長春市水資源承載力評價研究

李治軍，陳海楓，王美波，王旻憶

(黑龍江大學 a.水利電力學院；b.寒區地下水研究所，哈爾濱 150080)

0 引 言

水資源是區域經濟社會發展的重要資源，當今社會水資源匱乏問題嚴重影響著人類生產生活，評估區域水資源狀況，根據評價結果做好水資源保護工作具有重要的意義[1]。水資源承載力是指在一定人口規模下，水資源支撐社會經濟持續發展的能力水平。在我國，水資源承載力的首次提出來自于對新疆地區水資源承載力的評價，經過幾十年的發展，我國學者多領域多角度積極探索研究，水資源承載力的評價理論體系日趨完善[2]。杜雪芳等[3]基于TOPSIS模型，科學分析了鄭州市水資源承載力的現狀。蔣美彤等[4]借助生態足跡法，動態分析了區域水資源承載力。曹麗娟等[5]通過主成分分析法，從多個維度分析評價區域水資源承載力。在對水資源承載力的評價研究過程中，傳統的賦權法確定權重時，存在主觀局限性及不穩定的問題。針對以上問題，結合前人的研究成果，本文將變異系數法和熵權法確定的指標權重相組合，采用TOPSIS模型，對長春市2011-2019年水資源承載力進行分析評價，以期為長春市水資源開發利用與可持續發展提供參考。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

長春市坐落于吉林省中部地區(E124°18′-E127°02′，N43°05′-N45°15′)，地處松遼平原，地勢平坦，東西走向略高于西北走向，地貌主要以平洼地為主，少數為丘陵和山地，容易發生洪澇災害[6]。溫帶大陸性半濕潤季風季候，特征顯著，四季分明。多年平均降水量為565mm,具有時空不均和南多北少等特點。長春市境內有第二松花江、拉林河兩大水系，是長春市主要供水來源[7]。近年來，由于經濟建設的需要，城市規模的不斷擴大，各行業廢水排放量增加，水污染問題突出，水資源供需不足，水資源短缺問題已成為制約區域經濟發展因素之一[8]。

1.2 數據來源

本文使用的數據來源于2011-2019年長春市統計年鑒、長春市水資源公報。

2 研究方法

2.1 評價指標體系的構建

水資源承載力受到多方面因素的影響，分析評價長春市的水資源承載力，首先要構建科學的評價指標體系。本文結合長春市水資源現狀、前人的研究成果以及收集到的相關數據，從經濟社會、水資源、生態系統3個子系統選取11項指標，構建長春市水資源承載力評價體系，見表1。其中，評價指標為正向時，其值越大，承載力越強；評價指標為負向時，其值越大，承載力越弱。

表1 長春市水資源承載力評價指標體系

2.2 指標權重的確定

變異系數法是一種通過指標的變異程度來賦權的客觀賦權法，在權重的計算過程中，可以有效反映不同指標之間存在的差距[9]。熵權法在水資源承載評價中應用較多，其原理是通過數據的離散程度來反映指標權重的大小，客觀科學，準確度高[10]。客觀賦權法可以克服主觀賦權法中人為評判對權重計算結果的影響，但是單一的計算方法也存在一定的不足。為了保證計算結果的準確性，通過組合賦權法，將變異系數法和熵權法權重計算結果相組合，來計算相關指標的組合權重。

2.2.1 變異系數法

計算各指標的變異系數：

歸一化計算各指標的權重：

2.2.2 熵權法

對指標數據進行歸一化處理。取n個評價年限，每個年限由m個評價指標，構成初始矩陣R=(rij)m×n，將所有指標進行標準化[11]：

式中：Rij為數據標準化處理后的值；min{r1j,r2j,...rmj}為指標數據的最小值；max{r1j,r2j,...rmj}為指標數據的最大值。

對于第i個指標，其信息熵的計算公式為：

式中：ei為第i項指標的信息熵；fij為評價因子在指標中的比重。

通過信息熵ei，計算各評價指標的熵權為：

2.2.3 組合賦權

假設由變異系數法確定的權重向量為w1i，由熵權法確定的權重向量為w2i，運用加法集成法，求得最終的綜合權重向量wi為[12]：

wi=αw1i+βw2i

式中：α、β為組合賦權法的待定系數，可用差異系數法求解：

式中：w1i、w2i為變異系數法和熵權法的權重；REn為差異程度系數；n為指標的個數；p1,p2…,pn為按從小到大順序排列起來的各指標變異系數權重。

2.3 TOPSIS模型

TOPSIS模型通過建立正理想解和負理想解，確定樣本對象與正負理想解的距離。在此基礎上，計算水資源承載力綜合評價指數的定量評價方法，適用于多方案多指標的系統，具體步驟如下[13]：

步驟一：建立標準化矩陣。根據組合賦權所確定的權重wi，建立規范化水資源承載力分析矩陣。

Y=|yij|m×n=|wi×xij|m×n

步驟二：確定正負理想解。

Y+=max{yij}

Y-=min{yij}

式中：Y+為樣本對象正理想解，即第i個指標在第j年內的最大值；Y-為樣本對象負理想解，即第i個指標在第j年內的最小值。

步驟三：距離計算。

步驟：水資源承載力綜合評價指數計算。

式中：Cj為第j年的水資源承載力綜合評價指數，取值范圍為[0,1]，其值越接近1時，區域承載力越好。

3 結果與分析

3.1 指標權重分析

通過變異系數法、熵權法計算得到的長春市各項指標權重見表2。將變異系數法計算得到的權重按從小到大的順序排列起來，計算得到差異系數REn=8.639,α=0.53,β=0.47；運用組合賦權法得到指標的組合權重，見表2。為了便于分析，3種權重的對比見圖1。

表2 變異系數法、熵權法及組合權重計算結果

圖1 變異系數法、熵權法及組合權重計算結果對比

由表2和圖1可知，3種方法計算得到的指標權重存在較大差異，但整體來看，權重較高的幾項指標接近。其中，變異系數法計算得出的生態環境用水率指標權重為0.320，熵權法計算得出的生態環境用水率指標權重為0.193，組合賦權法計算得出的生態環境用水率指標權重為0.260。在3種計算權重的方法中，均為權重最高的指標，說明增加生態環境用水可以有效增大水資源承載力。

組合權重中，人均水資源量占比較高，為0.127，表明人均水資源量對區域的水資源承載力評價有重要的影響；產水模數的權重也較高，為0.126，表明產水模數越高，對水資源承載力的恢復有積極的促進作用；水資源開發利用率的權重次高，為0.107，表明過多開發利用區域的水資源，對水資源承載力具有消極的作用，不利于水資源的可持續發展。

3.2 水資源承載力分析

依據現有的研究成果以及長春市實際狀況，將長春市2011-2019年水資源承載力按綜合評價指數分為5級，即I級為理想承載(0.8～1)，Ⅱ級為良好可承載(0.6～0.8)，Ⅲ級為可承載(0.4～0.6)，Ⅳ級為弱可承載(0.2～0.4)，V級為不可承載(0～0.2)。根據上述模型和方法，計算長春市的水資源承載評價值，結果見表3。為了更加直觀反映長春市2011-2019年水資源承載力情況，依據綜合評價結果，繪制年際變化趨勢圖，見圖2。

表3 2011-2019年長春市水資源承載力綜合評價值

圖2 2011-2019年長春市承載力評價值變化趨勢圖

由表3和圖2可知，在2011-2019年期間，長春市水資源承載力評價值由0.264上升至0.874，變化趨勢總體處于上升，表明區域水資源承載力向著良好的態勢轉變。2011-2012年，水資源評價值呈上升趨勢，但承載力均處于Ⅳ級，承載力較弱。2012-2013年，水資源承載力評價值呈下降趨勢，在2013年達到近幾年最低值0.204。由于人口數量增加，生產生活用水增加，需要加大對水資源的開發利用，水資源開發利用超出區域水資源承載水平，造成水資源巨大的壓力。

2013-2015年，水資源承載力評價值呈上升趨勢，在2015年達到Ⅲ級，處于可承載狀態。原因是2014年開始實行最格的水資源管理制度，保護和節約用水，合理控制對水資源的開發利用，區域產水模數增加，人均水資源量增加，提高了水資源承載力。2015-2016年，水資源承載力評價值由0.471下降至0.323。2016-2019年，水資源承載力呈逐年上升趨勢，并且在2019年到達近年來最大值0.869。由2016-2019年《長春市水資源公報》可知，區域生態環境用水增加，由2016年的1.39%上升至2019年的6.35%，補充了過度開發利用的區域水資源，加大了水環境整治，防控各類污染源，引入先進的治理技術和理念，實施生態環境修復工程，水生態環境得到改善，在2019年集中式飲用水水源水質達標率保持100%。

4 結 論

1)本文結合長春市的水資源實際狀況選取指標體系，采用變異系數法和熵權法組合賦權，確定指標的權重，使計算結果更準確反映區域水資源承載力影響情況。評價指標中，人均水資源量、產水模數、生態環境用水率等占有較大的權重，對區域水資源承載力評價影響較大。

2)采用TOPSIS模型，對長春市2011-2019年水資源承載力進行評價。結果表明，長春市水資源承載力整體處于上升趨勢，由2011年的0.264增長至2018年的0.874，合理開發利用水資源，提升區域生態環境質量，加大污水處理力度，增加生態環境用水對水資源承載力的恢復有重要影響，未來長春市可以重點從這幾方面入手，促進區域水資源可持續發展。