基于熵權Topsis的淮河生態經濟帶水資源承載力評價*

吉婷婷，陳 童，毛廣雄2，

(1.淮陰師范學院教師教育學院，江蘇淮安 223300； 2.淮河生態經濟帶研究院，江蘇淮安 223300； 3.淮陰師范學院城市與環境學院，江蘇淮安 223300)

0 引言

水資源是區域發展的戰略性經濟資源，是區域可持續發展的重要保證，水資源承載力的探討是可持續發展和水資源安全研究中的基礎性命題，是當前水資源科學領域的重點和熱點[1-5]。

國內最早于20世紀80年代末提出“水資源承載力”概念[1， 2， 6]。左其亭[2]系統地總結了我國水資源承載力研究方法發展過程，強調應著重開展變化環境下水資源動態承載力研究； 夏軍等[1， 5]從城市化發展的角度，闡明了城市化地區水資源承載力研究的范式。綜合而言，諸多學者圍繞水資源承載力開展了大量的研究，包括水資源承載力概念的界定、評價指標體系構建、評價方法的優化等； 研究尺度也包含國家、省市以及流域不同層次，研究方法也由簡單到綜合與集成[1-3， 7-9]。

然而，在區域發展規劃戰略的驅動下，區域發展對水資源的需求必然增加，而水資源承載力是區域水安全和經濟發展支撐能力的重要衡量。因此，對水資源承載力進行評價，能夠為規劃驅動下的經濟活動模式和強度提供參考，也可為水資源利用策略的制定提供依據。

圖1 淮河生態經濟帶范圍示意圖

淮河生態經濟帶位于淮河干流沿線，是江蘇、安徽和河南合力打造的區域性發展戰略規劃，已納入國家“十三五”發展規劃中[10]。近年來針對淮河流域水資源的研究已經較多，包括水資源脆弱性的分析、水資源時空變化的規律、水資源的測算方法、氣候變化對水資源的影響等，但相關研究主要基于流域層面進行探討[7， 11-16]。基于此，文章以淮河生態經濟帶為例，基于熵權重分析，采用Topsis評價方法，分析水資源承載力區域差異及影響因子，以期為淮河生態經濟帶規劃驅動下的水資源合理利用提供理論依據，以促進淮河生態經濟帶水資源環境的可持續發展。

1 研究區概況

淮河生態經濟帶是我國東部沿海地區轉型發展的戰略腹地，是中西部地區重要的出海大通道，是國家現代化建設大局和全方位開發格局中的重要組成部分，其范圍為江蘇、安徽、河南3個省的20個市1個縣(圖1)。2015年末，經濟帶總人口1.286 9億人，地區生產總值4.061 328萬億元，分別占全國的9.4%和6%[10]。

根據各市縣水資源公報計算可知， 2015年淮河生態經濟帶為平水年，水資源總量為734.4億m3，其中地表水資源總量為557.7億m3，地下水資源總量為255.6億m3，人均水資源量為598 m3。水資源開發利用上， 2015年總用水量為425億m3，其中農業用水量為281億m3，工業用水量為70.7億m3，而人均用水量為335.9m3。

2 數據來源與方法

2.1 數據來源

該文基于2015年相關數據，評價淮河生態經濟帶內21市(縣)的水資源承載力。數據來源于《江蘇省統計年鑒》 (2016)、《安徽省統計年鑒》 (2016)、《河南省統計年鑒》 (2016)、《江蘇省水資源公報》 (2015)、《安徽省水資源公報》 (2015)、《河南省水資源公報》(2015)以及相應市縣水資源公報與環境公報。

2.2 研究方法

以水資源承載力評價指標為基礎，應用主成分分析方法對評價指標進行降維[17]，以此獲得主成分得分矩陣，并以該得分矩陣確定熵權權重[18]，然后運用Topsis方法評價水資源承載力[19]。

2.2.1 評價指標選取

結合前人研究成果[2， 5]，考慮淮河生態經濟帶市縣資料的可獲得性，按照科學性、客觀性、可操作性的原則，從水資源系統、社會系統、經濟系統三大方面選取有代表性的22項指標構建水資源承載力評價指標體系(表1)。

2.2.2 Topsis方法

Topsis(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution)是一種逼近于理想解的評價方法[17， 19]，通過數據歸一化，Topsis找出評價方案中的最優和最劣方案，并計算評價對象與最優方案和最劣方案的距離，獲得各評價對象與最優方案的相對接近程度。具體方法為：

對n個評價對象，該文中評價對象即為淮河生態經濟帶21個市(縣)的水資源承載力，m個評價指標，原始指標可表達為矩陣：

X=(Xij)n×m

(1)

對高優(越大越好)、低優(越小越好)指標分別進行歸一化變換，即：

(2)

數據歸一化中，采用熵權法對指標賦權重[18]，得到轉化矩陣：

Z=(Zij)n×m

(3)

則矩陣各評價指標中最大、最小值構成的最優、最劣向量分別為：

Z+=(Zmax1，Zmax2，…，Zmaxm)，Z-=(Zmin1，Zmin2，…，Zminxm)

(4)

故第i個評價對象與最優、最劣方案的距離分別為：

(5)

因此，第i個評價對象與最優方案的接近程度CI可表示為：

(6)

按相對接近度CI的大小排序，進行評價。因Topsis是效益型評價模式，而該文評價的是水資源承載能力，所以其值越高，水資源承載力越高。

表1 淮河生態經濟帶水資源承載力評價指標體系

該文采用熵權法進行賦權[18]，因而形成綜合熵權的Topsis方法，限于篇幅，熵權重方法不再贅述，詳見文獻[18， 19]。

3 水資源承載力評價

3.1 評價指標的主成分降維與熵權重

采用主成分分析方法對水資源承載力評價指標進行降維，從評價指標中提取少數幾個潛在的彼此獨立的主成分指標的線性組合來表示，以反映原來多個實測指標的重要信息[6， 17]。結合表1中各項指標，采用Topsis中數據標準化方法，應用SPSS軟件，獲得評價指標體系的主成分特征值及貢獻率(表2)。可以發現，前5項主成分特征值皆大于1，且其累積貢獻率為87.865%，超過85%，能夠解釋所有指標的綜合因子，所以選擇5個主成分進行分析。

表2 各主成分的特征值、方差貢獻率及其累計貢獻率

同時，依據5個主成分因子，獲得旋轉后各變量指標在不同主成分因子的負荷矩陣(表3)，以及不同地區各主成分得分矩陣(表4)，并根據表4中各主成分得分矩陣，計算得到5個主成分因子的熵權重值依次為0.206 0、0.176 5、0.221 0、0.199 2和0.197 3。

表3 淮河生態經濟帶各指標變量旋轉后在不同主成分因子的負荷矩陣

表4 淮河生態經濟帶不同地區各主成分得分矩陣

從旋轉后各變量指標的負荷矩陣(表3)可以發現，第一主成分上，水資源總量、地表水資源量、年降水量、人均水資源量、土地面積與水資源承載力成正相關。而人口密度指標與水資源承載力成負相關。第二主成分上，總用水量、生活用水量、工業用水量、農業用水量與水資源承載力成顯著負相關。第三主成分上，地區生產總值、人均GDP、工業增加值與水資源承載力的高低成正相關關系。第四主成分上，總人口、城鎮人口比重分別與水資源承載力成正、負相關關系； 而在第五主成分上，城鎮人均生活用水量、萬元GDP用水量都與水資源承載力成負相關關系。

3.2 水資源承載力的評價結果

基于上述主成分得分矩陣，采用Topsis方法，結合熵權法獲得的權重，得到經濟帶不同地區水資源承載力與最優、最劣方案的距離，以及其與最優方案的接近程度統計量CI值(表5)，可以看出， 2015年淮河生態經濟帶內不同地區水資源承載力存在較大差異，承載力最高的地區為鹽城市，最低的為桐柏縣，綜合得分值變動于0.305 8～0.698 8之間。

從經濟帶整體上看，淮河生態經濟帶內不同省份水資源承載力的總體水平差異較大，境內江蘇、安徽、河南3省水資源承載力的平均得分分別為0.585 2、0.478 2、0.524 9。可見，淮河生態經濟帶水資源承載力具有在淮河干流上、下游承載力高，而中游承載力偏低的空間分布特征。

而從經濟帶內部而言，經濟帶內江蘇省區域內部差異較大，水資源承載力最高與最低地區差值為0.204 5，但總體水資源承載力水平較高，其中鹽城市水資源承載力最高； 安徽省區域內部水資源承載力最高與最低地區差值為0.079 2，盡管其區域內部差異較小，但總體水平居中，其中六安市水資源承載力最高； 河南省區域內部水資源承載力亦總體較高，但內部差異亦較大，水資源承載力最高與最低地區差值為0.327 3，其中信陽市水資源承載力最高，桐柏縣最低。

表5 淮河生態經濟帶水資源承載力Topsis評價統計量

3.3 水資源承載力的影響因素

水資源承載力優劣的驅動因素是復雜多樣的，基于前述各變量指標在不同主成分因子的負荷矩陣可以看出(表3)，淮河生態經濟帶水資源承載力高低的影響因素主要有以下四大方面：

(1)水資源總量是水資源承載力的供給側決定性因素。第一主成分的顯著指標水資源總量、地表水資源量、年降水量、人均水資源量都與水資源總量有關，表明區域水資源總量是水資源承載力高低的重要基礎，是水資源供給側的要素。而淮河生態經濟帶所屬的河南區域，主要位于上游大別山、桐柏山源頭，降水偏多； 下游江蘇境內為降水充沛區域，水資源總量偏大，使得水資源承載力都偏高。而中游安徽境內的主要區域，多處于淮河干流以北，降水量相對偏少，故導致水資源承載力偏低，這也是為何上游河南境內以及下游江蘇境內水資源承載力良好而中游安徽偏低的主要原因[9， 14]。

(2)用水量與用水結構是提升與優化水資源承載力的調控性因素。第二主成分上的顯著性指標集中反映在社會系統中水資源利用總量與結構性特征上，因此，從水資源利用層面上看，越少且高效的水資源利用方式越有利于水資源承載力水平的提高。這也意味著，提高淮河生態經濟帶區域水資源承載力，需要從生活用水、工業用水和農業用水的不同用水結構上進行改善與優化。

(3)經濟發展水平是水資源調控能力的重要因素。第三主成分指標集中在經濟發展水平層面，這表明，地區經濟實力的提升，有助于水資源承載力的提高，這可能與良好經濟基礎可為促進水資源的高效利用和改善用水結構及方式提供資金支持有關，也直接影響水資源利用的調控能力。

(4)城鎮化發展與人口增加是水資源承載力的脅迫性因素。在第四主成分上，城鎮人口比重與水資源的負相關關系表明，城鎮化發展在很大程度上對水資源承載力高低具有突出的脅迫性，這與城鎮化發展導致城鎮用水量增加，以及不同產業尤其是工業與第三產業的水資源利用增加有密切關聯。而在第五主成分上，城鎮人均生活用水量、單位GDP用水量都是用水結構方面的影響因子，結合第四主成分中城鎮人口比重與水資源承載力成負相關關系的特征，也進一步說明城鎮化發展中城鎮人均生活用水與萬元GDP用水量對水資源承載力水平的脅迫性影響。

4 結論

(1)淮河生態經濟帶內不同地區的水資源承載力差異較大，承載力最高的為鹽城市，最低為桐柏縣。經濟帶內不同省份間水資源承載力以江蘇最高、河南次之，安徽最低，具有淮河干流上、下游承載力高但中游偏低的空間分布特征。而在經濟帶各省份水資源承載力內部差異上，江蘇、河南兩省內部差異較大，安徽較小。

(2)水資源總量是承載力高低的供給側決定性因素。水資源總量、地表水資源量、年降水量、人均水資源量、土地面積等與水資源承載力成正相關，是水資源總量層面的影響，是水資源承載力高低的重要基礎。

(3)用水量與用水結構是提升與優化水資源承載力的調控性因素。總用水量、生活用水量、工業用水量、農業用水量與水資源承載力成負相關，是重要的調控性因素，這一特征為提高淮河生態經濟帶水資源承載力提供了思路。

(4)城鎮化發展與人口增加是水資源承載力的脅迫性因素，而經濟發展水平是水資源調控能力的重要保證。總人口、城鎮人口比重分別與水資源承載力成正、負相關關系，這為規劃驅動下考慮水資源承載力的城鎮化發展提供了參考。而地區生產總值、人均GDP、工業增加值與水資源承載力成顯著正相關，對協調經濟發展與水資源承載力關系具有重要參考價值。