大凌河流域水资源可持续性动态综合评价

孙志强

(北票市水资源办公室，辽宁 北票 122100)

1 研究方法

1.1 流域概况

大凌河是辽宁省西部最大的河流，发源于建昌县，流经葫芦岛、朝阳、锦州、喀左、朝阳县、朝阳市区、北票市、义县、凌海、盘锦等市县区，全长447 km，流域面积23 263 km2，其中，境内面积占全流域的86%。大凌河在建凌水库以上段地势较陡，白石水库以下段地势趋向平缓，支流多集中于左侧，较大支流主要有细河、牤牛河、凉水河子河和老虎山河。

近年来，大凌河流域内经济迅速增长，同时带来了水环境污染、生态环境脆弱、水资源短缺、防洪体系不完善和洪水灾害频繁等问题，加之管理保护与治理薄弱，已成为制约辽西经济发展的瓶颈。因此，聚焦于大凌河流域水资源可持续利用问题是促进辽西生态带健康发展的重要内容。

1.2 数据来源

研究数据来源于2012—2020年辽宁省水资源公报、统计年鉴、环境年鉴和中国统计信息网等有关资料，通过线性内插法或数理统计法补充个别缺失数据。

1.3 构建评价指标体系

本文遵循最小均方差、极大不相关、数据获取难易程度、指标可量化性及系统性等原则，采用PSR概念模型选择15项代表性指标构建综合评价体系如表1。其中，P代表流域人类活动对流域水资源所产生的压力，S代表水资源系统在压力作用下的状态，R代表人类社会对状态发生变化后的水资源系统所做出的响应，从而实现资源、经济与环境的协调发展。

表1 大凌河流域水资源可持续性评价体系与等级划分

借鉴有关文献资料[1-2]，将水资源可持续性划分成Ⅴ级(非常好)、Ⅳ级(好)、Ⅲ级(警戒)、Ⅱ级(差)、Ⅰ级(非常差)5个等级，不同等级下各评价指标取值范围如表1。

1.4 评价流程

1995年李德毅院士提出一种用不确定语言值转换处理定量描述与定性概念的元模型，采用正态云模型评价流域水资源可持续性可以有效解决可能存在的随机性和离散性问题，其具体计算步骤如下：

步骤1：首先，生成正态随机数En′=NORM(En，He2)(以He2为方差、En为期望)和xi=NORM(Ex，He′2)(以En′2为方差、Ex为期望)。然后，采用公式(1)计算数域中的云滴μ(xi)，并重复以上步骤直至生成n个云滴，如式(1)。

(1)

式中：μ为由多个云滴所组成的云；xi为数域中第i个云滴数值；Ex为期望；En′2为方差。

(2)

di值越小代表决策方案越接近理想方案。然后，利用式(3)～式(5)归一化处理各向量，并构建理想方案到主、客观权重与组合权重方案距离偏差量的规划模型，采用拉格朗日函数促使主、客观组合权重偏差最小，其表达式与极值ω′如式(6)～式(7)：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

将组合权重利用公式(8)进行归一化处理，构造水资源可持续性评价因素域Z={z1，z2，…，zn}和评价域V={v1，v2，…，vn}。

(8)

(9)

式中：He为超熵值，用于衡量熵的不确定性，He值越小，则云滴离散型越低，相应的云层厚度就越小，结合经验和有关研究成果确定超熵值He为0.01。然后，采用正向云发生器和实测数据计算参评指标i隶属于等级j的程度zij，建立隶属度矩阵Z=(zij)n×m。

步骤4：通过模糊转换处理将隶属度矩阵Z与权向量W转变成评语集V上的模糊子集B，如式(10)：

B=W×Z=(b1，b2，…，bm)

(10)

(11)

式中：zij为参评指标i隶属于等级j的程度。

2 结果与分析

2.1 正态云标准

为了计算确定不同等级下各参评指标的隶属云，还需要基于正态云模型建立大凌河流域水资源可持续性分级标准如表2，在Matlab软件中输入各参评指标的正态云标准可以生成相应的云图形。

表2 水资源可持续性正态云标准

2.2 权重计算

采用三标度改进的层次分析法和熵权法计算各指标主、客观权重，具体过程不再赘述，详见文献[3]。利用式(7)～式(8)计算理想点组合权重，结果如表3。

表3 水资源可持续性评价指标权重

2.3 水资源可持续性评价

2.3.1 横向对比分析

根据以上计算步骤和大凌河流域2012—2020年有关数据，遵循最大隶属度原则确定建昌、喀左、朝阳县、朝阳市区、北票市、义县、凌海、盘锦8个市县区水资源可持续性评分及其所属等级，如表4。

表4 2012—2020年大凌河流域水资源可持续性评分

结果表明，2012—2020年大凌河流域水资源可持续性总体处于较低水平，但表现出波动上升趋势。对于不同区域，水资源可持续性存在明显差异，其中，朝阳县、朝阳市区评价等级逐渐提高，2020年水资源可持续性处于Ⅳ级(好)水平，其他地区均处于Ⅱ级(差)及以下状态。

2.3.2 纵向指标分析

采用相同的方法和正态云模型计算2012、2020年大凌河流域水资源可持续性各子系统评分及其等级，如表5。

表5 水资源可持续性准则层指标评价值(2012年、2020年)

结果表明，2012—2020年大凌河流域压力子系统整体位于较低水平，其中，建昌县、喀左县和朝阳县的综合评分有所减少，但评价等级不变；朝阳市区、北票市、凌海市和盘锦市的压力子系统评价等级下降，这是因为经济的发展和城镇化水平的提升使得水资源消耗量急剧增大，从而引起水污染加剧、水资源短缺等问题[4-5]；虽然，义县的压力子系统始终达到Ⅰ级水平，但评分从2012年的0.0382增加至2020年的0.1080，表明压力子系统表现出好转态势。

2012—2020年大凌河流域状态子系统表现出两级分化态势，其中，凌海市始终达到Ⅰ级最低水平，并且评分表现出明显下降趋势，结合原始数据可知，2020年凌海市水资源储存量和人均水资源量相较于2012年均大幅下降；朝阳市区和盘锦市状态子系统呈快速发展态势，2020年处于Ⅲ级状态，其他地区达到中等水平。另外，2012—2020年大凌河流域响应子系统表现出明显提升趋势，2020年朝阳县、朝阳市区、北票市和盘锦市响应子系统均处于Ⅳ级(好)水平，这主要得益于当地城市污水处理水平提升、城市绿化建设和产业转型升级等众多水资源治理措施。然而，建昌县和喀左县响应子系统依然处于Ⅱ级(差)状态，为促进水资源可持续发展仍需加大治理力度[6-8]。

3 结 论

(1)2012—2020年，大凌河流域水资源可持续性总体处于较低水平，但表现出波动上升趋势。对于不同区域，水资源可持续性存在明显差异，其中，朝阳县、朝阳市区评价等级逐渐提高，2020年水资源可持续性处于Ⅳ级(好)水平，其他地区均处于Ⅱ级(差)及以下状态。对各子系统，2012—2020年压力和状态系统提升速度较快且处于较低水平，这也是限制水资源可持续发展的主要因素，水资源响应子系统具有较快发展速度。

(2)统筹指标和时间维度，大凌河流域人口大量聚集、城镇化快速推进以及经济不断发展使得水资源需求量增加，加之水生态治理保护较为滞后，在一定程度上制约着流域水资源可持续发展。因此，为进一步促进水资源可持续利用，在今后发展中建议采取以下措施：其一，建立统一管理制度，有效开发和科学配置流域水资源，协调供需关系实现可持续利用；其二，加强环境治理及保护，通过植树造林增强水源涵养功能，利用先进技术手段提高水资源利用率和污水源循环利用率；其三，加大节水宣传与教育，鼓励广大居民参与节水行动。