鞍山市水资源承载力空间差异分析

曹明川

（辽宁省鞍山水文局，辽宁 鞍山 114000）

0 引言

水资源是维持人类生存发展和生态系统平衡的自然基础资源，也是公共社会资源和战略经济资源[1]。近年来，水资源所发挥的重要作用日趋突出，生态、经济、社会和水资源子系统相互促进协调发展，这也是保证水资源合理开发的重要保障[2-5]。水资源承载力是指水体能够支撑经济社会发展的最大规模，体现了生态、经济、社会与水资源各子系统的内在协调性。因此，研究分析水资源承载力时空差异特征，对促进社会经济与水资源的协调持续发展具有现实意义[6]。

目前，研究水资源承载力的方法有综合评价法、系统动力学法及经验公式法等。其中，综合评价法是利用数学方法，从生态、经济、社会和水资源等方面选定指标，综合评价区域水资源承载力；系统动力学法具有全面系统、计算速度快等特点，但初始数据获取难度大，其推广应用受到一定限制；经验公式法未考虑生态、经济、社会与水资源的内在关联性，虽计算简单，但精准度较低。TOPSIS 法是一种具有不受样本数量限制、信息失真小、计算简便等优点的综合评价法，故利用TOPSIS 逼近理想解排序法评价分析2020 年鞍山市下辖的各县(市)、区水资源承载力及其空间差异性和障碍因子，以期为区域生态、经济、社会与水资源的协调发展提供技术支持[7-8]。

1 区域概况

鞍山市地处辽东半岛对外开放的中心，境内沈秦新电气化铁路、中长铁路、沈山和沈大高速公路横贯，地理位置优越，交通条件便利。该区域属温带大陆性季风气候，环境优美，气候宜人，四季分明，年均降水量703.7mm，年均气温9.4℃，年均蒸发量1750.2mm，平均风速3.5m/s，相对湿度60%，日照时数2540h，最大冻土深118cm。境内共有大洋河、饶阳河、浑河、大辽河、太子河、辽河6 条大型河流，哨子河、海城河2 条中型河流以及27条小型河流。

调查显示，鞍山市年均地表水供水量24712万m3，地表水248562万m3，开发利用率9.9%，各流域统计数据如下：大洋河、饶阳河、浑河、大辽河、太子河、辽河流域地表水资源量依次为173400万m3、1422万m3、3374万m3、2467万m3、43900万m3、6860万m3，地表水供水量依次为3656万m3、53万m3、228万m3、257万m3、19712万m3、122万m3，开发利用率依次为2.1%、3.7%、6.8%、10.4%、44.9%、1.8%。地下水实际开采量6.87亿m3，可开采量6.58亿m3，开采率104%，局部地区更加严重，具体如下：大洋河、饶阳河、浑河、大辽河、太子河、辽河流域地下水可开采量依次为0.53亿m3、0.29亿m3、1.21亿m3、0.47亿m3、2.11亿m3、1.92亿m3，实际开采量0.18亿m3、0.30亿m3、1.58亿m3、0.48亿m3、2.54亿m3、1.75%，开采率为33.4%、103.7%、131.0%、102.5%、120.9%、90.9%。

随着城市经济的迅速发展，工农业生产和城乡居民用水需求量急剧增大，当地水资源供需矛盾突出。因此，研究评价区域水资源承载力及其空间差异性和障碍因子，对于城市生活和工、农业用水调节控制以及水资源合理利用规划具有重要意义。

2 研究方法

2.1 构建评价体系

水资源承载力可反映区域生态、经济、社会与水资源的内在协调关系，对促进水资源优化配置具有重要作用。本文结合水资源承载力的内涵、概念和鞍山市水资源实际情况，充分考虑水资源支撑生态环境、社会经济和人口规模的最大能力，并遵循可操作性、系统性、独立性和科学性等原则，从水维护、水需求、水供给的角度选择16 项代表性指标构建评价体系如表1 所示，研究分析2020 年鞍山市下辖的各县(市)、区水资源承载力及其空间差异性和障碍因子。

表1 水资源承载力评价体系

目前，研究评价水资源承载力的文献资料有很多，但由于评价指标体系和研究方法存在明显差异，现阶段尚未形成普遍适用的等级划分标准。因此，为更加直观地反映区域水资源情况，本文参考相关文献将评价结果划分成5 个等级，如表2 所示。

表2 承载等级划分标准

2.2 计算方法

2.2.1 熵权法

本文利用熵权法计算表1 中各项指标权重，该方法是以所获取的信息量多少来决定评价结果的精准度，具有较强的客观性。信息熵越小则指标提供的信息量越多，赋予的权值就会越大，反之则越小。设初始评价矩阵X=(xij)m×n，其中m、n代表评价样本数和参评指标数，m=4，n=16。

由于不同指标的量纲或数量级不同无法直接进行计算，所以必须对初始数据进行标准化处理，预处理公式为：

式中：xij、rij——参评样本i中评价指标j的初始数据和标准化值；min(xj)、max(xj)——所有样本中评价指标j的最小值和最大值，预处理后各指标值变化范围为0～1。

然后利用以下公式计算各参评指标的信息熵ej，即：

式中：fij——评价样本i中指标j的标准值比重。

结合信息熵ej计算结果，可利用公式（4）确定各指标权重ωj，即：

2.2.2 TOPSIS 法

1981 年，H Wang 和Yoon 最早提出一种用于多目标决策分析系统工程有限方案的TOPSIS 数学方法，通过计算最劣解、最优解与评价样本之间的距离判定其优劣程度，具体步骤如下：

步骤1：正负理想解A+、A-。将待评价样本各指标初始数据标准化处理，从而构造标准矩阵R=(rij)m×n，通过大小排列比较确定正、负理想解，即：A+=(Amax1，Amax2，…，Amaxn)、A-=(Amin1，Amin2，…，Aminn)。

步骤2：相对接近程度Gi。待评价样本i与正、负理想解之间的距离Z+、Z-利用可下式计算，即：

水资源承载力综合评价指数就等于待评价样本i与理想解的相对接近程度Gi，Gi值越大则待评价样本的水资源承载力越接近理想状态，水资源系统越优；反之，Gi值越小则待评价样本的水资源承载力越远离理想状态，水资源系统越差，Gi的计算方法为：

2.2.3 障碍度计算

一般地，主要有指标偏离度Ci、障碍度Oi和因子贡献度Fi三个衡量指标诊断障碍因素。其中，指标偏离度Ci反映了最优目标值与各项指标实际值之间的差距，其数值等于指标的标准化值rij与1之间的差值；障碍度Oi反映了单项指标或子系统影响水资源承载力的高低；因子贡献度Fi反映了单一指标Xi对总目标的贡献程度，可以用熵权法获取的权重ωi来描述。其中，指标偏离度Ci和障碍度Oi的计算方法为：

3 结果与分析

3.1 空间差异分析

研究数据来源于2020 年鞍山市统计年鉴、环境状况公报、水资源公报、国民经济统计公报等资料，利用熵权TOPSIS 法定量计算2020 年鞍山市水资源承载力及空间差异，全面反映生态、经济、社会和水资源系统状况，如表3 所示。

表3 水资源承载力评价值

结果表明，鞍山市水资源承载力综合评价值0.46，达到Ⅲ级一般承载状态，各辖区综合承载力也在0.6 以内。其中，台安县和市辖区水资源承载力均＜0.4，达到Ⅳ级较弱承载状态，究其原因是该地区降水较少，加之城市人口多且地表水资源不足，致使城市生活和工、农业生产用水压力大，经济社会与水资源之间的协调性较差。海城市水资源承载力综合评价值最高0.61，达到Ⅱ级较强承载状态，在水资源、社会和经济等方面均高于其它地区，究其原因是海城市生态治理较好，社会经济达到中上水平，降水充沛，水资源丰富，因此其综合承载力较高。从空间上西部和北部承载力最弱，南部较强，东南部居中，从弱到强水资源承载力排序为台安县＜市辖区＜岫岩县＜海城市。

3.2 障碍因子分析

2020 年鞍山市各辖区水资源承载力障碍度排序前10 项指标见表4，结果显示河流水质达标率X16、万元GDP 用水量X12、降水量X5、产水模数X2、地表水占比X1、GDPX10六项指标出现频率较高，排序表中的降水量X5、产水模数X2和GDPX10大多分布于前三。从地域分布上，产水模数X2是市辖区和岫岩县的第一障碍因子，降水量X5是第二障碍因子；降水量X5是海城市的第一障碍因子，产水模数X2是第二障碍因子；GDPX10是台安县的第一障碍因子，产水模数是第二障碍因子，说明鞍山市对降水量X5和产水模数X2较为敏感。另外，森林覆盖率X15、第三产业占比X11、供水模数X3指标出现频率也较高，说明这三项指标也在不同程度上影响着区域水资源承载力。

表4 主要障碍因子排序

通过计算鞍山市各辖区水资源承载力指标障碍度均值可知，产水模数X2、GDPX10和降水量X5的障碍度均值依次为15.26%、15.41%、15.92%，这三项指标障碍度均值高于其它指标，表明其对水资源承载力评价结果贡献率最大。对于经济子系统，从小到大对水资源承载力影响程度排序为社会(9.2%)＜生态(11.8%)＜经济(27.6%)＜水资源(51.4%)，由此表明区域水资源承载力受水资源子系统的影响最大，并且经济子系统中的GDPX10和水资源子系统中的降水量X5、产水模数X2对评价结果影响最大。

4 结论

1）2020 年鞍山市各辖区水资源承载力评价值均在0.6 以内，全市整体达到Ⅲ级一般承载状态，海城市生态治理较好，社会经济达到中上水平，降水充沛，水资源丰富，其水资源承载力相对较高。各地区生态环境的差异性、经济发展的不均衡性和水资源的不均匀性使得各子系统承载力空间分布存在一定差异。

2）从小到大4 个子系统的障碍影响排序为社会＜生态＜经济＜水资源，其中降水量、产水模数和GDP 是影响2020 年水资源承载力的重要指标。因此，促进生态、经济、社会与水资源协调发展的关键是实现水资源的合理利用以及人口规模的合理控制，并注重经济社会的发展。

3）受限于数据资料，本研究评价分析了鞍山市各辖区水资源承载力空间差异性及其障碍因子，可为区域水资源高效利用提供一定参考。由于未考虑水资源的空间与时间属性，未来仍需完善评价体系，进一步探讨水资源承载力的时间与空间演变规律，为城市生活和工、农业用水调节控制以及水资源合理利用规划指明方向。