朝阳市水资源承载力评价

冀连华

(辽宁省朝阳水文局,辽宁 朝阳 122000)

科学评价水资源承载力是评判生态环境、经济社会与水资源协调发展的依据,也是实现城市高质量发展的必然要求[1]。近年来,工农业的快速发展和城市化进程加快拓宽了水的资源属性,因超采逐渐出现水生态功能退化、水环境污染及水资源短缺等问题[2-3]。如何协调水资源可承载能力与社会经济发展间的矛盾,逐渐成为缺水地区可持续发展亟待解决的问题。因此,要实现水资源空间均衡有必要研究评价区域水资源承载力。

目前,相关研究主要集中于水资源承载力计算方法、指标体系和空间尺度等方面,如赵伟静等以我国13个粮食主产省份为例,运用偏联系数和集对分析法动态分析了水资源承载力变化趋势;唐家凯等通过构建生态环境-社会-经济-水资源综合评价体系,从时空分布上研究揭示了黄河流域2004—2018年水资源承载力变化规律;李琦芸等以南通市为例,应用生态环境-社会经济-水资源系统动力学模型,考虑排污与供水约束预警分析了城市水资源承载状态;郑德凤等使用协调发展指数和标准差椭圆等方法,计算分析了我国城镇化质量与水资源承载力间的协调关系;阳斌成等结合湖南省水资源特点构建生态环境-社会-经济-水资源评价体系,从省域上测评了湖南省水系统承载力;DaiD等[4-14]以GDP、人口和SD学为基础,建立了能够协调平衡水安全与经济发展的水资源承载力模型。因此,现有研究大多侧重于市域、省域和流域层面,复合生态环境、社会、经济、水资源系统构建多要素评价体系的偏多,常用的方法包括主成分法、熵权法、生态足迹法、熵权TOPSIS法和VIKOR法等[10-15]。从水资源承载力评价内容和区域上,对东北生态脆弱区域的评价分析较少,对于定量研究水系统内部协调发展程度及其整体承载力的较少。

文章结合朝阳市外调水量占比较高以及农业用水量大的特征构建承载力评价体系,应用组合赋权TOPSIS法和障碍度模型计算分析2008—2020年朝阳市水资源承载力变化趋势及其主要障碍因子,以期为朝阳市中长期水资源开发利用规划、节水政策制定以及产业结构调整等提供参考依据。

1 研究方法

1.1 研究区概况

朝阳市地处辽宁省西部,下辖龙城区、双塔区、朝阳县、北票市和凌源市,总面积19736km2。该区域为北温带大陆性季风气候,降雨偏少,日照充足,年降水量450～580mm,平均气温5.4～8.7℃,地形以河谷平原及山区为主。依据水资源公报,2019年朝阳市降水量482.3mm,时空分布差异较大,主要分布在5～8月,2019年全市水资源总量119257.0万m3,其中地下、地表水75839.7万m3和89227.7万m3。全市耕地476739.75hm2,占总土地24.2%,灌溉用水以渠首引水为主,现阶段面临着农田灌溉用水效率低、水资源总量少、水用水失衡等问题,受大、小凌河分水和来水量持续偏枯影响依然存在较大水资源缺口[16-17]。

1.2 评价指标体系

文章充分考虑参评指标有效性以及研究区实际情况,结合水资源承载力的内涵和供需分析中的指标,合理设定层次结构,应用相互影响、彼此独立的子系统综合反映城市水资源承载力。然后遵循科学性、全面性、合理性和数据可获取性等原则选取20项典型指标建立评价体系,如表1所示。

表1 朝阳市水资源承载力评价体系

1.3 计算方法

1)权重计算。一般地,客观赋权法未考虑决策者的知识经验具有较强客观性,而主观赋权法存在较大的权重偏差与随机性,为解决单一赋权法存在的不足及缺陷,考虑利用组合赋权法计算权重。文章先利用层次分析法和熵权法计算各参评指标的主、客观权重,再利用加权求和法计算组合权重,通过均值化处理获取最终的组合权重,详细流程见文献[18]。

2)TOPSIS法。该方法主要是利用正、负理想解与待评方案间的欧式距离来评定两者的接近程度,通过整体排序计算出所有方案的相对优劣状况。因此,文章利用各指标的组合权重和TOPSIS法定量计算朝阳市2008—2020年水资源承载力,相关公式见文献[19]。

2 结果与分析

2.1 水资源承载力变化趋势

2.1.1 权重及承载力评分值

根据水资源管理部门对不同指标的重视程度以及前人主观赋权的成果经验,先对各指标利用层次分析法进行赋权,经一致性检验保证主观赋权的合理性,如表2所示。然后利用熵权法计算客观权重,经加权求和确定组合权重,如表3所示。

表2 主观权重一致性检验

表3 各层级参评指标权重

根据评价指标值及其组合权重,经标准化处理构造决策矩阵,并计算确定2008—2020年朝阳市水资源承载力评分值,如表4和图1所示。

图1 水资源承载力变化曲线

2.1.2 综合评价值变化趋势

1)朝阳市2008—2020年水资源承载力总体表现出波动上升的变化特征,从2008年的0.2293波动增大到2020年的0.7103,只在2014年和2019年出现小幅的减小。这是因为2019年属枯水年,其产水模数13.20×104m3/km2和人均水资源量281.36m3均达到研究时段内的最低水平,第三产业占比也较小,并且农田灌溉耗水率达到研究时段内的最大值为94.71%,所以朝阳市2019年的水系统承载力有所下降。

2)2008—2012年朝阳市城镇化与工业化发展速度较快,经济发展规模明显扩大,经济社会发展受用水水平以及水资源短缺的制约不断凸显,使得这一时期的承载力相对较小。2013—2017年朝阳市城镇化不断扲,经济发展较快,生态环境状况和水资源用水水平对社会经济发展造成一定制约,该阶段的承载力上升幅度比较缓慢;2018—2020年朝阳市提出经济高质量和新常态发展的思路,不断提升改善了水资源利用水平及水生态环境,这一时期的水资源承载力整体呈明显上升趋势,但受限于以上原因2019年略有下降。

2.1.3 各子系统评价值变化

1)2008—2020年朝阳市水资源子系统承载力整体表现出“W”型变化特征,波动变化较明显。其中,2008—2009年、2013—2015年、2016—2017年和2018—2020年承载力下降,最低值出现在2009年的0.2305;2009—2013年、2015—2016年和2017—2018年承载力上升,到2018年上升到最大值0.6569。结合实际情况,2009年朝阳市供水模数下降到研究时段内的最低水平为18.60×104m3/km2,这是导致水资源子系统评分值较小的重要原因;2015年产水模数和产水模数均较低是该时段水资源承载力下降的主要原因,而2019和2020年承载力下降主要与该时段产水模数、人均水资源量较低有关,虽然供水模数有所上升,但2019年产水模数13.20×104m3/km2和人均水资源量281.36m3均达到研究时段内的最低水平。

2)2008—2020年朝阳市社会子系统承载力总体处于0.4～0.6范围,基本维持稳定。这是由于虽然城镇化促进了生活水平的提升和社会经济的发展,但用水和人口压力也明显增大。从2008年到2020年,城镇化率最初的38.1%逐渐提升到58.2%,人口密度最初的541人/km2快速增大到2020年的585人/km2,增幅达到8.13%,人均日生活用水量最初的112.1m3波动提高到185.4m3。

3)2008—2020年朝阳市经济子系统承载力总体表现出波动上升的变化趋势,从2008年的0.2415波动增大到2020年的0.9406。这是因为研究期间朝阳市用水效率指标不断提升,通过优化调整产业结构使农业灌溉亩均用水从最初的281.66m3减少到2020年的241.08m3,降幅达到14.41%,第三产业产值占比从最初的38%明显上升至2020年的52%。

4)2008—2020年朝阳市生态子系统承载力表现出波动增大的变化特征,从2006年的0.1129波动到2020年的0.9066。这是因为随着生态环保意识的增强,朝阳市生态环境用水率从最初的0.18明显提高到2020年的6.88%,建成区绿化覆盖面积从2008年的3525hm2快速增大到2020年的5012hm2,增幅达到42.18%,水源涵养能力也显著增强。另外,2020年与2008年相比城市污水处理率提升31.15%,水生态治理投资和生态承载力均明显增大。然而,朝阳市仍需注重生态保护进一步增强区域生态系统功能。

2.2 障碍度分析

采用障碍度诊断模型准确识别朝阳市水资源承载力关键影响因子,障碍度值越大则其阻碍水资源承载力的作用越大。结果表明,在12个障碍因子中属于水资源子系统的有引调水工程供水量占比、引白水量、供水模数、产水模数和人均水资源量,属于生态环境子系统的有污水排放量、建成区绿化覆盖面积、城市污水处理率和生态环境用水率,属于社会和经济子系统的有城镇化率、第三产业产值占比及万元GDP用水量。可见,生态环境和水资源子系统包含了大部分障碍因子,其中第一、二、三障碍因子分别为生态环境用水率、产水模数以及城市污水处理率、引白水量、供水模数。

从水资源视角上,朝阳市仍需进一步提高引白水量利用率,通过续建配套引白入朝工程增大朝阳市可利用水量,降低地下水用量以及超采压力,可通过加快节水型城市建设实现水资源利用率的提升;从生态视角上,朝阳市应注重生态环境用水量控制和中水回用率、城市污水处理能力的提升;从经济和社会视角上,要加快产业结构优化调整以提升用水效率。

3 结 论

1)朝阳市2008—2020年水资源承载力总体表现出波动上升的变化特征,从2008年的0.2293波动增大到2020年的0.7103,只在2014年和2019年出现小幅的减小,这主要与当年产水产水模数和人均水资源量下降有关。

2)朝阳市水资源承载力障碍因子大多分布于生态环境和水资源系统中,其中第一、二、三障碍因子分别为生态环境用水率、产水模数以及城市污水处理率、引白水量、供水模数。

3)朝阳市应加快产业用水结构优化,加强水资源管理和生态修复与保护工程建设,持续推进全社会节水以及引白入朝工程建设,通过合理生态补水保证自然环境安全,强调用水精细化管理控制,切实提升引白入朝用水效率和全市水资源承载力。