基于熵權TOPSIS法的大連市水貧困評價及障礙因子分析

孫才志 ，吳永杰，劉文新

(1.遼寧師范大學城市與環境學院，遼寧 大連 116029；2.遼寧師范大學海洋經濟與可持續發展研究中心，遼寧 大連 116029)

基于熵權TOPSIS法的大連市水貧困評價及障礙因子分析

孫才志1,2，吳永杰1，劉文新2

(1.遼寧師范大學城市與環境學院，遼寧 大連 116029；2.遼寧師范大學海洋經濟與可持續發展研究中心，遼寧 大連 116029)

以水貧困理論為基礎，從資源、設施、能力、使用和環境5個方面構建了大連市水貧困評價指標體系，采用熵權TOPSIS法對大連市2006—2015年的水貧困狀況進行綜合評估，并通過障礙度模型剖析阻礙水貧困問題解決的障礙因子。結果表明：研究期內大連市水貧困狀況逐步好轉，綜合評價值從0.249上升到0.314；水貧困最嚴重的地區是金州區、旅順口區和長海縣；影響全市水貧困的普遍性障礙指標依次為公共廁所量、自來水受益村數、建成區綠地覆蓋率、地表水供給量、地下水供給量和年末從業人員比例。障礙因子的診斷揭示水貧困治理的短板因素，有利于促進大連市水資源的可持續發展。

水貧困評價；熵權TOPSIS法；障礙度；障礙因子；大連市

大連市是北方水資源嚴重短缺的沿海城市之一，水資源總量少，且時空分布不均勻。全市多年平均水資源量為31.09億m3，人均水資源量僅為465 m3，不足全國人均水平的1/4。近年來，隨著旅游業的發展、沿海城市人口的增加、城市化進程加快及人民生活水平的提高，全市的用水結構發生很大變化，水資源供需矛盾也在加劇。為全面評估大連市的水資源狀況，并給市內經濟和社會活動提供安全的水資源環境，建立一個科學合理的水資源評估體系是十分必要的。

傳統的水資源評價限制在水文工程領域，未考慮與社會經濟的聯系，也缺少一個簡單易行、從多方面宏觀測度某地區缺水狀況的綜合評價指標和方法。2002年，英國生態與水文研究中心(Center for Ecology and Hydrology，CEH)研究員Sullivan等[1]提出水貧困指數(water poverty index，WPI)的概念。該指數從資源、設施、能力、使用和環境等5個方面考慮，使人們對于水資源的可獲得性、用水能力及其對環境的影響之間的關系有了更系統、更科學的理解[2]；其后，CEH提出水資源財富指數(water wealth index)[3]和氣候脆弱性指數(climate vulnerability index)[4]，從增加糧食、健康、生產力狀況等因素的角度擴充水貧困理論；王雪妮等[5]建立加拿大水資源可持續利用指數(Canadian water sustainability index)，使水貧困理論在社區尺度得到應用；Ricard等[6]將Bayes理論引入WPI體系，運用網絡方法進行數據分析。在我國，曹建廷等[7-8]對水貧困概念及其演變過程和評價方法做了介紹；邵薇薇等[2,9]利用WPI指標體系對中國主要流域的水貧困狀況進行評估研究；孫才志等[10]從增加社會適應能力指標角度對我國省際水貧困的空間關聯格局進行實證分析。確定WPI指標權重的方法主要有層次分析法、熵值法、主成分分析法、主客觀綜合賦權法等。綜上，水貧困評價的概念不斷得以完善，量化方法的研究也呈現多樣化發展趨勢。

水貧困是一個從低值向高值演變的過程，對其發展狀況進行評價時，可為不同時期的發展狀況設定理想解，通過綜合測度評價指標與理想解的距離來評價水貧困狀況。TOPSIS (technique for order perference by similarity to ideal solution)模型可實現這一目標，但傳統TOPSIS模型的各評價指標權重相同，無法體現指標的相對重要性。基于此背景，本文結合已有的WPI理論的研究成果和大連市實際情況，運用熵權改進的TOPSIS模型對大連市10個地區的水貧困現狀進行綜合評價，并借助障礙度模型剖析影響水貧困的障礙性指標，以期為大連市水貧困治理提供參考。

1 研究方法

1.1 WPI評價指標體系的建立

WPI是一組可以定量評價國家或地區間相對缺水程度的綜合性指數。它從一般貧困理論出發，將水資源短缺問題從水文工程領域擴展到社會經濟領域，將水資源的開發、利用和管理以及人們利用水資源的能力、權利和生計影響有機地結合起來，創造了比較獨特的研究視角，研究成果可為水資源綜合管理提供理論依據，并通過綜合管理，實現人水和諧共生的目的[10]。該指數具體包括水資源稟賦、供水設施、利用能力、使用狀況及環境狀況5 個組成部分。其中，水資源稟賦指可以被利用的地表與地下水資源量及其可靠性或可變性；供水設施指自來水及灌溉的普及率等，考慮國家或地區的基本需水和衛生需水，反映社會大眾接近清潔水源的程度以及用水的安全性；利用能力綜合考慮基于教育、健康及財政狀況等方面的水管理能力，反映社會經濟狀況對水行業的影響；使用狀況綜合反映生活、工業和農業各部門的用水情況；環境狀況反映與水資源管理相關的環境情況，包括水質及生態環境可能受到的潛在壓力等。這5個組分分別對應WPI的5個子系統，每個子系統包含一系列的指標。不同的研究尺度中各組成部分選取的指標有所區別[7-8]，在較大的研究尺度上，常選取相對宏觀的指標分析研究區水資源狀況；在較小的研究尺度上，選取微觀的指標，詳細真實地透視區域間的缺水程度。

1.2 熵權TOPSIS法

熵權法是一種根據各評價指標提供的信息確定其權重的客觀賦權方法。TOPSIS法是系統工程學中常用的多目標系統決策方法，其基本原理是通過構造決策問題中各指標的最優解和最劣解，計算各評價對象與最優解的接近程度和最劣解的遠離程度，進而實現評價樣本的優劣排序。熵權TOPSIS法是對傳統TOPSIS法的改進，先由熵權法確定評價指標的權重，再使用TOPSIS法的逼近理想解的原理確定評價對象的相對優劣[11-13]。利用TOPSIS法進行樣本評價，對各指標的賦權是重要的環節。為避免主觀因素的影響，本文采用信息熵法確定指標的權重，熵權TOPSIS法的主要計算步驟如下[14-15]：

步驟1： 評價矩陣的構建及標準化。假設被評價對象有m個，每個被評價對象的評價指標有n個，構建判斷矩陣：X=(xij)m×n(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)，由于指標之間存在量綱的限制，所以在進行水貧困評估之前，對指標進行標準化處理。正向指標的標準化公式為

(1)

逆向指標的標準化公式為

(2)

(3)

其中

k=1/lnm

根據數據的變異程度計算指標j的差異性度Gj=1-Hj，其值越大表示指標j的差異度越大，指標提供的信息量越大，指標j的權重也越大。定義指標j的權重為

(4)

1.3 障礙度模型

在水貧困的評價中，不僅要對地區間水貧困現狀進行測度，更具有實踐意義的問題在于了解不同地區解決水貧困問題的阻礙因素，以便對地區間的水貧困進行病理性診斷。因此，本文將障礙度模型[11,14，16]引入水貧困分析，對大連市水貧困展開延伸性研究，探尋影響大連市水貧困的主要障礙因子。

障礙度計算采用因子貢獻度、指標偏離度和障礙度3個指標進行分析診斷：①因子貢獻度即單個因素對總目標的貢獻程度，用單個因素的權重ωj表示；②指標偏離度Iij是指單因素指標與系統發展目標的差距，其中，Iij=1-xij，此處設為單項指標標準化值與100%之差；③障礙度Oij為單項指標或準則層因素對農村水貧困災害風險的影響程度，計算公式為

(5)

2 實證研究

2.1 研究區概況

大連市屬于遼寧省管轄，是我國東北部的一個沿海城市。全市包括中山區、西崗區、沙河口區、甘井子區、旅順口區、金州區、瓦房店市、普蘭店區、莊河市、長海縣10個區市(縣)，總面積為12 573.85 km2，總人口594.3 萬人。隨著旅游業和沿海港口運輸業的發展，大連市的旅游接待能力和高效能的現代化港口建設能力也在穩步增強[17-18]。

大連市位于遼東半島最南端，三面環海，海岸線綿長；地貌多山地丘陵，地勢北高南低，濱海巖溶地貌形態較發達；緊鄰海洋，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，又具海洋性氣候特點。全市年平均氣溫10.5 ℃，年降水量550～950 mm，降水多集中于夏季。大連市的河網發育水平較高，全市有碧流河、英那河、莊河等200多條大小河流，但多屬季節性河流，汛期對水資源總量有較大影響[19-20]。

2.2 數據來源

本文建立的大連市水貧困評價指標體系共涉及5個子系統23個指標，指標中的數據均來源于《大連市水資源公報》(2006—2015年)，《大連統計年鑒》(2007—2016年)，《大連市國民經濟和社會發展統計公報》(2007—2016年)，《中國海洋統計年鑒》等，部分指標數據根據地方統計年鑒或大連市水務局、水文水資源局等官網數據進行綜合處理所得。

2.3 研究區WPI評價指標體系

運用WPI指數評價大連市水資源短缺狀況，必須更全面地考慮大連市的實際情況。前人關于WPI指標體系選取的研究成果[1-3,6-8,10]已經相對豐富完善，然而考慮到本文的研究角度，在水資源總量既定的前提下，本文對大連市水貧困評價指標的選取參照WPI的指標體系，主要遵循科學性、特殊性、易獲得性、合理性等原則，同時，為了使本文更科學、真實地反映大連市水貧困的現狀，在選取能反映一個地區水貧困狀況的基本指標的前提下，還適當選用了一些能反映作為沿海地區的大連市水貧困特有的一些指標，如海水淡化量、海水入侵面積等指標，以期得出的結果能客觀反映大連市水貧困的實際狀況。

以WPI為框架，結合大連市的實際情況，構建大連市水貧困評價指標體系(表1)。該指標體系由資源、設施、能力、使用及環境5個子系統和23個指標組成。

2.4 結果與分析

2.4.1 大連市水貧困評價的權重和綜合得分分析

根據2006—2015年大連市10個區市(縣)各評價指標的統計數據，采用熵權法確定權重(表1)。指標層中某項指標的最優解和最劣解之間的差值越大，變異程度越大，其熵值越小，說明該項指標提供越多有用的信息，從而權重越大。反之指標的熵值越大，熵權就越小。在指標權重中，地表水供水量、地下水供水量、其他水源供水量、人均供水管道長度、農業機械所占權重最大(>0.05)，反映了水資源稟賦和取水設施是影響大連市水貧困的基本因素。公共廁所量、人均GDP、年末從業人員比例、教育支出、醫院床位、工業用水量、生態用水、人均生活用水量、年污水排放量、農業和化肥使用量、海水入侵面積所占的權重也較大(>0.01)，說明社會經濟發展水平、生活與生產用水量、水資源污染狀況和海水入侵面積對大連市水貧困狀況也有較大影響。而降水量變化率、自來水受益村數比例、人均家庭收入、農業灌溉用水量、林牧漁畜用水量、污水處理率所占比重最小(<0.01)，說明這幾項指標在不同地區間分布相對均衡，包含的信息量較小，同時也說明這幾項指標是緩解水貧困問題的潛力因子。

表1 大連市水貧困評價指標體系與權重

注：其他水源供水量主要指污水處理回收、雨水回收和海水淡化的水資源量。

由圖1可見，大連市各地區水貧困評價值總體呈上升趨勢。2014和2015年甘井子區地下水供給量顯著減少，且污水排放量逐年增加，導致該區2013—2015年的水貧困平均值相比2006—2012年下降幅度較大。甘井子區、西崗區、沙河口區和旅順口區的綜合評價指數在2009—2012年出現小幅下降，主要是地表水供水量，工業用水量，人均生活用水量，農藥和化肥使用量等指標數據存在波動造成的。從空間分布來看，大連市水貧困最嚴重的地區是金州區、旅順口區和長海縣，原因在于水資源自然稟賦差，且經濟發展水平低。水貧困風險最小的地區是甘井子區、沙河口區和西崗區。

(a) 2006—2008年

(b) 2009—2012年

(c) 2013—2015年

地區D+iD-iCiabcabca排序b排序c排序中山區025202500163007300800105022460243503366西崗區024402470153010500920125030230271304062沙河口區024102430142014901330181038220355205261甘井子區015501450170022402260083059210609103823旅順口區027702730202003100270070010090091901469金州區026302590193004900430088015780143802038瓦房店市026902620175008200840142023340243603784普蘭店區027002610188006900800108020470234702777莊河市027002620182008100840138023050243403565長海縣027902740206002200240064007410008010013310

注：表格中的a、b和c分別表示2006—2008年、2009—2012年和2013—2015年。因數據較多，表格僅列出3個研究期平均的綜合評價值。

2.4.2 水貧困評價的障礙因子診斷

水貧困問題是水資源稟賦、供水設施、利用能力、使用狀況及環境狀況5個組成部分綜合作用的結果。為探究大連市水貧困問題的成因，對指標層各指標數據障礙度進行測算，厘清大連市水貧困問題的障礙因子，計算結果見表3。由于指標層指標較多，按照障礙度大小，本文只列出障礙度排序前8位的因子。結果顯示，影響大連市不同地區水貧困評價頻數不小于3的障礙指標在資源、設施、能力、使用和環境系統中分布的比例分別是12.5%、26.25%、18.75%、15%和16.25%。障礙指標分布的數據說明影響大連市水貧困問題的主要障礙指標在各子系統中分布相對均衡，各地區在應對水貧困問題時，應綜合考慮多方面因素，統籌兼顧地實現各子系統的發展，實現水資源的可持續利用。

在眾多水貧困評價指標中，具有普遍影響作用的(頻數不小于5)障礙指標依次為公共廁所量(A3)、自來水受益村數比例(A2)、建成區綠地覆蓋率(E5)、地表水供給量(R1)、地下水供給量(R2)和年末從業人員比例(C3)。其中公共廁所量和自來水受益村數比例是設施組分的指標，說明部分地區，尤其是農村地區的公共衛生設施供給不足，生活用水得不到保障，同時也間接反映了居民公用事業方面的投資需要增加。地表水和地下水供給量是資源組分的指標，反映了水資源的供給不足會帶來水貧困問題，在此組分中，應注重增加其他水資源供給量。年末從業人員比例屬于能力組分，社會適應能力的提升能有效緩解水貧困問題，應增加就業機會，促進居民生活水平的提高。建成區綠地覆蓋率屬于使用組分的指標，在研究期內全市建成區綠地覆蓋面積均在43%左右，人均公園綠地面積不足12 m2。根據我國GEJ 1337—90《城市用地分類與規劃建設用地面積》的標準，人均綠地面積介于8～15 m2，大連市土地綠化需要仍有很大提升空間。

大連市水貧困管理過程中存在普遍性問題，同時，不同地區影響水貧困解決的主要障礙指標也是不同的。市內3區(中山區、西崗區和沙河口區)障礙因子主要是資源和環境組分的指標。市內3區經濟和社會發展水平高，高等學府集聚，政府調控能力強，工農業和生活用水設施齊全，水資源利用效率高，外調引水能力強。但市內3區面積僅占全市的0.79%，人口卻占全市的22.08%，是大連市人口最密集的地區，這不僅給區域就業、教育和衛生條件等帶來壓力，也造成人均水資源量減少，使水資源安全使用受到威脅。經濟飛速發展帶動城市建設用地不斷擴展，綠地面積不斷減少，加上廢污水排放量和農村地區化肥和農藥的使用帶來的水環境惡化，環境系統也是造成水貧困的阻礙力量。在研究期內，甘井子區的水貧困評價綜合值最高，是全市水貧困問題最輕的地區，該區以設施組分的供水管道長度、公共廁所量和農業機械為主要障礙指標，其發展水平均未達到全市平均標準。瓦房店市、普蘭店區和莊河市位于大連市的北部和東北部，占全市面積的79.55%，是全市地表和地下水最豐富的地區，也是大連市重要的水源地。二市一區水貧困評價的障礙因子主要是設施組分和使用組分的指標，其中設施組分中主要的障礙指標是供水管道長度、自來水受益村數比例和公共廁所量，使用組分中農業灌溉、林牧漁畜和生態用水為主要障礙指標，二者反映二市一區水利基礎設施薄弱，水資源使用效率低。旅順口區、金州區和長海縣是全市水貧困最嚴重的地區，主要以資源組分、設施組分和環境組分的指標為障礙因子。和全市其他區域相比，這些地區不僅水資源自然條件差，社會經濟發展水平低，而且海水入侵面積大，在未來不僅要重點突破主要限制水貧困問題的因素，還應該在逐漸提升水貧困得分的基礎上，聯系和整合其他系統的指標，穩步處理各組分發展的阻力，逐步縮小與低水貧困地區差距，解決本區域水貧困問題。

表3 大連市水貧困評價指標層主要障礙因子及其障礙度

注：x表示障礙因子；表欄數字1—8表示排序位次。

3 結論和政策建議

3.1 結論

a. 為了科學地反映出大連市水貧困的實際情況，運用WPI構建了大連市水貧困評價指標體系，在指標選取上遵循普遍和特殊相結合的原則。借助障礙度模型剖析影響水貧困的障礙性指標，指出地表水供水量、地下水供水量、其他水源供水量、供水管道長度、農業機械等指標占有較大權重，是影響大連市水貧困的基礎要素。

b. 2006—2015年全市平均綜合評價值從0.249上升到0.314，絕對增長幅度為0.065，相對增長率達26%；高于全市水貧困最優貼進度平均值的地區從2個上升到6個；綜合評價值的標準差和變異系數分別從0.150和0.601下降到0.124和0.395。由此可見，大連市水貧困狀況整體呈現好轉且絕對差異和相對差異均呈減小的趨勢。在空間分布上，全市水貧困最嚴重的地區是金州區、旅順口區和長海縣。

c. 從指標層障礙度看，普遍影響大連市水貧困狀況的障礙指標(頻數不小于5)依次為公共廁所量(A3)、自來水受益村數比例(A2)、建成區綠地覆蓋率(E5)、地表水供給量(R1)、地下水供給量(R2)和年末從業人員比例(C3)。

d. 影響大連市水貧困評價(頻數不小于3)的障礙指標在資源、設施、能力、使用和環境5系統所占的比例分別是12.5%、26.25%、18.75%、15%和16.25%，說明影響大連市水貧困問題的主要障礙指標在各子系統中分布相對均衡，各地區在應對水貧困問題時，應統籌兼顧地實現各子系統的發展。

3.2 政策建議

a. 資源系統方面，堅持開源與節流并重的方針，在現有集雨工程的基礎上，進一步普及城區雨水收集、滲透和儲存利用；加強地下水資源開發和管理，建立監控網對地下水資源進行動態監控和規劃；加大水資源開發力度，科學高效利用引碧、引英入連，大伙房輸水入連，長海縣跨海引水等蓄輸水工程；積極引導中水處理和回收利用，嚴格規范中水回用工程的建設和管理；重視海水資源化工作，借助高新技術促進海水淡化發展。

b. 設施系統方面，增加具有節水功能的用水設備和產品的投資，增添自來水網管，提高用水普及率；對用水取水分散的農村地區，增加集中供水設施，提高供水普及率；有效監管生活用水設施，及時更換城鎮漏損配套水管網，排查公園綠地灌溉設施等；增加農業區、林業區的灌溉設施投入，減少高耗水農業水利的使用。

c. 能力系統方面，嚴格遵循大連市國民經濟和社會發展“十三五”規劃的指導方針，緊抓國家實施東北老工業基地振興和遼寧沿海經濟開發開放等戰略機遇，優化產業結構，保障經濟社會在新常態下平穩運行；科學分析自身優勢資源，以此促進旅游、種植、生產制造等多渠道經濟模式的發展；提供用工需求信息和崗前培訓，增加就業機會，提高居民收入；增加教育、科技、衛生設施等方面的投資，提高基礎社會生活保障。

d. 使用系統方面，遵循“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”的新時期水利工作方針，推進節水型社會建設，提高用水效率；優化水資源配置，完善區域、流域水資源統一管理體制。生活中，加強節水意識教育，促進行之有效的節水技術和節水器具的普及實施。農業用水方面，推廣先進的節水灌溉技術，發展節水灌溉工程，引導農民利用綠色環保科技技術，發展農業循環經濟。工業用水方面，在合理調整產業結構基礎上，提高低耗水產業的比重；大力提倡清潔生產，減少污水排放；加強污水處理能力，提高水的重復利用率。

e. 環境系統方面，推廣清潔生活和生產，減少污水排放；實施重點污染企業的遠程、實時監控，鼓勵企業淘汰污染嚴重的落后生產設備；加快污水管網鋪設，尤其在居住分散的農村地區，應鼓勵建立分散式污水處理設施，提高污水處理普及率；增加分散式污水處理設施，包括建設垃圾運轉站、生活垃圾收集點等；強化水資源保護和管理，禁止污水直接排放入海；加強海水入侵控制及治理，控制海水入侵災害危險區地下水資源開采量；科學規劃城市建設用地，增加建成區綠地面積。

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Application of TOPSIS method based on entropy weight to water poverty evaluation and obstacle indicator diagnoses for Dalian City

SUN Caizhi1, 2, WU Yongjie1, LIU Wenxin2

(1.CollegeofUrbanandEnvironmentalScience,LiaoningNormalUniversity，Dalian116029，China；2.CenterforStudiesofMarineEconomyandSustainableDevelopment，LiaoningNormalUniversity，Dalian116029，China)

Based on the water poverty theory, the water poverty assessment indicator system for Dalian City was developed in respect to five components (resources, facilities, capacity, utilization, and environment). The improved TOPSIS method based on entropy weight was used to evaluate the water poverty status in Dalian City from 2006 to 2015, and the obstacle model was used to analyze the obstacle indicators. The results indicated that, the water poverty situation in Dalian City was improving in the study period, and the comprehensive evaluation value increased from 0.249 to 0.314; the Jinzhou District, Lyushunkou District, and Changhai County had the most serious water poverty; the general obstacle indicators that affected the water poverty in Dalian City included the number of sanitary toilets, the number of villages supplied with tap water, the proportion of vegetation coverage area, surface water availability, groundwater availability, and the percentage of employment at the end of a year. Through diagnoses of the obstacle indicators, the existing problems of water poverty control were found out, which could help to promote the sustainable development of water resources in Dalian City.

water poverty assessment; entropy-TOPSIS; obstacle degree; obstacle indicators; Dalian City

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.04.001

教育部新世紀優秀人才項目(NCET-13-0844)

孫才志(1970—)，男，教授，博士生導師，主要從事水資源經濟與海洋經濟地理研究。E-mail: suncaizhi@lnnu.edu.cn

TV213.4

A

1004-6933(2017)04-0001-08

2017-04-07 編輯：徐 娟)