铁岭市水资源承载力预警分析研究

李 玥

(辽宁省河库管理服务中心，沈阳 110000)

水是生态环境和人类活动中影响最广、最为活跃、起决定作用的因素，也是国民经济的命脉和生命与文明的摇篮。近年来，随着社会经济的迅速发展，环境、资源和人口问题不断突出，水资源承载力逐渐成为学术界研究的热点之一。水资源承载力预警可以明确经济社会协调发展状况，及时准确地掌握水资源系统变化速度和发展趋势，为实现水资源可持续发展与合理调控提供支持[1-3]。目前，针对水资源承载力国内学者开展了深入研究，如曹可馨等[4]将人工神经网络模型与水资源承载力理论相结合，科学预警分析了水环境承载力；高伟等[5]在水资源承载力预警分析时引入系统动力学法进行研究；楼胜霞等[6]以遵义市为例，分县级和市级两个层面利用GIS技术定量分析了水资源承载力。鉴于此，文章结合现有研究资料，应用灰色关联法和GM(1，1)模型预测预警了铁岭市现状年及未来的水资源承载力，旨在为实现区域经济社会可持续发展及水资源规划和利用提供决策依据。

1 构建预警指标体系

为确保水资源承载力预警体系的全面性与整体性，综合考虑当地水资源实际情况和社会经济、生态环境、资源开发状态，借鉴相关研究资料，应用PSR模型筛选出14项典型指标形成预警指标体系，基于PSR模型的预警指标体系及权重，见表1。其中，承载压力反映水资源系统受人类活动的压力和干扰，承载状态体现了自然要素受各种因素长期作用的结果，承载响应反映了面对自然问题人类采取的措施与决策。该体系能够全面地反映经济发展与水资源的相互关系，反映水资源承载安全状态。

表1 基于PSR模型的预警指标体系及权重

2 水资源承载力预警模型

2.1 数据预处理

不同指标对水资源承载力的贡献具有明显差异，总体上可分为正向(越大越优型)和负向(越小越优型)两种类型。由于不同指标间的不可通透性直接计算会带来较大误差，致使评价结果失真。因此，在计算分析前必须先归一化处理各指标初始数据，参考李祚泳[7]等推荐的方法先归一化处理各参评因子值，再利用熵权法计算水资源承载力各指标客观权重Wi。

2.2 灰色关联预警

灰色关联分析是一种利用序列曲线几何形状的相似程度来定量分析所有参评因子之间关联度的方法，一般适用于时间序列信息较少的小样本研究，能够保证分析结果与量化数据的一致性[8-9]。

1)步骤1：灰色关联系数。设Xj={xj(1)，xj(2)，…，xj(m)}、L0={x0(1)，x0(2)，…，x0(m)}为比较序列和参考序列，令△j(i)=|x0(i)-xj(i)|，利用下式计算Xj与L0之间的关联系数，即：

(1)

式中：ρ为分辨系数，文中ρ取0.5。

2)步骤2：灰色关联度。采用公式(2)计算灰色关联度Ej，即：

(2)

2.3 GM(1，1)预测模型

GM(1，1)模型是利用一次累加将原始非负离散数据列转变成新的序列，并应用微分方程求解离散点数值的方法，经累减计算近似估计值预测原始数据发展态势，建模流程如下：

2)步骤2：结合以上计算结果建立GM(1，1)微分方程，其数学表达式：

(3)

3)步骤3：采用最小二乘法可以确定(a,b)T=(BTB)-1(BTY)，其中参数a、b可以利用下式计算：

(4)

3 实例应用

3.1 区域概况

铁岭市位于松辽平原中段，地处E123°27′～125°06′，N41°59′～43°23′之间，全市面积12985 km2。地势南低北高、中低东高、西部稍高，中部属从北向南缓泄的辽河平原，东西两侧分布山地和丘陵，大体呈“四山一水四分田，一分道路和庄园”。境内河网水系密布，辽河干流贯穿南北。根据技术要求，可以将全市划分成12个水资源分区，即浑河、辽河右岸诸小河、中固河、凡河、柴河、清河、寇河、亮子河、二道河、昭苏台河、东辽河(Ⅰ)和(Ⅱ)。铁岭市属温带半湿润、湿润季风气候，多年平均降雨量700mm，年均气温6.3℃，雨量适中，四季分明。2020年降水量769.1mm，蒸发量1119.6mm，水资源总量31.91亿m3，其中地表水和地下水23.49亿m3、12.28亿m3，两者重复计算量3.85亿m3，为铁岭城乡居民生活用水以及下游工农业生产提供了必要条件[10-11]。

近年来，随着经济的高速发展以及城镇化进程的加快，各行业用水量急剧增加，铁岭市水资源矛盾突出，因此预警分析水资源承载力及其变化趋势的意义重大。以2014-2020年《铁岭市国民经济与社会发展公报》、《铁岭市水资源公报》、《铁岭市统计年鉴》和政府部门工作年报获取文中相关数据。

3.2 权重计算

通过归一化处理各指标初始数据，应用Matlab编程和熵权法求解各层次指标客观权重。

3.3 结果分析

以铁岭市2014-2020年水资源承载力14项评价指标的最大值构造参考序列，即L0={x0(1),x0(2),…,x0(14)}，然后选择各项指标的第30%、60%、90%分位数构造三个比较序列，具体如下：X1={x1(1),x1(2),…,x1(14)}、X2=={x2(1),x2(2),…,x2(14)、X3=={x3(1),x3(2),…,x3(14)}。令△j(i)=|x0(i)-xj(i)|，2014-2020年各指标间的灰色关联系数和关联度利用公式(1)～(2)计算，灰色关联系数与关联度，见表2。其中，理想数与L1、L2、L3的灰色关联度用E1、E2、E3表示，关联度>L1、介于L1～L2、介于L2～L3、

表2 灰色关联系数与关联度

结合表2中数据，2015-2019年铁力市水资源承载力警情达到“中警”级别，2014年、2020年处于“轻警”级别。借鉴《铁岭市国民经济与社会发展》和《铁岭市水资源公报》等相关资料，2014-2020年铁岭市万元GDP用水量表现出逐年减少趋势，人均用水量呈稳中上升趋势；其中，2017-2019年铁岭市城镇化率从65%持续上升到70%，用水水的提高及用水量、经济GDP的不断增加使得水资源系统负荷逐渐加重，在一定程度上降低了水资源承载力。

近年来，铁岭市积极引入多种供水模式，产水模式持续增加，对于提高当地水资源承载力发挥积极作用；通过采取地下水、提水工程、引水工程和蓄水工程等多种供水方式，有效缓解了城镇化率和人口密度增大所带来的水资源供给压力，人均水资源量也明显提高；同时，为增强节水力度设立了多项法令法规，对维持水资源承载力达到安全状态提供了可靠保障。2020年，铁岭市开始推行定额管理和计划用水，通过降低城市供水管网漏损率以及提高非常规水资源利用率等保证城市节水目标的实现。铁岭市政府越来越关注水资源管理与保护，加快推进节水型社会建设和水资源优化配置；此外，加强推进河湖长制，切实提升水生态系统和水资源保护力度。随着污水处理水平和用水效率的提高以及产业结构的优化，水系统警情呈好转趋势，在很大程度上缓解了警戒程度。

3.4 警度预测

采用GM(1，1)预警模型和2014-2020年水资源承载力原始数据得到未来5a预测值，水资源承载力警情预测，见表3。结果显示，该预警模型的平均级比偏差为0.12056，相对残差只有0.10415，对水资源承载力数据具有较好的拟合效果。从表3可以看出，2021-2025年铁岭市水资源承载力处于“轻警”级别，这表明水资源系统负荷逐渐减小，水系统发展态势良好，这与铁岭市大力推进水污染治理、全面建设节水型社会等密切相关。虽然水资源承载力预测值达到良好状态，但随着经济社会的不断发展水资源仍面临着较大的压力，仍需加强水资源管理与保护。

表3 水资源承载力警情预测

4 结 论

1)文章基于PSR模型从生态环境、经济社会、水资源等角度选择指标构建承载力预警体系，利用GM(1，1)预测模型和灰色关联法预警预测了铁岭市现状及其未来水资源承载力发展趋势。

2)实例表明，铁岭市水资源承载力整体呈向轻度预警的发展态势，预警级别为“中警”，预警结果能够客观反映实际情况，该模型具有较高的精度和较好的实用性。随着经济的发展和城镇化的加快推进，铁岭市应以河湖长制为抓手、以改善水生态环境为核心，以保障水安全为重点制定切实可行的水资源管理制度，从而维持水资源系统处于安全可控状态。