辽河流域水资源承载力评估

邢晶尧

(辽宁省沈阳水文局，辽宁 沈阳 110094)

辽河流域南临黄海、渤海，东与朝鲜相接，经流河北、内蒙古、吉林和辽宁四省，总长1345km，占地面积21.9万km2。该流域由东辽河、西辽河两大水系组成，为我国七大河流之一，主要支流有老哈河、少冷河、浑河、西拉木伦河、太子河、秀水河、饶阳河、柴河等，各支流纵横交错、蜿蜒曲折。流域内人口密集、经济发展迅速，属于我国东北地区经济发展和粮食生产的核心区域。水资源承载力是指在一定的发展水平和开发利用条件下，区域水资源能够满足资源与环境发展、人类与生态环境用水的最大经济规模，其承载力水平与区域可持续发展、生态环境保护以及社会经济发展密切相关。因此，如何科学有效地评价分析水资源承载力，已成为当前水文水资源研究的重要课题之一。

近年来，随着城镇化和经济社会的快速发展，辽河流域人口规模和密集程度迅速增大，农业、农业及生态等用水量急剧增加，评价和分析该流域水资源承载能力对于促进人水和谐发展发挥着重要作用[1]。在水资源承载力方面，国内外许多学者作了大量研究，如刘树峰等[2]以惠州市为例，运用相对承载力评价法分析了区域水资源利用潜力；谢小康等[3]对广东21个地市的水资源状况利用量化的模糊综合法进行了评价；朱照宇等[4]采用自然趋势法和年递增率指标，初步评价了珠三角地区的水资源状况。在实际应用过程中上述传统方法均存在一定的局限性，且具有各自的优点和适用范围。在评价方法方面，成琨等[5]基于灰色关联法计算分析了三江平原区的水资源状况；朱玲燕等[6]对衢州地区的水资源系统运用熵权-灰关联耦合法进行了科学的评价；王正选等[7]提出了一种改进的熵权模型，评估了曲陆坝区的水资源状况。目前，对于辽河流域承载力的研究主要以传统方法为主。因此，本文结合辽河流域水资源相关资料，采用灰色关联和信息熵理论构建承载力评价模型，对流域水资源承载力的空间差异性利用灰色关联-熵模型进行评价分析，以期为辽河流域水资源承载力评估及其合理开发利用提供科学的借鉴作用。

1 等级标准的划分

由多个子系统组成的水资源承载系统通常存在多个影响因素，且各因素普遍存在不确定性、随机性等特征。本文结合辽河流域的环境质量报告、经济社会发展统计公报、2017年水资源公报以及各地市统计年鉴[8- 14]，根据已有评估指标成果和流域水资源特点，从生态环境、水资源质量、用水水平、社会经济及水资源数量5个方面，选择17项基本涵盖辽河流域水资源系统各个方面的代表性评估指标。然后将评价等级划分为Ⅰ～Ⅴ级5个标准，Ⅰ级代表水系统开发利用程度较小且水资源承载力很高，具有较强的区域自然、环境、经济和人口协调发展承载能力；Ⅲ级代表水系统开发利用程度中等且承载力一般，区域内各子系统的协调发展基本可以得到保证；Ⅴ级代表进一步开发利用水系统的空间很小且水资源承载力很低，经济社会发展受水资源问题的影响突出；Ⅱ级、Ⅳ级分别代表上、下两个等级的过渡水平，通过采取有效管理措施和合理利用水资源，可促进其向较优等级的转变。各等级标准下承载力指标的划分状况见表1。

表1 辽河流域水资源承载力等级划分

2 灰色关联-熵耦合模型

受自然环境、人类活动等多因素共同影响的水资源承载系统，通常无法利用单一的拟合函数评估承载力目标值，往往采用综合评价模型计算分析该复杂体系。本文利用灰关联-信息熵耦合的计算法分析流域各子区域的水资源状况，该方法不仅可以降低人为因素的干扰，提高权重计算的合理性，而且能够客观体现各因素之间存在的灰色隐含特征，通过比较数据和参考数据的对比计算确定综合目标值，将两种方法相耦合能够更加规范化、科学化评估流域水资源状况。

2.1 数据标准化

为解决指标数据由于取值标准、单位量纲不同而存在的不可通透性，在承载力评价之前需要利用标准化计算公式将比较数据、参考数据进行统一处理，计算结果见表2、表3。

表2 辽河流域水资源承载力参考数据标准化值

(1)

式中，k取2、3、4时，zik值为该等级的上、下限均值。

(2)

对于负向指标，其归一化处理方法为：

(3)

2.2 信息熵与熵权计算

在热力学中熵原是度量系统离散化程度的重要参数，在所研究问题当中信息熵的大小反映了该指标提供有效信息量的多少。根据信息论基本原理指标包含有效信息量和信息熵的大小呈正相关，信息熵越大，相对其他参数而言各评估对象之间的差异性就越大，对评价结果的贡献率就越大，因此所赋予的权重值就越高；若指标存在较大的信息熵，则对于该指标而言各评估对象之间存在较小的差异性，在评价过程中该指标的影响程度就越小，因此所赋予的权重值就越小。引入的Ei，wi，yij分别为信息熵、熵权和指标比重，参数为k，则指标权重计算公式如下：

(4)

采用以上计算公式对承载力评价框架体系中17项指标的熵权进行计算，如图1所示。由图1可以看出，权重最大的指标为I13，而权重较小的因子有I5，I6，I7。在水资源承载力5个子系统中，生态环境、水资源质量、用水水平、社会经济以及水资源数量指标的比重依次为0.104、0.240、0.285、0.161、0.210，由此表明对辽河流域水资源承载力影响较大的为水资源质量、用水水平和水资源数量指标。

图1 辽河流域水资源承载力各指标熵权值

2.3 灰色关联分析

(5)

(6)

(7)

表3 沈阳市2017年水资源承载力关联度

表4 不同等级下辽河流域各分区承载力关联度计算值

由表4可以看出，在Ⅰ～Ⅴ级评价等级下各地市的最大关联度依次为0.667、0.647、0.685、0.645、0.686、0.630、0.720、0.654、0.711，由此可确定承载力评价等级。按照从高到低的次序将各地市承载力水平排列，分别为本溪>盘锦>开原>营口>抚顺>鞍山>阜新>铁岭>沈阳。沈阳地区的水资源承载力达到Ⅴ级的超载状态，而铁岭、鞍山、抚顺、阜新和营口等地区的承载力水平已经处于Ⅳ级，该区域的水资源系统可开发潜力较小，若不采取有效的调控措施将显著影响当地的持续发展；相对于同属于Ⅳ级水平的其他城市，营口地区的水资源承载力和Ⅱ级、Ⅲ级的关联度差别最小，该区域水资源开发利用程度为中等且基本能够满足各行业用水的需求；开原的水资源潜力较大且开发利用程度较小；本溪和盘锦地区的承载能力较强，且能够很好地满足各子系统的协调发展需求。

3 结论

(1)随着城镇化和经济社会的快速发展，辽河流域人口规模和密集程度迅速增大，水资源供需矛盾、水污染等问题突出。为促进区域可持续发展和水资源合理利用，本文结合现有评估指标和流域水资源特征，从多个方面选择17项指标构建评价体系，然后合理划分了评价等级，可为协调人水之间的协调关系提供一定参考。

(2)将熵权理论和灰色关联法相耦合构建承载力评价模型，对各指标熵权按照指标差异性进行划分，从而避免了传统承载力评价方法的局限性，为承载力评价提供了一种新途径。

(3)辽河流域水资源承载力影响较大的为水资源质量、用水水平和水资源数量指标，人口密集、经济发展较快的沈阳、铁岭和阜新等地的水资源达到超载水平，必须采取合理的措施来改善水质、保护水资源和提高用水效率等。