本溪市水资源脆弱性评价

赵海安

(辽宁省本溪水文局,辽宁 本溪 117000)

0 引 言

水资源脆弱性是反映水系统演变趋势的重要参数,对其科学评价有利于促进水系统与经济的协调发展、水资源保护以及水资源利用效率的提升[1]。随着城市化水平的提升和经济的不断发展,各行业用水量快速增大,水资源供需矛盾日趋突出,水资源短缺对社会经济发展的制约更加明显。为有效解决水资源问题,从水系统构成的角度上开展脆弱性评价研究越来越引起广大学者的重点关注,如Pan等以安徽省为例,结合水资源脆弱性连接熵评价结果提出改善脆弱性的对策建议;Cen等将盲删除粗糙集(IBDRS)与随机森林模型(RF)相耦合,通过构建评价指标体系预测分析了黄海流域水资源脆弱性;汪莹等等基于GIS及RS技术,采用改进的降雨-覆盖层-径流模型评价水城盆地的岩溶地下水脆弱性[2-4]。然而,以往研究大多未考虑不同指标间的连续反馈关系,评价结果也难以全面反映水资源系统的整体状况。因此,本研究以本溪市为例,应用熵权-模糊集对法评价2015—2021年各辖区水资源脆弱性,针对现存问题提出恢复植被、优化水资源配置、调整产业结构和提高污废水回收利用率等对策,旨在为城市水资源智能与高效管理提供一定支持。

1 研究区概况

据统计,2021年全市平均降水1119.9mm,折合水量为94.23亿m3,比多年平均值偏多31.2%,属于偏丰年份。2021年地表水资源量46.90亿m3,地下水资源量8.78亿m3,重复计算量8.73亿m3,依据全市5座大中型水库数据统计,水库年末蓄水总量35.98亿m3。虽然水源条件较为丰富,但受限于特殊的地形环境和气候条件,本溪市水资源开发存在拦蓄工程建设滞后、农业用水效率低、用水忧患意识薄弱、缺乏水资源经济意识、经济发展与水资源时空分配不协调等诸多问题,有必要科学评价其水资源脆弱性程度,为本溪市水资源宏观调控及合理开发利用提供决策依据。

2 研究方法

2.1 评价体系及等级划分

文章遵循数据可获取性、可比性、主导型以及科学性等原则,从承载力、人为和自然3个方面选择8项典型指标构建本溪市水资源脆弱性评价体系,相关数据来源于2016—2021年本溪市水资源公报,如表1所示。其中,正、负向指标代表对水资源脆弱性有改善和劣化作用的因素。

表1 水资源脆弱性评价体系及等级划分

充分考虑水资源脆弱性受各评价指标的影响作用,并结合区域水资源实际情况,将参评指标初始数据划分成Ⅰ～Ⅴ五个等级,依次代表水资源系统不脆弱、轻度脆弱、中度脆弱、比较脆弱和严重脆弱,不同数据的等级划分如表1所示。

2.2 熵权法计算权重

熵权法是一种通过计算各评价指标值的无序程度来确定相应权值的客观赋权法,该方法能够避免决策者认识度差异或主观因素的干扰,采用熵权法计算权重流程如下:

步骤1:由于各项指标的数量级或单位不同无法直接参与计算,必须先对初始数据进行标准化处理,即:

(1)

式中:qij、xij为研究对象i中参评指标j的标准值和初始数据;min(xj)、max(xj)为所有研究对象中参评指标j的最小、最大值。经过以上处理可以将初始矩阵X=(xij)m×n转变成标准矩阵Q=(qij)m×n,其中m、n代表研究对象数和参评指标数,文中m=7,n=8。

步骤2:采用以下公式计算参评指标j的熵值Hj,即:

(2)

(3)

步骤3:根据信息熵Hj计算结果和公式(4)计算参评指标的权重ωj,即:

(4)

2.3 模糊集对评价流程

将水资源脆弱性评价指标集A与等级标准集B组成一个集对H(A,B),若集对存在N个特性,其中包含P个对立性、F个差异性和S个同一性,则该集对的联系度μA-B计算公式如下:

(5)

式中:μA-B为联系度,一般情况下等于特定问题分析过程中一个系统或有关两个集合所确定的对立度、差异度、同一度的代数和,实际计算时这是一个数值;I、J为差异度和对立度,取值区间均为-1～1;a、b、c为指标值xij与第k级(k=1,2,…,5)标准的同一度、差异度和对立度,并符合a+b+c=1的归一化要求。

实际上,计算等级标准与研究对象在单一指标下的联系度并不具备实际意义,可以利用模糊集理论计算相对隶属度,然后按照置信度准则和级别特征值加权求和的方法评定水资源脆弱性等级,具体流程如下:

1)计算水资源脆弱性等级k与研究对象i参评指标j的单因子联系度μijk,对于正向、负向指标其计算方法如下:

(6)

(7)

式中:sk,j为等级标准界限值,将水资源脆弱性等级划分成5个区间,通过定量计算评价等级k与研究对象i的单因子关联度直接做出同、异、反特征分析,即接近同一等级、前后相邻等级和相隔等级,从而直观地反映出5个评价等级下各项指标的3种隶属关系。若没有界限值或存在不合理的结果应将其舍去,如果s5,j是最大的界限值即参评指标xi,j>s5,j,这也不符合实际情况应舍去。因此,结合单因子关联度计算值,可以实现评价指标间对立性、差异性和同一性等关系的定量分析。

(8)

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3)确定脆弱性等级。为了提高评价等级精度以及避免模糊识别时按照最大隶属度准则可能引起的信息缺失,保证水资源脆弱性评价的稳妥性和可靠性,遵循置信度准则确定评价等级hi,即:

(11)

式中:γ为置信度,其取值范围为0.5～0.7,γ值越大则水资源脆弱性评价越可靠,γ值越小则水资源脆弱性评价风险越大,结合本溪市水资源开发具体情况γ值取0.7;K为评价等级数,文中取K=5。

3 水资源脆弱性评价及对策

3.1 结果与分析

采用熵权法和模糊集对法计算确定2015—2021年本溪市水资源脆弱性评价指标权重及等级,为检验模糊集对法的适用性与可靠性,应用灰关联分析法和模糊综合法评价2021年水资源脆弱性,结果见表2～3。

表2 水资源脆弱性参评指标权重

1)从表3可以看出,2015—2021年本溪市水资源脆弱性总体表现出好转趋势,2021年整体处于轻度脆弱等级,其中本溪县处于中度脆弱等级。

表3 水资源脆弱性评价等级

2)2017年本溪市最严格水资源管理制度开始实施,在一定程度上缓解了水环境恶化和水资源短缺的局面,各辖区水资源脆弱性自2017年逐渐改善。2021年,在强化水资源管理和补短板、强监管的新形势下,以及降水量和人均水资源量明显增加的情况下,本溪市水生态环境明显好转,研究成果与区域水资源演变趋势基本一致。

3)采用模糊集对法、灰关联法和模糊综合法评价结果不完全相同,如2021年南芬区利用模糊集对法评价的水资源脆弱性达到轻度脆弱,而灰关联法和模糊综合法评价为不脆弱等级。实际上,本溪市依然面临着一定的水资源问题,具体表现以下几点:①虽然过境水量和上游入境水量较多,但受各种因素限制无法保障水质和水量稳定,并且整体用水效率偏低,水资源浪费严重;②局部地下水超采,为满足工农业生产用水需求地下水被不断开采,从而使得地下水位持续降低。因此,本溪市水资源应处于轻度脆弱等级,而非不脆弱,所以模糊集对法评价更加准确合理,这也是该方法可以辩证地反映研究对象对立性、差异性和同一性的主要体现。

3.2 对策建议

1)提高用水效率。通过对比分析权重计算值可知,水资源脆弱性受年降水量影响较大,年降水量多少直接关系着区域水资源脆弱性程度。本溪市水资源时空分配与经济发展不协调,拦蓄工程建设滞后,为保障各行业用水需求必须提高水资源利用率,因时制宜地发展畜牧业、林业或修建水利工程拦蓄夏季雨水,也可以考虑各地区条件种植耐旱农作物,通过建设快捷、智慧管理系统提高用水效率。

2)加快产业结构调整。本溪市各辖区产业结构、经济发展水平以及自然地理条件存在一定差异,从而使得各区域的用水结构也不尽相同。所以,应加快产业结构调整,加快促进冶金、电力、煤炭等重工业向科技创新制造业的转变,逐步减小水资源脆弱性。

3)严格控制地下水超采。受地理环境和地形地貌限制,本溪市地表水开采表现出边际效益低、开发难度大、开采成本高、可利用总量少等特点,地下水在农业灌溉和工业生产中仍占据重要地位。所以,在大力发展经济的同时还要加强本溪市水资源优化配置,合理利用太子河、浑江、爱河等地表水资源。

4 结 论

文章利用熵权-模糊集对法科学评价本溪市2015—2021年水资源脆弱性,将评价结果与灰关联分析法、模糊综合法相比较验证该方法的可行性。结果表明,2015—2021年本溪市水资源脆弱性总体表现出好转趋势,2021年整体处于轻度脆弱等级,其中本溪县处于中度脆弱等级。模糊集对法评价更加准确合理,这也是该方法可以辩证地反映研究对象对立性、差异性和同一性的主要体现。针对本溪市水资源开发利用存在的问题,提出提高用水效率、加快产业结构调整和严格控制地下水超采等对策建议。