本溪市水資源承載力分析與評(píng)價(jià)

趙海安

（遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000）

0 引 言

DPSR是一種全面考慮驅(qū)動(dòng)力D、壓力P、狀態(tài)S、響應(yīng)R 等因素的概念模型，既可以反映不同因素之間的相關(guān)性構(gòu)建較為完整的指標(biāo)體系，還能夠更深層次地揭示水資源承載力的變化因素[1]。TOPSIS模型是以原始數(shù)據(jù)為參照標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)計(jì)算原始數(shù)據(jù)來(lái)客觀(guān)反映不同方案間的差距，受主觀(guān)干擾較低。灰色關(guān)聯(lián)法可直觀(guān)反映參考數(shù)列與評(píng)估對(duì)象之間的非線(xiàn)性關(guān)系，有利于彌補(bǔ)TOPSIS 法中的不足，將TOPSIS 法與灰色關(guān)聯(lián)法相結(jié)合能夠保證計(jì)算結(jié)果客觀(guān)合理性。鑒于此，文章利用DPSR 概念模型和灰色關(guān)聯(lián)改進(jìn)的TOPSIS 模型評(píng)價(jià)本溪市水資源承載力，旨在準(zhǔn)確反映城市水資源狀況及其承載力評(píng)價(jià)提供一種新的方法。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究所用原始數(shù)據(jù)來(lái)源于2016—2021 年本溪市水資源公報(bào)、環(huán)境保護(hù)公報(bào)、統(tǒng)計(jì)年鑒等相關(guān)資料。

1.2 構(gòu)建指標(biāo)體系

根據(jù)本溪市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r和水資源開(kāi)發(fā)情況，利用DPSR 概念模型合理選擇16 項(xiàng)典型指標(biāo)建立水資源承載力評(píng)價(jià)體系，如表1 所示。

表1 基于DPSR 概念模型的評(píng)價(jià)體系

驅(qū)動(dòng)力指標(biāo)是促進(jìn)水資源系統(tǒng)發(fā)展變化以及反映水資源承載力變化的關(guān)鍵指標(biāo)，與城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素密切相關(guān)，故選擇城市化率和人均GDP 這兩個(gè)衡量城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r的卻動(dòng)力指標(biāo)。壓力指標(biāo)是水資源系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)力作用下所引起水資源承載力變化的直接因素，可以認(rèn)為是人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的主要水體污染物和污水對(duì)水資源系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展條件下人類(lèi)對(duì)水資源的需求，所以選擇人口密度、人均用水量、污水排放量、COD和氨氮排放量壓力指標(biāo)。狀態(tài)指標(biāo)主要用于反映壓力作用下水資源系統(tǒng)的物理特征狀態(tài)，描述城市水資源的客觀(guān)情況，故選用萬(wàn)元GDP 取水量、畝均灌溉用水量、人均可利用水資源量、水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率和三類(lèi)水以上斷面率狀態(tài)指標(biāo)。響應(yīng)指標(biāo)就是人類(lèi)充分發(fā)揮主觀(guān)能動(dòng)性對(duì)水資源開(kāi)發(fā)利用所采取的治理管理保護(hù)性措施，鑒于本溪市近年來(lái)投入大量資金提高污水處理水平、農(nóng)業(yè)用水效率以及優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，故選擇第三產(chǎn)業(yè)占比、環(huán)保資金投入、污水日處理能力和灌溉水利用系數(shù)響應(yīng)指標(biāo)。

1.3 指標(biāo)權(quán)重

本研究利用熵權(quán)法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重，該方法是以數(shù)據(jù)的客觀(guān)差異性作為賦權(quán)依據(jù)，計(jì)算結(jié)果不受主觀(guān)因素干擾，能夠客觀(guān)反映參評(píng)指標(biāo)的數(shù)據(jù)信息，具有廣泛適用性和可行性，其計(jì)算流程如下：

1）歸一化處理。將n個(gè)參評(píng)指標(biāo)和m年歷史數(shù)據(jù)構(gòu)建初始評(píng)價(jià)矩陣A=(aij)m×n，并利用下式歸一化處理正向、負(fù)向指標(biāo)：

式中：aij、aij*代表第i年第j個(gè)指標(biāo)的初始數(shù)據(jù)和歸一化值；max(aj)、min(aj)代表參評(píng)指標(biāo)j的最大、最小值。

2）權(quán)重計(jì)算。計(jì)算第i年數(shù)據(jù)的第j項(xiàng)指標(biāo)在m年數(shù)據(jù)序列里該指標(biāo)所占的比重以及熵值，即：

式中：k=1/ln(m)，為保證上式的計(jì)算意義pij=0 時(shí)ln(pij)=0。結(jié)合熵值Hj計(jì)算結(jié)果，采用下式計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重ωj，即：

1.4 改進(jìn)的TOPSIS 法

以各評(píng)價(jià)對(duì)象數(shù)據(jù)本身為參照標(biāo)準(zhǔn)來(lái)源，利用TOPSIS 法評(píng)定其優(yōu)劣程度，該方法具有較強(qiáng)客觀(guān)性。鑒于歐式距離只能反映效用與屬性間的線(xiàn)性變化關(guān)系，而灰色關(guān)聯(lián)法通過(guò)計(jì)算最優(yōu)解序列與參考序列的相關(guān)度來(lái)反映序列之間的非線(xiàn)性關(guān)系，可以更加準(zhǔn)確地比較各方案的優(yōu)劣狀況，故利用灰色關(guān)聯(lián)度改進(jìn)TOPSIS 法評(píng)價(jià)城市水資源承載力，其主要流程如下：

1）評(píng)價(jià)矩陣標(biāo)準(zhǔn)化。經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理將初始矩陣A=(aij)m×n轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)矩陣B=(bij)m×n，計(jì)算公式為：

2）加權(quán)計(jì)算。將熵權(quán)法計(jì)算的指標(biāo)權(quán)重與標(biāo)準(zhǔn)化后的評(píng)價(jià)矩陣進(jìn)行乘積加權(quán)運(yùn)算，并構(gòu)建加權(quán)判斷矩陣F=(fij)m×n：

4）距離計(jì)算。最優(yōu)最劣解與評(píng)價(jià)年各指標(biāo)的接近程度利用歐式距離進(jìn)行判定，其計(jì)算方法為：

5）灰關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算。采用以下公式和已獲取的最優(yōu)解(f+)、最劣解(f-)及加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣F=(fij)m×n計(jì)算灰關(guān)聯(lián)系數(shù)：

6）灰色關(guān)聯(lián)度。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，采用下式計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度，通過(guò)無(wú)量綱化處理計(jì)算綜合距離，即：

式中：α+β=1，并且α、β的取值區(qū)間為0～1，文中α、β均取0.5。

7）計(jì)算相對(duì)貼近度。第i年水資源承載力水平就等于改進(jìn)TOPSIS 法計(jì)算的貼近度Gi，變化范圍0～1，Gi值越大則第i年水資源承載力越接近理想狀態(tài)，即承載力越高，反之則越遠(yuǎn)離理想狀態(tài)，利用下式計(jì)算貼近度Gi：

2 實(shí)例分析

2.1 權(quán)重計(jì)算

將原始評(píng)價(jià)矩陣各指標(biāo)先利用公式(1)進(jìn)行歸一化處理，然后利用公式(2)～(4)依次計(jì)算所有評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，如表1 所示。

2.2 數(shù)據(jù)計(jì)算

以本溪市2014—2019年有關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)為樣本，利用灰色關(guān)聯(lián)度改進(jìn)的TOPSIS 模型綜合客觀(guān)評(píng)價(jià)水資源承載力，依據(jù)公式(5)～(6)構(gòu)造的加權(quán)判斷矩陣F=(fij)m×n如表2 所示。

表2 加權(quán)判斷矩陣F

2.3 相對(duì)貼近度

采用公式(7)～(13)計(jì)算最優(yōu)解、最劣解、歐式距離及灰色關(guān)聯(lián)度，如表3。然后將以上數(shù)據(jù)利用公式(14)～(17)進(jìn)行無(wú)量鋼化處理和綜合距離、相對(duì)貼近度計(jì)算，從而確定相對(duì)貼近度G={0.4102，0.6815，0.4730，0.3458，0.3381，0.3417}。同理，依次計(jì)算響應(yīng)層、狀態(tài)層、壓力層、驅(qū)動(dòng)力層的相對(duì)貼近度，如表3 所示。

表3 2014—2019 年灰色關(guān)聯(lián)度及相對(duì)貼近度計(jì)算值

2.4 結(jié)果分析

本溪市2014—2019 年DPSR 概念模型中各因子的相對(duì)貼近度變化特征，如圖1 所示。

圖1 2014—2019 年水資源承載力各因子值變化趨勢(shì)

1）從驅(qū)動(dòng)力上，研究期間本溪市水資源系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力總體呈快速上升趨勢(shì)，這說(shuō)明近6a 其人均GDP 和城市化率快速增長(zhǎng)，城市建設(shè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展成效顯著。這種現(xiàn)象表明本溪市水資源承載力更高，其承載的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)更加發(fā)達(dá)先進(jìn)；同時(shí)，水資源在經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展的強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)力下勢(shì)必會(huì)承受來(lái)自于人類(lèi)活動(dòng)帶來(lái)的用水質(zhì)量和數(shù)量壓力，從而影響壓力和狀態(tài)系統(tǒng)[2]。

2）從壓力上，研究期間本溪市水資源系統(tǒng)壓力表現(xiàn)出先下降后上升的變化趨勢(shì)。2014—2016年本溪市水資源壓力逐漸下降，這可能與“十三五”期間本溪市相繼開(kāi)展水生態(tài)保護(hù)、推廣節(jié)水型生活器具應(yīng)用、全行業(yè)節(jié)水技術(shù)改造及節(jié)水型城市和示范區(qū)建設(shè)等行動(dòng)有關(guān)，氨氮、COD 和污水排放量壓力指標(biāo)表現(xiàn)出下降趨勢(shì)。然而，2017 年氨氮和COD 排放量較2016 年有所增大，從而使得水資源系統(tǒng)壓力發(fā)生加大。因此，在大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，為維持水系統(tǒng)良性運(yùn)行應(yīng)加強(qiáng)氨氮、COD 等污染物控制。

3）從狀態(tài)上，水資源系統(tǒng)狀態(tài)與壓力變化趨勢(shì)基本相同，整體呈現(xiàn)出先下降后上升的變化特征。由于2016 年為枯水年，降水量、上游來(lái)水量和人均可利用水量均明顯較低，經(jīng)計(jì)算該年有最劣解，水資源系統(tǒng)狀態(tài)最差。2014—2018 年這5 年間本溪市三類(lèi)水以上斷面率整體維持在良好水平，并且水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率、萬(wàn)元GDP 和農(nóng)田畝均灌溉用水量均呈上升趨勢(shì)，所以水資源系統(tǒng)狀態(tài)呈明顯好轉(zhuǎn)趨勢(shì)。2019 年相較于2018 年，該年水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率增大以及人均可利用水資源量增加使得水資源系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)一步改善。因此，系統(tǒng)狀態(tài)受水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率和人均可利用水資源量的影響顯著。

4）從響應(yīng)上，水資源系統(tǒng)響應(yīng)表現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)。2014—2018 年本溪市農(nóng)業(yè)非工程性和工程性節(jié)水措施以及污水廠(chǎng)擴(kuò)建工程的逐步配套實(shí)施，大大提升了灌溉水利用系數(shù)和污水處理能力，并且第三產(chǎn)業(yè)占比隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整不斷增大，這與本溪市水資源系統(tǒng)響應(yīng)的優(yōu)化趨勢(shì)相符。然而，2018 年之后水資源系統(tǒng)響應(yīng)隨著環(huán)保資金投入的大幅減少明顯下降，故系統(tǒng)響應(yīng)受環(huán)保資金投入的影響較為明顯。

綜上分析，本溪市水資源承載力與系統(tǒng)壓力、狀態(tài)、響應(yīng)的變化趨勢(shì)基本一致，即2018 年前整體表現(xiàn)出上升趨勢(shì)，之后有所降低。深入分析可知，本溪市水資源系統(tǒng)在社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)力下，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整不足造成的污染物排放量增加、各行業(yè)蓬勃發(fā)展以及居民生活水平提高引起的用水需求量增長(zhǎng)等因素給水資源系統(tǒng)不斷加壓，進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)造成影響，在水資源系統(tǒng)響應(yīng)不足的情況下就會(huì)導(dǎo)致水資源承載力的下降。所以，在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中應(yīng)充分考慮水資源系統(tǒng)壓力、狀態(tài)受經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展強(qiáng)勁內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力的作用，積極響應(yīng)，統(tǒng)籌兼顧環(huán)境保護(hù)與發(fā)展，充分發(fā)揮主觀(guān)能動(dòng)性實(shí)現(xiàn)資源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境與社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

3 結(jié) 論

文章基于DPSR 概念模型合理選擇16 項(xiàng)典型指標(biāo)建立較為全面的評(píng)價(jià)體系，利用灰色關(guān)聯(lián)度改進(jìn)的TOPSIS 法計(jì)算評(píng)價(jià)本溪市2014—2019 年水資源承載力，主要結(jié)論如下：

1）2014—2019 年本溪市水資源承載力整體表現(xiàn)出上升后下降的變化趨勢(shì)，2018年之前不斷上升，之后有所下降，評(píng)價(jià)結(jié)果能夠客觀(guān)反映城市水資源變化特征[3]。

2）氨氮、COD 排放量是影響水資源系統(tǒng)壓力的主要因素，水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率和人均可利用水資源量是影響狀態(tài)的主要因素，而響應(yīng)主要受環(huán)保資金投入因素的應(yīng)先。因此，為進(jìn)一步增強(qiáng)本溪市水資源承載力，提出合理開(kāi)發(fā)非常規(guī)水資源，加快再生水工程建設(shè)提升水資源可利用量，加大環(huán)保資金投入以及控制污染物排放等合理化對(duì)策。