基于TOPSIS和PSR的承德市水資源承載力動(dòng)態(tài)評價(jià)

劉常林

(河北省承德水文水資源勘測局，河北 承德 067000)

水是生命之源，水資源供給平衡與人類社會(huì)的生存和發(fā)展密切相關(guān)。在全球變化的背景下，水資源數(shù)量、質(zhì)量的時(shí)空分布不確定性增加，水資源安全戰(zhàn)略趨緊并凸顯重要地位。為增強(qiáng)對水資源防護(hù)和利用水平，聯(lián)合國發(fā)展研究中心于2000 年提出了建立國家和社區(qū)的水資源安全行動(dòng)計(jì)劃，因地制宜制定水資源利用策略、宏觀評價(jià)水資源平衡，將水安全提升至可持續(xù)發(fā)展的核心內(nèi)容之一[1]。中國作為一個(gè)水資源貧乏且又亟待發(fā)展經(jīng)濟(jì)的人口大國，水質(zhì)狀況的研究和監(jiān)測具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

隨著人口增長及人類對自然資源開發(fā)利用程度加深，區(qū)域自然環(huán)境本體對水資源涵養(yǎng)能力趨降，出于確保可持續(xù)發(fā)展不會(huì)增加社會(huì)對水源供應(yīng)脆弱性的理念，不少政府部門和災(zāi)害管理機(jī)構(gòu)將水資源平衡視作環(huán)境管理的重心工作。平衡原屬物理學(xué)范疇，20世紀(jì)70年代Holling[2]將其引入生態(tài)學(xué)領(lǐng)域，Timmerman，Handmer等[3]將其應(yīng)用于水資源安全評價(jià)，一般定義為水生態(tài)系統(tǒng)為區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、人類生存提供必要支持并且維持其自身結(jié)構(gòu)性和功能性的能力。關(guān)于水資源承載力的研究尚無定論，學(xué)者們的視角各有不同。如Pimm[4]以系統(tǒng)論觀點(diǎn)將承載力看作水生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力；聯(lián)合國國際減災(zāi)戰(zhàn)略機(jī)構(gòu)強(qiáng)調(diào)客體自身狀態(tài)與外部援助的影響[5]；也有學(xué)者專注于經(jīng)濟(jì)社會(huì)彈性系數(shù)[6]、生態(tài)彈性恢復(fù)的測度。雖然考慮的重點(diǎn)存在差異，但無疑暴露了水資源平衡受多維因素制約。據(jù)此，量化水資源平衡的工作多從建立相關(guān)指標(biāo)體系入手，參考的模型有支出-產(chǎn)出模型[7]、自然-經(jīng)濟(jì)-組織-社會(huì)模型[8]、過程模型[9]、DPSIR模型[10]等。需指出的是，傳統(tǒng)指標(biāo)模型不能很好地嵌合水生態(tài)系統(tǒng)與自然、經(jīng)濟(jì)社會(huì)、人口等維度的關(guān)系，在量化過程中易受單一因子的數(shù)據(jù)噪聲或者臆斷影響，因而評估效果難免失真。

鑒于此，本文提出了基于PSR(Pressure-State-Response)概念框架下應(yīng)用TOPSIS的水資源平衡診斷模型，采用TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution )評價(jià)方法，并以承德市為案例區(qū)，旨在探討該方法的適用性，并為制定防災(zāi)策略提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

承德市地處我國華北平原向內(nèi)蒙古草原帶與東北過渡區(qū)，南望京津、北靠蒙遼，地理坐標(biāo)為N40°12′～N42°37′，E115°54′～E119°15′，總面積達(dá)3.97×104km2。全市有平原、臺(tái)地等類型，位于燕山腹地，地勢由西北向東南傾斜，海拔介于200～2 118 m，平均海拔350 m。屬暖溫帶向寒溫帶過渡地帶，以溫帶季風(fēng)氣候?yàn)橹鳎募靖邷囟邓校镜蜏囟稍铮嗄昶骄邓吭?02～882 mm之間，年均溫度9℃，無霜期160 d，日照時(shí)數(shù)達(dá)2 900 h，>10℃的積溫2 600℃～3 500℃，氣候資源呈東南-西北遞減分布。全市土地利用以耕地、林地、草地為主，森林覆蓋率達(dá)48%。全市水資源總量達(dá)37.34×108m3，有灤河、潮河、遼河、大凌河四大水系，河網(wǎng)較為稀疏，為華北地區(qū)重要水源地。

1.2 承德市水資源承載力評價(jià)指標(biāo)體系

水資源承載力反映的是水生態(tài)系統(tǒng)自身涵養(yǎng)能力以及生態(tài)支持能力，其包含了自身生態(tài)結(jié)構(gòu)、功能，以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)、人口之間等錯(cuò)綜復(fù)雜的聯(lián)系，因此建立的水資源承載力評價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)該立足于區(qū)域背景環(huán)境。從現(xiàn)有的研究來看，學(xué)者們主要從水生態(tài)系統(tǒng)與人類社會(huì)兩方面考慮，將區(qū)域自然環(huán)境條件、人口經(jīng)濟(jì)條件、基礎(chǔ)設(shè)施工程、政策投入力度等納入指標(biāo)體系范疇。本研究從承德市情出發(fā)，應(yīng)用PSR模型將影響水資源承載力逐層分解為壓力層，狀態(tài)層、響應(yīng)層(表1)，從這3個(gè)方面確立承載力評價(jià)指標(biāo)體系，可以深刻地解析人類社會(huì)對水生態(tài)系統(tǒng)的依賴性與脅迫性，以及水資源承載力受自身恢復(fù)能力與外界干擾的影響，直觀闡明多維影響因素間作用機(jī)理。表1中的正向指標(biāo)屬性值越大或負(fù)向指標(biāo)屬性值越小，則水資源承載力指數(shù)越高。

1.3 基于TOPSIS的水資源承載力診斷模型

本文中水資源平衡指數(shù)為其指標(biāo)體系中各指標(biāo)D數(shù)融合的綜合值。TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution )是Hwang和Yoon[22]提出的一種多目標(biāo)決策分析，通過檢測評價(jià)對象與最優(yōu)解、最劣解之間的距離，對目標(biāo)變量單調(diào)性排序。本研究中目標(biāo)變量數(shù)n個(gè)為承德市縣區(qū)數(shù)，水資源平衡m維屬性為其18項(xiàng)指標(biāo)，則矩陣D=[xij]n×m：

其中i=1,2,…,n，j=1,2,…,m。變量各維指標(biāo)分屬不同量綱，采用極差法進(jìn)行歸一化處理。同時(shí)，為增強(qiáng)數(shù)據(jù)平滑度，特運(yùn)用如下公式：

式中：xmaxj和xminj分別為矩陣各維中最大值和最小值，由此得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣y=[yij]n×m。在標(biāo)準(zhǔn)化矩陣中可找出每項(xiàng)指標(biāo)中的最大值ymaxj和最小值yminj，分別代表各維的最理想值和最差值，則承德市水資源平衡指數(shù)I度量如下：

式中：w為目標(biāo)變量各維屬性的權(quán)重，其計(jì)算過程參考文獻(xiàn)[11]，權(quán)重列表見表1。為了便于直觀評價(jià)，依據(jù)等分法原理，將其分為5級：[0,0.2)為I級，[0.2,0.4)為II級，[0.4,0.6)為III級，[0.6,0.8)為IV級，[0.8,1]為V級，指數(shù)越大、級別越高，表明承載力越好。

表1 承德市水資源承載評價(jià)指標(biāo)體系及權(quán)重系數(shù)

1.4 研究數(shù)據(jù)源與處理平臺(tái)

本研究數(shù)據(jù)來源于《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》(2006～2016年)、《承德市統(tǒng)計(jì)年鑒》(2006～2016年)，以2010～2014年5年中各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)的平均值為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，基本數(shù)據(jù)處理、歸一化、TOPSIS計(jì)算在Excel 2016中。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于PSR的承德市洪水資源承載力指標(biāo)體系分析

水資源承載力取決于區(qū)域水生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力與人口社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的脅迫性，良性的外部援助等也具有一定積極作用。PSR模型將水資源安全的產(chǎn)生因素、環(huán)境呈現(xiàn)狀態(tài)及對人類活動(dòng)響應(yīng)的這種因果循環(huán)關(guān)系直觀展現(xiàn)[12]，明確了水資源安全評價(jià)指標(biāo)框架下各維度、指標(biāo)間的聯(lián)系；再者，PSR維度下的指標(biāo)能夠根據(jù)區(qū)域自然、人文背景環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)充，確保評價(jià)的全面性和系統(tǒng)性，顯示了水資源的多元結(jié)構(gòu)與功能差異。承德市水資源承載力評價(jià)指標(biāo)體系由18項(xiàng)因子組成，PSR維度權(quán)值中壓力層權(quán)值最高，達(dá)到0.397，表明其是水資源安全關(guān)鍵影響因素；狀態(tài)層的影響程度次之，為0.347；響應(yīng)層為0.258，其反映外部干預(yù)的影響

2.2 水資源承載壓力分析

依據(jù)前述TOPSIS方法，得到承德市2005～2015年水資源承載壓力指數(shù)，見圖1。由圖1可知，2005-2015年承德市水資源安全壓力指數(shù)呈現(xiàn)波動(dòng)特征，數(shù)值介于0.35～0.45之間，處第II、III等級。其中，2008年的承載力壓力指數(shù)偏高，總體而言并無明顯的趨勢特征。承德市地處華北地區(qū)，地表水源涵養(yǎng)能力一般，區(qū)域人口密集，農(nóng)牧業(yè)、工礦業(yè)耗水量大，水資源承載壓力嚴(yán)峻。

圖1 承德市洪水資源承載力壓力指數(shù)分布

2.3 水資源承載狀態(tài)分析

圖2直觀反映了承德市水資源承載力狀態(tài)指數(shù)呈逐漸升高的趨勢特征，其狀態(tài)指數(shù)由2005年的0.398增至2015年的0.482。相應(yīng)地，其安全級別也從第II級升高到第III級，表明水資源承載狀態(tài)逐漸好轉(zhuǎn)。其中2010年有明顯的回落，主要由于該年度全區(qū)比較干旱，地表水資源量處于較低水平。研究時(shí)域內(nèi)，全市水資源承載狀態(tài)指數(shù)總體趨勢良好，得益于新世紀(jì)以來全市林草恢復(fù)效果明顯，森林覆蓋面積擴(kuò)展。

圖2 承德市洪水資源承載力狀態(tài)指數(shù)分布

2.4 水資源承載響應(yīng)分析

作為華北地區(qū)的水源地，承德市的水資源保護(hù)力度嚴(yán)謹(jǐn)，見圖3。2005～2015年的承德市水資源響應(yīng)指數(shù)由0.458呈起伏升高至0.539，雖然略有波動(dòng)，但發(fā)展趨勢較好，處于III級水平。其中2007年響應(yīng)指數(shù)最低，為0.432。這是因?yàn)楫?dāng)年的污水處理率遠(yuǎn)低于其他年份，2012年以后響應(yīng)指數(shù)穩(wěn)定于0.5以上，表明人為良性干預(yù)步入正軌。近十幾年來，承德市對水生態(tài)環(huán)境建設(shè)投入巨大，并取得矚目成就，加強(qiáng)了工業(yè)廢水的排放管控，建立起水資源保護(hù)區(qū)，人水資源安全響應(yīng)指數(shù)有了一定提升。

圖3 承德市洪水資源承載力響應(yīng)指數(shù)分布

2.5 水資源承載力分析

由于研究時(shí)域內(nèi)承德市水資源承載力面臨的壓力、狀態(tài)、響應(yīng)等特征均不相同，其水資源承載力指數(shù)時(shí)間也表現(xiàn)出波動(dòng)特征，見圖4。

圖4 承德市洪水資源承載力指數(shù)分布

結(jié)果表明，2005年承載力指數(shù)最低，僅為0.392 8，處于II級水平。自2006年之后其處于III級水平，承載力等級上升，10余年間承載力指數(shù)由0.392 8升高至0.452 1。雖然仍處于III級水平，但總體而言其發(fā)展趨勢良好。

3 結(jié) 論

關(guān)本文從壓力、狀態(tài)、響應(yīng)三個(gè)層面建立的承德市水資源承載力評價(jià)指標(biāo)體系闡釋了區(qū)域水資源平衡與自然環(huán)境條件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、水源涵養(yǎng)保護(hù)之間因果反饋關(guān)聯(lián)，突出了水資源平衡的多元結(jié)構(gòu)與功能差異。基于TOPSIS和PSR的診斷模型，具有易于維數(shù)擴(kuò)充、可操作的特點(diǎn)，在評估過程中，優(yōu)劣距離法既保留了專家評估的科學(xué)性，又兼顧了熵值信息的客觀性，具有良好的應(yīng)用前景。