某城市水資源承載力研究

宋樹成

（河北省張家口水文勘測研究中心，河北 張家口 075000）

0 引言

對城市經濟發展來說，水資源十分重要，水資源的匱乏會給人們的生活和工作造成嚴重的影響，所以對城市水資源情況進行評估，同時參考評估數據來制定水資源調配措施和采取對應的水資源保護方案是十分重要的[1-3]。一般通過分析一個地區的水資源承載力來判斷其水資源是否充沛，分配是否合理。在國內，眾多學者也從各個方面對水資源承載力的評價方法進行研究，其評價體系也更科學合理[4]。門寶輝等[5]通過生態足跡法，對地區水資源承載力進行動態分析，給當地的水資源的調配提出合理的建議。杜雪芳等[6]根據TOPSIS 模型，對鄭州市水資源承載力的發展趨勢進行分析。曹麗娟等[7]利用主成分分析法，從多個方面對地區水資源承載力進行評價。但是在評價水資源的承載力時，使用傳統賦權法計算權重時，通常會因主觀局限性而導致計算結果出現偏差。

基于此，為了解當地區域水資源承載力的實際情況，并掌握其發展規律，通過組合賦權法計算指標權重，并使用TOPSIS模型對當地水資源承載力進行計算，為制定相關當地水資源管理方案提供理論支撐。

1 研究區概況

某城市地勢平坦，西北走向略低于東西走向，平洼地為其主要地貌類型，另外存在部分山地與丘陵，出現洪澇災害的概率較高。城市內四季分明，多年降雨量均值為572 mm，且具有南多北少、時空不均的特點。這幾年，城市規模逐漸擴大，城市污水排放量也大幅增加，給水環境造成嚴重污染，水資源供給面臨較大的困難，該現象已成為限制當地經濟發展的重要因素，對該城市2012—2020 年的水資源相關數據進行研究。

2 研究方法

2.1 建立評價指標體系

很多因素都會對水資源的承載力造成影響，要想準確地評價城市水資源承載力，采用合理科學的評價指標體系必不可少。通過結合當地水資源相關數據和水資源現狀，從生態系統、水資源以及經濟社會的角度出發，從上述3 個子系統中挑選處指標11 項，以此來建立該城市的水資源承載力評價體系，具體評價指標見表1。在表1 中，當評價指標屬于負向時，承載力隨著數值增大而減少，當評價指標屬于正向時，承載力隨著數值增大而增大。

表1 水資源評價指標體系

2.2 確定指標權重

變異系數法的賦權是通過判斷指標的變異程度完成的，屬于客觀賦權法，在計算權重的過程中，能夠將各個指標之間的差異有效地反映出來。在評價水資源承載力時熵權法應用得較多，該方法在計算指標權重時是根據數據的離散程度完成的，科學客觀，有較高的準確度。當使用主觀賦權法時，會因為人為評判的影響而導致權重計算結果可能出現誤差，而客觀賦權法能夠很好的避免這種問題，不過單一的計算方法也有一些缺點。為了保證計算結果有較高的準確性，根據組合賦權法的形式，結合熵權法權與變異系數法的權重計算結果，以此來計算相關指標的組合權重。

可根據公式（1）對各指標變異系數進行計算，如公式（1）所示。

在公式里，第i項指標的均值和標準差為和σi。

對各指標的權重進行歸一化計算，如公式（2）所示。

歸一化處理各指標數據，取評價年限n個，同時在每個年限里包括評價指標m個，可形成初始矩陣R=（rij）m×n并且將全部數據進行標準化處理。

計算第i個指標的信息熵的表達式如公式（3）所示。

式中：fij為評價因子在指標中的權重；ei為第i項的信息熵。

2.3 建立TOPSIS 模型

通過負理想解與正理想解來建立TOPSIS 模型，依次得出正負理想解與樣本對象的距離。以此為基礎采用水資源承載力綜合評價指數的定量評價方法，能夠應用在多指標多方案的系統評價中，如公式（4）所示。

第一步：構建標準化矩陣。

式中：wi為組合賦權得出的權重；m×n為n個評價年限，且在每個年限中存在m個評價指標，Y代表樣本對象理想解。

第二步：對正負理想解進行確定。

在上式中，Y+與Y-分別表示正、負理想解，即第j年中第i指標的最大值和最小值。

第三步：距離計算。

第四步：水資源承載力綜合評價指數的計算。

式中：Cj為水資源承載力綜合評價指數在第j年的值，[0，1]為其取值范圍，當Cj的值越靠近1 時，當地承載力就越高。

3 分析結果

3.1 分析指標權重

以熵權法和變異系數法對該區域的指標權重進行計算，以組合賦權對該區域的組合權重進行計算，具體計算結果見表2。根據從小到大的順序將變異系數法計算的權重進行排序，能夠計算8.64 為REn（差異系數）的值，0.47 和0.53 分別為組合賦權待定系數β和α的值。圖1 為3 種權重的對比結果。

圖1 指標權重計算結果對比

表2 指標權重計算結果

從圖1 和表2 能夠看出，通過3 種方法計算的指標權重間差異較大，但經過綜合對比，發現部分高權重指標較為相近。其中，0.321 和0.194 分別為通過變異系數法和熵權法計算出的生態環境用水率指標權重，生態環境用水率指標通過組合賦權法計算的權重為0.261。該指標在3 種計算方法中權重值均為最大，這表示提高生態環境用水率能夠很大程度地提高水資源承載力。

人均水資源在組合權重里占比較大，其值為0.128，這說明當地水資源承載力會受人均水資源量較大的影響。同時能夠發現權重較高的還有產水模數，其值為0.127，這說明水資源承載力的恢復速度會因產水模數的增大而增大。權重略低的為水資源開發利用率，其值為0.108，這說明當地水資源開發利用過多會在一定程度上削弱水資源承載力，阻礙了水資源的長期發展。

3.2 分析水資源承載力

結合當地的實際情況，根據綜合評價指數可以將2012—2020 年的水資源承載力分成5 個等級，依次為0.8~1，理想承載力（I 級）；0.6~0.8，良好承載力（Ⅱ級）；0.4~0.6，可承載（Ⅲ級）；0.2~0.4，弱可承載（IV 級）；0~0.2，不可承載（V 級）。通過以上方法和模型，對該地區水資源承載評價值進行計算，表3 為具體計算結果。為了將該地區2012—2020 年的水資源承載力更直觀地表現出來，按照綜合評價結果和承載力等級將其變化趨勢繪制成圖，如圖2 和圖3 所示。

圖2 該地區2012 年至2020 年水資源承載力評價值變化趨勢

圖3 該地區2012—2020 年水資源承載力等級變化趨勢

表3 該地區2012—2020 年水資源承載力評價值

從圖2 和表3 中能夠看出，在2012—2020 年，該地區水資源承載力評價值逐漸提高，從0.65 增至0.875，提高了近4 倍，這表示該地區水資源承載力發展情況較好。但是在2012—2013 年，雖然水資源評價值同樣為增長情況，不過這段時間內的承載力較低，等級為V 級。

水資源承載力評價值在2013—2014 年逐漸降低，降至2014 年的0.205。該現象是因為地區人口總數變多，生活用水量提高，水資源開發利用量逐漸提高，超過當地的水資源承載水平，給水資源形成了較高的壓力。

水資源承載力評價值在2014—2016 年逐漸提高，增長至2016 年的Ⅲ級，此時為可承載狀態。這是因為在當地2015 執行了比較嚴格的水資源管理制度，提高節約用水和水資源保護力度，水資源的開發利用得到合理控制，提高了人均水資源量和當地產水模數，水資源承載力慢慢增大，并于2020 年增至0.87，為最近幾年的最高值。同時根據當地水資源公報能夠發現，區域生態環境用水從2017—2020 年一直處于上升狀態，這期間從1.4%提高至6.36%，對部分區域的水資源過度開發利用進行補充，提高額污染源防控、水環境整治力度，并引入前沿水環境治理理念和技術，采取多項生態修復措施，大大改善了水生態環境。

4 結論

為了解當地區域水資源承載力的實際情況，并掌握其發展規律，這次研究通過組合賦權法計算指標權重，并使用TOPSIS模型對當地水資源承載力進行計算，主要得出以下2個結論：1）生態環境用水率、人均水資源指標權重以及產水模數指標權重較大，均能在一定程度上對當地水資源承載力起到積極的作用，而水資源開發利用率權重值較低，這表示當地水資源開發利用過多會在一定程度上削弱水資源承載力，阻礙水資源的長期發展。2）在2012—2020 年，該地區水資源承載力評價值逐漸提高，從0.65 增至0.875，提高近4 倍，這表示該地區水資源承載力發展情況較好，當地頒布和執行的水資源管理制度能夠使水資源的開發利用得到合理控制，人均水資源量和當地產水模數得到提高。