基于改進TOPSIS模型的吉林省水資源承載力時空演變分析

侯 岳，李治軍，王華凡,黃佳俊

(黑龍江大學水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150000)

關鍵字：水資源承載力；時空演變特征；TOPSIS模型；吉林省

水是人類生存發展的重要資源，隨著城市化進程加快，城市用水需求不斷增加，全球氣候變暖，農田灌溉用水量增加，水資源短缺和生態環境惡化日益嚴重,影響社會經濟的可持續發展[1-2]。水資源承載力可探究地區水資源變化趨勢和社會協調發展狀況，為水資源合理調控和持續利用提供指導，是處理水資源與人類社會經濟之間關系的有力工具[3]。近年來，水資源承載力綜合研究已得到越來越多的國內外學者重視，并在多個方面取得進展。國外學者Sawunyama等[4]利用地理信息系統計算每個水庫的面積和容量，并結合GIS技術對Mzingwane小流域中12個小型水庫的調蓄能力進行承載力評估。Eva等[5]等通過“生態足跡”概念，對澳大利亞的生態足跡進行研究分析。從研究角度方面，Adnane等[6]分別從水資源供需關系與可持續發展角度研究水資源的承載能力。Chitakira等[7]則從環境管理機構之間的相互作用方面出發，對環境及水資源質量進行全面評估研究。20世紀80年代末，中國學者首次提出水資源承載力的概念，之后水資源承載力的理論研究不斷完善，研究方法不斷創新，2002年朱一中等[8]系統地論述了水資源承載力的基本概念，指出可持續發展理論、水-生態-社會經濟復合系統理論、二元模式下的水文循環機制和過程是水資源承載力研究的理論基礎 ,對水資源承載力研究的基本內容、評價指標體系的建立和評價方法進行了較全面的概括和總結。目前國內具有代表性的研究方法有主成分分析法[9-10]、系統動力學法[11-12]、BP神經網絡法[13-14]、云模型[15]等。綜合國內外已有的研究成果，關于水資源承載力指標權重的確定方法較為單一，以市為單位針對于省級水資源承載力的時間趨勢變化及空間分布研究較少。同時，吉林省是國家級糧食生產基地和重工業生產大省，水資源安全對地區生產生活具有重大意義，但全域降水時空分配極不均勻，旱澇災害頻發，水污染現象嚴重等問題，其水資源承載力研究至關重要。本文結合吉林省2004—2019年各地級市的水資源-經濟-社會-生態基礎調研資料，考慮研究區自然地理條件，產業分布類型和水利工程建設等實際情況，強調研究區水資源承載力狀態的時空演變，采用博弈論對指標進行綜合賦權，運用TOPSIS模型對吉林省各地市進行水資源承載評價，并輔之以耦合協調發展模型分析水資源承載力各子系統的協調度，全面深入了解吉林省各地級市16年間的水資源時間與空間的變化特征及各子系統的協調發展狀態，為當地水資源優化配置提供參考，促進區域經濟與社會可持續發展。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

吉林省位于東北地區中部，松遼平原腹地，是農業生產大省和老工業基地，全省面積187 400 km2，地勢東南高，西北低，接近亞寒帶，具有顯著的溫帶大陸性季風特征。區內水系發達，全省多年平均降雨量為608.4 mm，擁有圖們江、鴨綠江、遼河、綏芬河和松花江等五大水系，省內流域面積在20 km2以上的河流有1 648條，但水資源時空分布不均，東多西少，南豐北欠，水資源年際與年內變化大，汛期6—9月的降雨量占全年降水量的70%左右，連續豐水年，連續枯水年時有發生。區內水資源開發利用程度不均，中西部河流利用率高，東部利用率低，全省重點河流全年水質優于Ⅲ類的河流約為67%，劣Ⅴ類占12%，地下水水質以Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類水質為主，水環境形式嚴峻。

1.2 數據來源

各類指標數據來源于2004—2019年《吉林省水資源公報》《吉林省統計年鑒》及《吉林省國民經濟與社會發展公報》等資料，所有數據均是資料中的原始數據或通過原始數據推算得出。

2 研究方法

2.1 水資源承載力指標體系構建

構建水資源承載力指標體系是進行相關研究的重要依據和基礎環節，遵循代表性、區域性和可操作性等原則，在眾多的因素中選取能夠反映問題本質的因素。本文參考相關研究成果并征求專家意見[16-17]，基于水資源系統-社會經濟系統-自然生態系統耦合機理，對區域內水資源、社會、經濟及生態各子系統的影響指標進行綜合分析研究，選取18個指標構建水資源承載力指標體系(表1)，通過2004—2019年的相關數據，對吉林省9個地級市的水資源承載力時空演變特征進行分析。

表1 水資源承載力預警指標體系

2.2 博弈論確定指標權重

(1)

表2 吉林省水資源承載力評價指標組合權重

2.3 TOPSIS計算模型

TOPSIS模型是進行多目標分析的有效方法，又稱優劣解距離法，通過將各評價方案組成的正、負理想解進行排序，計算各評價方案與正、負理想解的距離，進一步推求貼近度。該方法避免了數據的主觀性，應用靈活、方便，適用于多評價單元和多指標的大系統，具體步驟[21-23]如下。

步驟一根據所選取的指標，建立吉林省水資源承載力原始數據矩陣Rmn，其中m表示年份，n表示指標，即原始矩陣表示第m年的n個指標，原始評價矩陣見式(2)。

(2)

(3)

步驟三通過博弈論確定的綜合權重ω*計算規范化加權矩陣yij，其中i表示年份，j表示指標，即：

(4)

(5)

(6)

最終計算評價對象的貼近度：

(7)

貼近度Ti表示第i年的該區域水資源承載力與最優的水資源承載力的靠近程度，其取值范圍為[0，1]，當Ti越大時，表明評價對象越接近理想狀態，水資源承載力越優，反之越差。根據吉林省水資源實際情況，結合先前學者的研究成果[24-25]，將最終的計算結果劃分為5個等級，分為嚴重超載、輕度超載、瀕臨超載、承載良好、承載盈余，具體水資源承載力等級標準見表3。

表3 吉林省水資源承載力等級標準

2.4 耦合協調度模型

耦合協調度模型是在耦合度模型的基礎上構建的模型，可進一步衡量各系統之間相互作用的協調發展關系，判斷其耦合協調程度，可定量測算水資源承載力子系統之間的協調發展狀態，計算步驟[26]如下：

(8)

T=αU1+βU2+γU3+φU4

(9)

(10)

式中D——耦合度；U1、U2、U3、U4——水資源系統、社會系統、經濟系統和生態環境系統的綜合評價值；T——四元系統綜合發展指數；α、β、γ、φ——待定系數，本研究認為四子系統的貢獻度同等重要，故系數α=β=γ=φ=0.25；C——耦合協調度，C∈[0,1] ，其值越大，耦合協調程度越高。

3 研究結果與分析

3.1 計算結果

根據博弈論確定的組合權重(表2)，利用式(2)—(7)計算水資源承載力評價值，將計算結果對應到吉林省水資源承載力等級分級標準(表3)，得到2004—2019年吉林省各地級市的水資源承載力狀態，見表4。其計算結果符合吉林省水資源時空分布特征，在區域上呈現“南豐北欠，東多西少”“邊緣多，腹地少”的局面。吉林省中西部地區土地資源較為豐富，中西部耕地面積占全省的80%以上，但水資源量只占全省的22%，農業用水量巨大，水資源承載力狀態較差；吉林省東南部自然條件優越，人均水資源擁有量相對較高，水利資源和森林資源豐厚，水資源承載力狀態較好[27]。

表4 吉林省水資源承載力評價結果

3.2 水資源承載力時間演變分析

由全省各市州多年水資源承載力評價均值，除長春市、白城市和四平市多年水資源承載力為Ⅲ級，處于瀕臨超載狀態，其余6個市州均為Ⅱ級，承載狀態良好。根據吉林省各年降水量情況、水利工程建設和相關政策文件的出臺時間等因素，將評價年份劃分為3個演變階段。①第一階段為2004—2010年，該時段水資源承載力較差，其主要原因是該時期內自然條件惡劣多變，降水量常處于偏枯狀態，旱災頻發，工業、農業用水較多，水資源開發利用程度較低導致地區水資源污染嚴重，水環境和生態環境遭到嚴重破壞，劣Ⅴ類河段長在總評價河段長中常年占比30%左右。由圖1可見，2005年，除通化市和延邊州處于承載良好狀態外，其他地區均處于水資源承載高壓狀態，吉林市評價值為0.348，處于嚴重超載狀態。②第二階段為2011—2015年，該時段水資源承載力有所提升，其主要原因是隨著經濟基礎的改善，農業穩步發展，其節水灌溉設備加大投資使用，節水管灌溉率大幅度提升，使得農業用水充分利用；政府大力建設水利工程，嚴格落實水資源管理制度，各地區水資源承載力顯著提高。2011年，吉林省全面落實最嚴格的資源管理制度，制定各市州水資源管理“三條紅線”指標評估體系。 2013年，吉林省繼續加大對重點水利項目的建設，累計完成投資82.23億元。該時期，除長春市外，其他市州的水資源承載力均值處于較高水平，水資源安全得到了保障，地區用水緊張態勢得以緩解。③第三階段為2016—2019年，該時段水資源處于承載盈余狀態，承載力評價值達到最大。其主要原因是城鎮化水平顯著提高，居民生活用水較為集中；工業化水平、產業結構有所改善，其工業重復用水率、第三產業用水率大幅度提升。隨著國民環保意識的提高，“節水優先，空間均衡，系統治理，兩手發力”治水理念的深入人心，生態環境用水率進一步調整，吉林省水資源承載力進一步提高。在吉林省整個評價年份演變過程中，吉林省堅持朝著全面構筑起科學的水資源開發、利用、治理、配置、節約和保護體系這一方向邁進，大力宣傳節約用水的環保理念，大力發展資源水利、效益水利和生態水利，使得吉林省市水資源承載力狀態整體上呈向好的態勢。

圖1 吉林省水資源承載力時空演變

3.3 水資源承載力空間格局分析

由各地市水資源承載力子系統評價結果(圖2)，評價年份內吉林省水資源承載力評價值均值為0.467，水資源承載狀態良好。結合各市州地理位置、自然條件和產業結構等因素，將評價地區劃分為西北部(包括白城市、松原市和四平市)、中部(包括長春市、吉林市和遼源市)和東南部(包括通化市、白山市和延邊州)。各區域綜合評價值由高到低依次為東南部、中部和西北部。由于該省水資源分布、開發利用程度極不平衡；各地產業結構大不相同，使得研究區水資源承載力空間格局出現較大的差異性。從研究區水資源承載力等級分布來看，西北部位于平原區，是國家重要的商品糧生產基地，由于農業產業比重大，灌溉用水量巨大，評價年份內旱情旱災嚴重且時常發生，自然條件相對較差，導致該區域水資源承載能力較差；中部是國家重要的工業和糧食生產基地，多條河流水系流經于此，地理位置優越。但由于中部人口密度大，居民生活用水量大；重工業比重高，廢污水排放排放量占比大，水環境污染形勢嚴峻，使得水資源承載常處于高壓態勢，尤其長春市處于瀕臨超載狀態；東南部地處山區，河流水系眾多，地下水資源儲量巨大，長白山提供了豐富的水利資源和森林資源，優越的自然條件使得延邊州水資源狀態常年水資源承載良好狀態。為緩解吉林省西北部水資源承載壓力，促進地區農業經濟可持續發展，保障糧食安全生產，“引嫩入白”、哈達山樞紐和大安灌區等一系列水利工程建設相繼規劃實施，對農業灌溉、城市供水、濕地補水和人畜飲水具有重大意義。

圖2 吉林省各地級市水資源承載力子系統及綜合評價值

3.4 水資源承載力各子系統耦合協調發展分析

在對吉林省水資源承載力進行時空特征分析后，輔之以子系統耦合協調程度的分析，能夠深入了解評價年份內水資源承載力的發展情況。通過式(8)—(10)計算耦合協調度，結果見圖3。通過等距斷點法將耦合協調度分為5個等級：極低耦合協調階段(0.256～0.289)、較低耦合協調階段(0.289～0.325)、中等耦合協調階段(0.325～0.361)、較高耦合協調階段(0.361～0.394)、極高耦合協調階段(0.394～0.429)。吉林省水資源承載力子系統耦合協調發展大致分為2個階段，2014年之前，在各地區大型水利和引水工程完全結項之前，水資源協調利用率低，西北部農業灌溉用水量大，常年缺水，東南部水資源豐富，但水資源開發利用率低，中部工業用水量大，污染嚴重，人均水資源量低，各子系統耦合協調發展水平處于低度狀態。2014年之后，在各水利工程保障地區安全用水的基礎上，水資源管理法律法規的相繼出臺并得到貫徹落實，節水保水等理念隨著大力宣傳深入民心，各子系統耦合發展水平大體處于高度耦合協調階段。

圖3 2004—2019年吉林省水資源承載力子系統耦合協調度

雖然上述研究對吉林省全省水資源承載力4個子系統的耦合協調度進行了時間特征分析，并且把結果劃分為5個等級，但很難反映出吉林省各市的耦合協調度的空間格局，因此根據各市耦合度的計算結果，借助GIS技術，分別得到2004年和2018年各市耦合協調度的空間格局(圖4)，進而分析吉林省不同時段的空間分布特征。通過圖4可以發現，2004—2018年吉林省水資源承載力子系統耦合協調度發生的巨大變化，2004年，除長春市外，其他城市社會經濟欠發達，農業生產比重大，其水資源消耗量巨大，協調度較差。隨著大型水利工程建設的完成，水資源利用率的提高，產業結構轉型的深化推進，2018年，各市州水資源承載力子系統耦合協調度有了很大提升，由此可見社會經濟的發展和生態環境的改善對增加水資源利用效益至關重要。

圖4 吉林省水資源承載力各子系統耦合協調狀態空間格局

4 結語

吉林省水資源承載力發展趨勢整體呈逐步上升狀態，在2004—2010年評價階段，吉林省社會經濟發展相對緩慢，社會居民環保意識相對薄弱，大水漫灌式的傳統灌溉模式較為普遍，西北部城市農業用水量大，中部地區工業污水排放量大，環境污染嚴重，水資源承載壓力大，評價結果明顯偏低于自然條件優越的東南部山區。隨著水資源“三條紅線”管理制度的落實，相關舉措緩解了西北部農業灌溉缺水量大、中部城鎮居民生活用水緊張和東南部水資源開發利用率低等問題，各水資源承載力子系統的耦合協調度也進一步提高。但從空間維度來看，吉林省水資源承載力空間分布較不均衡，總體呈現“東部優于中西部”的空間格局，各地水資源承載力水平具有一定差異性，其中，長春市、白城市、四平市處于瀕臨超載狀態。以上三地雖處于瀕臨超載狀態，但其水資源承載力各子系統耦合協調度較高，說明具有一定的提升潛力，應合理調整產業結構，提高工業用水重復率和農業灌溉利用率，增加節水灌溉面積，全面推進節水型社會的建設，增強國民用水意識，提高水資源利用效率。