基于熵權TOPSIS的河南省水資源承載力綜合評價

馮怡，劉德波，苗智英，成晨光，任磊

(1.河南省水利勘測設計研究有限公司，河南 鄭州 450018；2.黃河水利委員會信息中心， 河南 鄭州 450003)

1 引言

隨著經濟快速發展和人口不斷增長，因地區水資源時空分布不均和水土資源分布不匹配帶來的水資源供需矛盾日益加劇，水資源已成為制約地區社會經濟可持續發展的“瓶頸”。如何平衡地區水資源與社會、經濟、生態多方面之間的關系，已成為地區可持續發展的關鍵問題。水資源承載力是反映地區水資源與社會經濟、生態環境之間協調性的重要指標，可反映地區水資源在社會、經濟、生態多重壓力下的支撐能力，因此進行水資源承載力評價研究對地區優化配置水資源、促進水資源與社會經濟協調發展具有重要意義。

水資源承載力的研究方法主要分為以下3類：常規趨勢法、綜合評價法和系統動力學法。因綜合評價法具有計算簡便和結果全面的優點，在國內水資源承載力研究中應用廣泛。劉雁慧等基于熵權法從承壓、壓力、協調及管理4個方面構建指標體系，探討2000—2015年中國水資源承載力；李治軍等基于模糊分析法對合肥市2013—2017年水資源承載力情況進行評價；安強等基于模糊綜合評價法對河南省中原城市水資源承載力進行評價分析。文章采用簡便、信息失真小及對樣本數量無嚴格限制的TOPSIS法(Technique for Order Preferenceby Simil-arity to Ideal Solution)，即逼近理想解排序法，結合熵權法和障礙度模型對河南省2010—2018年的水資源承載力進行綜合評價和關鍵因子判定，探究河南省水資源承載力的時間演變規律，為河南省水資源優化配置和社會經濟可持續發展提供一定的技術支持和理論基礎。

2 研究區概況

河南省位于中國中東部地區(31°23′～36°22′N，110°21′～116°39′E)，東臨山東、安徽，北連河北、山西，西接陜西，南靠湖北，是連通東西、承接南北的重要交通要地。太行山、伏牛山、桐柏山和大別山沿省界呈半環形分布，將河南省平原地帶包圍其中，中、東部為黃淮海沖積平原，西南部為南陽盆地，地勢上西高東低。河南省位于秦嶺淮河以北，屬暖溫帶和亞熱帶地區，四季分明，氣候溫和，全省由南到北多年平均氣溫在12.70℃～15.70℃之間，年均降水量為532.50～1 380.60 mm，多年平均水資源總量為403.60億m3。河南省橫跨海河、黃河、淮河、長江四大水系，境內1 500多條河流交錯縱橫。目前隨著經濟飛速發展和人口激增，加上對水資源的不合理開發利用，河南省水資源與社會、經濟及生態等方面的矛盾日益突出。河南省地形圖如圖1所示。

圖1 河南省地形圖

3 數據來源與研究方法

3.1 數據來源

文章所用指標的原始數據來源于《河南省水資源公報》(2010—2018)《河南省環境狀況公報》(2010—2018)《河南省國民經濟和社會發展統計公報》(2010—2018)，部分數據來源于《河南省統計年鑒》(2010—2018)。采用熵權法計算各指標權重，基于熵權法所得權重和TOPSIS法計算公式，依次計算正、負理想解以及評價指標與最優方案的接近程度，以相對接近度作為綜合評價值，對2010—2018年河南省水資源承載力進行分析評價。

3.2 指標評價體系建立

水資源承載力表征地區水資源與社會、經濟和生態多方面的協調性，為客觀科學地反映河南省近10 a的水資源承載力情況，文章在國內外已有研究的基礎上，結合河南省地區特點，挑選了16個具有代表性、科學性、系統性和可操作性的指標建立水資源承載力評價指標體系(見表1)，分別從水資源、社會、經濟和生態4個方面對河南省水資源承載力進行綜合評價分析。

表1 水資源承載力指標體系表

同時，在文獻和已有規范的基礎上，文章將水資源承載力劃分為5個等級，以便更好地評價地區水資源承載力，具體劃分標準見表2。

表2 水資源承載力評判標準表

3.2 研究方法

3.2.1 TOPSIS法

1981年，Hwang和Yoon首次提出TOPSIS法，用于系統工程有限方案多目標決策分析。該法根據評價對象與最優、最劣解的距離判斷評價對象的優劣程度。具體計算步驟如下：

原始指標可表達為矩陣：X=(xij)n×m，(m個評價對象，n個評價指標)，文章選取16個指標，對2010—2018年河南省水資源承載力進行評價。

對正向指標和負向指標分別進行歸一化處理，即：

(1)

(2)

數據歸一化后，采用熵權法對指標進行賦權，得到轉化矩陣：

A=(Aij)n×m

(3)

確定正理想解A+與負理想解A-：

A+=(Amax1，Amax2，…，Amaxn)

(4)

A-=(Amin1，Amin2，…，Aminn)

(5)

計算第i個評價對象與正負理想解的距離Z+、Z-:

(6)

(7)

計算第i個評價對象與理想解的相對接近程度Gi，即為水資源承載力綜合評價指數。根據Gi的大小進行排序，Gi的值越大，說明評價對象越接近理想狀態，評價結果越好，即水資源承載力越強。

(8)

3.2.2 障礙度模型

障礙因素診斷主要涉及3個衡量指標，即因子貢獻度Fi、指標偏離度Ci和障礙度Oi。因子貢獻度Fi表示單一指標Ii對總目標的貢獻大小，文章用指標權重ωi表示；指標偏度Ci為各指標實際值與最優目標值之間的差距，可以用1與各指標標準化值rij的差表示；障礙度Oi的大小可表示子系統或各指標對水資源承載力影響程度的高低，計算公式如下：

(9)

Ci=1-rij

(10)

4 結果與分析

4.1 河南省水資源承載力時間變化評價

從圖2(a)可以看出，河南省水資源承載力隨年份的變化呈“W”型波動，整體表現為上升趨勢。2010—2011年水資源承載力下降42%，下降趨勢顯著，承載力從Ⅱ級下降至Ⅳ級，分析發現除經濟子系統承載力增加外，其他三個子系統承載力均為下降狀態，且下降比例均>43%，其中水資源子系統承載力下降67%，是造成整體水資源承載力下降的主要原因；2011—2013年承載力評價值從0.31降至0.26，承載力成為Ⅴ級，說明河南省這3 a水資源供需矛盾日益突出，生態系統失衡，水資源承載力主要受來自水資源和社會子系統的壓力較大；隨著地區經濟快速發展和供水能力提升，2014年水資源承載力明顯上升，承載力等級從Ⅴ級轉為Ⅲ級，2014年是河南省水資源承載力趨好的重要年份；2015年河南省水資源承載力較2014年有小幅度下降，承載力降至Ⅳ級；2015—2018年水資源承載力評價值從0.34增加至0.53，承載力水平從Ⅳ級恢復到Ⅱ級，2018年承載力與2010年基本持平。自2015年水資源承載力下降以后，河南省采取多種措施改善省內水資源供需平衡狀態，社會和生態子系統的改善效果顯著，水資源承載力水平得以提高。

圖2 河南省2010—2018年水資源承載力時間變化圖

從水資源子系統來看，子系統承載力變化過程與水資源承載力一致，承載力評價值均呈波動的“W”型變化過程。2012年水資源狀況最差，評價值趨于零，水資源子系統承載力為Ⅴ級，地區水資源供需矛盾突出。2012年以后水資源子系統狀況有所改善，并在2014年達到Ⅱ級。2015—2018年子系統承載力值基本維持在0.30～0.40之間，在Ⅳ級和Ⅲ級間相互轉換，說明河南省2015—2018年水資源狀況趨于穩定，但承載力仍較弱，需進一步采取措施以保證水資源與社會經濟平衡發展。

從社會子系統來看，子系統承載力值在2010—2016年呈急劇下降趨勢，子系統承載力等級由Ⅰ級變為Ⅴ級；2016—2018年評價值從0.03增加到0.42，2017年子系統承載力水平開始上升，2018年子系統承載力達到Ⅲ級。社會子系統受人口密度、人口自然增長率、城鎮化率以及城市人均日生活用水量的影響，子系統承受壓力日益增加，與2010年相比，2018年子系統承載力下降了40%。

從經濟子系統來看，2010—2018年子系統承載力呈顯著上升趨勢，自2015年起達到Ⅲ級及以上等級。GDP和第三產業占比兩個指標的持續增長說明河南省經濟狀況發展良好，呈穩步增長態勢，萬元GDP用水量和萬元工業增加值用水量的逐年下降，歸功于工業發展和省內節水技術的推廣革新。近年來河南省經濟形勢良好，增速較快，對全省水資源承載力具有較好支撐作用。

從生態子系統來看，2010—2018年承載力變化可分為3個階段。2010—2011年，子系統承載力評價值由0.48下降到0.23，下降了51.50%，從Ⅲ級降至Ⅴ級，2011年的廢水排放量最大，該指標是造成2011年承載力下降的關鍵原因。2011—2015年承載力仍處于Ⅴ級，說明這5 a河南省生態狀況較差，但相對穩定。2016—2018年，生態子系統承載力持續增加，從0.35增至0.81，承載力從Ⅴ級逐漸達到Ⅰ級，說明自2015年起河南省生態系統治理效果顯著。森林覆蓋率和河流水質達標率的逐年上升是生態子系統承載力增強的重要標志。

4.2 水資源承載力障礙因子診斷

計算2010—2018年河南省水資源、經濟、社會和生態4個子系統共16個指標的障礙度，統計出各年障礙度排序前十的指標如表3所示。從表3可以看出，2010年水資源承載力的關鍵障礙因子主要集中在經濟和水資源子系統，其中障礙度排名前三的指標分別是第三產業占比(I11)、萬元工業增加值(I13)以及GDP(I10)。2011年以后，影響水資源承載力的關鍵障礙因子發生改變，河流水質達標率(I16)、人口密度(I6)、供水模數(I3)及城鎮化率(I8)等指標成為關鍵障礙因子，主要集中在生態、水資源和社會子系統。說明從2010—2018年，河南省水資源承載力一直受水資源子系統影響，同時生態和社會兩個子系統對承載力的影響越來越顯著。

表3 河南省2010—2018年水資源承載力主要障礙因子排序表

統計2010—2018年16個指標出現在排名前十的頻次，產水模數(I2)、供水模數(I3)、人口密度(I6)及河流水質達標率(I16)各出現8次，地表水占比(I1)、GDP(I10)及第三產業占比(I11)各出現7次，降雨量(I5)、城市人均日生活用水量(I9)各出現6次，其余指標在障礙度排名前十的出現頻次不超過5次。

綜合以上障礙度計算和分析結果，對水資源承載力影響障礙度大的指標排序依次是：人口密度(I6)、河流水質達標率(I16)、供水模數(I3)、第三產業占比(I11)、產水模數(I2)；統計16個指標障礙度之和，4個子系統的障礙度分別是：水資源(0.31)、社會(0.34)、經濟(0.22)、生態(0.12)，2010—2018年河南省水資源承載力受社會和水資源子系統的障礙最大。

5 結論

2010—2018年河南省水資源承載力呈波動上升趨勢，水資源承載力最大值不超過0.60，說明河南省水資源承載力整體較弱，其中2012年和2013年水資源承載力最弱。從權重來看，水資源子系統和社會子系統對水資源綜合承載力影響最大，人口密度是影響水資源承載力的重要指標。

通過水資源承載力的障礙度計算，水資源承載力障礙因子排序：人口密度>河流水質達標率>供水模數>供水模數>第三產業占比>產水模數；子系統障礙度排序：社會>水資源>經濟>生態。

因此城市在發展經濟的同時，應加強水資源管理工作，提高用水效率，增強節水意識，控制人口過快增長，以維持水資源系統與社會、經濟及生態系統的均衡發展。