基于AHP-TOPSIS模型的江蘇省水資源承載力評價

李少朋，趙 衡,2，王富強,2，楊東明

(1.華北水利水電大學水資源學院，河南 鄭州 450046;2.河南省黃河流域水資源節約集約利用重點實驗室，河南 鄭州 450046)

水資源是人類社會賴以生存和發展的重要資源之一。隨著經濟的快速發展和人口規模的增大，人類對水資源的需求量逐漸增加[1]，經濟發展受水資源的影響日益顯著[2-3]，水資源短缺、水環境污染、水生態退化等已經成為經濟發展中不可忽視的問題[4]，不少學者開始重視對區域水資源承載力的研究。正確評價水資源承載力對于保障水資源可持續利用和促進經濟社會高質量發展具有重要意義[5-6]。水資源承載力是指在一定經濟社會和科學技術發展水平條件下，以生態、環境健康發展和經濟社會可持續發展協調為前提的水資源系統能夠支撐經濟社會可持續發展的合理規模[7]。目前對水資源承載力評價采用的方法較多，主要有模糊綜合評價法[8]、系統動力學法[9-10]、主成分分析法[11]、對數函數法[12]和TOPSIS模型[13-14]等。例如，袁艷梅等[8]運用改進的模糊綜合評價法評價了江陰市水資源承載力狀況；楊光明等[9]基于系統動力學理論設計了4種方案，通過對比得到重慶市水資源承載力可持續發展的最優方案；高亞等[10]基于系統動力學法通過4種方案模擬對比得到提高江蘇省水資源承載力的最優方案；許朗等[11]運用主成分分析法得出2000—2009年江蘇省水資源承載力總體呈上升趨勢的結論；張巧麗[12]采用對數函數構建模型，模擬結果表明2004—2016年江蘇省水資源承載力有逐年改善的趨勢；田培等[13]運用變權TOPSIS模型從時間和空間角度對長江經濟帶水資源承載力進行了綜合評價。不同水資源承載力評價方法各具特點，水資源承載力評價研究發展迅速，是當前水資源科學研究中的重點和熱點問題之一[15]。與其他水資源承載力評價方法相比，TOPSIS模型計算簡單，對數據及指標數目等沒有嚴格要求，既能充分利用指標信息，又具有良好的客觀性，因而在區域水資源承載力評價研究中使用較多。

對于水資源承載力評價問題，除采用不同評價方法的研究外，有些學者還從相關概念和理論、資源可持續發展、環境要素和承載標準等視角進行了探討。例如，Yang等[16]從承載規模的角度對中國西南喀斯特地區的水資源承載力進行了評價；Zhang等[17]基于自然界的視角分析了湖南湘潭岳塘區的水資源-水環境承載力；Ren等[18]將生物代謝的相關概念及理論引入甘肅武威市的水資源承載力評價研究中；Milano等[19]對地中海盆地的水資源利用情況進行了分析，從可持續發展的角度提出了優化水資源利用水平的措施；Wang等[20]對海河流域進行了可持續發展評估和生態環境承載力評價，并從可持續發展的角度估算了承載規模；金菊良等[21]構建了不同承載標準下的水資源承載力評價模型，并以陜西省為例進行了分析研究。

本文構建包含人均GDP、萬元GDP用水量、生態環境用水率等10個指標的評價指標體系，采用改進的TOPSIS模型綜合評價江蘇省2008—2017年水資源承載力，并利用障礙度模型診斷了影響江蘇省水資源承載力水平的障礙因子，以期為未來江蘇省水資源開發利用提供參考。

表1 評價指標分級標準

1 評價指標體系

評價指標的選取直接關系到區域水資源承載力評價結果的準確性和真實性。本文遵循科學性、整體性、層次性、動態性及可操作性等原則，在綜合考慮相關研究中選用頻次較高的指標的基礎上，參考全國水資源供需分析中的指標體系，并結合江蘇省水資源條件和開發利用現狀，綜合分析影響水資源承載力的因素，構建了由經濟、生態環境和水資源3個子系統10個評價指標組成的綜合評價指標體系(圖1)。10個評價指標中，萬元GDP用水量、生態環境用水率和耗水率3個指標為負向指標，其他7個指標為正向指標。綜合評價指標體系中，經濟子系統重點考慮區域經濟及經濟發展用水水平，生態環境子系統主要反映區域污水處理水平、環境狀況及對水資源的需求情況，水資源子系統主要考慮區域水資源稟賦條件和用水效率水平。

圖1 水資源承載力綜合評價指標體系

依據國家規范及相關標準，參考已有研究中的評價指標分級標準[22-24]和評判準則，同時考慮經濟社會發展及水資源利用等制約因素[25]，結合江蘇省水資源特點，將評價指標劃分為極高(Ⅰ級)、較高(Ⅱ級)、中等(Ⅲ級)、較差(Ⅳ級)、極差(Ⅴ級)5個等級，分級標準見表1。

2 評價模型

2.1 改進的層次分析法

層次分析法(analytic hierarchy proces， AHP)是一種將定性與定量相結合的決策方法。基于指數標度的層次分析法能夠較好地解決傳統層次分析法存在的一致矩陣構造能力弱、標度值與排序方法不一致等問題，構造的判斷矩陣一致性好，計算結果準確，具有一定的優越性。本文采用基于指數標度的層次分析法確定指標權重，指數標度法的評分規則和計算步驟詳見文獻[26]。

2.2 改進的TOPSIS模型

逼近理想點的TOPSIS模型[27-28]以評價系統中的正、負理想解為基點，通過計算各評價對象與正、負理想解的距離和貼近度并進行排序，進而得出各評價對象的優劣狀況。然而傳統TOPSIS模型可能存在逆序現象，基于加權距離的TOPSIS模型改變了加權的環節，直接將權重用于距離的計算，保持原數據間的關系結構不變化，克服了傳統TOPSIS模型因權重改變可能產生逆序現象的缺點。此外，傳統TOPSIS模型在應用過程中，當評價對象到正、負理想解的距離恰好相同時，歐式距離法通常無法準確地評價各評價對象的優劣狀況。基于虛擬負理想解的TOPSIS模型改進了距離的計算，不再計算評價對象到正、負理想解的距離，而是計算評價對象到正理想解和虛擬負理想解的距離[29]，可有效解決傳統TOPSIS模型評價結果可能區分度不高的問題。因此，本文采用加權距離和虛擬負理想解相結合的方式對TOPSIS模型進行改進，改進后的TOPSIS模型可有效克服傳統TOPSIS模型存在的逆序和評價結果區分度不高的缺點，計算步驟為：

a. 對于正向和負向指標數據xij按極差法分別進行處理，再加1后得到標準化矩陣Y=(yij)m×n，其中i為年份，取值為1,2,…,m；j為指標，取值為1,2,…,n。

b. 標準化矩陣數據歸一化后得到歸一化矩陣Z=(zij)m×n。

c. 由歸一化后的矩陣Z與各指標的權重wj相乘得到加權決策矩陣V=(vij)m×n。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中α、β為系數，且α+β=1，這里取α=β=0.5。

基于表1和改進的TOPSIS模型，得到江蘇省水資源承載力等級為Ⅴ級、Ⅳ級、Ⅲ級、Ⅱ級時貼近度臨界值分別為0.262、0.439、0.610和0.800，也即當 0

2.3 障礙度模型

障礙度測度是對水資源承載力評價后的進一步分析，利用障礙度模型可以診斷和測算影響水資源承載力的障礙因子及障礙度[30]，有助于提高區域水資源承載力水平。某項指標的障礙度越小，說明區域水資源承載力受該項指標的阻礙作用越弱，反之亦然。障礙度計算公式為

(7)

其中Fj=wjWjPij=1-zij

式中：Uij為障礙度；Fj為因子貢獻度；Pij為指標偏離度；wj為指標j的權重；Wj為指標j所屬子系統的權重；zij為歸一化后的指標數值。

3 江蘇省水資源承載力評價

3.1 評價結果

研究數據來源于2009—2018年的《江蘇省統計年鑒》《中國統計年鑒》和2008—2017年的《江蘇省水資源公報》。運用改進的層次分析法計算得到x1～x1010個評價指標的權重分別為0.086、0.113、0.132、0.082、0.076、0.055、0.085、0.153、0.134和0.084。運用改進的TOPSIS模型對江蘇省2008—2017年的水資源承載力進行評價，結果見表2。由表2可知，2008—2014年江蘇省水資源承載力等級為Ⅲ級，即中等水平，2015—2017年上升為Ⅱ級，即較高水平。2008—2017年江蘇省水資源承載力貼近度值有所波動，2008年最低，2016年最高，2013年和2017年出現下降，但整體上呈逐漸上升的趨勢，由2008年的0.522上升到2017年的0.618，表明江蘇省水資源仍有一定的開發利用空間。

表2 江蘇省水資源承載力評價結果

從統計資料來看，2013年生態環境用水率為0.65%，比2012年的0.60%上升了8.33%，生態環境改善需要的水量增加，表明生態環境治理對水資源承載力的影響具有一定遲緩性；產水模數由2012年的36.60萬m3/km2減少到27.80萬m3/km2，人均水資源量由2012年的471.38 m3減少到 357.11 m3，降幅均超過20%；而人均GDP為76 563元，比2012年的 69 397元增加了10.33%，耗水率為55.52%，比2012年的50.14%增加了10.73%，在水資源量減少的情況下，經濟社會高速發展，相應的水資源管理措施滯后，易造成水資源承載力下降。2017年產水模數為38.50萬m3/km2，是2016年產水模數72.80萬m3/km2的52.88%；人均水資源量為489.66 m3，是2016年人均水資源量927.41 m3的52.80%；人均GDP為107 189元，比2016年的 96 887元增加10.63%，在水資源量減少明顯的情況下，雖然經濟社會發展規模仍處于水資源可承載的范圍內，但水資源承載力系統內部的矛盾緩解力度不足仍會使水資源承載力下降。

3.2 障礙因子診斷

為甄別對水資源承載力產生負面影響的障礙因子，采用障礙度模型對江蘇省水資源承載力障礙因子進行測度，結果見圖2。從圖2可知，障礙因子障礙度排序前5位的是供水模數、耗水率、生態環境用水率、產水模數和人均水資源量，全部集中在水資源和生態環境2個子系統，是主要的障礙因子。各年份中，供水模數和耗水率2個指標始終保持在第 1位和第2位，這2個指標對江蘇省水資源承載力的影響較大，生態環境用水率指標一直居于第3位，產水模數和人均水資源量交替出現在第4位或第5位，從出現的頻次來看，產水模數對水資源承載力的影響更大。水資源子系統的4個指標全部排在前5位，也說明目前水資源要素是制約水資源承載力提升的主要障礙因子之一。進一步分析發現，水資源子系統障礙度較大，需要采取以下措施：①嚴格控制用水總量，強化用水監管；②優化產業布局，提升用水水平；③掌握水資源動態變化，合理用水；④大力推進節水工作，提高用水效率。此外，還應重視生態環境保護，保障生態環境用水，嚴格控制污水排放量，逐步改善水環境。2008—2017年生態環境子系統除生態環境用水率指標外，其余3個指標障礙度相對較小，表明生態環境子系統對水資源承載力起到一定的積極作用，但仍不可忽視對生態環境的關注和保護。經濟子系統2個指標的障礙度排在最后兩位，數值小，對江蘇省水資源承載力的貢獻度較大，表明經濟子系統的指標不是影響江蘇省水資源承載力的主要障礙因子。

圖2 江蘇省水資源承載力障礙因子障礙度

綜上所述，江蘇省水資源承載力近年來整體表現為逐漸上升的趨勢，但耗水率、供水模數等障礙因子對水資源承載力的負面影響仍然存在，政府和社會各界必須綜合考慮上述因素，并為進一步提高水資源承載力積極努力。

4 結 論

a. 采用改進的TOPSIS模型構建江蘇省水資源承載力評價模型，結合改進的層次分析法確定指標權重，對江蘇省水資源承載力進行了綜合評價。評價結果表明，2008—2017年江蘇省水資源承載力呈現逐步上升的趨勢，仍有一定的開發利用潛力。

b. 供水模數、耗水率、生態環境用水率、產水模數和人均水資源量這5個指標為江蘇省水資源承載力的主要障礙因子，其中耗水率和供水模數影響最大。

c. 應加強水資源管理，嚴格落實最嚴格水資源管理制度，加強用水過程監管；增強全社會節水意識，大力推進全社會節水工作，精準施策，切實提高水資源利用效率；強化生態環境保護與修復，逐步消除環境風險隱患，提升水環境質量。