郗梓添

(遼寧省阜新水文局，遼寧 阜新 123000)

0 引 言

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展使得區(qū)域水環(huán)境污染、用水短缺等問題日趨突出，特別是水資源相對匱乏區(qū)對地下水開采遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越極限水平。統(tǒng)計(jì)資料顯示，遼寧省人均水資源量顯著低于國際缺水警戒線，其值為385m3/人遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于我國的平均水平，加之極端氣候變化和越來越嚴(yán)重的水污染問題，使得遼寧省水生態(tài)功能退化和水系統(tǒng)脆弱性問題更加突出。所以，通過對經(jīng)濟(jì)社會(huì)與水資源變化之間的響應(yīng)規(guī)律研究，評價(jià)分析區(qū)域水資源脆弱性并提出合理化建議，對于推進(jìn)水生態(tài)文明建設(shè)及人水和諧發(fā)展具有重要意義[1-2]。

水資源系統(tǒng)在面對環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)改變時(shí)所表現(xiàn)出的缺陷及弱點(diǎn)即為水資源脆弱性的內(nèi)涵，關(guān)于脆弱性的早期研究側(cè)重于對地下水的評價(jià)分析。近年來，水資源系脆弱性理論越來越引起氣候變化委員會(huì)、環(huán)境規(guī)劃署等部門的重視，并已成為當(dāng)前研究的重要課題和熱點(diǎn)問題。我國關(guān)于脆弱性的早期探討側(cè)重于地下水資源，而涉及地表水的文獻(xiàn)資料較少，如夏軍等通過對新形勢下水資源系統(tǒng)與環(huán)境變化作用關(guān)系分析，提出了優(yōu)化的脆弱性定義；張斌等對連云港市2008年的水資源壓力、困乏度和虛擬水赤字運(yùn)用水足跡理論進(jìn)行計(jì)算，綜合評價(jià)了研究區(qū)水資源現(xiàn)狀；劉瑜潔等分析了2003-2013年京津翼地區(qū)的水系統(tǒng)特征，結(jié)合南水北調(diào)工程預(yù)測評價(jià)了水系統(tǒng)脆弱性；朱怡娟等采用合適的方法評價(jià)了武漢地區(qū)的水系統(tǒng)脆弱性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)許多不安全因素均可對水資源系統(tǒng)產(chǎn)生影響，結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況提出了有效的管理措施和建議[3-6]。當(dāng)前，在評價(jià)方法和技術(shù)手段上水資源脆弱性研究均取得了理想成效，但仍具有許多的不足，現(xiàn)有評價(jià)指標(biāo)和評價(jià)方法通常存在明顯的區(qū)域性，而適用于其它空間尺度的性能較差。鑒于此，文章結(jié)合相關(guān)研究成果和文獻(xiàn)資料，從生態(tài)系統(tǒng)健康、水資源發(fā)展壓力、短缺壓力和生產(chǎn)壓力4個(gè)方面構(gòu)建RDEP脆弱性評價(jià)框架體系，對水系統(tǒng)響應(yīng)環(huán)境變化的脆弱性運(yùn)用與水資源政策密切相關(guān)的指標(biāo)量化分析，且各指標(biāo)數(shù)據(jù)來源于長系列的國家或省級(jí)數(shù)據(jù)庫。另外，對2012-2018年間遼寧省14個(gè)地市水系統(tǒng)脆弱性采用該成果進(jìn)行初步評價(jià)，可從空間和時(shí)間尺度上揭示遼寧省水系統(tǒng)脆弱性變化特征，為遼寧省水資源管理規(guī)劃和水生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)的依據(jù)。

1 評價(jià)方法

1.1 構(gòu)建指標(biāo)體系

根據(jù)計(jì)算公式(1)和建立的RDEP框架體系求解水系統(tǒng)脆弱性指標(biāo)WRVI，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

WRVI=f(RS，DP，EH，PS)

(1)

式中：PS、DP、RS、EH為水資源生產(chǎn)壓力、發(fā)展壓力、短缺壓力指數(shù)和生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)。

由于各項(xiàng)指標(biāo)量綱和單位的不統(tǒng)一而存在不可通透性，因此在評價(jià)分析前需將各指標(biāo)值歸一化處理至0-1區(qū)間，其中1、0代表水資源脆弱性最高值和最低值。

1)短缺壓力指數(shù)RS。區(qū)域可用水量能否滿足用水需求量利用水資源短缺壓力指數(shù)WRS表征，其數(shù)學(xué)計(jì)算式為：

(2)

式中：1700m3/人為國際上公認(rèn)的水資源短缺境界線；WRP為人均水資源量，m3/人。

2)發(fā)展壓力指數(shù)DP。采用安全飲用水壓力指數(shù)SDW和水資源利用壓力指數(shù)WRU描述水資源系統(tǒng)發(fā)展壓力狀況，其數(shù)學(xué)表達(dá)如下：

RU=1;WS>WR

(3)

(4)

式中：WR、WS為年總水資源量和用水量，m3；P、P?為年總?cè)丝跀?shù)和供水或改善水源人口數(shù)。

3)水生態(tài)健康指數(shù)EH。水系統(tǒng)脆弱性受廢污水排放程度的影響較為顯著，因此水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況利用水污染指數(shù)WP描述，其計(jì)算式為：

(5)

式中：WW為年總廢污水排放量，m3；0.1為單位廢水產(chǎn)生約10單位不能使用的水。

4)生產(chǎn)壓力PS。水資源生產(chǎn)壓力運(yùn)用水分生產(chǎn)能力WPC描述，計(jì)算公式如下：

(6)

式中：GDPWWm、GDPWW為單位水資源量產(chǎn)生的國內(nèi)生產(chǎn)總值近10a內(nèi)平均值和年度值，元/m3。

1.2 權(quán)重的計(jì)算

權(quán)重的確定為評價(jià)分析水資源脆弱性的重要環(huán)節(jié)，當(dāng)前主觀、客觀賦權(quán)法為應(yīng)用最為普遍的兩大類方法，其中專家賦權(quán)法和模糊數(shù)學(xué)法為典型的主觀法，而熵值法、變異系數(shù)法、主成分法等為常用的客觀法。在權(quán)重計(jì)算過程中選取單一的賦權(quán)法往往存在局限性，所以對各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重考慮利用熵值法和模糊評級(jí)相結(jié)合的方法確定，從而保證評價(jià)結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)確性。

模糊數(shù)學(xué)為模糊評價(jià)模型的理論依據(jù)，數(shù)學(xué)公式如下：

B=A·R

(7)

式中：R、A為模糊關(guān)系矩陣和各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重集；B為水資源脆弱性模糊評價(jià)結(jié)果；·為模糊合成算子。

1)構(gòu)造模糊評價(jià)矩陣R。根據(jù)區(qū)域水系統(tǒng)特征和有關(guān)數(shù)據(jù)資料構(gòu)造模糊矩陣R如下：

(8)

式中：m、n為參評指標(biāo)數(shù)和待評樣本數(shù)；R為歸一化處理后的標(biāo)準(zhǔn)矩陣；rjk為脆弱性等級(jí)隸屬度，計(jì)算式為rjk=(xjk-xjmin)/(xjmax-xjmin)，其中xjmin、xjmax為評價(jià)指標(biāo)j的最小值和最大值。

2)權(quán)重的計(jì)算。熵值法是依據(jù)各評價(jià)因子攜帶信息量的多少確定權(quán)重的客觀賦權(quán)法，針對n個(gè)參評樣本的m項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的熵值Hj計(jì)算式如下：

(9)

(10)

根據(jù)計(jì)算式(11)求解各參評因子權(quán)重，從而構(gòu)造脆弱性評價(jià)權(quán)重集A，即A=(a1，a2，…，am)，權(quán)重aj的計(jì)算式為：

(11)

3)水資源脆弱性綜合評價(jià)。采用合成算子處理模糊關(guān)系矩陣R和指標(biāo)權(quán)重矩陣A，最終獲取脆弱性模糊評價(jià)結(jié)果。

2 水資源脆弱性評價(jià)

2.1 研究區(qū)概況

遼寧省位于東北地區(qū)南部，地理位置為E118°53′-125°46′、N38°43′-43°26′，占地面積14.8萬km2。根據(jù)地形起伏特點(diǎn)將全省分為遼河平原、低山丘陵2大部分，地勢總體呈馬蹄形向環(huán)渤海傾斜的特征，地勢地貌有“六三一水三分田”之稱。遼寧地區(qū)為大陸性季風(fēng)氣候，氣候特點(diǎn)為冬長夏暖、寒冷期長、春秋季短、光照豐富、平原風(fēng)大、雨熱同期、四季分明，年降水量600-1100mm。該區(qū)域海域遼闊，東、西兩側(cè)與黃海和渤海相鄰，近海水域面積6.4萬km2，島岸線長627km，共有遼河、大凌河、牤牛河、太子河和鴨綠江等河流，分布有長興島、石城列島、大鹿島及里長山列島等266個(gè)海洋島嶼。特殊的地理環(huán)境和復(fù)雜的水文條件，使得降水具有明顯的季節(jié)性和區(qū)域性特征，6-8月主汛期降水集中且以強(qiáng)降雨或暴雨為主。雖然該區(qū)域的河流水系較發(fā)達(dá)、徑流量大、水資源相對豐富，但復(fù)雜的地形地貌和獨(dú)特的氣候條件使得水系統(tǒng)存在可開發(fā)利用量少、邊界效益低、開發(fā)難度大和開采成本高等特點(diǎn)，加之用水效率低和水環(huán)境保護(hù)意識(shí)薄弱，使得境內(nèi)水資源功能和承載力水平持續(xù)下降[7-11]。

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料，遼寧地區(qū)典型河段的水體污染達(dá)到重度的占比為72.0%，參評的15條主要河流均受到不同程度的污染，區(qū)域地表水以中度污染為主，其中水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率近有17.7%。該區(qū)域水生態(tài)功能退化和水污染問題突出，加之局部地區(qū)地下水開發(fā)過度和水環(huán)境保護(hù)意識(shí)薄弱，使得水資源安全面臨著嚴(yán)峻的威脅。隨著水生態(tài)文明建設(shè)的推進(jìn)和最嚴(yán)格水資源管理的實(shí)施，水環(huán)境污染現(xiàn)狀有所好轉(zhuǎn)但仍不容樂觀。

2.2 數(shù)據(jù)來源

為各地市水資源和經(jīng)濟(jì)社會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，選取2012-2018年遼寧省水資源公報(bào)、統(tǒng)計(jì)年鑒、環(huán)境狀況公報(bào)、全國城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)資料作為數(shù)據(jù)來源。另外，考慮到局部地區(qū)的個(gè)別數(shù)據(jù)缺失的情況，數(shù)據(jù)處理過程中利用相鄰年份的均值作填補(bǔ)處理。

2.3 各指標(biāo)評價(jià)

采用文中所述公式(1)-(6)對2012-2018年遼寧省5個(gè)水資源脆弱性指標(biāo)進(jìn)行處理，評價(jià)結(jié)果見表1。

表1 2012-2018年遼寧省各地市水資源脆弱性指標(biāo)值

續(xù)表1 2012-2018年遼寧省各地市水資源脆弱性指標(biāo)值

續(xù)表1 2012-2018年遼寧省各地市水資源脆弱性指標(biāo)值

根據(jù)表1可知，14各地市的安全飲水和水資源短缺壓力指數(shù)均未呈現(xiàn)出明顯的年際變化特征；大連、丹東、營口、盤錦等地區(qū)水資源利用和水短缺壓力指數(shù)較大，而照樣、葫蘆島、阜新等地區(qū)相對較低，可見當(dāng)前能夠基本保障各地區(qū)飲水安全；水污染壓力較大的地區(qū)有本溪、撫順、沈陽、鐵嶺等地區(qū)，其它各地區(qū)的水污染壓力相差不大；水資源生產(chǎn)壓力指數(shù)較小的地區(qū)包括鞍山、丹東、大連和營口地區(qū)，整體處于0.2-0.5之間。

2.4 水資源脆弱度閾值

綜合考慮專家經(jīng)驗(yàn)、數(shù)值分布和區(qū)域水資源實(shí)際情況，借鑒相關(guān)資料確定水資源脆弱度不同等級(jí)閾值，將綜合評價(jià)等級(jí)劃分為1級(jí)不脆弱、2級(jí)輕度脆弱、3級(jí)中等脆弱、4級(jí)重度脆弱四個(gè)等級(jí)，所對應(yīng)的評分區(qū)間為≤0.02、0.2-0.5、0.5-0.7、≥0.7。

2.5 結(jié)果分析

將模糊數(shù)學(xué)發(fā)和熵權(quán)法相耦合，結(jié)合以上指標(biāo)數(shù)據(jù)和權(quán)重計(jì)算結(jié)果綜合確定區(qū)域水資源脆弱性，如表2。

表2 2012-2018年遼寧省水資源脆弱度評價(jià)

根據(jù)表2可知，大連市水資源脆弱性總體處于中等脆弱水平，且年際變化并未呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，壓力值整體位于高水平，這主要與該區(qū)域水污染和水資源開發(fā)強(qiáng)度較高，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展且人口較為密集等因素相關(guān)；2012-2018年其它各地市的脆弱性總體表現(xiàn)出減少趨勢，且丹東、營口、鐵嶺、阜新等地區(qū)脆弱性由中等逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檩p度，其原因?yàn)檫@些地區(qū)的水生態(tài)文明建設(shè)和最嚴(yán)格水資源管理取得了顯著成效。撫順、本溪、沈陽等地區(qū)始終屬于輕度脆弱水平；遼寧省各區(qū)域2017年脆弱程度總體呈增大趨勢，這與當(dāng)年降水量較少、水資源總量較低等因素相關(guān)，同時(shí)這些地區(qū)的水污染指數(shù)和缺水壓力指數(shù)較高?？傮w而言，水資源稟賦條件、區(qū)域自然條件等因素均可對水資源脆弱性產(chǎn)生影響，同時(shí)海域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口規(guī)模等相關(guān)，在風(fēng)險(xiǎn)控制和水資源管理等方面各地市仍需要進(jìn)一步提升。

綜上分析，為推動(dòng)遼寧省水生態(tài)文明建設(shè)和未來經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)健康發(fā)展，需要從如下幾方面采取科學(xué)有效的措施降低區(qū)域水系統(tǒng)脆弱性：①科學(xué)規(guī)劃和統(tǒng)一管理區(qū)域水資源系統(tǒng)，提升用水效率并改善水資源供需結(jié)構(gòu)，持續(xù)推進(jìn)水生態(tài)保護(hù)和水污染防治工作；②為改善城市環(huán)境和保護(hù)水源涵養(yǎng)區(qū)，建議實(shí)施生態(tài)工程建設(shè)與小流域綜合治理，加強(qiáng)受污染河道的生態(tài)治理和污染控制工程建設(shè)，為提高用水效率采取中水回用和污水再利用工程措施；③普及推廣節(jié)水器具和高校用水技術(shù)，提高用水效率和農(nóng)業(yè)產(chǎn)出效益，減少農(nóng)藥化肥等施用對地下水的污染程度，切實(shí)提升綜合用水效率。

3 結(jié) 論

文章結(jié)合相關(guān)研究成果和文獻(xiàn)資料，從生態(tài)系統(tǒng)健康、水資源生產(chǎn)、發(fā)展和短缺壓力等方面構(gòu)建水資源脆弱性RDEP框架體系，然后對2012-2018年遼寧省各地市水系統(tǒng)脆弱程度進(jìn)行評價(jià)，得出的結(jié)論如下：

1)RDEP水資源脆弱性框架體系中各指標(biāo)與水資源政策密切相關(guān)，且以長系列省級(jí)或國家統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)獲取各指標(biāo)初始值，推廣應(yīng)用價(jià)值較強(qiáng)且數(shù)據(jù)便于獲取。

2)對遼寧省2012-2018年水資源脆弱性利用熵權(quán)法耦合模糊數(shù)學(xué)法評價(jià)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大連市水資源脆弱性總體處于中等脆弱水平且年際變化并未呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。研究期間其它各地市的水系統(tǒng)脆弱性總體表現(xiàn)出下降趨勢。

3)研究表明，各地市水資源政策和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展均可對水資源脆弱性產(chǎn)生顯著影響。所以，在未來水資源管理中應(yīng)保障水資源承載力與各行業(yè)用水量的協(xié)調(diào)匹配，通過對用水結(jié)構(gòu)和格局的優(yōu)化調(diào)整緩解區(qū)域水資源脆弱壓力。

4)水資源系統(tǒng)涉及到的范圍廣、內(nèi)容多且往往存在許多不確定因素，對其脆弱性價(jià)屬于一項(xiàng)復(fù)雜龐大的綜合體系。因此，評價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建往往存在較大的難度，為保證評價(jià)結(jié)果的客觀、準(zhǔn)確性必須篩選出科學(xué)、有效且代表性較好的指標(biāo)。文章所構(gòu)建的水資源脆弱性評價(jià)體系還存在許多不足，未來還需要進(jìn)一步完善和優(yōu)化指標(biāo)體系。