辽宁省水资源承载力时空演变及耦合协调分析_毕悦澄.pdf

43 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）辽宁省水资源承载力时空演变及耦合协调分析毕悦澄（辽宁省丹东水文局，辽宁 丹东 118000）摘 要：从水资源、社会、经济和生态 4 个子系统中选取 18 项使用频率较高的指标构建评价体系，然后利用博弈论最优策略离差极小化处理 IAHP 法和 CRITIC 法计算的参评指标主、客观权重，采用TOPSIS模型及耦合协调度揭示了辽宁省各辖区水资源承载力时空演变特征。结果表明：除本溪、丹东、大连、辽阳、鞍山、抚顺、沈阳、葫芦岛达到级承载良好等级外，其他各地市均达到级濒临超载等级，全省水资源承载力总体达到良好等级；各子系统之间的耦合协调度随着水资源开发利用率的提高逐渐提升，水资源系统抗压能力不断增强。关键词：水资源承载力；组合赋权；时空演变中图分类号：TV213.9文献标识码：BSpatio-temporal Evolution and Coupling Coordination Analysis of Water ResourcesCarrying Capacity in Liaoning ProvinceBiYue-cheng（Liaoning Provincial Dandong Hydrological Bureau,Dandong 118000,China）Abstract:Eighteenindexeswithhighfrequencyofusewereselectedfromthe4sub-systemsofwaterresources,society,economyandecologytoconstructanevaluationsystem.Then,theoptimaldeviationstrategyofgametheorywasusedtominimizetheprincipalandobjectiveweightsofevaluationindexescalculatedbyIAHPmethodandCRITICmethod.TOPSISmodelandcouplingcoordinationdegreewereusedtorevealthespatio-temporalevolutioncharacteristicsofwaterresourcescarryingcapacityinLiaoningProvince.Theresultsshowthat:exceptBenxi,Dandong,Dalian,Liaoyang,Anshan,Fushun,ShenyangandHuludao,whichreachthegoodlevelofclass,allothercitiesreachthelevel nearoverloadlevel,andthewaterresourcescarryingcapacityofthewholeprovincereachesthegoodlevel.Withtheimprovementoftheutilizationrateofwaterresourcesdevelopment,thecouplingcoordinationdegreeamongthesubsystemsisgraduallyimproved,andthestressresistancecapacityofthewaterresourcessystemisconstantlyenhanced.Key words：waterresourcescarryingcapability;combinationweighting;spatial-temporalevolution近年来，随着经济的发展各行业用水需求量急剧增大，加之全球气候变暖致使农业灌溉用水量明显增多，生态环境恶化及水资源短缺问题对经济社会可持续发展造成严重影响1。水资源承载力是协调处理经济社会与水资源关系的重要依据，可以为水资源的可持续利用、合理调控及其变化趋势预测等提供参考依据。目前，比较常用的评价方法包括云模型、BP 神经网络法、系统动力学法和主成文章编号:1007-7596（2023）05-0001-04收稿日期2022-01-05作者简介毕悦澄（1983-），男，辽宁丹东人，高级工程师，研究方向为水文水情、水文预报。DOI:10.14122/ki.hskj.2023.05.047 44 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）分分析法等2-8，但现有研究成果确定指标权重的方法比较单一，以市域为基本单元探讨水资源承载力时空演变趋势的鲜有报道。鉴于此，文章结合水利工程建设、产业分布类型以及自然地理条件等实际情况，依据辽宁省 2006-2021 年社会经济、水资源、生态环境相关资料，采用博弈论组合赋权法和TOPSIS 模型计算分析各地市水资源承载力时空演变特征，应用耦合协调发展模型深入探讨各子系统的协调发展状态，旨在为区域经济社会可持续发展及当地水资源优化配置提供决策依据。1 水资源承载力评价1.1 数据来源本研究所用各类指标数据来源于 2006-2021 年辽宁省国民经济与社会发展公报、水资源公报、统计年鉴和政府网站等相关资料，所有数据通过对原始数据的推算或直接从统计资料中获取，推算方法有线性内插、灰色预测等。1.2 构建评价体系如何构建系统完善的评价体系是水资源承载力评价的重要环节，据此文章结合专家意见和相关研究成果，基于自然生态、社会经济和水资源系统耦合机理，综合分析各子系统影响因素，遵循数据可获取性、独立性、层次性和代表性等原则选择能够反映实质问题的 18 项典型指标，水资源承载力评价体系，见表 1。结合 2006-2021 年统计数据全面分析各地市水资源承载力的时空演变特征。表 1 水资源承载力评价体系目标层系统层因素层单位属性水资源承载力评价 A水资源子系统B1水资源开发利用程度 C11%-供水模数 C12万 m3/km2-产水模数 C13万 m3/km2+人均水资源量 C14m3+水资源承载力评价 A社会子系统B2人口自然增长率 C21-人口密度 C22人/km2-城镇化率 C23%-居民生活平均用水量 C24万 m3-经济子系统B3人均 GDPC31万元/人+GDP 增长率 C32%-工业用水量 C33万 m3-农业用水量 C34万 m3-万元 GDP 用水量 C35万 m3-第三产业比例 C36%+生态子系统B4第三产业用水率 C41万 m3+生态环境用水量 C42万 m3+绿化覆盖率 C43%+污水处理率 C44%+1.3 博弈论组合权重目前，比较常用的赋权法有 FEAHP 法、专家调查法、熵权法、主成分法和 CRITIC 法等。其中，FEAHP 法是综合利用三角模糊数与语言变量之间的对应关系合理确定标度准则，通过模糊化处理将成对模糊比较矩阵转变成清晰矩阵，经一致性检验保证矩阵的合理性，并应用综合程度法计算主观权重；CRITIC 法主要是利用标准差来反映各参评因子之间的变化程度，标准差越大则其反映的信息越多，数值差异也就越明显，从而赋予的客观权重就越大，具体计算流程参考文献10-11。文章将 FEAHP 法计算的主观权重和 CRITIC法计算的客观权重按照博弈论最优策略离的思想进行优化组合，即通过线性优化组合多种方法计算的权值，从而实现不同方法计算的基础权值与组合权值之间的离差极小化，以线性优化法最大程度地减小各基础权值的偏差。设 n 个参评指标的权重计算方法有 L 种，其中一种方法计算的权重向量为Wq=(q1，q2，qn)，其中 q=1，2，l，则线性组合的 l 个权向量 Wq的表示形式为：()=lqqqqWW10 （1）式中：q、W 代表线性组合系数和综合权重向量。根据博弈论组合原理使Wq与W之间的离差最小化，可以表示成=ljTiTjjWW1min，其中i=1，2，l；采用微分原理求导可以确定最优化一阶导数的条件为=ljTiiTjijWWWW1，通过线性方程组即可确定相应的 q值，然后代入 q值并归一化处理就可以计算出组合权重量 W=(1，2，n)，求解公式为：|=|TTTTTTWWWWWWWWWWWW22112122122111 （2）博弈论最优策略组合权重，见表 2。45 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）表 2 博弈论最优策略组合权重参数沈阳大连鞍山抚顺本溪丹东锦州营口阜新辽阳铁岭朝阳盘锦葫芦岛C110.0750.0760.0760.0720.0740.0750.0750.0760.0750.0750.0720.0740.0750.075C120.0610.0620.0620.0600.0620.0610.0610.0610.0620.0620.0620.0630.0610.061C130.0680.0700.0710.0690.0710.0700.0680.0700.0700.0680.0670.0680.0680.072C140.0900.0950.0960.0910.0980.0950.0940.0950.0960.0920.0910.0920.0940.095C210.0340.0290.0280.0330.0260.0270.0270.0270.0300.0310.0320.0310.0300.026C220.0960.1060.1070.1060.1080.1060.1060.1060.1050.1060.1060.1050.1060.108C230.0320.0310.0310.0320.0310.0320.0320.0310.0320.0320.0320.0320.0320.030C240.0560.0580.0550.0570.0550.0550.0550.0550.0570.0550.0550.0550.0570.055C310.0310.0260.0260.0300.0260.0280.0280.0280.0280.0300.0300.0280.0280.028C320.0270.0210.0210.0280.0210.0210.0220.0210.0210.0250.0260.0250.0210.022C330.0420.0350.0380.0370.0380.0360.0360.0360.0360.0370.0370.0390.0370.036C340.0650.0710.0720.0660.0720.0720.0700.0700.0700.0680.0680.0670.0680.071C350.0510.0480.0470.0510.0450.0470.0470.0480.0460.0460.0480.0480.0480.046C360.0300.0240.0250.0270.0240.0240.0260.0240.0250.0250.0270.0260.0250.025C410.0320.0260.0280.0300.0260.0280.0280.0280.0280.0310.0330.0310.0270.027C420.0520.0500.0520.0520.0520.0520.0500.0500.0510.0520.0510.0520.0510.052C430.0530.0500.0520.0500.0520.0520.0500.0500.0510.0520.0510.0520.0510.052C440.1050.1220.1130.1090.1190.1240.1250.1240.1170.1130.1120.1120.1210.1191.4 TOPSIS 模型TOPSIS 模型是一种有效分析多目标系统问题的客观评价法，通过计算正、负理想解与评价方案之间距离以及贴近度来评定其状况水平12。该方法应用方便、灵活，有效解决了主观因素干扰问题，比较适用于多指标或多方案的大系统评价，主要步骤如下：1）步骤 1：设水资源承载力初始数据矩阵为R=(rij)mn，其中 m、n 代表年份和参评指标数，文中 m=16，n=18，具体表达式为：（3）2）步骤 2：考虑到各项指标的量纲或数量级不同无法直接计算，必须先 Z-score 归一化处理初始数据，将初始矩阵 R=(rij)mn转变成归一化矩阵R*=(rij*)mn，即：（4）式中：rij*、rij代表第 i 年参评指标 j 的归一化值和初始数据；min(rj)、max(rj)代表研究期间参评指标 j的最小值与最大值。3）步骤 3：采用博弈论组合权重 W=(1，2，n)和归一化矩阵 R*=(rij*)mn 进行加权矩阵 Y=(yij)mn的计算，即：（5）4）步骤 4：结合加权矩阵 Y=(yij)mn计算结果，经大小比较排序确定正、负理想解：Y+=(ymax1，ymax2，ymaxn)、Y-=(ymin1，ymin2，yminn)，其中ymaxj、yminj代表研究期间指标 j 的加权最大值和最小值。然后利用欧式距离公式计算评价样本 i 与正、负理想解之间的距离 Z+、Z-，即：=+=nji jjiYYZ12max)(（6）=nji jjmiYYZ12in)(（7）5）步骤 5：贴近度 Ti反应了最优水资源承载力与第 i 年区域水资源承载力之间的贴近程度，其值处于 01 之间。Ti值越大则第 i 年的水资源承载力越优，距离理想状态越近；反之则承载力越差，46 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）距离理想状态越远，计算公式为：)(+=iiiiZZZT （8）借鉴现有研究成果13和区域水资源实际情况，将水资源承载力划分成 级，所对应的状态为承载盈余、承载良好、濒临超载、轻度超载和严重超载，等级划分，水资源承载力等级划分，见表 3。表 3 水资源承载力等级划分等级标准级(承载盈余)级(承载良好)级(濒临超载)级(轻度超载)级(严重超载)贴近度 Ti0.651.000.450.650.400.450.350.400.000.351.5 耦合协调度计算耦合协调度模型主要通过判定耦合协调程度来定量反映水资源承载力各子系统之间的相互协调发展程度，相关计算公式为14：()44432143214/UUUUUUUUC+=（9）式中：C 代表水资源、社会、经济和生态环境子系统之间的耦合度，反映各系统的相互作用强度，C的取值在 01 之间；U1、U2、U3、U4代表各子系统的综合评价值，综合评分的计算公式为：4321UUUUT+=（10）式中：T 代表整个系统的综合评分，T 值越大则系统的综合发展水平越高；、为待定系数，考虑到水资源、社会、经济和生态环境子系统的重要程度相同，权重、相等均取 1/4，耦合协调度的计算公式为：TCD=（11）式中：D 代表耦合协调度，D 的取值在 01 之间，其值越大则系统的协调发展水平越高。2 结果与分析2.1 水资源承载力采用公式（3）（8）和博弈论组合权重（表 2）计算 2006-2021 年辽宁省各地市水资源承载力，并按照等级划分标准（表 3）确定水资源系统状态，水资源承载力计算结果，见表 4。由表 4 可知，水资源承载力表现出东南高、西北低的局面。辽西地区具有比较丰富的土地资源，其农业用水量巨大且水资源量较少，所以水资源承载力相对较低；辽东和辽东地区具有优越的自然条件，其森林资源、水利资源和人均水资源量较高，计算评价的水资源承载力也较高。表 4 水资源承载力计算结果年份辽东辽南辽北辽西本溪丹东大连营口辽阳鞍山铁岭抚顺沈阳朝阳阜新锦州盘锦葫芦岛20060.4450.5010.4610.4010.4140.4150.4510.4180.4230.4050.4110.4450.4020.50220070.4510.4370.5620.4260.4520.4330.3760.3760.4120.3620.3760.3460.4430.44320080.4160.4550.4350.3670.3860.3600.3810.3520.4150.4170.4150.3850.3760.45120090.4280.4020.4280.4200.4410.3960.3540.4070.4770.4320.4250.3620.4200.40020100.4620.4370.4620.3780.3960.4580.3660.3800.4050.4420.4400.3570.3670.42520110.4100.3960.6120.4720.4920.5170.4020.4620.4510.5100.4860.4020.4720.38820120.5160.4120.7050.3760.3910.5860.3870.4470.4780.4620.4750.3860.3810.41020130.5610.4780.5470.3850.4050.5520.3800.4860.4860.3810.3620.3810.3660.47520140.5240.4960.5600.4420.4620.5860.4350.5240.5200.4200.4080.4400.4420.49620150.4280.4660.4720.4910.5010.6170.4810.4620.4980.3550.3510.4600.4800.47220160.4350.4720.3460.4550.4620.6100.4450.4710.4160.4020.4020.4410.4510.46720170.5710.5570.4870.4710.4810.5450.5020.5100.4550.4710.4550.5020.4770.55220180.5420.5120.4750.5020.5050.4720.4670.4650.4420.4160.4160.4680.5020.51620190.5160.5710.3960.4650.4730.4180.4820.4750.4750.4350.4520.4820.4650.58220200.5570.4860.4020.5330.5420.4660.4860.5110.4380.6020.5710.4910.5220.48720210.5960.5120.4550.5020.5560.4500.5510.5060.4650.4880.5020.5500.5160.516平均0.4910.4740.4890.4430.4600.4930.4340.4530.4540.4380.4340.4310.4430.474等级级级级级级级级级级级级级级级 47 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）2.2 时间演变分析研究表明，除本溪、丹东、大连、辽阳、鞍山、抚顺、沈阳、葫芦岛达到级承载良好等级外，其他各地市均达到级濒临超载等级。依据有关政策的出台时间、水利工程建设和年降水量情况等因素，可以将研究期间水资源承载力划分成 3 个阶段。1）阶段 1：2006-2012 年水资源承载力较差，究其原因是该时期的降水量偏枯，自然环境多变恶劣，工、农业用水较多且旱灾频发，加之水资源利用率较低、水生态环境破坏严重以及局部河段水质达到劣类，这些因素共同导致水资源承载力较低。2）阶段 2：2013-2017 年水资源承载力逐渐提高，究其原因是该时期的农田水利设施逐渐完善，节水灌溉设备开始推广应用，灌溉用水效率不断提升；另外，水资源管理制度的落实和水利工程的大力建设也有利于提高区域水资源承载力。3）阶段 3：2018-2021 年水资源承载力达到良好甚至盈余等级，究其原因是该时期的居民用水比较集中，各行业用水效率明显提升，产业结构和工业化水平逐渐改善，特别是第三产业用水率以及工业重复用水率大幅增加。随着新时期治水理念的深入人心和国民环保意识的不断提高，今后将进一步提高生态环境用水效率和区域水资源承载力。总体而言，在水资源承载力演变过程中，辽宁省持续推进生态、效益和资源型水利发展，大力宣传生态环保和节水理念，逐步构筑科学的水资源优化配置、节约保护、开发利用综合体系，为促进全省水资源转向良好的发展态势奠定了坚实基础15-17。2.3 空间格局分析研究期间各地市水资源、经济、社会、生态子系统和水资源承载力平均值，各地市水资源承载力见图1。结果显示全省水资源承载力平均值为0.458，达到级承载良好等级。0.20.30.40.50.6本溪丹东大连营口辽阳鞍山铁岭抚顺沈阳朝阳阜新锦州盘锦葫芦岛分区水资源经济社会生态综合承载力测度值图 1 各地市水资源承载力根据各地市产业结构、自然条件和地理位置等因素，将全省划分成辽东、辽西、辽北、辽南 4 个分区。从高到低各分区水资源承载力排序为辽东辽南辽北辽西，由于各地市的产业结构不同、水资源开发利用程度以及时空分布不均衡，使得全省水资源承载力空间格局差异性极为显著。2.4 耦合协调度分析采用各子系统协调耦合度进一步分析研究期间全省水资源承载力发展情况，耦合协调度计算结果，各子系统之间协调耦合度值，见图 2。将耦合协调度划分成极低、较低、中等、较高和极高耦合协调 5 个等级，所对应的取值区间为 0.260.29、0.290.32、0.320.35、0.350.38、0.380.42。因此，总体上可以将耦合协调发展态势划分成 2 个阶段：2016 年以前各地区的大型引水和水利工程尚未完结，西北部常年缺水，农田灌溉用水量大且水资源利用率较低，而东南部的水资源开发利用程度低，水资源比较丰富，中部人均水资源量少且污染严重，所以各子系统之间的协调耦合度处于 0.290.32 之间达到较低协调等级；2016 年后各地大力宣传节水环保理念，相继出台并落实一系列水资源管理政策，各子系统之间的协调耦合度均在 0.35 以上达到较高耦合等级。0.150.20.250.30.350.40.452006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021年份耦合协调度D图 2 各子系统之间协调耦合度值3 结 论1）2006-2021年辽宁省水资源承载力总体呈波动上升的变化趋势，主要表现出东南高、西北低的局面。辽西地区具有比较丰富的土地资源，农业用水量巨大且降水量较少，水资源承载力相对较低；辽东和辽东地区具有优越的自然条件，其森林资源、水利资源和人均水资源量较高，计算评价的水资源承载力也较高。（下转第 108 页）108 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）参考文献：1 周斌.浅谈水利水电工程中高边坡的加固和治理J.中文科技期刊数据库(文摘版)工程技术，2022(26):126-127.2 王天达.二级公路顺层岩质边坡滑坡稳定性分析及治理措施J.交通世界：运输车辆，2022(05):60-61.3 杨建华，赵东雷，邓杰文，等.基于Midas/GTS软件的岩质边坡稳定性分析及支护方案研究J.电力勘测设计，2022(05):34-35.4 付强，袁泉.强降雨入渗对既有隧道及边坡稳定性的影响分析J.山西交通科技，2022(03):6-8.5 李文新，刘艳红，蒋京名，等.露天矿山不同岩质边坡稳定性安全分析J.采矿技术，2022(03):5-6.2）将研究期间水资源承载力划分成 3 个阶段：2006-2012 年较差阶段、2013-2017 年逐渐提高阶段和 2018-2021 年良好甚至盈余阶段，在水资源承载力演变过程中，辽宁省持续推进生态、效益和资源型水利发展，大力宣传生态环保和节水理念，逐步构筑科学的水资源优化配置、节约保护、开发利用综合体系。3）从空间上，自高到低各分区水资源承载力排序为辽东辽南辽北辽西，全省水资源承载力空间格局差异性极为显著；结合耦合协调度计算结果，将各子系统耦合协调发展态势划分成 2 个阶段，即 2016 年以前的较低耦合和 2016 年以后的较高耦合阶段。参考文献：1 李珊珊，马海良，侯雅如.北京市城镇化与水资源系统的动态耦合分析 J.人民长江，2018，49(01)：60-642 张丽洁，康艳，粟晓玲.基于正态云模型的黄河流域水资源承载力评价 J.节水灌溉2019(01)：76-83.3 郑长统，梁虹基于人工神经网络的喀斯特地区水资源承载力综合评价以贵州省为例 J.中国岩溶，2010,29(02)：170-1754 陈媛媛，朱记伟，周蓓，等.基于系统动力学的西安市复合生态系统情景分析 J.水资源与水工程学报，2018，29(06)：31-405 肖杰，郑国璋，郭鹏军，等基于主成分分析的关中天水经济区水资源承载力评价 J中国农业资源与区划，2018，39(07)：159-1676 张凤太，苏维词水资源与经济社会系统耦合协调时空分异研究：以贵州省为例 J人民长江，2016，40(10)：25-307 童纪新，顾希基于主成分分析的南京市水资源承载力研究 J水资源与水工学报2015，26(01)：122-1258 刘雁慧，李阳兵，梁鑫源，等中国水资源承载力评价及变化研究 J长江流域资源与环境，2019，28(05)：1080-10919 汪顺生，黄天元，陈豪，等基于 CRITIC 赋权的模糊综合评判模型在水质评价中的应用J 水电能源科学，2018，36(06)：48-5110 贾文斌，戚兰英，刘月刚.基于 FAHP 法的水工钢闸门安全评价 J水利水电技术，2015，46(11)：84-87，12011 董译萱，周洪文.基于博弈 TOPSIS 的高速公路交通安全评价模型 J.科学技术与工程，2020，20(28)：11789-1179312 李少朋，赵衡，王富强，等.基于 AHP-TOPSIS 模型的江苏省水资源承载力评价 J.水资源保护，2018，37(03)：20-2513 雷勋平，邱广华.基于熵权 TOPSIS 模型的区域资源环境承载力评价实证研究 J.环境科学学报，2016，36(01)：314-32314 张凤太，苏维词.水资源与经济社会系统耦合协调时空分异研究：以贵州省为例 J.人民长江，2016，40(10)：25-3015 全占东.基于生态水文理念下的流域水资源评价 J.黑龙江水利科技，2016(12)：108-111.16 曲锦艳.辽宁省水资源存在的问题与保护对策 J.水土保持应用技术，2002(06)：16-17.17 王颖.基于水资源管理常见问题及可持续利用管理方法研究 J.黑龙江水利科技，2016(11)：164-166.（上接第 47 页）