基于TOPSIS模型及綜合權(quán)重的武威市水資源承載力和水安全評(píng)價(jià)

黃 博，李博文，雷正燁，康元麗，馬亞麗，孫棟元，李 龍

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

水資源是國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源，也是生態(tài)環(huán)境建設(shè)的基礎(chǔ)資源[1]。水的資源屬性本質(zhì)上是水為人類社會(huì)存續(xù)提供生活生產(chǎn)資料與服務(wù)功能的能力[2]，它已經(jīng)成為制約人類生存和發(fā)展的關(guān)鍵因素[3]。長(zhǎng)期以來(lái)，武威市自然環(huán)境惡劣，加之人口的增長(zhǎng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源量低于嚴(yán)重缺水線[4]。水資源匱乏，生態(tài)環(huán)境脆弱，供需矛盾突出，這些因素成為了制約城市發(fā)展和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素。

科學(xué)評(píng)價(jià)水資源承載[5]和水資源安全是保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展的前提。水資源安全研究是水資源安全戰(zhàn)略的基礎(chǔ)，是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[6]。目前，許有鵬[7]建立模糊綜合評(píng)判方法評(píng)價(jià)區(qū)域水資源承載力，門寶輝等[8]基于云理論評(píng)價(jià)北京市水資源承載力，相關(guān)研究較多，這里不再贅述。劉曉等[9]提出水資源承載力的新定義及相關(guān)的量化方法；針對(duì)水資源安全概念，筆者認(rèn)為水資源安全是國(guó)家或地區(qū)水資源在可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)下，支撐水資源總量、水資源質(zhì)量和水資源應(yīng)急保障等方面的水平。吳開(kāi)亞等[10]選取萬(wàn)元工業(yè)產(chǎn)值耗水量、水資源開(kāi)發(fā)利用率等指標(biāo)建立評(píng)價(jià)指標(biāo)模型，對(duì)巢湖流域水資源安全進(jìn)行評(píng)價(jià)；還有一些學(xué)者認(rèn)為，水貧困指數(shù)[11]是水資源安全評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。水資源承載力和水資源安全的綜合研究成果相對(duì)較少，研究方法主要有經(jīng)驗(yàn)估算法、指標(biāo)體系評(píng)價(jià)法等，田海蘭等[12]用經(jīng)驗(yàn)估算-供需平衡法對(duì)河北省海域承載力進(jìn)行研究，從精度方面來(lái)看，不能滿足要求；指標(biāo)體系評(píng)價(jià)法是目前國(guó)內(nèi)進(jìn)行水資源承載力和水資源安全研究運(yùn)用最廣使用最多的方法，操作上直觀、簡(jiǎn)便，結(jié)果更加可信。王濤等[13]建立模糊分析模型，利用層次分析法對(duì)安慶市水資源承載力進(jìn)行研究；張志君等[14]建立模糊集對(duì)分析法對(duì)新疆水資源安全進(jìn)行研究；程芳芳[15]利用主成分分析法對(duì)太原市水資源承載力進(jìn)行研究。

基于上述研究背景，本項(xiàng)目以武威市水資源承載和水資源安全立項(xiàng)。采用水資源承載力TOPSIS模型和水資源安全評(píng)價(jià)指數(shù)，利用綜合權(quán)重[16]確定指標(biāo)的評(píng)價(jià)思路，分別從主、客觀兩方面考慮，保留經(jīng)驗(yàn)打分優(yōu)勢(shì)的同時(shí)保證估計(jì)精度，提高結(jié)果的可信度。研究結(jié)果主要分析水資源承載能力和水資源安全等級(jí)及其成因，為未來(lái)武威市水資源綜合開(kāi)發(fā)利用提供決策依據(jù)，同時(shí)為我國(guó)其他干旱半干旱地區(qū)水資源承載和水資源安全評(píng)價(jià)提供借鑒。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

武威是甘肅省轄地級(jí)市，位于河西走廊東端。南北長(zhǎng)326km，東西寬204km，總面積3.23萬(wàn)km2。武威地勢(shì)呈西高東低，屬溫帶大陸性干旱氣候。多年平均水資源總量14.94億m2，人均水資源量819m2。年平均日照時(shí)數(shù)2876.9h，年平均蒸發(fā)量2163.6mm，年平均降水量212.2mm。武威市水資源水平較低，供不應(yīng)求。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

武威市2011—2020年水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)值原始數(shù)據(jù)來(lái)源于《甘肅省水資源公報(bào)(2011—2020)》《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》等。

2 研究方法

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

水資源評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是一個(gè)面積范圍大和跨領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)[17]，本文結(jié)合武威市水資源現(xiàn)狀，主要參考高玉琴等[18]、李明然[19]關(guān)于水資源評(píng)價(jià)體系的指標(biāo)選取，以科學(xué)性、綜合性和可獲取性原則為基礎(chǔ)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外學(xué)者現(xiàn)有的研究成果，分別從水資源系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)中選取了24項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建了武威市水資源評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見(jiàn)表1。

表1 武威市水資源評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.2 主觀權(quán)重

層次分析法是一種簡(jiǎn)便、靈活而又實(shí)用的多準(zhǔn)則決策方法[20]。是用群體判斷克服單一判斷的主觀偏好進(jìn)行群體綜合，并通過(guò)判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)檢查主觀判斷的一致性，最后再以定量的形式給出排序結(jié)果[21]。

(1)構(gòu)造判斷矩陣。利用對(duì)比法和1～9尺度表[22]。

主觀評(píng)價(jià)矩陣U，uij表示因素ui對(duì)uj的相對(duì)重要性數(shù)值(i，j=1，2，…，n)，取值范圍為1～9，uji=1/uij

(2)計(jì)算重要性排序。根據(jù)判斷矩陣，由公式

UW=λmaxw

(1)

(3)一致性檢驗(yàn)

CI=(λmax-n)/(n-1)

(2)

CR=CI/RI

(3)

其中RI是對(duì)應(yīng)指數(shù)標(biāo)度的隨機(jī)一致性比率，當(dāng)CR<0.1時(shí)，滿足一致性檢驗(yàn)。

2.3 客觀權(quán)重

2.3.1熵權(quán)法

熵權(quán)法基于信息論，是一種通過(guò)各指標(biāo)信息效用值的大小來(lái)確定指標(biāo)權(quán)重，著重突出指標(biāo)間局部差異的客觀賦權(quán)的方法，可以避免由于人為主觀因素造成的偏差[23]。

(1)建立數(shù)據(jù)矩陣：A=(xij)m×n，其中xij為第i年第j個(gè)指標(biāo)的數(shù)值。

(2)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理：對(duì)水資源承載力指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，目的是為了消除各項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)量單位不同帶來(lái)的影響。

對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣A′。

a.對(duì)正向指標(biāo)：

(4)

b.對(duì)負(fù)向指標(biāo)：

(5)

(3)計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值：

(6)

(4)計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重：

(7)

2.3.2CRITIC權(quán)重法

CRITIC權(quán)重法是根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的對(duì)比強(qiáng)度和沖突性來(lái)綜合衡量指標(biāo)的客觀賦權(quán)法[24]。對(duì)于多指標(biāo)多對(duì)象的綜合評(píng)價(jià)問(wèn)題，CRITIC權(quán)重法去消除一些相關(guān)性較強(qiáng)的指標(biāo)的影響，減少指標(biāo)之間信息上的重疊，更有利于得到可信的評(píng)價(jià)結(jié)果[25]。

(1)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差：

(8)

(2)計(jì)算信息量：

(9)

式中，rij為指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)。

(3)第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重：

(10)

2.4 綜合權(quán)重

綜合權(quán)重可對(duì)主客觀權(quán)重進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化，對(duì)多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)問(wèn)題確定其綜合權(quán)重[16，26]。乘數(shù)合成歸一法能夠有效反映出各項(xiàng)指標(biāo)在評(píng)價(jià)體系中的權(quán)重占比，這樣得到綜合權(quán)重性能更高，使結(jié)果更具有參考性。其最優(yōu)賦權(quán)法計(jì)算公式為

(11)

2.5 TOPSIS模型和安全評(píng)價(jià)指數(shù)

2.5.1TOPSIS模型

TOPSIS法又稱優(yōu)劣解距離法，是根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象與理想解的歐氏距離對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行排序。通過(guò)分析樣本的優(yōu)劣狀態(tài)，建立正(負(fù))理想點(diǎn)，確定樣本與理想點(diǎn)的距離，進(jìn)而求得樣本與理想點(diǎn)的貼近度[27，28]。具體步驟如下。

(1)將負(fù)向指標(biāo)進(jìn)行正向化處理，得到?jīng)Q策矩陣Z=(zij)m×n，

(12)

(13)

(3)計(jì)算各評(píng)價(jià)對(duì)象指標(biāo)值與最優(yōu)解、最劣解的距離：

(14)

(4)確定貼進(jìn)度Si;

(15)

Si越大，水資源承載力就越大。參考孫維維[29]在安徽省水資源承載力評(píng)價(jià)研究中水資源承載力等級(jí)劃分，見(jiàn)表2。

2.5.2安全評(píng)價(jià)指數(shù)

利用線性加權(quán)法計(jì)算水資源安全評(píng)價(jià)指數(shù)Ci，公式為：

表2 承載力評(píng)價(jià)等級(jí)

(16)

式中，wj—第j個(gè)指標(biāo)的綜合權(quán)重值；xij—其標(biāo)準(zhǔn)化值。根據(jù)水資源安全評(píng)價(jià)指數(shù)的大小，采用均分原理，對(duì)安全評(píng)價(jià)等級(jí)進(jìn)行劃分[30]，見(jiàn)表3。

表3 安全評(píng)價(jià)等級(jí)

3 結(jié)果與分析

3.1 原始數(shù)據(jù)分析

經(jīng)整理得到武威市水資源評(píng)價(jià)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)，見(jiàn)表4。

表4 武威市2011—2020年水資源評(píng)價(jià)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)

根據(jù)表1可知，武威市2011—2020年人均水資源量在甘肅省水資源量平均線1100m3/人以下，水資源警戒線700m3/人處徘徊，處于變化的不穩(wěn)定狀態(tài)。地下水資源量變化不大，處于穩(wěn)定狀態(tài)。降水量受氣候條件影響較大，年降水量在150～270mm之間浮動(dòng)，低于甘肅省年降水量平均水平。水資源開(kāi)發(fā)利用率遠(yuǎn)超國(guó)際公認(rèn)的40%的水資源開(kāi)發(fā)生態(tài)警戒線，嚴(yán)重?cái)D占生態(tài)流量，水資源自凈能力銳減。廢污水年排放總量先增大后減小，10年內(nèi)基本維持在0.3億t左右，總體呈逐年穩(wěn)定下降趨勢(shì)，有利于生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展。耗水率穩(wěn)定維持在70%左右，相較于全國(guó)的50%和甘肅的62.3%來(lái)說(shuō)耗水率較高，不利于生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展。節(jié)水灌溉面積呈緩慢減少趨勢(shì)，水資源利用程度并未得到有效發(fā)展。萬(wàn)元GDP用水量呈下降趨勢(shì)，水資源與經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)度穩(wěn)步提高。地區(qū)生產(chǎn)總值、人均GDP呈逐年快速增長(zhǎng)狀態(tài)，2020年地區(qū)生產(chǎn)總值相較于2011年翻了一番左右，2020年人均GDP是2011年的2.3倍左右，經(jīng)濟(jì)發(fā)展態(tài)勢(shì)良好。第一產(chǎn)業(yè)占GDP比重穩(wěn)定增大，第二產(chǎn)業(yè)占GDP比重穩(wěn)定減小，第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重穩(wěn)定增高，產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重心正由工業(yè)逐漸向農(nóng)業(yè)和手工業(yè)轉(zhuǎn)變。

3.2 指標(biāo)權(quán)重

3.2.1一致性檢驗(yàn)

層次分析法的計(jì)算結(jié)果顯示，最大特征根為27.5756，根據(jù)RI表查到對(duì)應(yīng)的RI值為1.6497，因此CR=CI/RI=0.0942<0.1，通過(guò)一次性檢驗(yàn)，見(jiàn)表5。

表5 一致性檢驗(yàn)結(jié)果

3.2.2基于主、客觀方法的綜合權(quán)重

利用層次分析法計(jì)算指標(biāo)的主觀權(quán)重，利用熵權(quán)法和CRITIC法計(jì)算指標(biāo)的客觀權(quán)重。為了數(shù)據(jù)更具有參考性，增加數(shù)據(jù)可信度，對(duì)3種不同的方法采用綜合權(quán)重法，利用公式(11)求出綜合權(quán)重，見(jiàn)表6。

表6 水資源評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

如圖1所示，總體來(lái)看經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)(0.530)和生態(tài)系統(tǒng)(0.301)各項(xiàng)指標(biāo)所占權(quán)重較大，對(duì)水資源承載力的影響突出，水資源系統(tǒng)(0.100)和社會(huì)系統(tǒng)(0.069)各項(xiàng)指標(biāo)所占權(quán)重較小，對(duì)水資源承載力的影響較小。生態(tài)系統(tǒng)中5個(gè)指標(biāo)：生態(tài)環(huán)境用水量(0.153)和生態(tài)環(huán)境用水率(0.129)的綜合權(quán)重都在0.1以上，說(shuō)明生態(tài)環(huán)境用水量和生態(tài)環(huán)境用水率對(duì)水資源承載及安全有較大影響，加大生態(tài)環(huán)境用水量和提高生態(tài)環(huán)境用水率可以提高武威市水資源承載能力和水資源安全等級(jí)。經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中個(gè)指標(biāo)：工業(yè)增加值(0.125)、第二產(chǎn)業(yè)占GDP比重(0.188)的綜合權(quán)重都在0.1以上，說(shuō)明第二產(chǎn)業(yè)對(duì)水資源承載及安全的影響較大，保障產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈穩(wěn)定，現(xiàn)仍需要高質(zhì)量發(fā)展第二產(chǎn)業(yè)，但是第二產(chǎn)業(yè)高能耗、高排放、低能效問(wèn)題突出[31]，在發(fā)展第二產(chǎn)業(yè)的同時(shí)，水污染、污水排放任務(wù)緊迫而艱巨。

圖1 4種權(quán)重比較

3.3 水資源承載力貼近度Si評(píng)價(jià)分析

根據(jù)公式(15)，利用TOPSIS模型對(duì)武威市2011—2020年水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到年度評(píng)價(jià)值、評(píng)價(jià)等級(jí)及排序，見(jiàn)表7。

表7 貼近度Si計(jì)算結(jié)果、評(píng)價(jià)等級(jí)及排序

結(jié)合表7來(lái)看，近10年武威市水資源承載力貼近度Si平均值為0.10，水資源承載力水平較低。2014年貼近度Si為0.046，該年水資源承載力水平最低，2020年為0.230，該年水資源承載力水平最高。2011—2014年小幅度降低，2014—2020年逐年穩(wěn)步上升，2020年水平為近10年最好，水資源承載力等級(jí)達(dá)到超載等級(jí)，其余年份承載力水平基本保持在0.1附近，均處于嚴(yán)重超載等級(jí)。

3.4 水資源安全評(píng)價(jià)值Ci分析

根據(jù)公式(16)，利用水資源安全評(píng)價(jià)指數(shù)對(duì)武威市2011—2020年水資源安全進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到年度評(píng)價(jià)值、評(píng)價(jià)等級(jí)及排序，見(jiàn)表8。

表8 安全評(píng)價(jià)值Ci計(jì)算結(jié)果、評(píng)價(jià)等級(jí)及排序

結(jié)合表8分析，10年間武威市水資源安全評(píng)價(jià)值Ci平均值為0.41，發(fā)展較為穩(wěn)定。2013年水資源安全評(píng)價(jià)值Ci為0.200，水平較差，其余年份處于臨界安全和較安全狀態(tài)。2020年水資源安全評(píng)價(jià)值Ci為0.717，水平較好，較2013年的最低值0.200高出了接近50個(gè)百分點(diǎn)，達(dá)到了較安全水平。

3.5 變化趨勢(shì)對(duì)比分析

根據(jù)TOPSIS模型計(jì)算得出水資源承載力評(píng)價(jià)值，如圖2所示，武威市2011—2020年水資源承載力貼近度Si線性擬合值整體呈緩慢上升趨勢(shì)；由水資源安全評(píng)價(jià)等級(jí)指數(shù)得出安全評(píng)價(jià)值，可以看出武威市2011—2020年水資源安全評(píng)價(jià)值整體呈上升趨勢(shì)。

圖2 承載力貼近度Si與安全評(píng)價(jià)值Ci變化趨勢(shì)

TOPSIS模型與水資源安全評(píng)價(jià)值最小值年份出現(xiàn)些許差異，是由于TOPSIS法在判斷貼近度時(shí)需要計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)與最優(yōu)解、最劣解的距離，可能會(huì)出現(xiàn)與最優(yōu)解距離小與最劣解距離也小的問(wèn)題，因此數(shù)據(jù)表現(xiàn)出差異性，屬于隨機(jī)誤差[32]。2013、2014年水資源評(píng)價(jià)指數(shù)皆處于10年期間的較低水平，2013年水資源承載力為0.049水資源安全評(píng)價(jià)指數(shù)為0.200，2014年水資源承載力為0.046水資源安全評(píng)價(jià)指數(shù)0.251，說(shuō)明2013和2014年武威市水資源承載和安全都非常脆弱。究其原因，2013年武威市生態(tài)環(huán)境用水率極低，僅有0.91%，與10年平均水平3.05%相比相差3倍，；且人均水資源量處于10年期間的最低值，首次突破小于500m3/人，嚴(yán)重制約了水資源承載力，導(dǎo)致水資源安全處于極不安全水平。就客觀來(lái)講，受到了干旱氣候的影響，2013年武威市平均降水總量為176.1mm，較歷年同期減少了三成，出現(xiàn)了嚴(yán)重的冬、春、夏、秋連旱，持續(xù)干旱對(duì)農(nóng)業(yè)牧業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響。2020年水資源承載力較好，主要是客觀因素如降水量、總水資源量達(dá)到近10年最大值，其次人均GDP明顯提升，萬(wàn)元GDP用水量呈逐年下降趨勢(shì)，加之經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，促進(jìn)了武威市的良好發(fā)展，為未來(lái)水資源承載力和水資源安全持續(xù)向好發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

(1)利用主觀和客觀兩方面確定綜合權(quán)重確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重可以提高指標(biāo)的參考性，文章評(píng)價(jià)結(jié)果與武威市水資源開(kāi)發(fā)利用情況相符，有很強(qiáng)的參考性；在水資源評(píng)價(jià)中，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)所占權(quán)重較大，水資源系統(tǒng)和社會(huì)系統(tǒng)所占權(quán)重較小。

(2)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)水資源承載和水資源安全評(píng)價(jià)的影響很大，生態(tài)環(huán)境用水量和生態(tài)環(huán)境用水率對(duì)武威市水資源承載力和水資源安全有較大影響。未來(lái)應(yīng)加大生態(tài)環(huán)境用水量同時(shí)保證生態(tài)環(huán)境用水效率，完善現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，提高水資源利用率。

(3)武威市水資源承載力水平最好的年份為2020年，最差的年份為2013年。水資源承載力處于嚴(yán)重超載等級(jí)；武威市水資源安全水平最好的年份為2020年，最差的年份為2014年。水資源安全處于臨界安全等級(jí)。未來(lái)武威市水資源承載力和水資源安全均有向好發(fā)展趨勢(shì)。

(4)水資源承載力是水資源安全的基本度量，采用同一評(píng)價(jià)體系對(duì)武威市水資源承載力與水資源安全進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)的結(jié)果一致，可以相互驗(yàn)證。

通過(guò)此次研究，對(duì)武威市2011—2020年10年間水資源承載力和水資源安全有了簡(jiǎn)單認(rèn)識(shí)，水是各項(xiàng)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的基石。該地區(qū)水資源問(wèn)題還面臨著巨大挑戰(zhàn)，解決地區(qū)水資源承載力和水資源安全問(wèn)題，要深刻理解經(jīng)濟(jì)與生態(tài)之間的平衡關(guān)系。此外，文章仍有不足之處，水資源安全目前還沒(méi)有一個(gè)準(zhǔn)確的定義，在評(píng)價(jià)水資源安全時(shí)，相關(guān)概念、理論、評(píng)價(jià)體系的建立和評(píng)價(jià)方法還需要進(jìn)一步研究。