邢晶堯

(遼寧省沈陽水文局，遼寧 沈陽 110094)

遼河流域南臨黃海、渤海，東與朝鮮相接，經(jīng)流河北、內(nèi)蒙古、吉林和遼寧四省，總長1345km，占地面積21.9萬km2。該流域由東遼河、西遼河兩大水系組成，為我國七大河流之一，主要支流有老哈河、少冷河、渾河、西拉木倫河、太子河、秀水河、饒陽河、柴河等，各支流縱橫交錯、蜿蜒曲折。流域內(nèi)人口密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，屬于我國東北地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和糧食生產(chǎn)的核心區(qū)域。水資源承載力是指在一定的發(fā)展水平和開發(fā)利用條件下，區(qū)域水資源能夠滿足資源與環(huán)境發(fā)展、人類與生態(tài)環(huán)境用水的最大經(jīng)濟(jì)規(guī)模，其承載力水平與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)以及社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展密切相關(guān)。因此，如何科學(xué)有效地評價分析水資源承載力，已成為當(dāng)前水文水資源研究的重要課題之一。

近年來，隨著城鎮(zhèn)化和經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，遼河流域人口規(guī)模和密集程度迅速增大，農(nóng)業(yè)、農(nóng)業(yè)及生態(tài)等用水量急劇增加，評價和分析該流域水資源承載能力對于促進(jìn)人水和諧發(fā)展發(fā)揮著重要作用[1]。在水資源承載力方面，國內(nèi)外許多學(xué)者作了大量研究，如劉樹峰等[2]以惠州市為例，運(yùn)用相對承載力評價法分析了區(qū)域水資源利用潛力；謝小康等[3]對廣東21個地市的水資源狀況利用量化的模糊綜合法進(jìn)行了評價；朱照宇等[4]采用自然趨勢法和年遞增率指標(biāo)，初步評價了珠三角地區(qū)的水資源狀況。在實際應(yīng)用過程中上述傳統(tǒng)方法均存在一定的局限性，且具有各自的優(yōu)點和適用范圍。在評價方法方面，成琨等[5]基于灰色關(guān)聯(lián)法計算分析了三江平原區(qū)的水資源狀況；朱玲燕等[6]對衢州地區(qū)的水資源系統(tǒng)運(yùn)用熵權(quán)-灰關(guān)聯(lián)耦合法進(jìn)行了科學(xué)的評價；王正選等[7]提出了一種改進(jìn)的熵權(quán)模型，評估了曲陸壩區(qū)的水資源狀況。目前，對于遼河流域承載力的研究主要以傳統(tǒng)方法為主。因此，本文結(jié)合遼河流域水資源相關(guān)資料，采用灰色關(guān)聯(lián)和信息熵理論構(gòu)建承載力評價模型，對流域水資源承載力的空間差異性利用灰色關(guān)聯(lián)-熵模型進(jìn)行評價分析，以期為遼河流域水資源承載力評估及其合理開發(fā)利用提供科學(xué)的借鑒作用。

1 等級標(biāo)準(zhǔn)的劃分

由多個子系統(tǒng)組成的水資源承載系統(tǒng)通常存在多個影響因素，且各因素普遍存在不確定性、隨機(jī)性等特征。本文結(jié)合遼河流域的環(huán)境質(zhì)量報告、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展統(tǒng)計公報、2017年水資源公報以及各地市統(tǒng)計年鑒[8- 14]，根據(jù)已有評估指標(biāo)成果和流域水資源特點，從生態(tài)環(huán)境、水資源質(zhì)量、用水水平、社會經(jīng)濟(jì)及水資源數(shù)量5個方面，選擇17項基本涵蓋遼河流域水資源系統(tǒng)各個方面的代表性評估指標(biāo)。然后將評價等級劃分為Ⅰ～Ⅴ級5個標(biāo)準(zhǔn)，Ⅰ級代表水系統(tǒng)開發(fā)利用程度較小且水資源承載力很高，具有較強(qiáng)的區(qū)域自然、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和人口協(xié)調(diào)發(fā)展承載能力；Ⅲ級代表水系統(tǒng)開發(fā)利用程度中等且承載力一般，區(qū)域內(nèi)各子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展基本可以得到保證；Ⅴ級代表進(jìn)一步開發(fā)利用水系統(tǒng)的空間很小且水資源承載力很低，經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展受水資源問題的影響突出；Ⅱ級、Ⅳ級分別代表上、下兩個等級的過渡水平，通過采取有效管理措施和合理利用水資源，可促進(jìn)其向較優(yōu)等級的轉(zhuǎn)變。各等級標(biāo)準(zhǔn)下承載力指標(biāo)的劃分狀況見表1。

表1 遼河流域水資源承載力等級劃分

2 灰色關(guān)聯(lián)-熵耦合模型

受自然環(huán)境、人類活動等多因素共同影響的水資源承載系統(tǒng)，通常無法利用單一的擬合函數(shù)評估承載力目標(biāo)值，往往采用綜合評價模型計算分析該復(fù)雜體系。本文利用灰關(guān)聯(lián)-信息熵耦合的計算法分析流域各子區(qū)域的水資源狀況，該方法不僅可以降低人為因素的干擾，提高權(quán)重計算的合理性，而且能夠客觀體現(xiàn)各因素之間存在的灰色隱含特征，通過比較數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)的對比計算確定綜合目標(biāo)值，將兩種方法相耦合能夠更加規(guī)范化、科學(xué)化評估流域水資源狀況。

2.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

為解決指標(biāo)數(shù)據(jù)由于取值標(biāo)準(zhǔn)、單位量綱不同而存在的不可通透性，在承載力評價之前需要利用標(biāo)準(zhǔn)化計算公式將比較數(shù)據(jù)、參考數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理，計算結(jié)果見表2、表3。

表2 遼河流域水資源承載力參考數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化值

(1)

式中，k取2、3、4時，zik值為該等級的上、下限均值。

(2)

對于負(fù)向指標(biāo)，其歸一化處理方法為：

(3)

2.2 信息熵與熵權(quán)計算

在熱力學(xué)中熵原是度量系統(tǒng)離散化程度的重要參數(shù)，在所研究問題當(dāng)中信息熵的大小反映了該指標(biāo)提供有效信息量的多少。根據(jù)信息論基本原理指標(biāo)包含有效信息量和信息熵的大小呈正相關(guān)，信息熵越大，相對其他參數(shù)而言各評估對象之間的差異性就越大，對評價結(jié)果的貢獻(xiàn)率就越大，因此所賦予的權(quán)重值就越高；若指標(biāo)存在較大的信息熵，則對于該指標(biāo)而言各評估對象之間存在較小的差異性，在評價過程中該指標(biāo)的影響程度就越小，因此所賦予的權(quán)重值就越小。引入的Ei，wi，yij分別為信息熵、熵權(quán)和指標(biāo)比重，參數(shù)為k，則指標(biāo)權(quán)重計算公式如下：

(4)

采用以上計算公式對承載力評價框架體系中17項指標(biāo)的熵權(quán)進(jìn)行計算，如圖1所示。由圖1可以看出，權(quán)重最大的指標(biāo)為I13，而權(quán)重較小的因子有I5，I6，I7。在水資源承載力5個子系統(tǒng)中，生態(tài)環(huán)境、水資源質(zhì)量、用水水平、社會經(jīng)濟(jì)以及水資源數(shù)量指標(biāo)的比重依次為0.104、0.240、0.285、0.161、0.210，由此表明對遼河流域水資源承載力影響較大的為水資源質(zhì)量、用水水平和水資源數(shù)量指標(biāo)。

圖1 遼河流域水資源承載力各指標(biāo)熵權(quán)值

2.3 灰色關(guān)聯(lián)分析

(5)

(6)

(7)

表3 沈陽市2017年水資源承載力關(guān)聯(lián)度

表4 不同等級下遼河流域各分區(qū)承載力關(guān)聯(lián)度計算值

由表4可以看出，在Ⅰ～Ⅴ級評價等級下各地市的最大關(guān)聯(lián)度依次為0.667、0.647、0.685、0.645、0.686、0.630、0.720、0.654、0.711，由此可確定承載力評價等級。按照從高到低的次序?qū)⒏鞯厥谐休d力水平排列，分別為本溪>盤錦>開原>營口>撫順>鞍山>阜新>鐵嶺>沈陽。沈陽地區(qū)的水資源承載力達(dá)到Ⅴ級的超載狀態(tài)，而鐵嶺、鞍山、撫順、阜新和營口等地區(qū)的承載力水平已經(jīng)處于Ⅳ級，該區(qū)域的水資源系統(tǒng)可開發(fā)潛力較小，若不采取有效的調(diào)控措施將顯著影響當(dāng)?shù)氐某掷m(xù)發(fā)展；相對于同屬于Ⅳ級水平的其他城市，營口地區(qū)的水資源承載力和Ⅱ級、Ⅲ級的關(guān)聯(lián)度差別最小，該區(qū)域水資源開發(fā)利用程度為中等且基本能夠滿足各行業(yè)用水的需求；開原的水資源潛力較大且開發(fā)利用程度較??；本溪和盤錦地區(qū)的承載能力較強(qiáng)，且能夠很好地滿足各子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展需求。

3 結(jié)論

(1)隨著城鎮(zhèn)化和經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，遼河流域人口規(guī)模和密集程度迅速增大，水資源供需矛盾、水污染等問題突出。為促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展和水資源合理利用，本文結(jié)合現(xiàn)有評估指標(biāo)和流域水資源特征，從多個方面選擇17項指標(biāo)構(gòu)建評價體系，然后合理劃分了評價等級，可為協(xié)調(diào)人水之間的協(xié)調(diào)關(guān)系提供一定參考。

(2)將熵權(quán)理論和灰色關(guān)聯(lián)法相耦合構(gòu)建承載力評價模型，對各指標(biāo)熵權(quán)按照指標(biāo)差異性進(jìn)行劃分，從而避免了傳統(tǒng)承載力評價方法的局限性，為承載力評價提供了一種新途徑。

(3)遼河流域水資源承載力影響較大的為水資源質(zhì)量、用水水平和水資源數(shù)量指標(biāo)，人口密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快的沈陽、鐵嶺和阜新等地的水資源達(dá)到超載水平，必須采取合理的措施來改善水質(zhì)、保護(hù)水資源和提高用水效率等。