基于熵權(quán)TOPSIS的河南省水資源承載力綜合評(píng)價(jià)

馮怡，劉德波，苗智英，成晨光，任磊

(1.河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州 450018；2.黃河水利委員會(huì)信息中心， 河南 鄭州 450003)

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和人口不斷增長(zhǎng)，因地區(qū)水資源時(shí)空分布不均和水土資源分布不匹配帶來的水資源供需矛盾日益加劇，水資源已成為制約地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的“瓶頸”。如何平衡地區(qū)水資源與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)多方面之間的關(guān)系，已成為地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題。水資源承載力是反映地區(qū)水資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境之間協(xié)調(diào)性的重要指標(biāo)，可反映地區(qū)水資源在社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)多重壓力下的支撐能力，因此進(jìn)行水資源承載力評(píng)價(jià)研究對(duì)地區(qū)優(yōu)化配置水資源、促進(jìn)水資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。

水資源承載力的研究方法主要分為以下3類：常規(guī)趨勢(shì)法、綜合評(píng)價(jià)法和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法。因綜合評(píng)價(jià)法具有計(jì)算簡(jiǎn)便和結(jié)果全面的優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)水資源承載力研究中應(yīng)用廣泛。劉雁慧等基于熵權(quán)法從承壓、壓力、協(xié)調(diào)及管理4個(gè)方面構(gòu)建指標(biāo)體系，探討2000—2015年中國水資源承載力；李治軍等基于模糊分析法對(duì)合肥市2013—2017年水資源承載力情況進(jìn)行評(píng)價(jià)；安強(qiáng)等基于模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)河南省中原城市水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。文章采用簡(jiǎn)便、信息失真小及對(duì)樣本數(shù)量無嚴(yán)格限制的TOPSIS法(Technique for Order Preferenceby Simil-arity to Ideal Solution)，即逼近理想解排序法，結(jié)合熵權(quán)法和障礙度模型對(duì)河南省2010—2018年的水資源承載力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和關(guān)鍵因子判定，探究河南省水資源承載力的時(shí)間演變規(guī)律，為河南省水資源優(yōu)化配置和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供一定的技術(shù)支持和理論基礎(chǔ)。

2 研究區(qū)概況

河南省位于中國中東部地區(qū)(31°23′～36°22′N，110°21′～116°39′E)，東臨山東、安徽，北連河北、山西，西接陜西，南靠湖北，是連通東西、承接南北的重要交通要地。太行山、伏牛山、桐柏山和大別山沿省界呈半環(huán)形分布，將河南省平原地帶包圍其中，中、東部為黃淮海沖積平原，西南部為南陽盆地，地勢(shì)上西高東低。河南省位于秦嶺淮河以北，屬暖溫帶和亞熱帶地區(qū)，四季分明，氣候溫和，全省由南到北多年平均氣溫在12.70℃～15.70℃之間，年均降水量為532.50～1 380.60 mm，多年平均水資源總量為403.60億m3。河南省橫跨海河、黃河、淮河、長(zhǎng)江四大水系，境內(nèi)1 500多條河流交錯(cuò)縱橫。目前隨著經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展和人口激增，加上對(duì)水資源的不合理開發(fā)利用，河南省水資源與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)及生態(tài)等方面的矛盾日益突出。河南省地形圖如圖1所示。

圖1 河南省地形圖

3 數(shù)據(jù)來源與研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

文章所用指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)來源于《河南省水資源公報(bào)》(2010—2018)《河南省環(huán)境狀況公報(bào)》(2010—2018)《河南省國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》(2010—2018)，部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于《河南省統(tǒng)計(jì)年鑒》(2010—2018)。采用熵權(quán)法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重，基于熵權(quán)法所得權(quán)重和TOPSIS法計(jì)算公式，依次計(jì)算正、負(fù)理想解以及評(píng)價(jià)指標(biāo)與最優(yōu)方案的接近程度，以相對(duì)接近度作為綜合評(píng)價(jià)值，對(duì)2010—2018年河南省水資源承載力進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

3.2 指標(biāo)評(píng)價(jià)體系建立

水資源承載力表征地區(qū)水資源與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)多方面的協(xié)調(diào)性，為客觀科學(xué)地反映河南省近10 a的水資源承載力情況，文章在國內(nèi)外已有研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合河南省地區(qū)特點(diǎn)，挑選了16個(gè)具有代表性、科學(xué)性、系統(tǒng)性和可操作性的指標(biāo)建立水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(見表1)，分別從水資源、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)4個(gè)方面對(duì)河南省水資源承載力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析。

表1 水資源承載力指標(biāo)體系表

同時(shí)，在文獻(xiàn)和已有規(guī)范的基礎(chǔ)上，文章將水資源承載力劃分為5個(gè)等級(jí)，以便更好地評(píng)價(jià)地區(qū)水資源承載力，具體劃分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 水資源承載力評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)表

3.2 研究方法

3.2.1 TOPSIS法

1981年，Hwang和Yoon首次提出TOPSIS法，用于系統(tǒng)工程有限方案多目標(biāo)決策分析。該法根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)、最劣解的距離判斷評(píng)價(jià)對(duì)象的優(yōu)劣程度。具體計(jì)算步驟如下：

原始指標(biāo)可表達(dá)為矩陣：X=(xij)n×m，(m個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象，n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo))，文章選取16個(gè)指標(biāo)，對(duì)2010—2018年河南省水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

對(duì)正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)分別進(jìn)行歸一化處理，即：

(1)

(2)

數(shù)據(jù)歸一化后，采用熵權(quán)法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，得到轉(zhuǎn)化矩陣：

A=(Aij)n×m

(3)

確定正理想解A+與負(fù)理想解A-：

A+=(Amax1，Amax2，…，Amaxn)

(4)

A-=(Amin1，Amin2，…，Aminn)

(5)

計(jì)算第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象與正負(fù)理想解的距離Z+、Z-:

(6)

(7)

計(jì)算第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象與理想解的相對(duì)接近程度Gi，即為水資源承載力綜合評(píng)價(jià)指數(shù)。根據(jù)Gi的大小進(jìn)行排序，Gi的值越大，說明評(píng)價(jià)對(duì)象越接近理想狀態(tài)，評(píng)價(jià)結(jié)果越好，即水資源承載力越強(qiáng)。

(8)

3.2.2 障礙度模型

障礙因素診斷主要涉及3個(gè)衡量指標(biāo)，即因子貢獻(xiàn)度Fi、指標(biāo)偏離度Ci和障礙度Oi。因子貢獻(xiàn)度Fi表示單一指標(biāo)Ii對(duì)總目標(biāo)的貢獻(xiàn)大小，文章用指標(biāo)權(quán)重ωi表示；指標(biāo)偏度Ci為各指標(biāo)實(shí)際值與最優(yōu)目標(biāo)值之間的差距，可以用1與各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值rij的差表示；障礙度Oi的大小可表示子系統(tǒng)或各指標(biāo)對(duì)水資源承載力影響程度的高低，計(jì)算公式如下：

(9)

Ci=1-rij

(10)

4 結(jié)果與分析

4.1 河南省水資源承載力時(shí)間變化評(píng)價(jià)

從圖2(a)可以看出，河南省水資源承載力隨年份的變化呈“W”型波動(dòng)，整體表現(xiàn)為上升趨勢(shì)。2010—2011年水資源承載力下降42%，下降趨勢(shì)顯著，承載力從Ⅱ級(jí)下降至Ⅳ級(jí)，分析發(fā)現(xiàn)除經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)承載力增加外，其他三個(gè)子系統(tǒng)承載力均為下降狀態(tài)，且下降比例均>43%，其中水資源子系統(tǒng)承載力下降67%，是造成整體水資源承載力下降的主要原因；2011—2013年承載力評(píng)價(jià)值從0.31降至0.26，承載力成為Ⅴ級(jí)，說明河南省這3 a水資源供需矛盾日益突出，生態(tài)系統(tǒng)失衡，水資源承載力主要受來自水資源和社會(huì)子系統(tǒng)的壓力較大；隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和供水能力提升，2014年水資源承載力明顯上升，承載力等級(jí)從Ⅴ級(jí)轉(zhuǎn)為Ⅲ級(jí)，2014年是河南省水資源承載力趨好的重要年份；2015年河南省水資源承載力較2014年有小幅度下降，承載力降至Ⅳ級(jí)；2015—2018年水資源承載力評(píng)價(jià)值從0.34增加至0.53，承載力水平從Ⅳ級(jí)恢復(fù)到Ⅱ級(jí)，2018年承載力與2010年基本持平。自2015年水資源承載力下降以后，河南省采取多種措施改善省內(nèi)水資源供需平衡狀態(tài)，社會(huì)和生態(tài)子系統(tǒng)的改善效果顯著，水資源承載力水平得以提高。

圖2 河南省2010—2018年水資源承載力時(shí)間變化圖

從水資源子系統(tǒng)來看，子系統(tǒng)承載力變化過程與水資源承載力一致，承載力評(píng)價(jià)值均呈波動(dòng)的“W”型變化過程。2012年水資源狀況最差，評(píng)價(jià)值趨于零，水資源子系統(tǒng)承載力為Ⅴ級(jí)，地區(qū)水資源供需矛盾突出。2012年以后水資源子系統(tǒng)狀況有所改善，并在2014年達(dá)到Ⅱ級(jí)。2015—2018年子系統(tǒng)承載力值基本維持在0.30～0.40之間，在Ⅳ級(jí)和Ⅲ級(jí)間相互轉(zhuǎn)換，說明河南省2015—2018年水資源狀況趨于穩(wěn)定，但承載力仍較弱，需進(jìn)一步采取措施以保證水資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)平衡發(fā)展。

從社會(huì)子系統(tǒng)來看，子系統(tǒng)承載力值在2010—2016年呈急劇下降趨勢(shì)，子系統(tǒng)承載力等級(jí)由Ⅰ級(jí)變?yōu)棰跫?jí)；2016—2018年評(píng)價(jià)值從0.03增加到0.42，2017年子系統(tǒng)承載力水平開始上升，2018年子系統(tǒng)承載力達(dá)到Ⅲ級(jí)。社會(huì)子系統(tǒng)受人口密度、人口自然增長(zhǎng)率、城鎮(zhèn)化率以及城市人均日生活用水量的影響，子系統(tǒng)承受壓力日益增加，與2010年相比，2018年子系統(tǒng)承載力下降了40%。

從經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)來看，2010—2018年子系統(tǒng)承載力呈顯著上升趨勢(shì)，自2015年起達(dá)到Ⅲ級(jí)及以上等級(jí)。GDP和第三產(chǎn)業(yè)占比兩個(gè)指標(biāo)的持續(xù)增長(zhǎng)說明河南省經(jīng)濟(jì)狀況發(fā)展良好，呈穩(wěn)步增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，萬元GDP用水量和萬元工業(yè)增加值用水量的逐年下降，歸功于工業(yè)發(fā)展和省內(nèi)節(jié)水技術(shù)的推廣革新。近年來河南省經(jīng)濟(jì)形勢(shì)良好，增速較快，對(duì)全省水資源承載力具有較好支撐作用。

從生態(tài)子系統(tǒng)來看，2010—2018年承載力變化可分為3個(gè)階段。2010—2011年，子系統(tǒng)承載力評(píng)價(jià)值由0.48下降到0.23，下降了51.50%，從Ⅲ級(jí)降至Ⅴ級(jí)，2011年的廢水排放量最大，該指標(biāo)是造成2011年承載力下降的關(guān)鍵原因。2011—2015年承載力仍處于Ⅴ級(jí)，說明這5 a河南省生態(tài)狀況較差，但相對(duì)穩(wěn)定。2016—2018年，生態(tài)子系統(tǒng)承載力持續(xù)增加，從0.35增至0.81，承載力從Ⅴ級(jí)逐漸達(dá)到Ⅰ級(jí)，說明自2015年起河南省生態(tài)系統(tǒng)治理效果顯著。森林覆蓋率和河流水質(zhì)達(dá)標(biāo)率的逐年上升是生態(tài)子系統(tǒng)承載力增強(qiáng)的重要標(biāo)志。

4.2 水資源承載力障礙因子診斷

計(jì)算2010—2018年河南省水資源、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)4個(gè)子系統(tǒng)共16個(gè)指標(biāo)的障礙度，統(tǒng)計(jì)出各年障礙度排序前十的指標(biāo)如表3所示。從表3可以看出，2010年水資源承載力的關(guān)鍵障礙因子主要集中在經(jīng)濟(jì)和水資源子系統(tǒng)，其中障礙度排名前三的指標(biāo)分別是第三產(chǎn)業(yè)占比(I11)、萬元工業(yè)增加值(I13)以及GDP(I10)。2011年以后，影響水資源承載力的關(guān)鍵障礙因子發(fā)生改變，河流水質(zhì)達(dá)標(biāo)率(I16)、人口密度(I6)、供水模數(shù)(I3)及城鎮(zhèn)化率(I8)等指標(biāo)成為關(guān)鍵障礙因子，主要集中在生態(tài)、水資源和社會(huì)子系統(tǒng)。說明從2010—2018年，河南省水資源承載力一直受水資源子系統(tǒng)影響，同時(shí)生態(tài)和社會(huì)兩個(gè)子系統(tǒng)對(duì)承載力的影響越來越顯著。

表3 河南省2010—2018年水資源承載力主要障礙因子排序表

統(tǒng)計(jì)2010—2018年16個(gè)指標(biāo)出現(xiàn)在排名前十的頻次，產(chǎn)水模數(shù)(I2)、供水模數(shù)(I3)、人口密度(I6)及河流水質(zhì)達(dá)標(biāo)率(I16)各出現(xiàn)8次，地表水占比(I1)、GDP(I10)及第三產(chǎn)業(yè)占比(I11)各出現(xiàn)7次，降雨量(I5)、城市人均日生活用水量(I9)各出現(xiàn)6次，其余指標(biāo)在障礙度排名前十的出現(xiàn)頻次不超過5次。

綜合以上障礙度計(jì)算和分析結(jié)果，對(duì)水資源承載力影響障礙度大的指標(biāo)排序依次是：人口密度(I6)、河流水質(zhì)達(dá)標(biāo)率(I16)、供水模數(shù)(I3)、第三產(chǎn)業(yè)占比(I11)、產(chǎn)水模數(shù)(I2)；統(tǒng)計(jì)16個(gè)指標(biāo)障礙度之和，4個(gè)子系統(tǒng)的障礙度分別是：水資源(0.31)、社會(huì)(0.34)、經(jīng)濟(jì)(0.22)、生態(tài)(0.12)，2010—2018年河南省水資源承載力受社會(huì)和水資源子系統(tǒng)的障礙最大。

5 結(jié)論

2010—2018年河南省水資源承載力呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，水資源承載力最大值不超過0.60，說明河南省水資源承載力整體較弱，其中2012年和2013年水資源承載力最弱。從權(quán)重來看，水資源子系統(tǒng)和社會(huì)子系統(tǒng)對(duì)水資源綜合承載力影響最大，人口密度是影響水資源承載力的重要指標(biāo)。

通過水資源承載力的障礙度計(jì)算，水資源承載力障礙因子排序：人口密度>河流水質(zhì)達(dá)標(biāo)率>供水模數(shù)>供水模數(shù)>第三產(chǎn)業(yè)占比>產(chǎn)水模數(shù)；子系統(tǒng)障礙度排序：社會(huì)>水資源>經(jīng)濟(jì)>生態(tài)。

因此城市在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)水資源管理工作，提高用水效率，增強(qiáng)節(jié)水意識(shí)，控制人口過快增長(zhǎng)，以維持水資源系統(tǒng)與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)及生態(tài)系統(tǒng)的均衡發(fā)展。