鄭州市水資源承載力綜合評價

王 晗，余文學，賈亦真

(1.河海大學公共管理學院,江蘇 南京 211100;2.河海大學商學院,江蘇 南京 211100)

水資源是人們生產(chǎn)生活不可或缺的重要要素，隨著我國人口的增長和經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，對水資源的需求量也持續(xù)增長，但是隨之而來的水環(huán)境污染和水資源短缺問題卻愈加嚴重。為進一步落實生態(tài)文明建設，促進水資源和經(jīng)濟社會的和諧發(fā)展，2016年水利部印發(fā)了《水利部辦公廳關于做好建立全國水資源承載能力監(jiān)測預警機制工作的通知》，明確要求在全國范圍內(nèi)組織開展水資源承載能力監(jiān)測預警機制工作。

關于水資源承載力的研究最早可追溯到20世紀70年代，國際經(jīng)合組織和聯(lián)合國教科文組織共同針對資源短缺國家的森林、土地、水等自然資源開展了一系列的承載力研究，并首次提出了水資源承載力的相關概念[1]。隨后，國內(nèi)外相關學者對水資源承載力展開了理論、方法模型和應用方面的研究。Al-Kalbani等[2]使用DPSIR框架作為綜合評估蘇丹阿曼地區(qū)水資源承載力的工具，對當?shù)厮Y源的可持續(xù)利用進行了綜合評價。Swirepik等[3]通過使用傘形環(huán)境資產(chǎn)(UEA)評估方法預測了澳大利亞東部地區(qū)生態(tài)環(huán)境用水的總需求，并對當?shù)卣麄€流域水資源的可持續(xù)分流管理提供了參考。張輝等[4]、曹麗娟等[5]基于主成分分析法對我國甘肅省部分縣市進行了水資源承載力的綜合評估和研究。段新光等[6]、楊濤等[7]學者認為區(qū)域水資源承載力具有一定的模糊性和不確定性，建議采用模糊數(shù)學的方法進行評估，并對我國新疆維吾爾自治區(qū)和寧夏回族自治區(qū)部分地區(qū)進行了相關研究。盧超等[8]運用系統(tǒng)動力學的方法研究了水資源承載力對內(nèi)蒙古自治區(qū)太仆寺旗城市發(fā)展的影響，并提出了構(gòu)建節(jié)水型經(jīng)濟發(fā)展城市的政策建議。臧正等[9]將多目標函數(shù)應用于遼寧省水資源負荷的動態(tài)評價研究，為不同時空內(nèi)資源配置和水資源可持續(xù)發(fā)展的定量研究提供了新的思路和評價方法。郭倩等[10]通過DPSIRM框架構(gòu)建水資源承載力評價指標體系，在此基礎上,將模擬退火算法用于投影尋蹤優(yōu)化,構(gòu)建耦合SA-PP模型，并將該模型應用于云南省水資源的承載力綜合評價。

綜上所述，國內(nèi)外學者關于區(qū)域水資源承載力的研究積累了豐富的研究成果和經(jīng)驗，為進一步的研究提供了參考。但是還存在以下兩方面問題：①水資源承載力研究的方法有很多種，這些方法都能直接反映其承載力數(shù)值，但缺乏水資源現(xiàn)實承載力和理想值之間差距的計量；②大部分的研究側(cè)重于現(xiàn)狀年的分析，忽略了不同年份區(qū)域水資源承載力的動態(tài)時空變化。由此，筆者選擇經(jīng)濟發(fā)展速度快、水資源相對短缺的鄭州市作為研究區(qū)域，運用熵權(quán)法確定指標權(quán)重，并使用TOPSIS法對鄭州市2007—2016年的水資源承載力動態(tài)變化趨勢進行綜合分析，以期能夠客觀反映其水資源承載力的狀況，并為當?shù)厮Y源可持續(xù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐和方法參考。

1 研究資料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

鄭州市地處中原腹地，位居黃河下游，華北平原南部，是我國中部地區(qū)重要的中心城市和核心城市。總面積0.744 6萬km2，介于北緯34°16′～34°58′、東經(jīng)112°42′～114°14′之間。市地形西南高東北低，以平原和丘陵為主。鄭州市下轄12個區(qū)市，常住人口972.39萬人(2017年)，GDP總量居全國省會城市第7位(2017年)。鄭州市屬北溫帶大陸性季風氣候，全市多年平均氣溫15.6 ℃，年平均降水量約為542.15 mm，境內(nèi)河流分屬于黃河和淮河兩大水系，水資源總量約為11.24億m3，人均水資源量約179 m3，水資源相對短缺且時空分布不均，屬于典型的缺水地區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文中使用的數(shù)據(jù)來源于2007—2016年鄭州市統(tǒng)計年鑒、鄭州市水資源公報、鄭州市環(huán)境公報和鄭州市政府工作報告及相關部門的公報和報告等資料。

1.3 研究方法

1.3.1 熵權(quán)法

指標權(quán)重的確定直接關系到評價結(jié)果的準確性和客觀性，專家調(diào)查法[11]、AHP法[12]和主觀加權(quán)法[13]等確權(quán)方法，簡單易用、易于解釋，但是卻忽略了數(shù)據(jù)本身的影響，缺乏客觀性。熵權(quán)法[14]直接利用已獲得的指標數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)本身的離散程度，通過計算指標熵值的大小進而求得權(quán)重值，是一種較為客觀的賦權(quán)方法。因此，筆者選擇熵權(quán)法作為評價指標的確權(quán)工具。

具體計算步驟：

a. 對原始數(shù)據(jù)進行標準化處理，計算公式為

(1)

b. 計算指標的熵值：

(2)

式中：pij為第j個評價因子第i項評價指標的比重。

(3)

式中：Hj為指標的熵值，且0≤Hj≤1。顯然，當Pij=0時lnPij無意義，因此需對Pij加以修正，將其定義為

(4)

c. 計算評價指標的權(quán)值Wj：

(5)

設采用熵權(quán)法得到的子系統(tǒng)的權(quán)重為Wi1，子系統(tǒng)內(nèi)第i個指標的權(quán)重為Wi2，則第i個指標的綜合權(quán)重計算公式如下：

(6)

1.3.2 TOPSIS模型

基于熵權(quán)法改進的TOPSIS模型[15]有利于系統(tǒng)分析水資源承載力現(xiàn)狀與理想狀態(tài)的差距，能夠全面客觀地反映區(qū)域水資源承載力水平的動態(tài)變化趨勢。具體計算步驟如下：

a. 原始數(shù)據(jù)預處理。將正指標和逆指標同趨勢化，本文選擇逆指標正向化，計算公式如下：

(7)

式中：yij為指標初始值，i=1,2,…,n,；j=1,2,…,m。

b. 計算規(guī)范化矩陣Z：

(8)

c. 構(gòu)建加權(quán)規(guī)范矩陣X：

Xij=WiZij

(9)

(10)

(11)

e. 計算評價對象到正理想解和負理想解的距離：

(12)

(13)

f. 計算評價對象與理想解的貼近程度：

(14)

Tij越大，表明該年水資源承載能力越接近最優(yōu)水平。當Tij=1時，水資源承載力水平最高；當Tij=0時，水資源承載力水平最低。本文以貼近度表示區(qū)域水資源承載力水平的大小，根據(jù)每年的貼近度大小可以判斷水資源承載力水平的高低，判斷優(yōu)劣。參考相關學者的研究成果[16-18]，結(jié)合鄭州市實際情況，以非等間距的方式依據(jù)貼近度Tij將鄭州市水資源可持續(xù)利用狀況劃分為5個評判等級：優(yōu)(0.9-1]；較好(0.7-0.9]；一般(0.5-0.7]；較差(0.3-0.5]；差(0-0.3]。

2 結(jié)果和分析

2.1 水資源承載力評價指標體系的構(gòu)建

水資源承載力主要是指水資源在滿足生態(tài)用水的基礎上，對人口、經(jīng)濟和社會發(fā)展所能承受的最大負荷，其基本前提是水資源的可持續(xù)規(guī)劃和利用。水資源承載力是一個復雜的系統(tǒng)，其水平的高低受到當?shù)亟?jīng)濟、社會和環(huán)境等諸多方面的影響。從評價指標的科學性、可行性和準確性出發(fā)，在參考前人研究的基礎上結(jié)合鄭州市的實際情況，從水資源、經(jīng)濟、社會、生態(tài)環(huán)境4個方面選取17個指標，構(gòu)建鄭州市水資源承載力評價指標體系，具體見表1。

表1 鄭州市水資源承載力評價指標體系

2.2 指標權(quán)重的計算

熵權(quán)法根據(jù)各指標數(shù)據(jù)本身的變異情況，確定各個指標的權(quán)重，能夠有效地避免人為主觀因素的影響，使指標權(quán)重更加的客觀準確。將鄭州市2007—2016年的原始數(shù)據(jù)帶入式(1)～(6)，計算得出鄭州市水資源承載力各子系統(tǒng)權(quán)重和評價指標的綜合權(quán)重，見表2。

表2 鄭州市水資源承載力評價指標權(quán)重

2.3 水資源承載力綜合評價結(jié)果和分析

根據(jù)式(7)～(8)將原始數(shù)據(jù)同趨勢化處理，得到規(guī)范化矩陣Z，再將各指標綜合權(quán)重W帶入式(9)，得到加權(quán)的規(guī)范化矩陣X，最后根據(jù)式(10)～(14)計算得出鄭州市2007—2016年的水資源承載力綜合評價值。具體數(shù)值和時空變化趨勢見表3。

表3 鄭州市水資源承載力綜合評價值

從表3可以看出，2007—2016年鄭州市水資源承載力綜合評價值由0.333 6上升到0.700 7，雖然部分年份稍許波動，但是總體上升趨勢明顯，樣本期內(nèi)水資源承載力等級由差提升到較好。D+值由2007年的0.049 7下降到2016年的0.020 7，說明水資源承載力整體逐漸靠近正理想解；D-值由2007年的0.024 9上升到2016年的0.048 4，說明水資源承載力整體逐漸遠離負理想解。

樣本期內(nèi)鄭州市水資源承載力最差的年份是2008年(0.246 3)，最優(yōu)的年份是2015年(0.706 2)，其得分相差近2.86倍。水資源承載力等級排行“差”等級的有2個年份，“較差”等級的有5個年份，“一般”等級的有1個年份，“較好”等級的有2個年份，整體布局呈梯形分布，雖然2015—2016年水資源承載力水平位于“較好”等級，但只是處于“一般”等級和“較好”等級的臨界水平，總體仍處于“一般”等級。

鄭州市近年來加大生態(tài)環(huán)境治理力度，引進高新技術產(chǎn)業(yè)，大力整治境內(nèi)河流污染，淘汰落后高耗水產(chǎn)能，并逐年加大水利工程項目投資額。大規(guī)模的整治力度和有效的改革措施，使鄭州市近些年的城市面貌和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到了極大的提升，這在很大程度上提高了鄭州市的水資源承載力的水平。

2.4 水資源承載力子系統(tǒng)評價結(jié)果和分析

將樣本數(shù)據(jù)帶入式(7)～(14)，可以計算出鄭州市水資源承載力各子系統(tǒng)的評價值，并據(jù)此得出各子系統(tǒng)對整體承載力水平的貢獻比(圖1)和變化趨勢(圖2)。

圖1 鄭州市水資源承載力子系統(tǒng)占比

圖2 鄭州市水資源承載力子系統(tǒng)變化趨勢

由圖1～2可以看出，鄭州市水資源承載力各子系統(tǒng)的變化趨勢和綜合承載力的變化趨勢基本一致，各子系統(tǒng)對綜合承載力的貢獻逐年增大，其中社會子系統(tǒng)對整體貢獻相對穩(wěn)定，評價值基本在0.6左右。從社會子系統(tǒng)的構(gòu)成指標來看，鄭州市的人口增長率和農(nóng)田灌溉用水量指標整體變化不大，社會子系統(tǒng)的變化趨勢主要受鄭州市人口密度和城鎮(zhèn)生活用水量的變動影響。隨著鄭州市的快速發(fā)展，大量的外來人口涌入鄭州，為鄭州市發(fā)展做出巨大貢獻的同時，也提高了鄭州市的人口密度和城鎮(zhèn)生活用水量，對鄭州市的水資源承載力產(chǎn)生了一定的影響。

水資源子系統(tǒng)評價值總體呈波動變化趨勢，其對綜合承載力的貢獻在2015年達到最高。從水資源子系統(tǒng)的構(gòu)成指標來看，年降水量和水資源總量指標是鄭州市水資源豐缺程度的數(shù)據(jù)反映，其貢獻力度要遠大于其他指標，水資源子系統(tǒng)的變化趨勢也基本同這2個指標的變化趨勢相一致。鄭州市年降水量和水資源總量的時空分布不均正是水資源子系統(tǒng)評價值呈現(xiàn)波動變化的主要原因。

生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)和經(jīng)濟子系統(tǒng)的變化趨勢基本一致，其對綜合承載力的貢獻相對較大。生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)評價值的逐年上升，主要是受到污水處理率、水源地和河流水質(zhì)達標率指標不斷提高的影響。這與鄭州市近年來不斷完善城市污水處理系統(tǒng)，整治污染河流，提高水源地水質(zhì)達標率等生態(tài)環(huán)境保護和治理措施的實施密切相關。經(jīng)濟子系統(tǒng)評價值的提升，則主要歸功于萬元GDP用水量的連續(xù)下降和水利項目投資額及第三產(chǎn)業(yè)比重的持續(xù)增加。

3 結(jié) 論

從水資源、經(jīng)濟、社會和生態(tài)環(huán)境幾個方面選取17個指標構(gòu)建水資源承載力綜合評價指標體系，利用熵權(quán)法確定指標權(quán)重，并使用TOPSIS法對鄭州市2007—2016年的水資源承載力水平進行了評價分析，得到以下結(jié)論：

a. 2007—2016年鄭州市水資源承載力綜合評價值由0.333 6上升到0.700 7，總體呈穩(wěn)步上升態(tài)勢，樣本期內(nèi)水資源承載力等級由“差”提升到“較好”。水資源承載力評價值最低的年份是2008(0.246 3)年，最好的年份是2015年(0.706 2)，其得分相差近2.86倍。各子系統(tǒng)對綜合評價值的貢獻逐年提升，生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)和經(jīng)濟子系統(tǒng)對綜合承載力的貢獻最大，社會子系統(tǒng)對整體貢獻相對穩(wěn)定，水資源子系統(tǒng)受到鄭州市水資源時空分布不均的影響，呈波動變化趨勢。

b. 使用熵權(quán)法確定指標權(quán)重，較好的避免了人為主觀因素的影響，通過TOPSIS模型的使用，可直觀看到鄭州市水資源承載力的現(xiàn)狀與理想值的差距，評價結(jié)果基本符合鄭州市的實際情況。但是受到數(shù)據(jù)可獲得性的影響，只能對鄭州市2016年以前的水資源承載力狀況進行評價，這也是本文的不足和未來需要完善的地方。

c. 鄭州市雖然近幾年水資源承載力水平上升明顯，但總體仍處于一般或較低水平，水資源可持續(xù)利用壓力依舊很大。鄭州市作為國家中心城市，面臨著水資源相對短缺、水生態(tài)環(huán)境脆弱、人口壓力較大和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)亟待升級等問題。因此，在大力發(fā)展經(jīng)濟和城市建設的同時，應進一步提高鄭州市的污水處理率和水質(zhì)達標率，加大水生態(tài)保護和治理措施的實施力度，提高水利工程項目投資額，增加第三產(chǎn)業(yè)比重，降低單位GDP水耗，以進一步提高城市水資源承載力，促進水資源的可持續(xù)利用。