营口市水资源承载力综合分析

聂 凯

(辽宁省营口水文局，辽宁 营口 115003)

0 引 言

借鉴相关研究成果，现阶段对水资源承载力尚未形成统一的理论体系和认知，如王建华、侯丽敏、惠泱河、段青春等对承载力的定义均有过不同的解释。但无论研究人员如何的定义，都是以水资源最大支撑的经济社会发展规模为基础。所以，可通过经济、社会、环境、资源等要素确定水资源承载力。目前，综合评价水资源承载力的方法较多，如逼近理想解排序法(TOPSIS)、态势分析法(SWOT)、模糊综合法(FCE)、主成分法(PCA)、层次分析法(AHP)等。其中，TOPSIS法因存在信息失真小、样本数量要求低、使用简便等特点，在综合评价水资源承载力方面得到广泛应用，如夏欢等、何刚等、屈小娥等研究。然而，实际应用过程中TOPSIS法也存在一些不足，该方法无法体现正负理想解与各方案的贴近程度，使得最接近理想点的解并不一定是TOPSIS法求出的最优解，如郭强华等、Opricovicetal。为解决TOPSIS法存在的以上问题，有学者提出一种多准则妥协解排序法(VIKOR)，该方法能够兼顾个体遗憾值与群体效用值，从而获取一个折衷解。目前，在水系统领域VIKOR法已得到一定应用，但利用VIKOR法综合评价水资源承载力的研究还鲜有报道[1-5]。

1 研究区概况

营口市地处大辽河入海口之左岸，辽东半岛西北部，地理坐标为E121°56′-123°02′、N39°55′-40°56′，全市总面积5415.68km2，现辖鲅鱼圈区、西市区、老边区、站前区4个区，盖州市、大石桥市2个县级市，被称为环渤海经济圈最具竞争力的城市。2014年末，营口市总人口达到233.3万人，生产总值1591.1亿元。境内河网密布，各支流蜿蜒曲折，分布有大清河、熊岳河、碧流河、浮渡河、辽河等130余条河流，建有33座小型水库和4座大中型水库。虽然营口市水资源总储蓄量丰富，但其人均占有量(342m3)较少，远远低于全省及全国平均水平，按照国际公认标准属于水资源匮乏区。此外，营口市具有较高的水资源开发利用率，现状开采率达到61%，远远超出40%的界限值，长期以来该区域都处于缺水状态。受地形条件和季风性气候影响，在时间与空间上降水分布不均，汛期6-9月降水比较集中，并且多为强降雨。总体上，水资源系统存在可利用总量少、开采成本高、边际效益低、开发难度大等特点，加之降水分布不均、水环境污染等，明显增加了水资源的利用难度。

2 研究方法

2.1 评价体系

水资源承载力评价的关键是如何构建系统、全面的综合评价体系，如左其亭等提出应在生态、经济、社会、水资源复合系统中研究水资源承载力。一般地，综合评价体系可划分为3个层次，即指标层、准则层和目标层。目标层体现了复合系统中水资源的配置情况与整体变化；准则层由水环境、水资源、经济、社会等子系统构成，它是进一步细化的目标，可用于描述水资源承载力受污染物排放、水资源开发利用、水资源总量、各行业用水效率、生活品质提高、人口增长等因素的影响；指标层包含各项参评因子，它是承载力评价的具体体现，选取的参评指标应符合数据准确易获取、含义清晰易懂、代表性强等要求。因此，文章结合现有文献资料，充分考虑营口市水资源现状，遵循科学性、独立性、准确性、可行性等原则选择17项典型指标，构建多因素多层次承载力评价体系如表1。根据水资源承载力与参评指标之间的相关性，将评价指标划分为数值越小承载力越高(成本型)、数值越大承载力越优(效益型)两类。

表1 营口市水资源承载力评价体系

2.2 VIKOR评价法

1998年，Opricovic教授基于LP-metric聚合函数提出了一种多属性决策的VIKOR法，通过计算正、负理想解确定各决策方案的折衷解，在决策过程稳定且处于可接受优势范围内，按照理想方案与各决策方案之间的接近程度实现优劣排序。考虑个人主观偏好的VIKOR法的最大特色，就是妥协了最小化的“个体遗憾”和最大化的“群体效益”，为更加合理的解决多属性决策问题提供了条件。一般地，可将VIKOR法分为利益比率计算、个体遗憾值与群体效益值计算，理想解计算、数据标准化、权重计算5个步骤，具体如下：

步骤1：权重的计算。目前，比较常用的权重计算方法包括组合赋权法、CRITIC法、熵权法、德尔菲法等。其中，以冲突性和对比强度为基础的CRITIC法，在构造权重时考虑了参评指标受关联性、变异性的影响，所以该方法能够最大程度的挖掘原始数据信息，可以准确的计算指标客观权重。然而，有学者认为利用标准差判别数据变异程度的CRITIC法，通常存在误差大、准确度等问题；李宁馨等研究认为平均差能够客观、全面地描述数据变异程度。鉴于此，对各参评指标权重(如表1)利用平均差改进的CIRTIC法计算，即：

(1)

(2)

式中：Ej、ADj为参评指标j的信息量及其平均差；ρij为参评指标i与j之间的相关系数；ωj为参评指标j的权重。

步骤2：数据的标准化。为了便于计算分析需要对各项指标的初始数据进行标准化处理，经处理所有数据统一转化为无量纲的数值，即效益型和成本型指标的标准化公式如下：

(3)

(4)

式中：aij、rij为决策方案i中参评指标j的原始数据和标准化数据。

步骤3：理想解的计算。正理想解是指最小化成本型指标且最大化效益型指标的决策方案，负理想解是指最大化成本型指标且最小化效益型指标的决策方案，固定值法、绝对值法、最大最小值法是常用的理想解计算方法。对于理想解的计算，文章拟选用绝对值法以保证评价结果的可靠稳定性，其表达式为：

(5)

(6)

步骤4：个体遗憾值与群体效用值。个体遗憾值是指最高值与其他值在某决策方案中的差额，主要用于描述因决策者判断失误所带来的价值损失。群体效用值是一种反映对于得失效果决策者们的态度与看法的数值，即衡量对于某些事物决策者的个人偏好与主观倾向。在个体遗憾值与群体效用值计算过程中，VIKOR法忽视了负理想解信息而仅考虑正理想解的数据。虽然，正、负理想解存在一定的关联，但负理想解还是存在其特有的信息。所以，对个体遗憾值和群体效用值的计算，文章拟设定的参照值有正、负理想解两种情况，参照值选正理想解时的计算式为：

(7)

参照值选负理想解时的计算式为：

(8)

综合考虑以上两种情况，最终可以利用下式计算决策方案的个体遗憾值和群体效用值，其表达式为：

(9)

(10)

步骤5：利益比率与排序。将个体遗憾值与群体效用值相结合计算确定利益比率Qi，为了促使VIKOR法能够达到个体遗憾的最小化和群体效用的最大化需要引入决策机制系数u，该值越大则反对者的个体遗憾越不被注重，决策过程中最大化群体效用越被注重。为了同时达到个体遗憾最小化和群体效用最大化决策机制系数u取0.5，并按降序排列利益比率，其计算式为：

(11)

Si,max=maxSi，Si,min=minSi，
Ri,max=maxRi，Ri,min=minRi

(12)

3 结果与分析

3.1 数据来源

以2010-2019年《营口市统计年鉴》作为各参评指标的数据来源，对于其中缺失的数据参照相关环境基础设施建设、《营口市水资源公报》、《辽宁省统计年鉴》等资料补充。然后按照前文所述步骤，收集整理各项参评指标初始数据，利用公式(3)-(12)完成利益比率Qi、个体遗憾值、群体效用值、正负理想值和初始数据标准化等计算处理。水资源承载力综合评价值为利益比率Qi，其值越小则承载力越高。

3.2 水资源承载力纵向分析

综合评价2010-2019年营口市水资源承载力，如表2和图1。由图1(a)可知，2010-2019年研究区综合评价值呈逐年减小的趋势，则营口市水资源承载力不断增强。根据其变化特点，总体上划分成3个阶段：2010-2015年的第一阶段，该阶段综合评价值不断减小，从0.7365稳步减小至0.4150，这是由于营口市采取了环境保护政策和节水措施，同时水资源总量整体稳定，所以此期间承载力稳步增强；2015-2016年的第二阶段，该阶段综合评价值明显增加，从0.4150快速增大至0.8641，变化幅度达到50%以上，并达到研究期的最高值。这是由于2016年营口市水资源总量较2015年减少了近20%，此年遭受了严重的旱灾且水资源利用率达到80%，局部地下水被过度开采；2016-2019年的第三阶段，该阶段的综合评价值逐年减少至2016年之前的水平，并进一步下降至最低水平，年均下降幅度0.2160。产生这种变化的原因有很多，例如解决干旱问题后水资源总量逐步得以恢复，农田灌溉节水技术在大规模干旱后得到广泛应用，农业用水效率明显提升，实行阶梯式水价营口市生活节水取得了明显成效。此外，近年来营口市建设实施了一批跨流域调水工程、节水增粮项目和灌区节水改造工程等，有效解决了干旱缺水问题。以上措施和政策的有效实施，为快速恢复营口市水资源承载力创造了有利条件，评价结果能够客观真实的反映城市水资源状况。

表2 营口市各区、县2019年水资源承载力

表2 营口市2010-2019年水资源承载力

由图1(b)可知，2010-2019年营口市水资源子系统评价值表现出明显的波动变化特征，其原因为地表水资源占比、供水模数、产水模数等均可对评价值造成影响。在时间分布上，水资源总量不均使得人均水资源量下降、水资源波动变化，这在一定程度上增加了该子系统压力。为满足水资源供给需求，营口市保持较高的水资源利用率(60.72%)，明显高于40%的国际标准，可见营口市水资源短缺问题较为突出。营口市经济、社会子系统评价值表现出波动下降的变化特征，这主要与不断推广应用的节水技术有关，从而使得农业灌溉、生产生活用水量有所下降。2019年较2010年的万元工业增加值用水量、万元第一产业增加值用水量、万元生产总值用水量减少了48.1%、65.0%、71.6%。在2013年生活用水量达到2.91×108m3后不断减少至2019年的1.94×108m3。然而，营口市节水灌溉系数(0.62)较发达国家的0.7-0.8还存在一定差距，万元工业增加值用水量(10.61m3)较世界先进水平的3.75m3、国内先进水平的5.0m3还存在较大提升空间，生活节水器具普及率也有待进一步提升。营口市水环境子系统评价值表现出先增加后减少的变化特征，这主要与污染物排放量、生态环境用水率等因素有关。污染物排放量随着经济的快速发展不断增加，并且在2013-2015年排放量达到最高，此后随着污水处理率的提高和污水治理投资的加大，污染物开始逐渐减小，在2016年后该子系统评价值逐步较少。由此表明，水资源承载力虽然会受到经济社会发展的影响，但随着污水处理率的提高和治理力度的加大，能够缓和并化解经济社会发展与水资源承载力之间的矛盾。综上分析，营口市仍具有较大的水资源承载力提升空间，其有效途径是加大治理力度和投资规模等。

(a)综合评价值

(b)各子系统评价值

3.3 水资源承载力横向评价

综合评价2019年营口市各市、区的水资源承载力，如表3和图2。由图2可知，综合评价值较小的有大石桥市、盖州市、鲅鱼圈区，该地区水资源承载力较高，而综合评价值较大的有西市区、老边区、站前区，这些地区水资源承载力较低。由表3可知，盖州市、大石桥市的水资源子系统评价值较小，该子系统承载力较高，这些地区具有较丰富的水资源，并且水库、河流较多；老边区、西市区和站前区的水环境较差，评价值较高，承载力较低；西市区、站前区的经济和社会子系统评价值较高，该区域属于生活用水集中区，所以评价值偏高。

图2 2019年营口市各市、区水资源承载力

由此表明，水资源条件与部分地区产业布局、结构不匹配，水资源承载力不足以维持现状开发利用程度。以老边区为例，该区域水资源总量较少但产业密集、人口稠密，水资源承载力偏低且开发率利用率较高；此外，老边区污染物排放量高水环境压力大，在水环境保护、非常规水资源利用和水利设施建设方面仍需对老边区加大投入。

4 结 论

1)VIKOR法能够有效协调环境、资源、经济、社会之间的关系，综合考虑个体遗憾值和群体效用值确定折衷解，确保评价结果更加客观准确的反映实际情况，该方法逐渐成为综合评价水资源承载力的有效手段。

2)2010-2019年，营口市综合评价值呈逐年减小的趋势，则水资源承载力不断增强。这主要与水价政策的完善、节水技术的应用、跨流域调水工程建设等措施和政策的实施有关，营口市仍具有较大的水资源承载力提升空间，其有效途径是加大治理力度和投资规模等。

3)营口市综合评价值较小的有大石桥市、盖州市、鲅鱼圈区，这些地区水资源承载力较高，而综合评价值较大的有西市区、老边区、站前区，这些地区水资源承载力较低。此外，水资源条件与部分地区产业布局、结构不匹配，水资源承载力不足以维持现状开发利用程度。

4)为增强营口市水资源承载力，建议合理调整产业结构、建设节水型社会，完善污水收集系统、减少污染物排放量，加强非常规水利用、提高污水处理能力，完善相关制度政策、减少用水量等措施，最大程度的维持水系统良性循环。