基于CRITIC-VIKOR法的哈爾濱市水資源承載力綜合評價

李治軍，周 博

(1.黑龍江大學水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江大學寒區地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引言

隨著經濟社會的高速發展，水資源作為一種必不可少的環境因素，對可持續發展的支撐作用愈發明顯。近年來，人們對水資源狀況越來越重視，對于水資源的相關研究也越來越廣泛，其中包括水資源的管理與開發、地下水資源量與地表水資源量的分析、水資源的配置、水資源的可持續利用領域的研究等[1]。

水資源承載力能夠表征區域水資源狀態，科學度量區域水資源承載力，能夠對水資源承載力進行合理調控，同時也可為水資源可持續開發利用提供有效的幫助。水資源可持續利用是對水資源開發、利用、治理、配置、節約和保護的最合理的統一體，也是我國經濟社會發展的戰略問題[2]。面對近年來的哈爾濱市水資源開發利用現狀，分析水資源承載力可更加直觀地分析現階段水資源與經濟社會發展需求的關系，對水資源的可持續利用，以及經濟社會的發展提供幫助。距今為止，評價水資源承載力的方式眾多，鄧全成[3]等利用組合權重TOPSIS模型對新鄉市水資源承載力評價進行了評價。趙吳靜[4]基于集對分析與可變模糊集理論對區域水資源承載力進行評價研究。文梅君[5]等采用AHP-OWA-EM-FUZZY模型對西藏高原典型小流域水資源承載力研究。王富強[6]等基于EFAST-云模型的方法區域水資源承載力評價。諶煒林等[7]利用生態足跡法對營口市水資源承載力研究。本文采用CRITIC-VIKOR法，對哈爾濱市2016—2021年水資源承載力的變化趨勢進行分析。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

本文使用的數據均來源于2016—2021年哈爾濱市統計年鑒和水資源公報。

1.2 研究方法

1.2.1建立評價指標體系

影響水資源承載力的指標因素有很多，因此，水資源承載力指標在選取上應遵循綜合性、動態性、準確性、協調性的基本原則。本文通過結合哈爾濱市的水資源現狀、參考其他研究成果以及收集到的相關數據，選取水資源系統、生態環境系統、經濟社會系統3個方面的17個評價指標建立指標體系。評價指標按其性質分為效益型指標和成本型指標，效益性指標表現為越大越優型指標，成本型指標表現為越小越優型指標。其中效應為“正”，代表效益性指標；效應為“負”，代表成本型指標[8]，見表1。

表1 哈爾濱市水資源承載力評價指標體系

1.2.2采用CRITIC-VIKOR法評價水資源承載力

CRITIC-VIKOR法是多個方案進行比較分析，在水資源綜合評價領域應用較多。CRITIC法是由Diakoulaki提出。CRITIC權重法為一種客觀賦權法，不僅考慮了指標變異大小對權重的影響，還考慮了各指標之間的沖突性。差異程度以標準差的形式來表現，標準差越大表示各方案的取值差異越大；相關性通過相關系數來表現，兩個特征之間具有較強的正相關，則這兩個特征的沖突性較低，保證結果的客觀性與真實性[9]。Opricovic于1998年提出了多準則妥協解排序法(VIKOR)，它是通過考慮群體效益值和個體遺憾值并加入主觀偏好，得到帶優先級折中解，可有效解決TOPSIS法接近理想解的解并不是最優解的問題，使得到的評價結果更加合理和準確[10]。

CRITIC-VIKOR法是按照利用VIKOR法確定標準化數據、CRITIC計算指標權重、確定理想解、確定群體效益值和個體遺憾值，最后確定利益比率值5個步驟依次對數據進行處理。

(1)利用VIKOR法標準化公式對各指標原始數據進行無量綱處理。

原始矩陣：X=(xij)m×n

(1)

式中，m—評價指標；n—評價年份；xij—第i個指標第j年的初始值。

標準化公式：

(2)

(3)

式中，bij—指標的標準值。

(2)利用CRITIC法確定權重

(4)

(5)

式中，Ej—第j個指標的信息量；Chj—第j個指標的平均差；Pij—第i個指標與第j個指標之間的相關系數；wj—第j個指標的指標權重。

(3)計算群體效益值Si和個體遺憾值Vi

群體效益值可以衡量決策者對于某些事物的主觀傾向和偏好，個體遺憾值可以反映決策者錯誤判斷所造成的損失價值，同時采用“正、負理想解”作為參照，可有效避免信息損失[11]。

正理想解是最大化效益型指標，負理想解是最大化成本型指標。為使評結果更穩定，理想解采用絕對值方法計算，公式如下：

(6)

(7)

以正理想解參照，則

(8)

(9)

以負理想解參照，則

(10)

(11)

群體效用值、個體效用值為：

(12)

(13)

(4)確定利益比率R

決策機制系數z為一個調節值，介于[0，1]之間；該值大于0.5表示越偏好效用，即最大化利益，其屬于風險偏好型；該值小于0.5表示越偏好減少遺憾，即風險保守型；為了同時最大化群體效用值和最小化個體遺憾值，本文決策機制系數取z=0.5[12]。計算公式為：

(14)

利用利益比率Ri值表示評價對象與合理方案的接近程度，該值越小說明評價對象越優，水資源承載力越好。

2 結果與分析

2.1 各項指標的權重結果分析

利用CRITIC法計算水資源承載力評價指標權重，計算結果見表2。可以看出，權重結果大小順序為X9>X7>X1>X3>X15>X17>X5>X2>X4>X14>X12>X8>X16>X6>X11>X10>X13。其中生態環境用水量、人均水資源量、地區水資源總量、產水模數、全市廢污水排放總量權重占有較大比例，對該市綜合水資源承載力影響較大。人口密度、地區生產總值、全市廢污水排放總量、全市耗水量、人均地區生產總值為成本型指標。均與水資源總量，生態環境，社會經濟發展相關，對哈爾濱市水資源承載力起到反向作用。其余指標為效益型指標，均為有利因素，對水資源承載力起正向作用。

表2 根據CRITIC計算各項指標權重結果

2.2 水資源承載力結果與分析

通過CRITIC-VIKOR法得出各指標在2016—2021年最優方案距離比值，得出樣本利益比率R值，見表3。

表3 哈爾濱市水資源承載力綜合評價結果

根據表3可以看出，2016—2021年綜合利益比率R值大小順序為0.1065(2020年)<0.1433(2019年)<0.1898(2021年)<0.6381(2018年)<0.8375(2017年)<1.0000(2016年)。R值的大小表明水資源承載力的強弱，R值最大的是2016年，表明2016年的水資源承載最弱。R值最小的是2020年，表明2020年在2016—2021年內水資源承載力處于最高水平。

2016—2021年哈爾濱市水資源承載力評價結果如圖1所示。

圖1 2016—2021年哈爾濱市水資源承載力評價結果

由圖1可以看出，2016—2021年綜合水資源承載力大致可以分為兩個階段，第一階段是2016—2018年，該階段R值較大，均大于0.5，水資源承載力表現較弱。第二階段是2019—2021年，這個階段R值均小于0.2，水資源承載力較高水平。第一階段的末年R值相比第二階段初年減幅77.5%。表示兩個階段的水資源承載力相差較大。在2018—2019年全市平均產水系數增幅14.5%、地區水資源總量增幅14.5%、生態環境用水量增幅38.1%、全市廢污水排放總量減幅19.4%，是水資源承載力大幅度提升的主要原因。第二階段，隨著城市的發展，水質和城鎮化率提升，生態環境的管理與保護以及生態環境用水量大幅度增加。對城市污水，廢水管理更加合理，使該階段的水資源承載力表現優異。

從2016—2021年各子系統的水資源承載力變化來看，水資源承載力波動幅度明顯。①水資源承載力在2016—2020年不斷提升，可在2020—2021年卻大幅度減少，其中水資源總量減幅為44.2%、全市平均產水系數減幅25.9%、產水模數減幅44.1%影響較大。由此看來，應該強化對水資源的管理與開發，合理分配水利建設資源，增強資源的配置效率。同時開展創新，利用新技術和設備，處理凈化水質，提高水的循環利用，加強保護水資源宣傳，保護水資源。②生態系統承載力表現為不斷提升，2016—2021年人均占有公共綠地面積、生態環境用水量、生活污水集中處理率的不斷增加，全市廢污水排放總量的減少使水資源承載力不斷提升。③經濟社會系統比益利率不斷減小，代表該市的水資源承載力整體呈上升趨勢。2016—2021年城鎮化率不斷提高、人口密度逐漸減少，第三產業占GDP比重的增加是該市的經濟系統的承載力不斷提升的主要原因。

3 結論

本文通過運用CRITIC-VIKOR方法，對哈爾濱市2016—2021年水資源承載力進行評價。根據評價結果顯示，水資源承載力具有明顯波動，但最近幾年在城市合理發展與治理下，水資源承載大幅度能力增強，并處于穩定狀態。水資源承載力評價結果由高到低為2020年、2019年、2021年、2018年、2017年、2016年。

通過CRITIC法確定指標的權重。在評價指標中，生態環境用水量、人均水資源量、地區水資源總量、產水模數、全市廢污水排放總量等占有較大的權重，對該區域內的水資源承載力影響較大。所以應注重生態環境的保護，保護生態環境用水量；加強區域水資源的管理，大力發展節約用水；要合理規劃城市發展，加強污水處理，減少城市污水的排放。這對區域水資源承載力恢復具有重大意義，為城市的和協發展以及人們的生產生活提供幫助。