辽宁省水资源脆弱性状况分析与评价

郗梓添

(辽宁省阜新水文局，辽宁 阜新 123000)

0 引 言

经济的快速发展使得区域水环境污染、用水短缺等问题日趋突出，特别是水资源相对匮乏区对地下水开采远远超越极限水平。统计资料显示，辽宁省人均水资源量显著低于国际缺水警戒线，其值为385m3/人远远小于我国的平均水平，加之极端气候变化和越来越严重的水污染问题，使得辽宁省水生态功能退化和水系统脆弱性问题更加突出。所以，通过对经济社会与水资源变化之间的响应规律研究，评价分析区域水资源脆弱性并提出合理化建议，对于推进水生态文明建设及人水和谐发展具有重要意义[1-2]。

水资源系统在面对环境和经济社会改变时所表现出的缺陷及弱点即为水资源脆弱性的内涵，关于脆弱性的早期研究侧重于对地下水的评价分析。近年来，水资源系脆弱性理论越来越引起气候变化委员会、环境规划署等部门的重视，并已成为当前研究的重要课题和热点问题。我国关于脆弱性的早期探讨侧重于地下水资源，而涉及地表水的文献资料较少，如夏军等通过对新形势下水资源系统与环境变化作用关系分析，提出了优化的脆弱性定义；张斌等对连云港市2008年的水资源压力、困乏度和虚拟水赤字运用水足迹理论进行计算，综合评价了研究区水资源现状；刘瑜洁等分析了2003-2013年京津翼地区的水系统特征，结合南水北调工程预测评价了水系统脆弱性；朱怡娟等采用合适的方法评价了武汉地区的水系统脆弱性，结果发现许多不安全因素均可对水资源系统产生影响，结合区域实际情况提出了有效的管理措施和建议[3-6]。当前，在评价方法和技术手段上水资源脆弱性研究均取得了理想成效，但仍具有许多的不足，现有评价指标和评价方法通常存在明显的区域性，而适用于其它空间尺度的性能较差。鉴于此，文章结合相关研究成果和文献资料，从生态系统健康、水资源发展压力、短缺压力和生产压力4个方面构建RDEP脆弱性评价框架体系，对水系统响应环境变化的脆弱性运用与水资源政策密切相关的指标量化分析，且各指标数据来源于长系列的国家或省级数据库。另外，对2012-2018年间辽宁省14个地市水系统脆弱性采用该成果进行初步评价，可从空间和时间尺度上揭示辽宁省水系统脆弱性变化特征，为辽宁省水资源管理规划和水生态环境保护提供科学的依据。

1 评价方法

1.1 构建指标体系

根据计算公式(1)和建立的RDEP框架体系求解水系统脆弱性指标WRVI，其数学表达式如下：

WRVI=f(RS，DP，EH，PS)

(1)

式中：PS、DP、RS、EH为水资源生产压力、发展压力、短缺压力指数和生态系统健康指数。

由于各项指标量纲和单位的不统一而存在不可通透性，因此在评价分析前需将各指标值归一化处理至0-1区间，其中1、0代表水资源脆弱性最高值和最低值。

1)短缺压力指数RS。区域可用水量能否满足用水需求量利用水资源短缺压力指数WRS表征，其数学计算式为：

(2)

式中：1700m3/人为国际上公认的水资源短缺境界线；WRP为人均水资源量，m3/人。

2)发展压力指数DP。采用安全饮用水压力指数SDW和水资源利用压力指数WRU描述水资源系统发展压力状况，其数学表达如下：

RU=1;WS>WR

(3)

(4)

式中：WR、WS为年总水资源量和用水量，m3；P、P∂为年总人口数和供水或改善水源人口数。

3)水生态健康指数EH。水系统脆弱性受废污水排放程度的影响较为显著，因此水生态系统健康状况利用水污染指数WP描述，其计算式为：

(5)

式中：WW为年总废污水排放量，m3；0.1为单位废水产生约10单位不能使用的水。

4)生产压力PS。水资源生产压力运用水分生产能力WPC描述，计算公式如下：

(6)

式中：GDPWWm、GDPWW为单位水资源量产生的国内生产总值近10a内平均值和年度值，元/m3。

1.2 权重的计算

权重的确定为评价分析水资源脆弱性的重要环节，当前主观、客观赋权法为应用最为普遍的两大类方法，其中专家赋权法和模糊数学法为典型的主观法，而熵值法、变异系数法、主成分法等为常用的客观法。在权重计算过程中选取单一的赋权法往往存在局限性，所以对各项指标权重考虑利用熵值法和模糊评级相结合的方法确定，从而保证评价结果的客观性和准确性。

模糊数学为模糊评价模型的理论依据，数学公式如下：

B=A·R

(7)

式中：R、A为模糊关系矩阵和各项指标权重集；B为水资源脆弱性模糊评价结果；·为模糊合成算子。

1)构造模糊评价矩阵R。根据区域水系统特征和有关数据资料构造模糊矩阵R如下：

(8)

式中：m、n为参评指标数和待评样本数；R为归一化处理后的标准矩阵；rjk为脆弱性等级隶属度，计算式为rjk=(xjk-xjmin)/(xjmax-xjmin)，其中xjmin、xjmax为评价指标j的最小值和最大值。

2)权重的计算。熵值法是依据各评价因子携带信息量的多少确定权重的客观赋权法，针对n个参评样本的m项评价指标的熵值Hj计算式如下：

(9)

(10)

根据计算式(11)求解各参评因子权重，从而构造脆弱性评价权重集A，即A=(a1，a2，…，am)，权重aj的计算式为：

(11)

3)水资源脆弱性综合评价。采用合成算子处理模糊关系矩阵R和指标权重矩阵A，最终获取脆弱性模糊评价结果。

2 水资源脆弱性评价

2.1 研究区概况

辽宁省位于东北地区南部，地理位置为E118°53′-125°46′、N38°43′-43°26′，占地面积14.8万km2。根据地形起伏特点将全省分为辽河平原、低山丘陵2大部分，地势总体呈马蹄形向环渤海倾斜的特征，地势地貌有“六三一水三分田”之称。辽宁地区为大陆性季风气候，气候特点为冬长夏暖、寒冷期长、春秋季短、光照丰富、平原风大、雨热同期、四季分明，年降水量600-1100mm。该区域海域辽阔，东、西两侧与黄海和渤海相邻，近海水域面积6.4万km2，岛岸线长627km，共有辽河、大凌河、牤牛河、太子河和鸭绿江等河流，分布有长兴岛、石城列岛、大鹿岛及里长山列岛等266个海洋岛屿。特殊的地理环境和复杂的水文条件，使得降水具有明显的季节性和区域性特征，6-8月主汛期降水集中且以强降雨或暴雨为主。虽然该区域的河流水系较发达、径流量大、水资源相对丰富，但复杂的地形地貌和独特的气候条件使得水系统存在可开发利用量少、边界效益低、开发难度大和开采成本高等特点，加之用水效率低和水环境保护意识薄弱，使得境内水资源功能和承载力水平持续下降[7-11]。

根据相关统计资料，辽宁地区典型河段的水体污染达到重度的占比为72.0%，参评的15条主要河流均受到不同程度的污染，区域地表水以中度污染为主，其中水功能区水质达标率近有17.7%。该区域水生态功能退化和水污染问题突出，加之局部地区地下水开发过度和水环境保护意识薄弱，使得水资源安全面临着严峻的威胁。随着水生态文明建设的推进和最严格水资源管理的实施，水环境污染现状有所好转但仍不容乐观。

2.2 数据来源

为各地市水资源和经济社会统计数据，选取2012-2018年辽宁省水资源公报、统计年鉴、环境状况公报、全国城市建设统计年鉴及经济社会发展统计资料作为数据来源。另外，考虑到局部地区的个别数据缺失的情况，数据处理过程中利用相邻年份的均值作填补处理。

2.3 各指标评价

采用文中所述公式(1)-(6)对2012-2018年辽宁省5个水资源脆弱性指标进行处理，评价结果见表1。

表1 2012-2018年辽宁省各地市水资源脆弱性指标值

续表1 2012-2018年辽宁省各地市水资源脆弱性指标值

续表1 2012-2018年辽宁省各地市水资源脆弱性指标值

根据表1可知，14各地市的安全饮水和水资源短缺压力指数均未呈现出明显的年际变化特征；大连、丹东、营口、盘锦等地区水资源利用和水短缺压力指数较大，而照样、葫芦岛、阜新等地区相对较低，可见当前能够基本保障各地区饮水安全；水污染压力较大的地区有本溪、抚顺、沈阳、铁岭等地区，其它各地区的水污染压力相差不大；水资源生产压力指数较小的地区包括鞍山、丹东、大连和营口地区，整体处于0.2-0.5之间。

2.4 水资源脆弱度阈值

综合考虑专家经验、数值分布和区域水资源实际情况，借鉴相关资料确定水资源脆弱度不同等级阈值，将综合评价等级划分为1级不脆弱、2级轻度脆弱、3级中等脆弱、4级重度脆弱四个等级，所对应的评分区间为≤0.02、0.2-0.5、0.5-0.7、≥0.7。

2.5 结果分析

将模糊数学发和熵权法相耦合，结合以上指标数据和权重计算结果综合确定区域水资源脆弱性，如表2。

表2 2012-2018年辽宁省水资源脆弱度评价

根据表2可知，大连市水资源脆弱性总体处于中等脆弱水平，且年际变化并未呈现出明显的规律性，压力值整体位于高水平，这主要与该区域水污染和水资源开发强度较高，经济社会发展且人口较为密集等因素相关；2012-2018年其它各地市的脆弱性总体表现出减少趋势，且丹东、营口、铁岭、阜新等地区脆弱性由中等逐渐转变为轻度，其原因为这些地区的水生态文明建设和最严格水资源管理取得了显著成效。抚顺、本溪、沈阳等地区始终属于轻度脆弱水平；辽宁省各区域2017年脆弱程度总体呈增大趋势，这与当年降水量较少、水资源总量较低等因素相关，同时这些地区的水污染指数和缺水压力指数较高。总体而言，水资源禀赋条件、区域自然条件等因素均可对水资源脆弱性产生影响，同时海域经济发展和人口规模等相关，在风险控制和水资源管理等方面各地市仍需要进一步提升。

综上分析，为推动辽宁省水生态文明建设和未来经济社会持续健康发展，需要从如下几方面采取科学有效的措施降低区域水系统脆弱性：①科学规划和统一管理区域水资源系统，提升用水效率并改善水资源供需结构，持续推进水生态保护和水污染防治工作；②为改善城市环境和保护水源涵养区，建议实施生态工程建设与小流域综合治理，加强受污染河道的生态治理和污染控制工程建设，为提高用水效率采取中水回用和污水再利用工程措施；③普及推广节水器具和高校用水技术，提高用水效率和农业产出效益，减少农药化肥等施用对地下水的污染程度，切实提升综合用水效率。

3 结 论

文章结合相关研究成果和文献资料，从生态系统健康、水资源生产、发展和短缺压力等方面构建水资源脆弱性RDEP框架体系，然后对2012-2018年辽宁省各地市水系统脆弱程度进行评价，得出的结论如下：

1)RDEP水资源脆弱性框架体系中各指标与水资源政策密切相关，且以长系列省级或国家统计数据获取各指标初始值，推广应用价值较强且数据便于获取。

2)对辽宁省2012-2018年水资源脆弱性利用熵权法耦合模糊数学法评价，结果发现大连市水资源脆弱性总体处于中等脆弱水平且年际变化并未呈现出明显的规律性。研究期间其它各地市的水系统脆弱性总体表现出下降趋势。

3)研究表明，各地市水资源政策和社会经济发展均可对水资源脆弱性产生显著影响。所以，在未来水资源管理中应保障水资源承载力与各行业用水量的协调匹配，通过对用水结构和格局的优化调整缓解区域水资源脆弱压力。

4)水资源系统涉及到的范围广、内容多且往往存在许多不确定因素，对其脆弱性价属于一项复杂庞大的综合体系。因此，评价指标体系的构建往往存在较大的难度，为保证评价结果的客观、准确性必须筛选出科学、有效且代表性较好的指标。文章所构建的水资源脆弱性评价体系还存在许多不足，未来还需要进一步完善和优化指标体系。