基于改進TOPSIS模型的連云港市水資源承載力研究

夏 歡，陳 菁,2，許 楊，張馨元，時振振

(1.河海大學農業工程學院，南京 210098；2.南方地區高效灌排與農業水土環境教育部重點實驗室，南京 210098；3.中交水利水電建設有限公司，浙江 寧波 315200)

水是生命之源，是影響人類生存發展不可替代的公共的自然資源[1]。隨著社會經濟的發展和城鎮化率的提高，許多地方水資源問題日益突出。水資源承載力是水資源安全戰略和可持續利用研究中的一個重要內容，水資源承載力的研究對該區域水資源的開發和配置具有一定的指導意義[2]。水資源承載力是指在一定時期內，以可預見的技術水平為條件，以水資源的可持續性為原則，以維護社會經濟和生態環境良性發展為目的，通過對區域水資源進行合理開發和配置，使該區域上的水資源可支撐最大的人口數量規模[3]。

我國對水資源承載力的研究始于1985年，迄今為止，已由起初的萌芽階段發展到深化發展階段[4]，且在此研究領域取得了頗為豐富的成果[5-9]。常見的水資源承載力的研究方法有模糊綜合評價法[6]、主成分分析法[7]、集對分析法[8]、和系統動力學法[9]等，這些方法在應用過程中各有其特點。TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution)法是用于求解多屬性決策問題的一種新方法，其原理是根據有限個評價對象與理想值的接近程度進行排序，然后根據排序的結果對現有的評價對象進行相對優劣的評價[10]。TOPSIS法的計算基礎來源于客觀數據，具有較好的客觀性[11]。加權TOPSIS法在區域水資源承載力評價中具有一定的可行性與準確性[12]，其方法簡便實用[13]。在水資源短缺地區的水資源承載力研究中，TOPSIS方法比模糊綜合評判法更能反映區域水資源的利用現狀與緊缺程度[14]。基于此，本文結合連云港市水資源和社會經濟發展現狀，采用主客觀權重確定法相結合的AHP-熵權法對原TOPSIS法進行改進，并使用改進的TOPSIS模型對連云港水資源承載力進行評價。

1 研究區域概況及數據來源

連云港市地處江蘇省的東北部，其地理坐標為東經118°24′～119°48′、北緯34°12′～35°07′。連云港市屬于溫帶濕潤性季風氣候，氣候溫和，四季分明。連云港市2016年GDP總量達2 376.48 億元，人均GDP為52 852.95元。據2008-2016年資料統計，連云港市多年平均降雨量為840.20 mm ，平均水資源總量為22.65 億m3，平均水資源利用量為28.14 億m3，本地水資源總量供不應求。平均人均水資源量為510.79 m3，遠低于國際公認的人均1 000 m3的下限。隨著連云港市社會經濟的快速發展和城鎮化率的大幅度提高，該地區原本緊張的水資源更加緊缺。因此，通過評價連云港市近年來水資源承載力的大小和變化趨勢，分析影響水資源承載力的主要因素并提出提升水資源承載力的措施，將有利于緩解該地區水資源緊缺狀況，從而更好地促進連云港市社會經濟及生態環境之間的可持續協調發展。

文中所用的數據資源均來自于《江蘇統計年鑒》(2008-2016年)、《連云港統計年鑒》(2008-2016年)、《連云港水資源公報》(2008-2016年)，經過計算整理獲得。

2 研究方法

2.1 水資源承載力評價指標體系構建

水資源承載力綜合評價指標體系的選取是水資源承載力研究的關鍵環節。本文依據科學性、層次性和可操作性等原則，參考大量相關研究成果中綜合評價指標的選取，結合連云港市水資源特點、社會經濟和生態環境狀況，選取了20個評價指標以構建連云港市水資源承載力綜合評價指標體系(表1)。文中所選取的指標不僅包含了連云港市水資源的情況，更是考慮到連云港市的社會、經濟和生態等因素。因此，該指標體系能綜合反映出連云港市水資源承載力的動態變化。

表1 連云港市水資源承載力評價指標體系

2.2 評價方法

2.2.1 AHP-熵權法確定指標權重

評價指標權重的確定方法大體可分為主觀權重確定法和客觀權重確定法兩大類[15]。主觀權重確定方法的優點在于能反應研究者的意向，但缺乏對實際數據的真實反映；客觀權重確定方法雖然避免了主觀權重確定方法的缺點，但它易受離散值的影響[16]。綜合分析兩類方法的優缺點，結合各自具有代表性的權重確定方法，得到一種主觀和客觀相結合的權重確定方法：AHP-熵權法。該方法不僅可以彌補主觀和客觀權重確定法的不足，還可以充分發揮彼此的優勢，使得最終所確定的權重更具有科學性和準確性。

(1)層次分析法(AHP)。

① 構造AHP判斷矩陣。

② 計算權向量。

(1)

式中：αi為指標權重。

(2)

(3)

(4)

③判斷矩陣的一致性檢驗。

(5)

式中：n和λmax分別為判斷矩陣的階數和A的最大特征根。

若CR=CI/RI<0.10，則判斷矩陣滿意一致性檢驗。

(2)熵權法。

①列出原始評價指標矩陣。

X=(xij)m×n(i=1,2,…m;j=1,2,…,n)

(6)

式中：m為評價指標；n為評價對象；xij為第i個評價指標在第j個評價對象上所對應數值。

② 原始矩陣歸一化處理。

Y=(yij)m×n(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

(7)

(8)

(9)

③ 確定第i個評價指標的熵權。

(10)

(11)

(12)

(13)

式中：βi為指標權重。

(3)綜合權重。由AHP法和熵權法計算所得的權重計算第i個評價指標的綜合權重ωi[17]：

(14)

2.2.2 改進的TOPSIS方法

與傳統的TOPSIS相比，改進的TOPSIS法主要是在決策矩陣中考慮了由AHP-熵權法所計算的綜合權重。具體步驟如下。

(1)數據標準化處理。

(2)構建加權決策矩陣。

B=(bij)m×n=ωiyij

(15)

(3)確定正、負理想解。

令B+表示最優方案(正理想解)，B-表示最劣方案(負理想解)，有：

(16)

(17)

(4)計算距離。

(18)

(19)

(5)計算相對貼近度Kj：

(20)

根據計算所得的Kj(0≤Kj≤1)值的大小進行排序，Kj的值越大，表明評價對象越接近理想狀態，評價結果越好，反之越差。根據已有的研究成果[12]，可將相對貼近度劃分為5個等級標準(表2)，分別表示不同程度的水資源承載力。

3 結果分析

3.1 水資源承載力評價指標影響分析

由公式(10)計算得到水資源承載力各評價指標的綜合權重(表3)。由表3知，水資源子系統、社會子系統、經濟子系統和生態子系統的綜合指標權重分別為0.262 7、0.214 0、0.285 8、0.237 5。各子系統中權重最大的指標分別為人均水資源量(X1)、人口密度(X11)、萬元農業增加值用水量(X12)和污水日處理能力(X17)。人均水資源量在研究時段內平均值為510.79 m3。連云港市年平均降雨量少，且時空分布不均。因此，注重水利建設投資，有利于緩解連云港市水資源緊缺問題。連云港市2008年萬元農業增加值用水量為1 451.86 m3，到2016年降低到690.08 m3，降低了52.47%。這說明農業節水潛力大，故可以通過優化農業結構，提高農業用水效率來達到節約水資源的目的。

3.2 水資源承載力綜合評價值分析

根據2.2計算得到連云港市2008-2016年水資源承載力綜合評價相對貼近度的具體數值，結合表2得到表4。

表2 水資源承載力等級及含義

表3 連云港市水資源承載力各指標權重

表4 2008-2016年連云港市水資源承載力評價結果

3.2.1 從水資源承載力結果分析

由表4知，2008-2016年，連云港市年均水資源承載力綜合評價值(K綜合)為0.494 3，平均承載力處于Ⅲ級。綜合評價值在2012年達到最大值0.650 6，最小值為2010年的0.283 4，承載力分別處于Ⅲ級和Ⅳ級。研究時段內僅2009年和2010年承載力處于Ⅳ級水平，其他年份均為Ⅲ級。圖1為2008-2016年連云港市水資源承載力綜合評價值的具體情況和變化趨勢。

圖1 2008-2016年連云港市水資源承載力綜合評價結果

從圖1可以看出，2008-2016年，連云港市水資源承載力綜合評價值整體呈現出上升的趨勢，由2008年的0.416 2增長至2016年的0.613 0。其具體變化過程可劃分為3個階段：2008-2010年，綜合評價值由0.416 2下降到0.283 4，下降了31.9%，承載力由Ⅲ級降低到Ⅳ級；2010-2012年，綜合評價值平均以每年0.183 6的幅度上升，在2012年達到研究時段最大值，承載力由Ⅳ級上升至Ⅲ級；2012-2016年，綜合評價值基本趨于穩定，在均值0.599 9左右略有波動，但承載力始終處于Ⅲ級中等水平。2008年以來，降雨持續偏少，河庫蓄水量嚴重不足，連云港市長期處于缺水狀態。2010年9-11月，連云港市平均降水量僅6.10mm，長期無雨，水資源極其緊張。這直接導致連云港市水資源承載力由2008年的Ⅲ級水平降低到2010年的Ⅳ級最低水平。2011年中央一號文件提到各級人民政府要實施最嚴格水資源管理制度，2012年連云港市年降雨量為945.10mm，為少見的豐水年，人均水資源量達到835.96m3，遠高于研究時段平均人均水資源量510.79m3。這是影響2010-2012年水資源承載力綜合評價值平均以0.183 6的速率上升且在2012年達到最大值的主要原因。隨著最嚴格水資源管理制度的實施，連云港市注重兩型社會和生態文明建設，不斷提高水資源管理和保護水平。因此2013-2016年連云港整體水資源承載力處于一個較為穩定的狀態。

3.2.2 從準則層評價結果分析

由表4可見，2008-2016年，連云港市年均水資源子系統、社會子系統、經濟子系統和生態子系統的水資源承載力綜合評價值分別為0.491 8、0.542 9、0.491 5、0.432 7，其中社會子系統的綜合評價值最大，生態子系統的最小。從構成社會子系統的具體指標看，城鎮化率和人口密度對其影響較大，連云港市城鎮化率由2008年的42%增長到2016年的60.2%，城鎮化進程較快。研究時段內水資源承載力準則層的綜合評價結果及趨勢見圖2。

圖2 2008-2016年連云港市水資源承載力目標層評價結果

由圖2知，水資源子系統的評價值處于波動起伏的不穩定狀態，其主要原因是水資源總量在時間上分布不均。而社會子系統、經濟子系統和生態子系統的綜合評價值整體上均為上升的趨勢，各子系統的承載能力表現為提高的趨勢。其中，經濟子系統的增長幅度最大，其次為生態子系統。經濟子系統主要受人均GDP、萬元GDP用水量和萬元農業增加值用水量等指標的影響。近年來，連云港市經濟發展迅速，2016年的人均GDP較2008年增長近2倍。與此同時，萬元GDP用水量降低了66.53%，萬元農業增加值用水量降低了52.47%。這些指標的提升直接影響經濟子系統評價值的增長。污水日處理能力是影響生態子系統最主要的因素。該指標由2008年的19.5 萬m3提高到2016年的40.6 萬m3。連云港市是沂沭泗洪水入海口，水污染問題尤為嚴重，城市污水處理能力逐年提高，污水處理設施進一步完善，對區域水資源承載力的上升做出了較大的貢獻。

4 結 語

(1)在水資源承載力的評價指標體系中，人均水資源量(X1)、人口密度(X11)、萬元農業增加值用水量(X12)和污水日處理能力(X17)對水資源承載力影響較大。

(2)2008-2010年，連云港市水資源承載力綜合評價值由0.416 2下降到0.283 4，下降31.9%；2010-2012年，綜合評價值平均以每年0.183 6的幅度上升，在2012年達到研究時段最大值0.650 6；2012-2016年，綜合評價值基本趨于穩定，在均值0.599 9左右略有波動。

(3)2008-2016年，連云港市水資源承載力整體呈現出上升的趨勢。2008-2010年連云港水資源承載力由Ⅲ級降低到Ⅳ級，2011年起提升至Ⅲ級，且在2012年達到承載力最大，2012-2016年，水資源承載力基本穩定在Ⅲ級中等水平。

(4)截止2016年，連云港市水資源承載力為Ⅲ級，即連云港市水資源承載力仍具有一定的開發利用潛力。對此，本文提出以下建議提高連云港市水資源承載力。

農業節水是首要途徑。連云港市是農業大市，農業是連云港的主要供水對象。據2008-2016年用水資料統計分析，9年間年平均用水28.14 億m3。其中，農業用水22.22 億m3，占總用水量的79%。農業節水潛力大，可以通過優化農業種植結構，提高農業用水效率來達到節水的目的。

雨洪資源利用是有效方法。連云港市2008-2016年多年平均降雨量為840.2mm，但大部分集中在6-9月汛期，多年平均過境水量高達59.42 億m3，多為汛期過境洪水直排入海。因此，加快對現有水利工程設施的加固、改造，以提升攔蓄雨洪能力，使連云港市雨洪資源得到充分利用。

海水淡化是重要手段。連云港市因其優越的地理位置，在發展海水利用方面具有一定的優勢。《海水淡化產業發展“十二五”規劃》中提出要建設一批海水淡化工程，以滿足沿海工業園區建設對淡水資源的需求。隨著海水淡化技術的完善和成本的降低，連云港市可通過海水淡化的方法來緩解水資源短缺問題。