基于模糊綜合評價法的河南省中原城市群水資源承載力評價研究

安 強，魏傳江，賀華翔，崔英杰，聶倩文

(1.中國水利水電科學研究院，北京 100038；2.華北電力大學，北京 102206)

0 引 言

水資源是人類生存和社會經濟發展必不可少的自然資源之一，水資源條件的好壞，在一定程度上影響和制約著人類生存和社會經濟的發展。隨著中國經濟進入新時代，社會經濟的高質量發展和人口的不斷變化，對水資源開發利用提出了更高的要求。為保障水資源的可持續利用，維持經濟高質量發展，對水資源承載能力的研究備受重視。水資源承載力評價是進行水資源優化配置的基礎，也是實現區域可持續發展的重要保障[1,2]。因此，科學有效地評價水資源承載力對促進城市發展、提高人民生活質量以及合理規劃未來發展模式有著重要意義。

國內外學者已經對水資源承載力開展了眾多的研究：Falkenmark 等(1998)通過分析影響水資源承載力的多種因素，計算了部分發展中國家和地區的水資源使用限度[3]，Varis等(2001)通過對長江流域的研究，分析了該流域社會經濟狀況與水資源承載力的關系[4]，Steven H. A. Koop 等(2015)從多方面建立了國際性的評價指標體系，并分析了與智慧水務城市研究的關聯[5]；施雅風等(1992) 用常規趨勢法量化分析了烏魯木齊河流域的水資源承載力[6]，許有鵬(1993) 建立了西北干旱區水資源承載能力綜合評價模型[7]，段新光、欒芳芳(2014)用模糊綜合評價法對新疆水資源承載力進行了評價[8]。目前，現有研究中利用指標體系評價水資源承載力的研究還存在一些問題：一是評價指標和評價結果的分級不夠具體，不能準確反映承載力狀況；二是確定評價指標權重時，單純采用主觀賦權法或客觀賦權法，賦權結果不夠合理；三是在對水資源承載力各子系統的分析中，忽視了各子系統對承載力的影響力度不同；四是在對城市群進行評價時，只是單一的分析區域內各城市的情況，而缺少了對城市群整體的分析。鑒于此，本文將評價指標和評價結果的狀態都分為5個等級，采用層次分析法和熵權法相結合的綜合賦權法對評價指標進行賦權，以模糊綜合評價法對河南省中原城市群的10個地市的水資源承載力進行評價，并從多個角度分析評價結果，以期為將來該區域的水資源配置和城市發展規劃提供依據。

1 研究區概況

河南省中原城市群是以鄭洛新為核心的城市群，主要包括鄭州、鶴壁、開封、濮陽、安陽、焦作、新鄉、駐馬店、許昌、漯河十個省轄(管)市。該區域交通便利，人口密集，豐富的勞動力帶來了眾多的產業，2015年其人口總數為2 414 萬人，城市面積達到62 579 km2，GDP總值為21 526.7 億元。該區域處于北亞熱帶和暖溫帶地區，氣候溫和，日照充足，適宜于農、林、牧、漁等各業發展，是我國重要的糧食基地，其人均糧食占有量為591.4 kg。然而，由于水資源的短缺、人口的眾多以及生態環境的惡化，加之對水資源不合理的開發利用，河南省中原城市群面臨的水資源狀況不容樂觀，水資源問題已經成為制約該區域社會經濟發展和人們生活水平提高的重要因素。因此，開展河南省中原城市群水資源承載力研究，對進一步合理規劃水資源以及促進經濟社會可持續發展有著重要意義。

2 研究方法

2.1 評價方法及數據來源

本文使用模糊綜合評價模型進行水資源承載力研究，其原理為[9]：建立評價指標集C={c1，c2，…，cn}和評語集V={v1，v2，…，vm}，按式(1)計算模糊綜合評價結果。

B=A·R

(1)

(2)

式中：rij為ci的評價對等級vj的隸屬度，Ri=(ri1，ri2，…，rim)是評語集V的模糊子集，即對第i個元素ci的單因素評價結果。

本文所使用的數據主要來源于《2015年河南省水資源公報》和《2015年河南省統計年鑒》。

2.2 水資源承載力評價指標體系的構建和評價指標分級標準的確定

影響水資源承載力的因素有很多，涉及環境狀態、社會規模、經濟發展等多方面。河南省作為全國人口最多的省份，其省內城市群必然面臨著人口多所帶來的壓力，特別是近年來隨著經濟的快速發展，人們對生活質量的要求也日益提高，相應地給水資源也帶來了更大的壓力。為了能夠準確反映該區域的水資源承載力狀況，本文從兩方面來選取指標，一方面，根據已有的水資源承載力研究文獻，參考其中選取頻次較高的指標，另一方面，針對河南省中原城市群的實際情況和特點，結合專家意見，選擇適合研究區的指標。鑒于研究區天然水資源匱乏、社會人口眾多和經濟正處于高速發展階段，故對水資源、社會、經濟這些方面提出較高要求，對水資源子系統、社會子系統和經濟子系統分別取了3～5個指標，而對生態環境子系統只取了具有代表性的生態用水率這一項指標，最終本文以水資源子系統、社會子系統、經濟子系統和生態環境子系統作為水資源承載力目標的準則層，選取了13個指標(表1)。

構建好評價指標體系后，對各個評價指標進行等級劃分，結合河南省中原城市群的水資源特點，將各評價指標劃分為5個等級(表1),構建評語集V={v1，v2，v3，v4，v5}。其中v1級表示水資源承載力處于很差狀態，水資源矛盾十分突出；v2級表示水資源承載力處于較差狀態，但基本可以滿足各行業的用水需求；v3級表示水資源承載力處于一般狀態，沒有明顯的區域缺水問題；v4級表示水資源承載力處于較好狀態，水資源足夠支撐當地的經濟社會發展規模；v5級表示水資源承載力處于良好狀態，水資源與經濟、社會、生態協調發展，處于可持續利用的狀態。

2.3 評價指標權重的確定

水資源承載力涉及的因素眾多，不同的因素對其的影響力有所差別。從客觀上來看，不同的指標對水資源承載力的反映程度不同；從主觀上來看，不同區域的地域特點相差較大，在賦權時要考慮研究區域的實際情況。權重的計算方法大致分為主觀法和客觀法，其中層次分析法、比較矩陣法等主觀法主要根據決策者的經驗來決定各指標的重要性，主觀性太強，易受人的意識的干擾，而熵權法等客觀法則存在過度依賴指標變化率的缺陷，因此，本文采用層次分析法和熵權法相結合的綜合賦權法來確定指標權重。

表1 2015年河南省中原城市群水資源承載力綜合評價指標及其分級標準

首先，利用層次分析法對準則層進行賦值，具體步驟見相關文獻[10-12]，這里只給出層次分析法中1～9標度法的評價標準(表2)和各子系統之間的判斷矩陣(表3)，計算結果為：準則層的四個子系統的權重分別為WU1=0.467 3，WU2=0.160 1，WU3=0.277 2，WU4=0.095 4。

表2 1～9標度法的評價標準

表3 四個子系統的判斷矩陣

然后，采用熵權法確定各準則層中各評價指標的權重，具體過程[13,14]不再贅述，計算結果為：指標層各個評價指標權的重分別為W1={0.267 6,0.198 1,0.148 4,0.170 3,0.215 6}，W2={0.209 5,0.303 1,0.183 0,0.304 4}，W3={0.338 4,0.236 5,0.425 1}，W4={1.000 0}。

最后，將各子系統的權重值和其內各項評價指標的權重值相乘，得到各評價指標的最終權重(表4)。

表4 2015年河南省中原城市群水資源承載力各評價指標權重

2.4 利用單因素評價法計算評判矩陣R

(3)

(4)

其他等級隸屬度為0；

(5)

其他等級隸屬度為0；

(6)

其他等級隸屬度為0；

(7)

逆指標隸屬度計算公式如下：

(8)

(9)

其他等級隸屬度為0；

(10)

其他等級隸屬度為0；

(11)

其他等級隸屬度為0；

(12)

根據以上公式計算得到各地市隸屬度矩陣R。

2.5 模糊綜合評價計算

根據計算得到的權重矩陣A和各地市的隸屬度矩陣R，利用模糊綜合評級公式B=A·R可得到各地市的模糊綜合評價矩陣B。

評價指標的各等級所反映的水資源承載力的情況是不同的，對各等級賦予0～1之間的數值來進行量化，數值越大代表水資源承載能力越強，對等級v1，v2，v3，v4，v5分別取α1=0.1，α2=0.3，α3=0.5，α4=0.7，α5=0.9。根據下式計算水資源承載力的綜合評價值，計算結果見表5。

(13)

根據已有研究成果[16-18]，結合河南省中原城市群的水資源條件、生態環境特點以及社會經濟發展情況，得到綜合評分值的分級標準(見表6)。

3 結果分析與討論

總體上看，河南省中原城市群的水資源承載力狀況較好，10個地市評分值均在0.2～0.5之間，說明該區域水資源承載力屬于適中程度，水資源仍具備一定的開采潛力，能夠維持社會經濟的發展，生活、生產、生態用水相對來講處于平衡狀態，暫時不會面對嚴重的缺水問題。盡管水資源承載力都處于可承載狀態，但10個地市的綜合評分值仍表現出了一定的區分度(圖1)，根據綜合評分值由高到低排列依次是：許昌、鄭州、漯河、駐馬店、濮陽、焦作、鶴壁、開封、安陽、新鄉，其中許昌評分值最高為0.440 5，新鄉評分值最低為0.266 6。

3.1 各子系統承載力結果分析

受天然水資源情況的限制和人為政策的影響，各地市的水資源狀況、社會經濟發展模式和生態環境都存在一定的差異，因此10個地市的水資源承載力表現出了一定的空間分異性。為了更加清楚地反映各地市在子系統層面表現出的空間分異性，本文對影響水資源承載力的水資源子系統、社會子系統、經濟子系統和生態環境子系統進行了獨立的模糊綜合計算，得到了各子系統的綜合評分值(圖2)。

(1)根據水資源子系統的評價結果，各地市的評分值由高到低分別為：駐馬店、濮陽、開封、漯河、焦作、許昌、新鄉、安陽、鄭州、鶴壁，其中駐馬店評分值最高，為0.307 4，安陽、鄭州、鶴壁最低，為0.1。整體上，河南省中原城市群的水資源子系統評分值較低，只有駐馬店和濮陽的評分值高于0.2，處于可承載狀況，其余地市的評分值均較低，處于準不可承載狀態。河南省中原城市群水資源量本就不夠豐富，河南省作為全國人口第一大省，人口眾多導致水資源量更為緊缺，人均水資源量甚至不及全國平均水平的1/5。同時，河南省作為我國重要的糧食基地，由于灌排設備的技術落后，灌溉用水占用了大量的水資源，水資源供需矛盾十分突出。

(2)在社會子系統評價結果中，各地市評分值由高到低分別為：鄭州、濮陽、許昌、鶴壁、焦作、新鄉、安陽、開封、駐馬店、漯河，其中鄭州評分值最高，為0.561 3，漯河評分值最低，為0.381 9。整體上，河南省中原城市群的社會子系統的評分值較高，其中鄭州、濮陽、許昌、鶴壁的評分值都超過了0.5，達到了良好可承載狀況，其余地市也均處于可承載狀況。河南省中原城市群的各地市人口密度普遍較大，2015年鄭州市人口密度更是達到了1 270 人/km2，盡管如此，但鄭州市的評分值卻是最高，主要是因為鄭州市作為省會城市，節水設施完備，經濟發展迅速，人均GDP等指標的評分值較高，使得其社會子系統的總評分值最高。漯河的社會子系統評分值最低，主要是在于其人口密度大、經濟發展緩慢，2015年漯河人口密度為976 人/km2，人口密度僅低于鄭州，而人均GDP僅為3.77萬元，同時受水資源條件等的影響，其生活用水定額僅為84.28 L/(人·d)。

(3)從經濟子系統來看，各地市評分值由高到低分別為：許昌、鄭州、漯河、駐馬店、鶴壁、焦作、安陽、開封、新鄉、濮陽，其中許昌評分值最高，為0.800 4，濮陽評分值最低，為0.325 7。整體上，河南省中原城市群的經濟子系統的評分值較高，其中許昌的評分值超過了0.8，達到了理想可承載狀態，鄭州、漯河、駐馬店的評分值超過了0.5，達到良好可承載狀態，其余地市也都處于可承載狀態。許昌和鄭州在農業綜合灌溉用水定額、萬元GDP用水量、第一產業用水比例3項指標的評分值都較高，說明其社會發展水平較高，農業節水效果顯著，對緩解水資源供需矛盾起到了良性作用。濮陽市的經濟子系統的評分值最低，2015年濮陽的農業綜合灌溉用水定額和萬元GDP用水量分別達到了4 260.35 m3/hm2和38.71 m3，在10個地市中排名最差，第一產業用水比例也高達70 %，說明其用水結構需要進一步調整。

(4)在生態子系統的評價結果中，各地市評分值由高到低分別為：鄭州、漯河、濮陽、安陽、許昌、焦作、鶴壁、開封、新鄉、駐馬店，其中鄭州評分值最高，為0.9，駐馬店評分值最低，為0.238 6。整體上來看，河南省中原城市群的生態子系統的評分值較高，鄭州、漯河、濮陽的評分值都達到了理想可承載狀態，其余地市也都為可承載或良好可承載狀態。鄭州市生態子系統的評分值最高，其2015年的生態用水率高達15.46%，主要原因是自2013年被確定為全國水生態文明城市建設試點后，鄭州市高度重視水環境問題，積極完成水生態文明建設，水污染問題得到改善。駐馬店2015年生態用水率僅為1.19%，大部分河段水質均超過Ⅴ類水質，水生態失衡嚴重，嚴重制約了水資源承載力的提高。

3.2 各地市水資源承載力評價各子系統貢獻度分析

各子系統的權重值是不同的，同等分值的情況下，相比于權重值較低的子系統，權重值大的子系統的評分值對最后的綜合評價結果影響會更大。為了更好地表現出各子系統的評分值對綜合評分值的貢獻度，以及探究各子系統對水資源承載力的影響，本文計算了各地市綜合評分值中各子系統所占的分值，見各子系統所占分值的堆積圖(圖3)。經過剛才的分析，我們已經知道四個子系統中水資源子系統的狀況最差，生態子系統的狀況最好，但從圖3中可以看出，在水資源承載力的綜合評分中，這二者的表現卻并沒有表現出明顯的差距。原因在于水資源子系統在水資源承載力評價體系中更為重要，在前面的賦權過程中對其賦予了較高的權重，盡管其狀況較差，但僅從評分組成上來看并沒有表現出來。

圖3 各地市水資源承載力綜合評分值組成情況

3.3 城市群水資源承載力整體性評價

河南省中原城市群是一個城市集合體，我們不能只單一地考慮各地市的情況。在同一個城市群中，各城市的發展狀況密切相關，城市群不會任由其成員的某個子系統崩潰，比如某市出于某種原因水資源突然變得極度緊缺，其他城市勢必會將自己的水資源分給它，這便是研究城市群水資源承載力時所要考慮的整體性。本文將不同地市相同子系統的隸屬度值進行整合，并對其進行加權平均處理，進而可計算得到整個城市群各子系統的評分值，見表7。各子系統按評分值由高到低排列依次為生態子系統、經濟子系統、社會子系統、水資源子系統，其中生態子系統最高，為0.563 8，水資源子系統最低，為0.166 3。城市群整體結果與單獨分析各地市時得到的結果是一致的，從整個城市群的角度看，水資源子系統依然是情況最差的，只有0.166 3，處于準不可承載，這意味著當河南省中原城市群中的城市面臨較嚴重的資源性問題時，很難通過城市群內部的資源協調來解決，而只能考慮外調水等途徑。

表7 城市群各子系統評價結果

3.4 城市群水資源承載力評價各子系統貢獻度分析

同前面對各地市各子系統貢獻度的分析，從城市群這個整體上對各子系統的評分按其權重賦權，得到各子系統對整個城市群水資源承載力評分的貢獻度，見圖4。其中經濟子系統貢獻度最高，達到了41 %，生態子系統貢獻度最低，只有15 %，水資源子系統和社會子系統貢獻度同為22 %。城市群中各地市的經濟子系統本身狀況就較好，同時經濟子系統的權重值也較高，因此最終經濟子系統對水資源承載力評分的貢獻度最高。作為狀況最好的生態子系統，其貢獻度卻是最低的，這主要是由于生態子系統的權重值較低。

圖4 城市群水資源承載力評分各子系統貢獻度

4 結 論

(1)2015年河南省中原城市群水資源承載力狀況總體較好，從評價結果來看，安陽、鶴壁、焦作、開封、漯河、濮陽、新鄉、許昌、鄭州、駐馬店的水資源承載力綜合評分值分別為0.290 6、0.293 9、0.329 2、0.293 8、0.430 0、0.357 4、0.266 6、0.440 5、0.437 4、0.400 1，其中許昌評分值最高，為0.440 5，新鄉評分值最低，為0.266 6，10個地市均處于可承載狀態。

(2)從不同子系統來看，水資源子系統評分值普遍較低，其中駐馬店水資源子系統評分值最高，安陽、鄭州、鶴壁評分值最低，對于整個城市群來說，水資源子系統的情況也不容樂觀，改善該子系統狀況需要借助區域外的資源；社會子系統總體狀況較好，其中鄭州社會子系統評分值最高，漯河評分值最低；經濟子系統總體狀況也較好，其中許昌經濟子系統評分值最高，濮陽評分值最低，經濟子系統對整個城市群水資源承載力的貢獻度最高；生態子系統總體狀況最好，其中鄭州生態子系統評分值最高，駐馬店評分值最低。

(3)目前河南省中原城市群的水資源承載力處于可承載狀態，但隨著人口的增多、社會經濟的發展以及氣候環境的變化，水資源依然面臨著巨大的壓力。未來河南省中原城市群應合理控制人口，深化產業結構調整，提高節水意識，合理規劃水資源開發及利用，同時，針對各地市不同系統所面臨的問題，應提出相應的解決方法。