基于理想點法的江西省水資源承載力評價

危文廣， 黎良輝, 賴敬飛， 李 威

(南昌大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 江西 南昌 330031)

1 研究背景

水資源承載力[1]即水資源最大開發(fā)容量，是衡量社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要因素，它包含水資源子系統(tǒng)，社會子系統(tǒng)，經(jīng)濟子系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)等方面。隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，人民生活水平日益提升，對水資源的需求也越來越大，水資源短缺和環(huán)境污染等問題也越來越嚴(yán)重。為實現(xiàn)人與社會的可持續(xù)發(fā)展，人與自然的和諧相處，保護生態(tài)環(huán)境，保障水資源生態(tài)健康，對江西省水資源承載力狀況進行綜合評價意義重大且迫在眉睫。傅春等[2]通過對江西省各行各業(yè)的需水預(yù)測, 從人口和經(jīng)濟承載力兩個方面對江西省水資源承載能力進行分析和評價；張星標(biāo)[3]結(jié)合AHP法和模糊數(shù)學(xué)隸屬度法對江西省水生態(tài)承載力進行分析；孟麗紅等[4]用可變模糊評價模型對江西省水資源承載力進行評價；戴明宏等[5]利用熵權(quán)法賦權(quán)，構(gòu)建模糊綜合評價模型對廣西省各地市水資源承載力進行評價及對比分析；蘇永軍等[6]將投影尋蹤法和物元可拓理論結(jié)合建立評價模型，消除主觀判斷對評價結(jié)果的影響。這些方法在指標(biāo)權(quán)重確定及綜合評價過程中，部分方法過度依賴專家的經(jīng)驗而主觀判斷，部分方法僅僅考慮指標(biāo)的實際值，忽視了指標(biāo)本身的重要性。鑒此，本文在以上的基礎(chǔ)上綜合考慮影響江西省水資源承載力的主要因素，構(gòu)建了多層次多指標(biāo)的評價體系，先通過AHP法確定初始權(quán)重，利用熵權(quán)法修正權(quán)重系數(shù)，然后結(jié)合理想點法建立水資源承載力綜合評價模型，對江西省水資源承載力進行評價分析，以期為江西省水資源的可持續(xù)發(fā)展和相關(guān)管理單位政策的制定提供指導(dǎo)和借鑒作用。

2 研究區(qū)概況

江西地處中國東南部，長江中下游南岸，位于東經(jīng)113°34′～118°28′，北緯24°29′～30°04′之間，東鄰浙江省、福建省，南連廣東省，西接湖南省，北毗湖北省、安徽省而共接長江，如圖1所示。全省由南昌市、贛州市、九江市等11個地級市組成，轄區(qū)面積16.69×104km2，境內(nèi)有贛江、撫河、信江、饒河、修河5大河系和中國第一淡水湖鄱陽湖。由于地勢南高北底，五大河系最后都注入鄱陽湖，經(jīng)湖口縣匯入長江。全省水網(wǎng)稠密，降水充沛，但各河水量季節(jié)變化較大，河川徑流主要靠降水補給，具有夏季豐水期造成洪澇，冬季枯水期連續(xù)干旱的特點。全省季風(fēng)氣候特征明顯，屬中亞熱帶溫暖濕潤季風(fēng)氣候，年均溫約16.3～19.5℃，南北差異較小。江西為全國多雨省區(qū)之一，多年平均降水量為1 638 mm，地區(qū)分布上是南多北少，東多西少，山地多，盆地少，2015年全省年平均降水量2 075 mm，比多年均值多26.7%。此外，全省地區(qū)生產(chǎn)總值約16 724×108元，同比增長9.1%，人均地區(qū)生產(chǎn)總值36 724元，同比增長8.5%，保持著良好的發(fā)展趨勢。

3 研究方法

3.1 指標(biāo)體系構(gòu)建與等級劃分

水資源是生命之源，是工農(nóng)業(yè)的命脈，水資源承載力已經(jīng)成為衡量區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要指標(biāo)，它決定著人類的生存和社會經(jīng)濟的發(fā)展速度。本文通過參考文獻資料并綜合江西省水資源承載力的情況，從水資源、社會、經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)等[6-8]方面考慮，從《江西省統(tǒng)計年鑒》、《江西省水資源公報》和《江西省環(huán)境統(tǒng)計公報》等獲取主要影響指標(biāo)進行分析。這些指標(biāo)往往共同起作用，通過對指標(biāo)的綜合分析，建立了多層次的水資源承載力綜合評價指標(biāo)體系，如圖2所示。

圖1 研究區(qū)域示意圖

依據(jù)國際、國家認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)，地區(qū)頒布的發(fā)展規(guī)劃指標(biāo)值和相關(guān)文獻綜合考慮來確定其標(biāo)準(zhǔn)等級[10-11]，將水資源承載力劃分為五個等級比較合適，指標(biāo)評估集為：V={v1，v2，v3，v4，v5}={Ⅰ(優(yōu))，Ⅱ(良)，Ⅲ(中)，Ⅳ(差)，Ⅴ(很差)}。參考文獻[1]和[3]中指標(biāo)劃分標(biāo)準(zhǔn)， 給出具體的指標(biāo)等級劃分和等級區(qū)間見表1。

3.2 指標(biāo)權(quán)重的確定與修正

(1)確定指標(biāo)初始權(quán)重。AHP法[12]確定權(quán)重主要依據(jù)專家的知識和經(jīng)驗來判斷同一層各指標(biāo)的相對重要性。引入1～9 數(shù)值標(biāo)度對相對重要性進行定量。但是由于各個專家的知識和經(jīng)驗水平存在差異，在構(gòu)建判斷矩陣時，會出現(xiàn)權(quán)重相差過大和不一致性的問題，需通過一致性檢驗。

(2)熵權(quán)法修正權(quán)重。盡管層次分析法識別問題的系統(tǒng)性較強，可靠性也相對較高，但其主要基于專家經(jīng)驗，具有較強的主觀性。熵權(quán)法[13]是一種客觀賦權(quán)方法，在具體使用過程中，熵權(quán)法根據(jù)各指標(biāo)的變異程度，利用信息熵計算出各指標(biāo)的熵權(quán)，其計算結(jié)果客觀，嚴(yán)謹(jǐn)，可以有效的降低權(quán)重確定的主觀性。 利用熵權(quán)法確定權(quán)重的步驟如下:

圖2 水資源承載力評價指標(biāo)體系

等級C1/m3C2/m3C3/mmC4/%C5/%C6/(人·km-2)C7/108 m3C8/108 m3C9/104元C10/%C11/%C12/m3C13/%C14/%C15/%C16/%Ⅰ(優(yōu))0～3003000～80002000～250030～500～0.20～250～100～10～0.30～280～1000～2080～10065～8080～1005～8Ⅱ(良)300～5001700～30001600～200020～300.2～125～5010～201～20.3～0.662～660～8020～4070～8050～6570～803～5Ⅲ(中)500～8001000～17001200～160015～201～1.550～10020～302～30.66～2.56～940～6040～6060～7035～5050～702～3Ⅳ(差)800～1100500～1000800～120010～151.5～2100～30030～403～52.5～7.749～1430～4060～10040～6020～3530～501～2Ⅴ(很差)1100～15000～5000～8000～102～3300～100040～505～87.74～1014～200～30100～5000～400～200～300～1

步驟1：構(gòu)建m個事物n個評價指標(biāo)的判斷矩陣R=(xij)mn(i=1,2，…，m；j=1,2，…，n)。

步驟2：對評價指標(biāo)R進行歸一化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)矩陣Y。

對于越大越優(yōu)型指標(biāo)，有：

(1)

對于越小越優(yōu)型指標(biāo)，有：

(2)

步驟3：計算各指標(biāo)的熵值：

(3)

(i,j=1,2,…,n)

步驟4：計算各指標(biāo)的熵權(quán)：

(4)

為了充分考慮主觀性與客觀性，減少人為因素的影響，使評價結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠，既要考慮專家的知識及經(jīng)驗，又要考慮數(shù)據(jù)間的變異程度，因此采用熵權(quán)法對層次分析法的初始權(quán)重進行修正，按照式(5)計算修正后權(quán)重:

(5)

3.3 基于理想點法的綜合評價模型

經(jīng)過熵權(quán)法修正后的指標(biāo)權(quán)重wi更加客觀科學(xué)，能更好地反映出不同指標(biāo)在實際工程中的重要程度。基于此，采用理想法對水資源承載力進行綜合評估。

(1)正、負(fù)理想點。理想點法[14-16]是根據(jù)評價對象對理想化目標(biāo)的接近程度進行排序的方法，理想化目標(biāo)包括正理想點和負(fù)理想點，評價指標(biāo)越大越接近正理想點的為正向指標(biāo)，反之則為逆向指標(biāo)，正、逆指標(biāo)下正負(fù)理想點的計算公式如下：

(6)

(7)

(2)理想點的綜合測度距離。 評價指標(biāo)與正、負(fù)理想點間的距離被稱為綜合測度距離，評價指標(biāo)與正理想點間的距離越小，則表明評價指標(biāo)越優(yōu)，反之，則相反。通常可依據(jù)閔可夫斯基距離公式[17]，本文中采用歐氏距離來定義評價指標(biāo)到正理想點和負(fù)理想點的綜合測度距離，公式如下：

(8)

(9)

式中：D1為貼近正理想點的綜合測度距離；D2為貼近負(fù)理想點的綜合測度距離；wi為各評價指標(biāo)的修正權(quán)重。

(3)理想點貼近度。 通過理想點貼近度T的大小來評價水資源承載力的狀態(tài)，主要表現(xiàn)為對指標(biāo)的綜合評價，從而反映出各指標(biāo)對水資源承載力評價的影響。對理想點貼近度的相關(guān)公式為：

T=D2/(D1+D2)

(10)

式中：貼近度T屬于區(qū)間[0,1]，T越大，代表距離正理想點越近，距離反理想點越遠。

4 結(jié)果與討論

4.1 指標(biāo)權(quán)重的計算與分析

以2011-2015年江西省各地市數(shù)據(jù)為例評價水資源承載力的的狀態(tài)，根據(jù)《江西省統(tǒng)計年鑒》、《江西省水資源公報》和《江西省環(huán)境統(tǒng)計公報》選取指標(biāo)數(shù)據(jù)。采用AHP法，請相關(guān)專家對指標(biāo)的相對重要性做出評估，再結(jié)合熵權(quán)法修正權(quán)重，通過公式(1)～(5)分別確定指標(biāo)的修正權(quán)重wi，如表2所示。層次分析法和熵權(quán)法對各指標(biāo)權(quán)重的賦權(quán)總體上是較為接近的，個別指標(biāo)賦權(quán)有點差異，年降雨量C3的權(quán)重最大，修正權(quán)重達到0.134，其次是工業(yè)用水重復(fù)利用率C13，修正權(quán)重為 0.108，再次是第三產(chǎn)業(yè)比重C11和人均水資源量C2，修正權(quán)重分別為0.095、0.079，權(quán)重最小的是萬元工業(yè)增加值用水量C12，修正權(quán)重為0.019。從各指標(biāo)的權(quán)重來看，修正權(quán)重的大小符合各指標(biāo)對總體目標(biāo)的重要程度。

表2 水資源承載力權(quán)重系數(shù)

4.2 各等級的綜合貼近度

(11)

首先結(jié)合修正權(quán)重wi，利用公式(8)、(9)計算出各等級下水資源承載力評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)臨界點的理想點綜合測度D1、D2，然后依據(jù)公式(10)、(11)計算各等級臨界點的理想點貼近度，計算結(jié)果見表3。

4.3 水資源承載力綜合評價

以2011-2015年數(shù)據(jù)為例選取16個指標(biāo)，并對指標(biāo)進行歸一化處理，根據(jù)建立的基于理想點法江西省水資源承載力評價模型，計算出各指標(biāo)的理想點貼近度，并依據(jù)表3的評價標(biāo)準(zhǔn)，得出2011-2015年江西省各地市水資源承載力評價等級如表4所示。

表3 水資源承載力等級臨界點的理想點貼近度T

表4 2011-2015年江西省各地市水資源承載力評價結(jié)果

4.4 分析與建議

根據(jù)理想點法得到的2011-2015年江西省水資源承載力評價結(jié)果，可以得到各地市的變化特點，如圖3所示。

圖3 2011-2015年江西省各地市水資源承載力

2011-2015年江西水資源承載力值在0.5～0.7之間波動，由于2012年降雨量明顯增大，人均水資源量也顯著提高，導(dǎo)致2011-2012年上升幅度最大，而后又出現(xiàn)短暫的回降，但總體呈緩慢上升趨勢。各地市從2011年均處于Ⅲ(中)等改變?yōu)榈?015年除南昌、贛州和宜春3市之外均處于Ⅱ(良)等的良好狀態(tài)，其中南昌市的水資源承載力除2014年外均處于全省最低值，水資源承載力與其它地市相比最差，鷹潭市從2011-2015年水資源承載力值均最大，位居全省第一，其原因是南昌、贛州和宜春等地社會經(jīng)濟迅速發(fā)展，GDP增長率較大，在吸引了大量外來人口同時造成人口聚集現(xiàn)象，導(dǎo)致城鎮(zhèn)居民生活用水量和總耗水量增大，人均水資源量減少，均低于全省平均值，水資源供需矛盾突出，然而鷹潭、上饒、新余地年降雨量和人均水資源量都較豐富，城鎮(zhèn)居民生活用水量和萬元工業(yè)增加值用水量較少，工業(yè)用水重復(fù)利用率和污水處理率也均高于省內(nèi)平均值。

影響江西省水資源承載力的因素有很多，其主要因素有降雨量、工業(yè)用水重復(fù)利用率、第三產(chǎn)業(yè)占比、人均水資源量和污水處理率等，此外，還受GDP增長率、總耗水量、人口自然增長率等影響，根據(jù)江西省的實際情況有如下建議：

(1)加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，推動工業(yè)經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級。從影響因素來看，第三產(chǎn)業(yè)占比對江西省水資源承載力的影響較大，與其他產(chǎn)業(yè)相比具有生產(chǎn)同等GDP資源消耗少的優(yōu)點，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)和綠色企業(yè)，同時需要發(fā)展新材料、新能源，以創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，提升工業(yè)技術(shù)，提高工業(yè)用水重復(fù)率和污水處理能力，從而減少污染，提高水資源承載能力。

(2)提倡節(jié)約用水，推廣節(jié)水技術(shù)與設(shè)施。從全國范圍來看，江西省水資源總量比較豐富，由于城鎮(zhèn)居民日常生活用水量和總耗水量較大，人們過度消耗水資源，將造成水資源的浪費和日益短缺，需大力宣傳全民節(jié)水意識，建立水資源危機意識，開展水資源警示教育，推廣節(jié)水技術(shù)與設(shè)施，同時合理開發(fā)水資源，避免水資源破壞，以緩解水資源需求壓力。

(3)加強生態(tài)文明建設(shè)，堅持可持續(xù)發(fā)展。生態(tài)文明建設(shè)是人類社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的根基，是人與人、人與自然、人與社會相互尊重和諧共處的文化理念，在堅持以人為本、可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，制定科學(xué)的法律制度，合理利用自然。在經(jīng)濟快速發(fā)展的同時大力開展生態(tài)環(huán)境保護工作，保護水資源，保證河湖基本生態(tài)需水量，努力建設(shè)美麗江西，實現(xiàn)生態(tài)文明可持續(xù)發(fā)展。

(4)縮小地區(qū)差異，保持均衡發(fā)展。各地市水資源承載力值差異較大，地區(qū)差別比較明顯，對總體提高江西省水資源承載力有一定的影響，政府應(yīng)因地制宜制定不同的政策，對水資源承載力較差的地區(qū)給予更多的幫扶，加大對水資源承載力的建設(shè)，使其與社會經(jīng)濟發(fā)展相協(xié)調(diào)，既要金山銀山，也要綠水青山，努力縮小地區(qū)差距，實現(xiàn)均衡發(fā)展。

5 結(jié) 論

(1)本文闡述了江西省水資源承載力評價體系及指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)，采用AHP和熵權(quán)法進行融合確定指標(biāo)權(quán)重，提出了基于理想點法的評價模型。結(jié)果表明，該模型能夠削弱AHP 法確定指標(biāo)權(quán)重過程中的主觀性，有效的減少人為因素的干擾，使江西省水資源承載力評價結(jié)果更加客觀科學(xué)。

(2)實證結(jié)果表明：2011-2015年江西省水資源承載力整體逐年呈上升趨勢，綜合狀態(tài)處于Ⅱ～Ⅲ等，但地域差距比較明顯，針對南昌、贛州、宜春和吉安等人口聚集且經(jīng)濟發(fā)展迅速的地區(qū)水資源承載力相對較差的問題，并結(jié)合江西省水資源承載力的實際情況提出相應(yīng)建議，以期為各地市“河長制”的推行與管理和水資源規(guī)劃保護與可持續(xù)開發(fā)利用提供一定的借鑒和參考。今后江西各地市應(yīng)加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，提高工業(yè)用水重復(fù)率及污水處理率，節(jié)約用水，珍惜水資源，同時加大對生態(tài)環(huán)境的保護，均衡發(fā)展社會經(jīng)濟，以提升水資源承載能力，實現(xiàn)水資源的高效、可持續(xù)利用。

(3)由于影響水資源承載力的指標(biāo)數(shù)較多和部分?jǐn)?shù)據(jù)的缺失，導(dǎo)致指標(biāo)評價體系的構(gòu)建和水平年份的選取也難以詳盡全面，為保障評價的準(zhǔn)確性與科學(xué)性，有待今后進一步研究完善。