀、準(zhǔn)確的體現(xiàn)不同區(qū)域的水系統(tǒng)承載力整體狀況；依據(jù)權(quán)重值大小能夠?qū)Ρ雀髟u(píng)價(jià)單元的差異水平[1-3]。針對(duì)權(quán)重的分配問(wèn)題，前人已嘗試了熵值法、主成分分析法、AHP法、模糊綜合法及支持向量機(jī)等多種方法，根據(jù)權(quán)重分配的主要依據(jù)可分為主觀、客觀賦權(quán)兩大類，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中各方法存在其使用范圍和不足。如，AHP法主要結(jié)合人為評(píng)判的重要度作為賦值依據(jù)，由此獲取的權(quán)值通常存在較強(qiáng)的不確定性；而熵值法雖然規(guī)避了人為賦權(quán)存在的不足，但指標(biāo)權(quán)重均值化現(xiàn)象在各評(píng)價(jià)單位實(shí)際應(yīng)用中普遍存在。近年來(lái)，針對(duì)高維數(shù)據(jù)興起了一種投影尋蹤的處理方法，通過(guò)分析數(shù)據(jù)群的自身信息及其結(jié)構(gòu)特征，可實(shí)現(xiàn)一維信息反映多維數(shù)據(jù)的壓縮處理，由此客觀反映各評(píng)價(jià)單元之間的承載力差異和區(qū)域水資源的總體承載力水平。鑒于此，文章考慮水資源系統(tǒng)的復(fù)雜性、區(qū)域性和不確定性特征構(gòu)建適用于該區(qū)的承載力評(píng)價(jià)體系，結(jié)合投影尋蹤理論形成綜合評(píng)價(jià)模型，結(jié)合各分區(qū)承載力評(píng)價(jià)結(jié)果制定有效的水源調(diào)配方案。

1 水資源承載力評(píng)價(jià)體系

1.1 區(qū)域概況

遼寧省位于E118°53′-125°46′，N38°43′-43°26′范圍，下轄沈陽(yáng)、大連、撫順、鐵嶺、朝陽(yáng)、葫蘆島等14個(gè)地級(jí)市和2個(gè)省管縣組成，總面積14.8萬(wàn)km2。該區(qū)域地勢(shì)結(jié)構(gòu)呈中部低、東西兩側(cè)高的特征，兩側(cè)的山地丘陵平均海拔為500-800m，中部的遼河平原海拔約200m，狹長(zhǎng)的海濱平原素有“遼西走廊”之稱，地貌形態(tài)大致分為“六三一水三分田”。研究區(qū)為大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫為7.0℃-11.5℃，氣候特征為冬季少雨干暖，夏季氣候涼爽，日照充足，年降水量600-1100mm。由于復(fù)雜的氣象條件和特殊的地理環(huán)境，降水量存在明顯的季節(jié)性和區(qū)域性特征，每年的6-9月降雨較為集中且多暴雨或強(qiáng)降雨；空間尺度上，中部平原地區(qū)較高山低降水較少，與渤海相鄰的東南部降水量充足，而西北部降水稀少且風(fēng)沙干旱嚴(yán)重。遼寧地區(qū)分布有饒陽(yáng)河、大凌河、太子河、渾河、遼河等河流，各支流縱橫交錯(cuò)、萬(wàn)元曲折，島嶼有大鹿島、長(zhǎng)興島、石城列島及里長(zhǎng)山列島等266個(gè)，全省島岸線長(zhǎng)627km。遼寧地區(qū)的水資源利用存在以下特征：水資源利用以地下水為主，布局地區(qū)的地下水過(guò)度開(kāi)采且水資源浪費(fèi)嚴(yán)重；水資源邊際效益低、可開(kāi)發(fā)總量少、開(kāi)采成本高；工礦產(chǎn)業(yè)及資源開(kāi)發(fā)與工業(yè)用水基本匹配，境內(nèi)水生態(tài)功能和水系統(tǒng)承載力呈下降趨勢(shì)[4-6]。

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與水資源系統(tǒng)之間存在相互影響、互相關(guān)聯(lián)的復(fù)雜關(guān)系，因此構(gòu)建的指標(biāo)體系既要反映各子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)程度，同時(shí)要體現(xiàn)水系統(tǒng)供需平衡關(guān)系和水資源利用的特點(diǎn)。文章結(jié)合水資源研究相關(guān)資料，遵循可獲取性、系統(tǒng)性、層次性、獨(dú)立性和代表性等原則構(gòu)建多要素多層次評(píng)價(jià)體系如表1。該承載力評(píng)價(jià)體系較以往研究存在以下不同：①引入地下水開(kāi)發(fā)程度指標(biāo)更好地突出地下水的作用，未考慮區(qū)域內(nèi)的地表水作用；②區(qū)域降水量情況為決定地下水的關(guān)鍵因素，對(duì)此列出降水量指標(biāo)；③為了突出牲畜用水情況，將以往的農(nóng)田灌溉用水利用畜牧用水指標(biāo)替代；④考慮到遼寧地區(qū)的生態(tài)用水狀況，以總用水量中生態(tài)用水的占比作為生態(tài)用水率，從而體現(xiàn)生態(tài)環(huán)境受生態(tài)用水的影響[7]。然后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查相關(guān)信息、環(huán)境統(tǒng)計(jì)公報(bào)、統(tǒng)計(jì)年鑒及水資源公報(bào)等資料獲取研究區(qū)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的初始數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 水資源承載力評(píng)價(jià)體系及各分區(qū)初始數(shù)據(jù)

當(dāng)前，還未形成普遍適用的單項(xiàng)指標(biāo)隸屬于不同承載力水平的取值區(qū)間和水資源承載力等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)。文章結(jié)合區(qū)域發(fā)展規(guī)劃和國(guó)家公認(rèn)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，考慮區(qū)域水資源特點(diǎn)將其承載力標(biāo)準(zhǔn)劃分為Ⅰ-Ⅴ級(jí)，相應(yīng)的評(píng)語(yǔ)為強(qiáng)、較強(qiáng)、中等、較弱、弱。根據(jù)其它相似地區(qū)的研究資料和行業(yè)用水定額標(biāo)準(zhǔn)，確定單項(xiàng)評(píng)判指標(biāo)隸屬于不同等級(jí)的量值區(qū)間如表2所示。

2 投影尋蹤模型的構(gòu)建

投影尋蹤法是一種能夠有效分析非線性、多樣本的數(shù)學(xué)分析法，對(duì)于形式化、數(shù)學(xué)化非正態(tài)高維數(shù)據(jù)的處理具有較高的應(yīng)用價(jià)值。其理論依據(jù)將存在一定內(nèi)在規(guī)律的高維數(shù)據(jù)運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)投影至1-2維的低維子空間，通過(guò)極小化轉(zhuǎn)換確定最大限度的體現(xiàn)原高維特征的投影方向，通過(guò)對(duì)低維子空間中投影數(shù)據(jù)的分析達(dá)到處理高維數(shù)據(jù)的目標(biāo)。文章簡(jiǎn)要介紹了投影尋蹤的建模流程，具體如下：

表2 水資源承載力等級(jí)劃分

步驟一：歸一化處理數(shù)據(jù)。由于各參評(píng)指標(biāo)的單位和數(shù)量級(jí)不同而無(wú)法直接參與運(yùn)算，承載力評(píng)價(jià)前應(yīng)先將各指標(biāo)初始值歸一化處理至0-1區(qū)間。針對(duì)參數(shù)值越大則水資源承載力越高型指標(biāo)，其歸一化公式為：

(1)

針對(duì)參數(shù)值越小則水資源承載力越高型指標(biāo)，歸一化處理公式為：

(2)

(3)

其中，wij=ajxij為評(píng)價(jià)指標(biāo)j關(guān)于分區(qū)i的投影分量值。

(4)

3 水資源承載力投影尋蹤評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)結(jié)果

采用Matlb編程完成投影尋蹤模型的運(yùn)算，其中實(shí)數(shù)編碼的遺傳算法和投影尋蹤的部分模塊選用Genetic Algorithms Toolbox、自編程序。模型設(shè)置的較差概率為0.80，優(yōu)秀合體數(shù)和初始父代種群規(guī)模為20、400。根據(jù)搭建的尋蹤模型和遼寧省各分區(qū)指標(biāo)值，獲取能夠盡可能反映多維數(shù)據(jù)特征的最佳投影方向?yàn)?.0174、0.4039、0.1926、0.3342、0.4386、0.0617、0.1255、0.0931、0.5788、0.0545、0.0253、0.3441，輸出的投影特征值為遼東1.4250、遼南0.7316、遼中0.4801、遼西0.1402、遼北0.8122。該輸出結(jié)果與以上運(yùn)算流程基本相同，選用平均值作為區(qū)間范圍指標(biāo)數(shù)值，將模型輸入不同承載力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)后獲取相應(yīng)的特征值為：弱、較弱、中等、較強(qiáng)、強(qiáng)的等級(jí)區(qū)間為<0.7386、0.7386-2.0378、2.0378-3.0345、3.0345-3.4641、>3.4641。

根據(jù)以上運(yùn)算結(jié)果，遼寧省各分區(qū)的水系統(tǒng)承載力總體處于較弱水平。其中，遼東地區(qū)的承載力達(dá)到較弱的Ⅳ級(jí)，而其它各分區(qū)均為弱的Ⅴ級(jí)。水資源承載力從低到高排序?yàn)椋哼|西<遼中<遼南<遼北<遼東地區(qū)。

3.2 合理性檢驗(yàn)

對(duì)承載力評(píng)價(jià)的合理性進(jìn)行定性分析，地下水為遼寧地區(qū)的主要用水方式，該地區(qū)的降水量相對(duì)較小且地下水利用率較高，因此綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為較弱水平具有合理性。具體而言，遼東地區(qū)臨近沿海且降水量較為充足，已建的許多水利工程在很大程度上緩解了當(dāng)?shù)毓┧畨毫?，所以水資源承載力相對(duì)較高；而遼西、遼中地區(qū)多風(fēng)沙且降水量少，地下水供給壓力較大，因此水系統(tǒng)承載力處于弱水平。通過(guò)以上分析，較為準(zhǔn)確的驗(yàn)證了評(píng)價(jià)結(jié)果的合理性。

水資源承載力受各指標(biāo)的影響程度通過(guò)最佳投影方向描述，其中權(quán)重值>0.3的參數(shù)有生態(tài)用水率、單位GDP耗水量、人口密度、地下水開(kāi)發(fā)程度及人均水資源量，這些指標(biāo)較好的體現(xiàn)了各分區(qū)之間的指標(biāo)差異性和遼寧地區(qū)整體的水資源承載力。雖然，單位面積牲畜量、GDP年增長(zhǎng)率、人均生活用水量、牲畜增長(zhǎng)率和降水量等指標(biāo)也對(duì)評(píng)結(jié)果產(chǎn)生影響，但其差異性在各分區(qū)內(nèi)相對(duì)較小，所以均質(zhì)化現(xiàn)象較為明顯，賦予的權(quán)值也就較低。據(jù)此，在權(quán)重分配過(guò)程中投影尋蹤模型保證可評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)確性。

3.3 水資源配置方案

根據(jù)遼寧省水資源分布特點(diǎn)和水資源供需分析結(jié)果，以已建和擬建的大中型水利工程為依托，構(gòu)建由北、中、南三線構(gòu)成的“東水濟(jì)西”總體水資源配置格局。全省城市及開(kāi)發(fā)區(qū)、鄉(xiāng)、鎮(zhèn)近、遠(yuǎn)期圍繞大伙房水庫(kù)輸水工程、遼西北供水工程、觀音閣引水、三灣水利樞紐、引洋入連等骨干工程進(jìn)行配置?！皷|水濟(jì)西”三線工程全部建成后，配合對(duì)地下水資源的有效管理和合理利用，可以根本解決遼寧水資源短缺問(wèn)題。如：遼西地區(qū)的水資源承載力較其它地區(qū)最弱，充分考慮當(dāng)?shù)厮Y源特點(diǎn)和實(shí)際情況，遼西地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和居民生產(chǎn)生活已明顯受到水資源短缺的影響，制定科學(xué)有效的水源調(diào)配方案已成為亟待解決的重要問(wèn)題。遼西地區(qū)過(guò)境河流較多，其地表水可利用量豐富，因此存在工程調(diào)水的客觀條件；根據(jù)遼西地區(qū)大凌河、遼河、渾河等地質(zhì)勘探相關(guān)資料，可通過(guò)從遼西北供水工程調(diào)水至遼西地區(qū)，從而緩解該地區(qū)的供水壓力。另外，通過(guò)采取科學(xué)規(guī)劃和統(tǒng)一管理區(qū)域水資源，持續(xù)推進(jìn)遼西地區(qū)水生態(tài)保護(hù)及水污染防治工作，實(shí)施生態(tài)工程建設(shè)與小流域綜合治理等，進(jìn)一步提升用水效率、農(nóng)業(yè)產(chǎn)出效益及水資源承載力[18-22]。

4 結(jié) 論

文章結(jié)合水資源系統(tǒng)的復(fù)雜性、不確定性和區(qū)域性特征，從生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和水資源4個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)建承載力評(píng)價(jià)體系，然后運(yùn)用投影尋蹤模型科學(xué)評(píng)價(jià)了不同分區(qū)的水資源狀況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，遼東地區(qū)處于較弱承載力等級(jí)，其它地區(qū)均處于弱等級(jí)，其中遼西地區(qū)最弱。根據(jù)最佳投影方向識(shí)別出水資源承載力主要影響因素有地下水開(kāi)發(fā)程度。生態(tài)用水率、人口密度、人均水資源、單位GDP用水量指標(biāo)。

綜合考慮流域水資源分布特征、水利工程施工難度及水文地質(zhì)條件等，建議充分利用遼河流域地表水資源緩解該地區(qū)的供水壓力；另外，為進(jìn)一步提升用水效率、水資源承載力和農(nóng)業(yè)產(chǎn)出效益的措施，從水源管理、水環(huán)境保護(hù)、河道治理等方面提出了有效的建議措施。