基于辽宁省的水资源脆弱性评价研究

付 壮

(抚顺市水利勘测设计研究院有限公司，辽宁 抚顺 113006)

在内、外因素的综合影响下地球水资源系统不仅表现为一种人水关系，而且体现了水系统的固有属性，即生态环境或人类社会发展需求的水资源无法得到满足，在一定程度上限制或难以发挥生态体系与人类社会的正常功能。在当今世界格局下，水污染、旱涝灾害及水资源短缺等问题对我国乃至全球的经济发展已构成严重的潜在威胁[1]。

1968年法国学者Albineth等将人类所涉及水层的天然特性作为地下水脆弱性研究，这也是研究水资源脆弱性的最早起源[2]。在水资源脆弱性方面我国的相关研究起步较晚，但发展较为迅速，如雒新萍等[3]整体评价了我国8个代表流域的脆弱性状态。基于不同方法的定量评价[4]为国内学者研究水资源问题的主要内容，当前指标权重的确定仍以熵权法等传统方法为主，在水资源脆弱性评价中也有学者应用了神经网络法、GIS技术等[5- 12]。姜海波等[13]以塔里木河流域为例，采用水量和水质相关指标预测了流域脆弱性发展趋势，这些方法通常缺乏对主观因素的评价，且评价标准的取值对评价结果的影响显著。模糊综合法是一种综合了客观与主观、定量与定性因素的科学方法，本文以辽宁省为例，综合考虑人水关系的复杂特征，基于DPSIR概念框架筛选出典型指标，然后对各项指标的主客观组合权重采用改进的熵值法和层次分析法进行计算，对辽宁省近15年的水资源脆弱性利用模糊综合法进行评价，其中综合得分与水资源脆弱性间的非线性关系借助S型曲线确立，通过识别关键性主导因子为水资源脆弱性解决方案的优选决策提供科学指导。

1 研究区概况

辽宁省占地面积为14.8万km2，下辖抚顺、鞍山、大连、铁岭、沈阳等14个地级市和绥中县、昌图县2个省管县。全省水资源补给以降水入渗与地表径流为主，境内河流有浑河、太子河、饶阳河、大凌河以及辽河等，其中辽河流域面积为6.92万km2，全长480km，是辽宁省第一大河流，地形地貌有“六山一水三分田”之称。辽宁省属于大陆性季风气候，年均降水量在400～1100mm之间，约60%以上降水发生在6—9月份，并且多以暴雨和强降雨为主。区域内径流量大、水系发达、水资源丰富，复杂的地形地貌和独特的气候条件限制了其可开发利用量较少，水资源具有边际效益低、开采成本高、难度大等特点。另外，不同区域之间水环境、水资源与社会经济存在较大差异。近年来，由于辽宁省工业化、城镇化的快速推进以及经济社会的迅猛发展，加之局部地区水资源开发过度及水环境保护意识薄弱，使得境内水系统生态安全和水资源脆弱性持续下降[14- 18]。

2 水资源脆弱性评价方法

综合评价辽宁省2004—2018年水资源脆弱性的主要流程为：基于DPSIR概念框架建立评价体系，对各指标权重利用组合赋权法确定；然后借助S型曲线确立综合得分与水资源脆弱性间的非线性关系，并利用模糊综合法科学评价该区域近15年的水资源脆弱性状态。根据整体评价结果和得分值，揭示辽宁省2004—2018年水资源的动态变化规律。

2.1 构建评价指标体系

DPSIR概念模型是从系统的角度描述结果与起源间的逻辑关系，从而反映环境系统与人类社会之间的相互影响程度，主要涉及生态环境、社会发展、人口规模、自然资源及经济等方面因素，能够较为客观、全面地体现各子系统间的内在联系及人与自然环境的因果关系特征。

本文基于DPSIR框架模型和水资源脆弱性的基本内涵选取19项典型指标，然后依据辽宁省水资源公报、统计年鉴等资料作为指标数据的主要来源，各指标属性及内涵见表1。根据水资源脆弱性与不同指标间的响应关系，将脆弱性指标划分为正向、负向两大类，分别与脆弱性评价结果呈正相关和负相关。

2.2 组合赋权法确定指标权重

区域水资源脆弱性评价与各指标权重的计算密切相关，计算权重时不仅要能够反映其实际意义，而且要符合水资源变化的客观规律。现有研究中主、客观赋权和组合赋权法是较为常用的权重计算方法。为避免单一方法存在的不足并提高评价结果的可靠性，针对水资源脆弱性各指标权重考虑采用改进熵值法和层次分析法耦合的组合法确定。

(1)AHP层次分析法。基于DPSIR框架体系和专家意见建立6个判断矩阵，即响应、影响、状态、压力、驱动力以及子系统因素判断矩阵。为避免权重计算受个人偏好的影响，对水资源脆弱性各指标邀请10位专家进行打分。根据专家意见和各因素两两重要性比较分析结果构建相应的判断矩阵，对指标按照1～9标度法赋值，经一致性检验确定满足合理性、准确性要求的指标权重见表2。

(2)改进的熵值法。在社会系统中信息熵是各参数离散化程度的判别依据，对各指标的无序化状态赋予相应的数值，数值的大小即代表了该评价指标在整个水资源脆弱性评价体系中的权重比例，即所赋予的熵权值。该方法能够显著减小人为因素对计算结果的主观影响，同时降低了可能出现特殊或极端数据的概率，在提取有效信息和计算数值时具有较好的适用性。采用该计算方法的脆弱性评价各参数权重见表2。

表1 水资源脆弱性评价体系及其属性

(3)组合赋权法。相对于单一的权重计算法的客观与主观耦合的赋权法，不仅可以提高评价结果的可靠性与客观性，而且能够有效避免个人偏好和主观判断对水资源评价的影响。根据下述计算公式确定水资源脆弱性各评价指标的综合权重，即

Ai=λA1i+(1-λ)A2i

(1)

式中，A1i，A2i—层次分析法与改进熵值法确定的权重值；Ai—水资源脆弱性评价各指标综合权重。

本文对各指标权重考虑采用主、客观耦合的方法确定，结合已有文献资料和权重计算的实际情况采用等权赋值计算权重，即式(1)中λ值为0.5，组合权重计算结果见表2。

表2 组合权重计算结果

2.3 模糊综合评价

根据各指标的具体内涵和属性划分结果，分别采用下式对正向、负向指标进行标准化处理，其中越大越优型即评价值越大则水资源脆弱性越低指标的计算公式为：

rjk=(Xjk-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

越小越优型即评价值越小则水资源脆弱性越低指标的计算公式为：

rjk=(Xmax-Xjk)/(Xmax-Xmin)

(3)

式中，k=1，2，…，15；j=1，2，…，19；Xmin，Xmax分别代表指标j的最小值与最大值。通过以上数据可构造水资源脆弱性评价模糊关系矩阵R，见表3。

根据水资源脆弱性各指标组合权重计算结果建立模糊权向量矩阵A，其表达式为：

A=(0.0726，0.0721，0.0778，0.0425，0.0300，0.0337，0.0352，0.0326，0.0338，0.0504，0.0476，0.0382，0.0691，0.0762，0.0500，0.0578，0.0751，0.0502，0.0551)。然后对模糊关系矩阵R和向量矩阵A采用模糊算子M(•，+)进行合成运算，该方法不仅考虑了脆弱性评价各影响因素，而且保留了单一因素的有效信息，其计算公式为：

(4)

3 结果分析

考虑到各评价指标和水资源脆弱性间存在的复杂关系，对于指标综合评分和水资源脆弱性之间的非线性关系借助S型曲线进行计算，表达如下：

(5)

式中，c，d分别为计算模型对应的上、下限阈值，其中c为0，d为1；x—自变量。

按照Ⅰ～Ⅴ级标准等间距划分S型曲线函数，然后基于区域水资源实际状况定义脆弱性综合评分，其中Ⅰ～Ⅴ级标准的脆弱性程度依次为不脆弱、轻度、中等、严重和极脆弱，相应的综合评分依次为≤0.35、0.35～0.45、0.45～0.55、0.55～0.65、≥0.65。

表3 水资源脆弱性评价模糊关系矩阵R

表4 2004—2018年辽宁省水资源脆弱性评价值

根据表4计算结果和等级划分标准，将辽宁省2004—2018年的水资源脆弱性绘制成分值图，如图1所示。

图1 2004—2018年辽宁省水资源脆弱性变化趋势

根据图1可以看出，辽宁省2004—2018年的水资源脆弱性呈波动性下降的变化趋势，且未来的下降概率较大。根据脆弱性等级的分界条件，可将该变化特征分为3个阶段，即2004—2011年处于极脆弱与严重脆弱阶段；2012—2013年处于中等脆弱阶段；2014—2018年处于轻度脆弱阶段。总体而言，辽宁省水资源脆弱性近15年来处于严重脆弱等级，综合评分为0.569。

为确定水资源脆弱性的关键性驱动因子计算各指标的贡献率，由此更加客观地揭示未来水资源的变化特征，受文章篇幅限制，本文仅列出了驱动力和响应指标各因素的贡献率变化规律，如图2所示。指标贡献率计算公式如下：

(6)

式中，ri—指标i对水资源脆弱性的影响程度，脆弱性影响与ri值的大小呈正相关；WRV，WRVi—所有指标和i指标的贡献率。

图2 基于DPSIR框架模型的各指标贡献率

通过分析图2可知，响应指标中的工业重复用水率在2004—2018年期间对辽宁省水资源脆弱性的程度最大。可见，辽宁省工业重复用水率在这段时间处于较低水平，未能有效地循环利用大量的工业用水造成了巨大的水资源压力；其次为废污水排放量和万元工业增加用水量，表明辽宁省工业生产用水量较大，且工业发展产生的大量有害水体进一步降低了水环境质量，使得水资源脆弱性更大。

2004—2011年辽宁省水资源脆弱性较强，水质总体较差。根据人均GDP指标可知，辽宁省正处于快速发展时期，水资源供给压力还与产业结构不合理相关。

辽宁省水资源脆弱性在2012—2013年总体表现为中等水平，相对于其他年份，此阶段的降水量较小，为偏枯水年，从而使得降水量的贡献率最大；工业重复用水率和人均GDP对水资源脆弱性的贡献率仍较高，表明该区域的产业结构仍有待升级调整。另外，为了应对日趋严峻的水资源短缺问题和经济快速发展的新形势，这一时期辽宁省启动了创建节水型城市的活动并取得了较为显著的成效，在一定程度上降低了水资源脆弱性。

辽宁省水资源脆弱性在2014—2018年处于轻度脆弱时期，进一步分析各指标贡献率发现，水资源脆弱性在这一阶段的主要影响因素为生态环境用水比例、丰水期降水比例及人口密度。2014年辽宁省经济发展和城镇化速度加快，大量的城市人口聚集进一步加大了脆弱性程度。同时，辽河、太子河、浑河干支流水利设施的建设工程以及农村小型节水措施的改造项目，在一定程度上降低了辽宁省的水资源脆弱性。2018年，辽河、浑河等河道治理工程逐渐竣工，基本全面实现干流污水的截留，这对于保护辽宁省水生态环境和降低水资源脆弱性具有重要的意义。

4 结论与建议

(1)辽宁省水资源脆弱性在2004—2018年整体处于严重脆弱等级，研究期间呈波动性下降的变化趋势且未来的下降概率较大。根据脆弱性等级的分界条件，可将该变化特征分为3个阶段，即2004—2011年、2012—2013年、2014—2018年，脆弱性程度分别处于极脆弱与严重脆弱、中等脆弱和轻度脆弱状态。

(2)通过分析不同指标的贡献率可知，辽宁省水资源脆弱性等级受人为因素和自然因素的共同影响。其中关键性主导因子有生态环境用水量、人口密度、降水量、工业重复用水率、废污水排放量以及万元工业增加用水量。良好的管理政策和水资源利用制度可在一定程度上降低区域水资源脆弱性。

(3)结合关键性驱动因子和脆弱性评价结果，降低水资源脆弱性的有效措施有调整废水排放、加大生态用水投入及提高水资源利用率，为改善水资源脆弱性和水资源优化配置应积极优化其管理模式。