鞍山市水资源承载力空间差异分析_曹明川.pdf

194 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）文章编号:1007-7596（2023）01-0194-04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）摘 要：以鞍山市的市辖区和海城市、台安县、岫岩县为例，从生态、经济、社会和水资源角度选择 14 项指标构建评价体系，并利用熵权 TOPSIS 法综合评价水资源承载力空间差异性。结果表明：2020 年鞍山市水资源承载力整体较弱，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；经济和水资源子系统及其下属的 GDP、降水量、产水模数等指标对水资源承载力影响较大。关键词：水资源；熵权法；TOPSIS 法；承载力；空间差异中图分类号：TV213.4文件标识码：B0 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，地表收稿日期 2022-12-26作者简介曹明川（1986-），男，辽宁鞍山人，工程师，从事水文测验与整编、水资源开发、论证、评价等工作。DOI:10.14122/ki.hskj.2023.01.036 195 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）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标层系统层指标层属性数据获取鞍山市水资源承载力水资源 W1地表水资源占比 X1(%)正向地表水/总水资源量产水模数 X2(亿 m3/km2)正向水资源/区域面积供水模数 X3(亿 m3/km2)负向供水量/区域面积人均用水量 X4(m3)负向用水量/区域人口数降水量 X5(mm)正向统计数据社会 W2人口密度 X6(人/km2)负向人口数/区域面积人口自然增长率 X7(%)负向人口自然增长数/年平均总人数城镇化率 X8(%)负向城镇人口/总人口数城市人均日生活用水量 X9(L/d)负向城市日生活用水/城市人口数经济 W3GDPX10(亿元)正向统计数据第三产业占比 X11(%)正向第三产业 GDP/GDP 总量万元 GDP 用水量 X12(m3)负向总用水量/总 GDP 总量万元工业增加用水量 X13(m3/万元)负向工业用水量/工业增加值生态 W4废水排放量 X14(t)负向统计数据森林覆盖率 X15(%)正向森林覆盖面积/区域总面积水质达标率 X16(%)正向三类以上河流/河流总数目前，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 承载等级划分标准承载力值0.0 Gi 0.20.2 Gi 0.40.4 Gi 0.60.6 Gi 0.80.8 Gi 1.0等级级级级级级状态供需矛盾突出弱承载趋向失衡较弱承载平衡一般承载基本可持续较强承载稳定可持续强承载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)mn，其中 m、n 代表评价样本数和参评指标数，m=4，n=16。196 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）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：-=)()min()max()max()()min()max()min(负向;正向;jjijjjjjijijxxxxxxxxr (1)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 01。然后利用以下公式计算各参评指标的信息熵ej，即：=-=niijijjffne1)ln(ln1(2)=+=niijijijrrf1)1()1(=-=mjjjjee1)1()1(=+-=njijjiZZZ12max)(=-=njijjiZZZ12min)()(-+-+=iiiiZZZGijirC-=1%100)(1=miiiiiiwCwCO(3)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 j，即：=mjjjjee1)1()1(4)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)mn，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：=-=niijijjffne1)ln(ln1=+=niijijijrrf1)1()1(=-=mjjjjee1)1()1(=+-=njijjiZZZ12max)(5)=-=njijjiZZZ12min)(6)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：)(+=iiiiZZZG (7)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 i来描述。其中，指标偏离度 Ci和障碍度 Oi的计算方法为：ijirC-=1 (8)%100)(1=miiiiiiwCwCO (9)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分区子系统承载力综合承载力水资源社会经济生态台安县0.280.310.420.300.33市辖区0.240.460.510.300.38岫岩县0.510.370.520.660.52海城市0.620.680.580.540.61全市0.410.460.510.450.46结果表明，鞍山市水资源承载力综合评价值0.46，达到级一般承载状态，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 197 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）承载力综合评价值最高 0.61，达到级较强承载状态，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