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)

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

關于水資源承載力的研究最早可追溯到20世紀70年代，國際經合組織和聯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水資源承載力的工具，對當地水資源的可持續利用進行了綜合評價。Swirepik等[3]通過使用傘形環境資產(UEA)評估方法預測了澳大利亞東部地區生態環境用水的總需求，并對當地整個流域水資源的可持續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，建議采用模糊數學的方法進行評估，并對我國新疆維吾爾自治區和寧夏回族自治區部分地區進行了相關研究。盧超等[8]運用系統動力學的方法研究了水資源承載力對內蒙古自治區太仆寺旗城市發展的影響，并提出了構建節水型經濟發展城市的政策建議。臧正等[9]將多目標函數應用于遼寧省水資源負荷的動態評價研究，為不同時空內資源配置和水資源可持續發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化,構建耦合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，國內外學者關于區域水資源承載力的研究積累了豐富的研究成果和經驗，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值，但缺乏水資源現實承載力和理想值之間差距的計量；②大部分的研究側重于現狀年的分析，忽略了不同年份區域水資源承載力的動態時空變化。由此，筆者選擇經濟發展速度快、水資源相對短缺的鄭州市作為研究區域，運用熵權法確定指標權重，并使用TOPSIS法對鄭州市2007—2016年的水資源承載力動態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，并為當地水資源可持續發展提供數據支撐和方法參考。

1 研究資料與方法

1.1 研究區域概況

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。

1.2 數據來源

本文中使用的數據來源于2007—2016年鄭州市統計年鑒、鄭州市水資源公報、鄭州市環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 熵權法

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

具體計算步驟：

a. 對原始數據進行標準化處理，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. 計算評價指標的權值Wj：

(5)

設采用熵權法得到的子系統的權重為Wi1，子系統內第i個指標的權重為Wi2，則第i個指標的綜合權重計算公式如下：

(6)

1.3.2 TOPSIS模型

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

a. 原始數據預處理。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. 計算規范化矩陣Z：

(8)

c. 構建加權規范矩陣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域水資源承載力水平的大小，根據每年的貼近度大小可以判斷水資源承載力水平的高低，判斷優劣。參考相關學者的研究成果[16-18]，結合鄭州市實際情況，以非等間距的方式依據貼近度Tij將鄭州市水資源可持續利用狀況劃分為5個評判等級：優(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 結果和分析

2.1 水資源承載力評價指標體系的構建

水資源承載力主要是指水資源在滿足生態用水的基礎上，對人口、經濟和社會發展所能承受的最大負荷，其基本前提是水資源的可持續規劃和利用。水資源承載力是一個復雜的系統，其水平的高低受到當地經濟、社會和環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，在參考前人研究的基礎上結合鄭州市的實際情況，從水資源、經濟、社會、生態環境4個方面選取17個指標，構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 指標權重的計算

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

表2 鄭州市水資源承載力評價指標權重

2.3 水資源承載力綜合評價結果和分析

根據式(7)～(8)將原始數據同趨勢化處理，得到規范化矩陣Z，再將各指標綜合權重W帶入式(9)，得到加權的規范化矩陣X，最后根據式(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。

樣本期內鄭州市水資源承載力最差的年份是2008年(0.246 3)，最優的年份是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環境治理力度，引進高新技術產業，大力整治境內河流污染，淘汰落后高耗水產能，并逐年加大水利工程項目投資額。大規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環境質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評價結果和分析

將樣本數據帶入式(7)～(14)，可以計算出鄭州市水資源承載力各子系統的評價值，并據此得出各子系統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占比

圖2 鄭州市水資源承載力子系統變化趨勢

由圖1～2可以看出，鄭州市水資源承載力各子系統的變化趨勢和綜合承載力的變化趨勢基本一致，各子系統對綜合承載力的貢獻逐年增大，其中社會子系統對整體貢獻相對穩定，評價值基本在0.6左右。從社會子系統的構成指標來看，鄭州市的人口增長率和農田灌溉用水量指標整體變化不大，社會子系統的變化趨勢主要受鄭州市人口密度和城鎮生活用水量的變動影響。隨著鄭州市的快速發展，大量的外來人口涌入鄭州，為鄭州市發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生活用水量，對鄭州市的水資源承載力產生了一定的影響。

水資源子系統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。從水資源子系統的構成指標來看，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據反映，其貢獻力度要遠大于其他指標，水資源子系統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評價值呈現波動變化的主要原因。

生態環境子系統和經濟子系統的變化趨勢基本一致，其對綜合承載力的貢獻相對較大。生態環境子系統評價值的逐年上升，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，整治污染河流，提高水源地水質達標率等生態環境保護和治理措施的實施密切相關。經濟子系統評價值的提升，則主要歸功于萬元GDP用水量的連續下降和水利項目投資額及第三產業比重的持續增加。

3 結 論

從水資源、經濟、社會和生態環境幾個方面選取17個指標構建水資源承載力綜合評價指標體系，利用熵權法確定指標權重，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，總體呈穩步上升態勢，樣本期內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。各子系統對綜合評價值的貢獻逐年提升，生態環境子系統和經濟子系統對綜合承載力的貢獻最大，社會子系統對整體貢獻相對穩定，水資源子系統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. 使用熵權法確定指標權重，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狀與理想值的差距，評價結果基本符合鄭州市的實際情況。但是受到數據可獲得性的影響，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、水生態環境脆弱、人口壓力較大和產業結構亟待升級等問題。因此，在大力發展經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達標率，加大水生態保護和治理措施的實施力度，提高水利工程項目投資額，增加第三產業比重，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利用。