基于PSR 模型的大連市水資源承載力評價

鄭冬

（遼寧省大連生態環境監測中心，遼寧 大連 116023）

1 引言

大連市位于遼東半島最南端，瀕臨黃海與渤海。大連市雖然三面環海，擁有大小河流152 條，但人均水資源量僅為575 m3，約為全國平均水平的1/4，屬典型的資源型缺水城市，水資源承載力已處在“緊平衡”狀態［1］。

為了能夠更好地保護和利用水資源，首先要做好水資源評價［2］，水資源承載力評價涉及社會、經濟、環境、生態、資源等各方面要素，是水資源評價的一種重要方法［3-5］。

目前應用較多的水資源承載力評價方法有模糊綜合評價法、主成分分析法、系統動力學方法等［6-9］，多使用TOPSIS 模型、DPSIR 模型、PSR 模型［10-15］進行分析研究。何剛等［16］運用TOPSIS 綜合評價方法測算研究了2007—2016 年長江經濟帶11 省市水資源承載力動態變化及區域差異；傅春等［17］運用熵權法確權、TOPSIS 法與障礙度模型綜合評價江西省水資源承載力；左其亭等［18］采用層次分析法和熵權法組合賦權的TOPSIS 模型對黃河流域9 省區的水資源承載力進行了綜合評價，并對2017 年評價結果進行了障礙因子診斷；楊法暄等［19］構建基于DPSIR 模型的城市水資源脆弱性評價體系，并采用熵權法和模糊數學評價方法對西安市分別進行時間與空間維度上的水資源脆弱性評價；王琳等［20］建立了基于DPSIR 模型的水資源可持續利用評價指標體系，采用層次分析法和熵值法計算各項指標綜合權重；萬生新等［21］基于DPSIR 模型建立了流域水生態安全評價多層次指標體系計算水生態安全指數；楊光明等［22］構建了基于PSR 的三峽庫區生態安全評價指標體系，通過區域生態安全狀況設計預警機制來進行評價和預警。傅曉華等［23］基于改良PSR 框架模型，構建洞庭湖湖區水環境治理績效指標體系并測算水環境治理水平；李念春［24］根據PSR 模型建立起黃河三角洲高效生態經濟區土壤環境承載力評價指標體系，并利用熵值法確定指標權重，進而對土壤環境承載力進行評價分析；孔子強等［25］建立PSR 模型指標體系，運用模糊綜合評價法對扎龍濕地的生態承載力進行評價。

目前PSR 模型在生態安全評價、生態環境承載力評價等方面應用較多。PSR 模型體現了人類與環境之間的壓力—狀態—響應關系，即人類活動對環境施加了壓力，從而使環境改變了原有的狀態，又通過人類響應活動來恢復環境［26］。

本文采用PSR 模型對2015—2021 年大連市水資源承載力進行評價，通過構建綜合評價指標體系，描述“十三五”期間大連市水資源承載力變化趨勢，并分析變化原因，為管理部門優化產業結構，調整宏觀政策以提升水資源承載力提供技術支撐。

2 構建指標體系

為更好地反映大連市水資源承載力，遵循全面性、客觀性、可比性、可操作性等原則，共選擇16 項指標構建指標體系。其中，壓力類7 項指標，狀態類4 項指標，響應類5 項指標（見表1）。時間跨度選擇2015—2021 年，便于對比“十三五”時期前后大連市水資源承載力變化趨勢。所有數據均來源于大連市歷年國民經濟和社會發展統計公報及統計年鑒。

表1 大連市水資源承載能力綜合評價指標體系

3 數據處理

3.1 標準化處理

由于各項指標表征數量級不同，計量單位不同，為便于統計和評價，首先要對數據進行標準化處理。

本文采用極差法［27］對數據進行標準化處理，該方法是對原始數據的線性轉換，得到的標準化數據全部歸一到［0，1］之間，從而進行數據計算。

正向指標為：

負向指標為：

式中，Xij為指標數值；i 為指標種類；j 為年度類別；Xij（max）與Xij（min）分別為第i 類指標的最大值和最小值；Sij為第i 類指標第j 年度的標準化值。為便于計算，將標準化后Sij為0 的數值改為0.001，因此，0＜Sij≤1。

3.2 確定權重

信息熵最早被申農引入信息論，并在社會經濟、工程技術等多個領域得到廣泛應用［28］。熵權法［29］通過信息熵對各個指標的熵權進行計算，并據此對指標的權重進行修正后實現重新分配。熵權法能夠反映各個指標自身的變異程度，賦權結果更具有客觀性和可靠性。通過公式（3）～（6）計算各項指標權重。

概率矩陣為：

信息熵為：

信息熵冗余度為：

熵權為：

式中，m 為年度總數；n 為指標總數；pij為第i 類指標第j 年度標準化值的比重；ei為第i 類指標的信息熵值；di為第i 類指標的信息熵冗余度；Wi為第i 類指標的權重。

3.3 計算指數

根據公式（7）～（8），可以計算不同年份各類指標分指數數值以及水資源承載力指數數值。

分指數計算公式為：

指數計算公式為：

式中，Cij為第i 類指標第j 年度水資源承載力分指數數值；Cj為第j 年度水資源承載力指數數值。

4 結果分析

4.1 指標體系權重

根據公式（1）～（6），結合不同指標各年度數值，計算后得到大連市水資源承載力指標體系中各項指標權重，見表2。

表2 大連市水資源承載力指標權重

由表2 可見，在3 個類別中，壓力類指標所占權重最大，為0.43。在16 項指標中，大型企業取水量權重最大，為0.11。在16 項指標中，權重超過0.05 的指標有9 項，其中，壓力類指標4 項（第三產業占比、工業廢水排水量、大型企業取水量和大型企業用水量），狀態類指標2 項（糧食種植面積和年降水量），響應類指標3 項（工業廢水氨氮排放量、工業廢水化學需氧量排放量和污水處理率）。

4.2 承載力分指數

根據公式（7），計算得到大連市2015—2021 年各項指標的水資源承載力分指數，見表3。

表3 2015—2021 年大連市水資源承載力指標分指數

按3 個類別劃分，得到2015—2021 年各類別指標水資源承載力分指數變化趨勢，見圖1。分指數越高，說明該類別指標的水資源承載力越大。

圖1 2015—2021 年大連市水資源承載力分指數變化趨勢

壓力類指標承載力分指數在2017 年最高，2021年最低，自2020 年開始下降明顯，對比2019 年和2020 年壓力類各項指標，人均GDP 上升和第三產業占比下降是影響壓力類指標分指數下降的主要原因，人均GDP 上升是歷年總體變化趨勢，第三產業占比下降明顯與疫情有關。狀態類指標承載力分指數除2016 年和2020 年下降外，整體呈上升趨勢。2016 年最低，2019 年最高。2016 年人口自然增長率升高，且糧食種植面積增大，導致分指數下滑明顯，2020 年雖然人口自然增長率降低，但糧食種植面積有所增大，導致分指數下降。響應類指標承載力分指數除2018 年下降外，整體呈上升趨勢，2015 年最低，2021 年最高。2018 年萬元GDP 用水量增大，且污水處理率和人均綠地面積有所下降，致使分指數下降。

在整個“十三五”期間，壓力類指標承載力分指數除2020 年受疫情影響下降明顯外，整體變化不大。與2015 年相比，2020 年壓力類指標承載力分指數下降較大。狀態類指標承載力分指數在“十三五”期間整體呈上升趨勢，只有2016 年與2020 年有所下降。與2015 年相比，2020 年狀態類指標承載力分指數略有上升。響應類指標承載力分指數在“十三五”期間整體呈明顯上升趨勢，只有2018 年有所下降。與2015 年相比，2020 年響應類指標承載力分指數上升明顯。

4.3 承載力指數

根據公式（8），計算得到大連市2015—2021 年水資源承載力指數（見圖2）。大連市水資源承載力指數在2015 年最低，2019 年最高。在“十三五”期間，除2020 年下降明顯外，整體呈上升趨勢，與2015 年相比，2020 年承載力指數上升明顯。在2020年以前，大連市水資源承載力基本保持逐年上升，水資源狀況在逐年向好發展。2021 年大連市水資源承載力高于2020 年。

圖2 大連市水資源承載力指數

5 結論

本文選取16 項指標評價2015—2021 年大連市水資源承載力，通過計算權重對3 種類別指標進行分析。結果表明：

（1）大連市水資源承載力壓力類指標所占權重最大，是決定大連市水資源承載力的關鍵類別。16項指標中大型企業取水量權重最大，是影響大連市水資源承載力的重要因素。

（2）在整個“十三五”期間，壓力類指標承載力分指數在2020 年受疫情影響下降明顯。狀態類指標承載力分指數整體呈上升趨勢。響應類指標承載力分指數上升趨勢明顯。疫情對壓力類指標影響明顯，對狀態類指標影響較小，對響應類指標幾乎沒有影響，說明“十三五”期間大連市政府在防治水污染、提升水資源承載力方面工作取得良好成效。

（3）大連市水資源承載力在“十三五”期間除2020 年下降明顯外，整體呈上升趨勢，水資源狀況在逐年向好發展。與2015 年相比，2020 年承載力指數上升明顯。

結合分析結果，提出建議如下：

（1）在構建指標體系時，選擇的指標越多，越能夠真實反映水資源承載力。建議豐富歷年統計公報及統計年鑒中涉及水資源的相關內容和數據。

（2）根據現有的16 項指標權重分析，通過提高第三產業占比，降低廢水排水量、企業取水量和用水量、工業廢水氨氮和化學需氧量排放量，提高污水處理率，能夠有效提升大連市水資源承載力，起到事半功倍的效果。

（3）大連市水資源承載力在2020 年下降后，2021年有所上升，說明疫情對大連市水資源承載力的影響在逐漸減弱。建議大連市繼續加強水污染防治工作，加快發展方式綠色轉型，協同推進降碳、減污、擴綠、增長，基本消除城市黑臭水體，預計未來大連市水資源承載力會延續逐年上升趨勢。