基于DPSIR—TOPSIS模型的安徽省水資源承載力評價

阮 君，何 剛，王瑩瑩

(安徽理工大學經濟與管理學院，安徽淮南232001)

水資源在人類社會發展中起著極其重要的作用。近年來我國經濟發展迅速，2018年國內生產總值已突破90億[1]。隨著工業化與城鎮化的不斷推進，人類社會對水資源需求的不斷增加、水資源過度開發、水資源浪費、水資源污染等現象迫使水資源陷入危機。水資源承載力是制約一個地區經濟發展水平的重要因素，對其進行科學合理的評價和研究對于促進地區可持續發展具有重要意義[2]。

目前關于水資源承載力的研究眾多。柴乃杰[3]等基于模糊可變決策模型，利用博弈論法將指標熵權與最大離差法權值進行集成以確定指標權重，對甘肅省水資源承載力進行綜合評價，結果表明2006—2015年甘肅省水資源承載力整體呈現下降趨勢。鄧紅衛[4]等基于GIS與離差平方和組合賦權法對恩施州的水資源承載力進行評價，結果表明2017年恩施州整體水環境承載力屬于一般水平。楊瑩[5]等利用狀態空間和層次分析法，綜合考慮生態環境、經濟社會、社會資源三大復合系統相互作用關系對河南省鞏義市水資源承載力進行綜合評價，結果表明2001—2010年該市水資源承載力整體呈上升趨勢。劉童[6]等以四川省水資源承載力為研究對象，構建五元聯系數模型對其進行動態評價與分析，結果表明四川省水資源承載力在評價時間段均處于基本平衡狀態，整體上呈上升趨勢。劉永安[7]等提出組合熵權秩次法，建立改進的集對分析—可變模糊集耦合的水資源承載力綜合評價模型，對成都市水資源承載力進行研究與評價，結果表明成都市水資源承載力綜合評價等級為2級，水資源開發利用已到一定規模，但仍具有開發潛力。

綜上，學者們已圍繞水資源承載力問題展開眾多研究，但是運用多重模型進行的研究較少。基于此，本文以安徽省水資源承載力為研究對象，基于DPSIR模型構建綜合評價指標體系，利用2010—2017年相關數據，結合熵權法確定各指標權重，通過TOPSIS模型與障礙度模型對其進行綜合分析與評價，希望能為提高安徽省水資源承載力提供一定理論依據。

1 研究區概況

安徽省位于中國大陸東部，介于北緯29°41′～34°38′，東經114°54′～119°37′之間，下轄17個地級市，44個市轄區，5個縣級市以及56個縣。安徽省地跨長江、淮河南北，東西寬約450km，南北長約570km，土地面積13.94萬km2，人口總數約6324萬，與江蘇、浙江、湖北、江西、山東及河南接壤。安徽省地形地貌有平原、丘陵和山區等，境內河流湖泊眾多，降雨時空分布不均[8]，易造成洪澇災害，同時水資源較為緊缺。

2 方法與模型

2.1 評價指標體系建立

1993年，歐洲環境局提出DPSIR模型概念，能夠系統全面的描述各系統之間的關系[9]，當前在學術界運用較為廣泛。該模型中的“驅動力”是促使水資源承載力發生變化的各種經濟、社會、人口等動力因素；“壓力”是生產及生活活動對水資源承載力造成的影響；“狀態”是指水資源承載力在驅動力和壓力共同作用下的表現；“影響”是當水資源承載力發生變化時所產生的一系列效應；“響應”是人類針對水資源承載力變化所采取的措施和對策。根據DPSIR模型確定相應指標，構建安徽省水資源承載力評價指標體系。

2.2 模型構建

2.2.1 熵權法

熵權法是根據指標原始數據確定權重的一種客觀賦值方法。一般來說，指標的信息熵越小，提供的信息量越大，指標對應權重越大；反之則越小[10]。主要計算步驟如下所示：

令原始評價指標矩陣為：

(1)

其中，uij為第i個指標的第j年的原始數值。

進行標準化以消除量綱影響，得標準化矩陣。

正向指標：

逆向指標：

(2)

(3)

熵權法計算得權重矩陣：

(4)

得到權重矩陣為w=(w1w2…wm)。

2.2.2 TOPSIS法

即“逼近理想解排序方法”，由Hwang和Yoon于1981年提出的，主要應用于系統工程有限方案的多目標決策中[11]，通過距離進行決策的評價方法。

2.2.3 熵權TOPSIS法

熵權法與TOPSIS法的組合[12-13]。評價前進行同趨勢化，將低優指標進行倒數處理，即將原始矩陣U轉化為矩陣

(5)

進行歸一化處理，公式為

(6)

得到決策矩陣

(7)

計算正負理想解：

到正理想解的距離為：

到負理想解的距離為：

(8)

其中，xij max、xij min分別為第j年的最大值和最小值，wi是第i個指標的權重。

計算各項指標到負理想解的貼現度：

Lj為第j年水資源承載力綜合評價指數，取值范圍為0～1。根據得分進行優劣排序，計算公式為：

(9)

2.2.4 障礙度模型

運用障礙度模型識別主要障礙因子及障礙度，主要有因子貢獻度、指標偏離度和障礙度三個指標[14-15]。主要步驟有：

計算因子貢獻度：

Fi=Wi×Xij

(10)

其中，Wi是第i個指標的單項權重，Xij是該項指標所在準則層權重。

計算指標偏離度：

Iij=1-vij

(11)

其中，vij是原始矩陣標準化后矩陣。

計算障礙度：

(12)

3 結果分析

3.1 指標權重確定

利用安徽省2010—2017年相關數據，數據主要來源于各年份《安徽省統計年鑒》。運用熵權法確定各指標權重，結果如表1所示。

表1 安徽省水資源承載力評價指標體系

3.2 TOPSIS法分析

3.2.1 綜合系統TOPSIS分析

通過上述模型，計算出2010—2017年安徽省水資源承載力綜合水平的正負理想解與貼現度，具體數值如表2所示。

表2 2010—2017年安徽省水資源承載力的正負理想解與貼現度

2010—2017年，安徽省水資源承載力變化主要分為三個階段。第一階段為2010—2011年，貼現度從0.5622下降到0.1221，同比下降78.28%，下滑幅度較大且明顯。第二階段為2011—2015年，水資源承載力貼現度呈波動上升，從0.1221上升到0.3407，同比增長近兩百個百分點。2012—2013年期間雖出現輕微下滑現象，但在總體上呈上升態勢，然而水資源承載力始終處于較低水平。第三個階段為2015—2017年，貼現度從0.3407驟增到0.7370，增長幅度較大，在2017年又出現輕微下滑現象，下降至0.6055。從整體來看，2010—2017年安徽省水資源承載力綜合水平呈良好態勢發展，變化趨勢如圖1所示。特別是近兩年來，隨著《安徽省飲用水水源環境保護條例》《巢湖流域水污染防治條例》等政策措施的出臺，使得安徽省在水資源規劃與管理方面取得重大進展。但是相比于發達城市而言，安徽省水資源承載力仍處于較低水平。因此，安徽省需要對水資源承載力水平保持持續高度的關注。發展科學技術水平，做好水資源開發、使用、治理的協調工作；完善相應法律法規，嚴格懲治水資源浪費與水污

染現象；提高居民節水意識，實現水資源可持續利用與發展。

圖1 2010—2017年安徽省水資源承載力 綜合水平雷達圖

3.2.2 子系統TOPSIS分析

運用相同模型，進一步對安徽省水資源承載力各子系統進行分析，計算出各子系統在2010—2017年的貼現度，如表3所示。

表3 2010—2017年安徽省水資源承載力子系統貼現度

2010—2017年期間，驅動力子系統貼現度持續增長，人均生產總值、人口數量以及城鎮化率均取得巨大進步。這幾年安徽省經濟建設局勢良好，主要得益于眾多國家宏觀政策，如中部崛起，江淮地區產業轉移，淮河生態經濟帶發展規劃等。經濟基礎是區域發展的堅實基礎。在當今經濟新形勢下，安徽省應積極抓住政策機遇，充分利用地理與資源優勢，使本省經濟水平更上一層樓。

2010年壓力子系統貼現度為0.6305，處于較高水平。到2011年急劇下滑，僅有0.0077，到2015為止年雖有一定提升，但子系統水平仍然較低。2016—2017年，壓力子系統逐漸恢復并一直處于增長狀態。如表1所示，從子系統內部可以看出，2010年安徽省COD與氨氮排放量較少，2011—2015年排放量大幅度增加，隨著相關治理政策的實施，在2016年恢復正常水平，與壓力子系統變化基本一致，說明壓力子系統的正常運行與COD及氨氮排放量密切相關。因此，在今后生產運作中，應嚴格控制COD、氨氮及其他污染物的排放量，在治理污染源的同時也要做好污染物的二次處理和循環利用，盡可能減少水資源負荷。

2010—2017年，狀態子系統在波動中呈下降趨勢，從0.5627下降到0.3537，同比下降37.14%。經濟的快速發展和城鎮化的不斷推進，使得水資源的壓力愈來愈大，例如人均水資源量和地表水資源量都存在不同程度的減少。在保證經濟有序發展的同時，應完善相關水資源保護與管理條例，針對各種狀況做好積極應對措施以適應社會發展需要。

影響子系統貼現度從0.000直線上升到0.9265，變化幅度較大。由于2010—2017年期間，驅動力及壓力子系統都具有較大幅度的變動，影響子系統受驅動力子系統和壓力子系統同時作用，導致影響子系統也存在較大變化。

同狀態子系統類似，2010—2017年期間，響應子系統在波動中降低，從0.6523下降到0.4207，同比下降35.51%。響應子系統變化主要分為兩個階段，第一個階段為2010—2012年，從0.6523上升到0.7637，在此期間響應子系統處于較高水平；第二個階段為2013—2017年，從0.3318上升到0.4207，變化幅度較小，且整體處于較低水平。從原始數據可以看出，水土流失治理面積和工業廢水治理設施處理能力的下降，是導致狀態子系統處于較低水平的主要原因。為有效提高安徽省水資源承載力，應該持續對水資源進行整改和治理，對各種狀況做好積極“響應”，防止水資源承載力水平再次惡化。

3. 3 障礙度分析

3.3.1 指標層障礙度

運用障礙度模型，計算出2010—2017年阻礙安徽省水資源承載力提升的主要障礙因子及其障礙度，選取所占比重前五個的指標，具體結果如表4所示。

表4 2010—2017年安徽省水資源承載力主要障礙因子及障礙度

如表4所示，2010—2017年安徽省水資源承載力主要障礙因子的變化主要有兩個階段。第一階段為2010—2014年，占較大比重的障礙因子主要分布于影響子系統和響應子系統；第二階段為2015—2017年，較大比重障礙因子主要分布于驅動力子系統和壓力子系統。說明安徽省水資源承載力前期受政府宏觀調控和保護政策制約和影響，隨著國家政府對水資源及環境保護的重視，各項保護措施得到有效落實，當前安徽省水資源承載力主要受經濟社會發展水平及發展過程的影響。在今后發展中，在保證經濟穩定發展的前提下，完善相關水利工程，避免水資源供需不足；加強水資源規劃與管理，提高水資源利用率；完善相關政策法規，杜絕水資源浪費現象；發展高科技技術，實現水資源開發與再利用。從水資源的開發、使用、再使用一條線的管理與保護，以實現生態與經濟的良好協調。

3.3.2 準則層障礙度

進一步計算驅動力、壓力、狀態、影響和響應五個子系統的障礙度，結果如表5所示。

表5 2010—2017年安徽省水資源承載力子系統障礙度

2010—2017年，驅動力子系統較大幅度的下降后又開始逐漸回升，2016—2017年又開始大幅度下降，波動幅度較大，如圖3所示。2010—2011年，壓力子系統從13.70%上升到23.80%，至2016年為止始終占有較大比重，在2017年下降到9.75%。2010—2015年，狀態子系統的比重一直占較低比重，到2016年甚至下降到0.00%，于2017年上升到30.98%。影響子系統在2010年占比為33.12%，2011—2017年所占比重開始下降，并始終處于較低水平。響應子系統從2010—2015年一直處于緩慢上升狀態，除了2012年降到6.43%，于2016年上漲到39.23%。從以上變化可以看出，在今后發展水資源承載力過程中，需要更加關注驅動力子系統、狀態子系統以及響應子系統，完善相應整改措施，以促進安徽省水資源承載力有效提升。

圖2 2010—2017年安徽省水資源承載力各系統變化

4 結論

基于DPSIR模型構建水資源承載力綜合評價指標體系，利用相關數據，使用熵權法確定指標權重，構建TOPSIS模型與障礙度模型，對2010—2017年安徽省水資源承載力進行綜合評價與分析，得出以下結論：2010—2017年安徽省水資源承載力綜合水平波動較大，雖有一定上升，但與發達城市相比仍有較大差距，在今后發展中需要采取相關措施以維持安徽省水資源承載力穩步上升至良好水平；各子系統水平均處于動態變化中，驅動力子系統持續上升，壓力子系統和影響子系統在波動中呈上升趨勢，狀態子系統和響應子系統整體呈下降趨勢，發展中應協調各子系統共同發展，切勿顧此失彼形成“短板”；制約安徽省水資源承載力的因素也處于動態變化中，2010—2014年主要分布于影響子系統和響應子系統，2015—2017年主要分布于驅動力子系統和壓力子系統，各個階段的影響因素分布的不同，要求對其時刻保持高度關注；目前，阻礙安徽省水資源承載力提升的子系統主要為驅動力子系統、狀態子系統和響應子系統，需重點關注其發展。