基于DPSR-改進TOPSIS模型的淮安市水資源承載力評價

許 楊， 陳 菁， 夏 歡， 褚琳琳， 張馨元

(河海大學 農業工程學院， 江蘇 南京 210098)

1 研究背景

水是生命之源，是人類社會賴以生存的根本。隨著經濟社會的快速發展和城市化進程的不斷推進，人類社會對水資源的需求量日益增長，水資源供需矛盾日益突出[1]。與此同時，對水資源的過度開發利用和水生態保護工作的不足，導致了部分地區水質變差、生態惡化，從而引發了一系列的水環境危機。水資源數量和質量正在逐漸成為制約區域生態環境和經濟社會可持續發展的主要原因，其嚴重影響了區域水資源承載力[2]。客觀全面地評價區域水資源承載力[3-4]，分析當前區域水資源使用上存在的問題并提出改進建議，是實現區域可持續發展的重要前提。

相關學者對水資源承載力的研究在評價體系和評價方法上百舸爭流。賀欣悅等[5]將熵權法和云理論有機結合,用于成都市各區縣水資源承載力評價，避免權重確定的主觀性同時兼顧概念的模糊性和隨機性；肖杰等[6]根據關中-天水經濟區相關資料應用主成分分析法從時間和空間角度綜合評估了區域水資源承載力；張天宇等[7]運用模糊綜合評價模型對沙漠綠洲未來水資源承載力進行了評價和預測研究以期為地區水資源可持續利用和管理提供決策；藍希等[8]采用結構熵權法和均方差決策法進行主客觀聯合賦權，對長江經濟帶戰略下的武漢城市水環境承載背景進行研究；楊琳琳等[9]運用BP神經網絡模型模擬分析了2個情景下2014-2020年新疆的水資源承載力。但是目前的研究主要存在兩方面不足：(1)評價指標體系的構建對各種因素間的相關性反映不夠，對影響區域水資源承載力的深層原因反映不夠；(2)評價體系參照標準的適用性有所不足，存在一定的主觀任意性。

DPSR模型在PSR(壓力-狀態-響應)模型[10-14]的基礎上增加考慮了D(驅動力)因素，指標體系較為完整，不僅能夠清晰反映出各種因素之間的相關性，還能一定程度地探究區域水資源承載力變化的深層原因。 TOPSIS模型[15-16]能充分利用原始數據的信息，其參照標準來源于原始數據本身，無需主觀確定，能客觀充分地反映各方案之間的差距?；疑P聯法[17-18]能很好地反映各評估對象與參考數列間的非線性關系，可以一定程度上彌補TOPSIS分析法的缺陷，引入灰色關聯法改進TOPSIS可以增加評價結果的客觀全面性。因此，本文引入DPSR模型，將其與灰色關聯改進的TOPSIS模型相結合，并對淮安市水資源承載力進行實例分析，以期對區域水資源承載力評價提供新的思路和方法支撐。

2 研究區域概況和數據來源

2.1 研究區域概況

淮安市地處蘇北腹地，境內河網密布、湖泊眾多，水資源總量相對較為豐富，但是淮安市人均水資源總量卻相當匱乏，不到全國水平的三分之一。隨著經濟社會的快速發展和城鎮化進程的不斷推進，淮安市的水資源需求將愈發緊張。為保障區域生態環境和經濟社會可持續發展，須要對淮安市水資源承載力進行客觀全面的綜合評價。

2.2 數據資料來源

通過對淮安市2011-2016年統計年鑒、環境保護公報、水資源公報等相關數據進行整理分析計算，得到本文原始數據。

3 研究方法

3.1 指標體系的構建

本文結合淮安市水資源狀況和經濟社會發展狀況，運用DPSR模型，選取4個層面共16個指標作為綜合評價分析的依據，其中驅動力層指標2個，壓力層指標5個，狀態層指標5個，響應層指標4個，具體見表1。

3.1.1 驅動力指標 驅動力指標可定義為推動區域水資源系統發展變化的指標，它是水資源承載力變化最原始的關鍵指標，主要與區域社會經濟發展等指標有關：

社會發展指標。目前我國大部分地區依舊處于加速工業化、城鎮化階段，這一過程中行業用水結構的調整以及人類對河流湖泊的改造都將對區域水資源系統產生根本的改變，因此社會發展指標是驅動力指標中的最關鍵指標之一。城市化率目前能很好地反映我國大部分城市社會發展狀況，可作為社會發展代表性指標。

經濟發展指標。一方面，區域水資源承載能力的過載主要是由于區域經濟中各行業的用水需求快速增長；另一方面，更高水平的水資源承載力也有著承受更高經濟發展水平的內在要求。 人均GDP是衡量中國地區經濟發展水平的最常用指標之一，因而可作為經濟發展代表性指標。

3.1.2 壓力指標 壓力指標可定義為在驅動力作用之后，施加在水資源系統上造成水資源承載力惡化的直接因素。壓力可以認為是經濟社會不斷發展的情況下人類對水資源的需求和人類活動產生的污水和主要水體污染物對水資源系統的負擔。本文選擇從以下幾個方面的指標考慮：

人口指標。人口數量的增長會導致人類對水資源系統干涉活動的增加，這在一定程度上削弱了水資源系統的完整性，從而對水資源承載力造成相當嚴峻的壓力。本文選取人口密度作為人口指標的代表性指標。

人均用水需求指標。社會經濟的發展顯著提高了人類的生活水平，人均用水需求勢必會日益增長，形成日益增加的需水壓力。本文選取人均用水量作為人均用水需求指標。

污水排放量指標。水資源在經歷從自然系統到社會系統再回歸自然系統的過程中，一般均會受到不同程度的污染，這就給水資源系統施加了一定程度的水質壓力。

水環境污染程度指標。水資源污染程度的高低對水資源質量以及治理帶來的壓力也有所不同。目前，化學需氧量(COD)和氨氮排放量是水環境治理中的主要控制指標，因此本文選取這兩項指標作為水環境污染程度指標。

3.1.3 狀態指標 狀態指標是用來描述水資源系統在壓力作用下所處的物理特征狀態，很大程度上反映了區域水資源系統目前的客觀狀態，可從以下幾個方面考慮：

行業用水狀態指標。各行業的用水水平很大程度上決定了區域的水資源系統狀態，考慮到淮安市農業用水仍然占據總用水量的絕大部分，選取畝均灌溉用水量作為農業用水狀態指標，萬元GDP取水量作為全行業用水狀態指標。

水資源可利用量。水資源可利用量是水資源系統能滿足人類用水需求的尤為重要的指標，本文選取人均可利用水資源量作為代表性指標。

河湖水環境指標。河道、湖泊作為水資源系統的天然組成部分，其水環境質量對區域內居民有著毋庸置疑的影響。本文選取水功能區達標率作為湖泊水環境指標，選取三類水以上斷面率作為河流水環境指標。

表1 水資源承載力DPSR模型指標體系

注：+表示正向指標；-表示負向指標。

3.2 指標權重

本文采用熵權法確定DPSR模型指標體系各指標權重。熵權法[19-20]確定的各指標權重主要來源于數據自身的客觀差異性，不受主觀偏好影響，從而能客觀反映數據中的相關信息，適用范圍很廣。

3.2.1 歸一化評價矩陣 設歷史數據有m年，評價指標有n個，則初始評價矩陣為A=(aij)m×n。

數據歸一化處理：

(1)

當指標有利益屬性為正向指標時，取公式(1)中上式；當指標有成本屬性為負向指標時，取公式(1)中下式。

3.2.2 指標權重計算 計算m年數據序列里第j項指標的第i年數據占該指標的比重：

(2)

計算第j項指標的熵值：

(3)

式中：k=1/ln (m)且pij=0時，記ln (pij)=0。

計算第j項指標權重：

2012年8月2—4日，福建省柘榮縣受第9號臺風“蘇拉”影響，遭遇持續強降雨，雨量達328 mm，最大1小時雨量達88 mm、最大3小時雨量達141 mm。特大暴雨造成柘榮縣境內河水急劇上漲，城區局部內澇，各鄉鎮不同程度受災，多處護岸、堤防和道路被沖毀，山體滑坡頻發。面對特大強降雨，柘榮縣及時啟動縣級山洪災害防御預案。各地各部門按照預案加強工程巡查、及時轉移群眾，23支應急分隊果斷處置險情，各地防御預警銅鑼長緊急鳴鑼告警。8月3日23時，乍洋鄉石山站監測到最大1小時降雨量達88 mm，由于山洪災害監測預警系統及時預警，縣鄉兩級立即啟動應急預案，轉移下游村民300多人，避免了人員傷亡。

(4)

記權重向量為w={w1,w2,…,wn}。

3.3 灰色關聯改進的TOPSIS

用TOPSIS分析法評價各對象優劣程度時，選取的參照標準來源于各對象數據本身，客觀性很強。但考慮到TOPSIS求得的歐式距離只反映了其屬性與其效用之間的線性變化關系，而灰色關聯分析法是通過計算各參考方案序列與最優解序列的相關度來比較各方案優劣，其能較好地反映序列之間的非線性關系，因此運用灰色關聯分析的灰色關聯度來改進TOPSIS。

3.3.1 標準化評價矩陣 對初始評價矩陣A=(aij)m×n進行標準化處理，記為B=(bij)m×n。

(5)

3.3.2 加權判斷矩陣計算 將標準化后的評價矩陣與熵權法確定的權重矩陣相乘,得加權判斷矩陣如下：

(6)

記為F=(fij)m×n。

對于正向指標：

(7)

對于負向指標：

(8)

3.3.4 計算距離 采用歐式距離作為評價年各指標與最優最劣解接近程度的標準，計算公式如下：

(9)

3.3.5 計算灰色關聯系數 在前文中確定的加權標準化矩陣和最優最劣解的基礎上，通過以下公式計算灰色關聯系數。

(10)

3.3.6 計算灰色關聯度

(11)

3.3.7 公式組合

(12)

(13)

然后采用以下公式計算綜合距離。

(14)

式中：α+β=1,α、β∈[0，1]，取α=β=0.5。

3.3.8 相對貼近度計算

相對貼近度計算如下：

(15)

綜上，得到基于灰色關聯改進的TOPSIS分析法的綜合貼近度Ci。Ci越大，則目標值與最優值越接近，水資源承載力也就越高。

4 實例應用

本文以淮安市2011-2016年數據為樣本，運用DPSR-灰色關聯改進的TOPSIS模型對各個年份的水資源承載力進行綜合客觀評估。

4.1 熵權法指標權重確定

通過公式(1)歸一化原始評價矩陣各指標，然后通過公式(2)、 (3)、 (4)逐步計算得到DPSR模型框架下各指標權重，具體權重見表1。

4.2 主要數據計算

按公式(5)計算加權判斷矩陣FT如下。

FT=

用公式(7)、(8)確定最優最劣解向量后，運用公式(9)計算歐式距離，運用公式(10)、(11)計算灰色關聯度，數據結果見表2。

表2 淮安市2011-2016歐式距離以及灰色關聯度計算

4.3 相對貼近度計算

應用公式(12)、(13)對上述數據進行無量綱化處理，再應用公式(14)、(15)計算相對貼近度，得到相對貼近度向量C={0.4096,0.6806,0.4721,0.3461,0.3378,0.3423}

在此基礎上，用灰色關聯改進的TOPSIS分別計算驅動力層、壓力層、狀態層和響應層的相對貼近度，具體數值見表3。

表3 淮安市2011-2016水資源承載力相對貼近度計算

4.4 評價結果分析

繪制2011-2016年驅動力、壓力、狀態、響應子系統相對貼近度變化趨勢圖，見圖1。

圖1 2011-2016年DPSR模型各子系統相對貼近度變化趨勢

從驅動力子系統來分析，驅動力一直保持在高速增長階段，這表明淮安市近6年經濟社會建設取得了卓越成就，城市化率和人均GDP增長迅速。這一現象，一方面表明淮安市的水資源所能承載的社會經濟結構更為先進發達，即水資源承載力更高，另一面在社會、經濟高速發展的強大內在驅動力下，水資源勢必會承受來自人類不斷增長的的數量和質量上的壓力，從而對壓力子系統產生影響，進而對狀態子系統產生影響。

從壓力子系統來分析，淮安市的水資源壓力先優化后惡化。2011-2016壓力子系統逐漸優化，是因為淮安市在“十二五”期間先后開展了江蘇省節水型社會示范區和節水型城市建設，政府投入大量人力物力開展全行業節水技術改造、推廣節水型生活器具并開展水生態保護。從圖1中可以看到，污水排放量、COD排放量、氨氮排放量這3項壓力指標均呈現出相當明顯的下降趨勢。但值得注意的是2016年，COD排放量、氨氮排放量這兩項指標較2015年明顯增長，壓力子系統明顯惡化，因此在發展的同時控制住COD、氨氮等污染物的排放是維持壓力子系統良好運行的重要前提。

從狀態子系統分析，狀態子系統變化趨勢基本與壓力子系統一致，經歷了先優化后惡化的過程。最劣解出現在2013年是因為該年是枯水年，來水量嚴重偏低，導致人均可利用水資源量處于歷史低位。而2011-2015年這5年間農田畝均灌溉用水量、萬元GDP用水量等技術指標均逐步提升，水功能區達標率基本呈上升趨勢，三類水以上斷面率基本保持在優良水平，這與最優解出現在2015年基本對應。2016年較2015年，人口密度不斷增長累積效應帶來的人均可利用水資源量的下降以及該年水功能區水質達標率的惡化，導致2016年狀態子系統較之前出現了一定程度的下滑。通過分析可以得到，人均可利用水資源量和水功能區水質達標率是影響狀態子系統的主要因子。

從響應子系統分析，響應狀態先上升后下降。2011-2016年，淮安市污水廠擴建工程的逐步配套實施使淮安市污水處理能力也在逐漸提升，產業結構調整提升了第三產業占比，農業工程性和非工程性節水措施的實施提升了灌溉水利用系數，這與淮安市響應子系統的總體優化趨勢基本符合。但值得注意的是2016年大幅減少了環保資金投入后，響應子系統狀態顯著下降，這表明環保資金投入是影響響應子系統的主要因素。

綜上，淮安市總體水資源承載力變化趨勢與壓力、狀態、響應子系統變化趨勢一致，即2015年之前總體呈上升趨勢，2015年之后出現了明顯下降。究其深層次原因，在淮安市經濟社會高速發展的強大內在驅動力作用下，生活水平提高導致的人均用水需求的持續增長、各行業蓬勃發展引發的用水需求以及產業結構優化不夠導致的污染物排放量上升等因素給水資源壓力子系統不斷加壓，進而影響狀態子系統，在響應子系統響應程度出現突然下降響應不足的情況下，就會導致總體水資源承載力的突然惡化。因此，淮安市在今后的發展過程中，一定要考慮到社會經濟發展的強勁內在驅動力給壓力子系統和狀態子系統造成的負擔，充分發揮主觀能動性，積極響應，樹立全局觀念，兼顧統籌發展與環境保護才，能實現可持續發展。

5 結論與討論

本文運用DPSR模型從驅動力、壓力、狀態、響應4個子系統選取了16項綜合指標構建了水資源承載力綜合評價指標體系，引入灰色關聯分析改進的TOPSIS分析法作為評價方法，并將改進TOPSIS分析法計算得到的相對貼近度作為水資源承載力綜合評價的標準。

運用該模型對淮安市2011-2016年水資源承載力進行評價，評價結果顯示淮安市水資源承載力在2015年前總體呈上升趨勢，2015年后明顯下降，結果基本符合淮安市現狀。從各個子系統的分析可以得到，COD排放量、氨氮排放量是影響壓力子系統的主要因素；人均可利用水資源量和水功能區達標率是影響狀態子系統的主要因素；環保資金投入是影響響應子系統的主要因素。這一結果表明淮安市為保證其水資源承載力良性發展，需要做到以下幾點：(1)保持環保資金高投入，進一步推進環保工作，控制COD、氨氮等污染物排放量，保證水功能區水質不惡化；(2)加快再生水工程建設，開發利用非常規水資源，穩定甚至提升人均水資源可利用量。