基于熵權-TOPSIS模型的廣東省水資源承載力評價

張義敏，陳 暢，陳友林

(1.珠江水文水資源勘測中心，廣州 510610；2.廣東中水勘測規劃設計研究有限公司，廣州 510507)

1 概述

水資源是人類生存和發展的基礎，是支撐地區經濟社會可持續發展的重要戰略資源。在新時代背景下我國水安全面臨著水資源短缺，供需矛盾突出，水資源利用效率低和水環境污染嚴重等問題[1]。而水資源安全涉及水資源的統一管理、保護和合理利用等方面，其與社會經濟、自然生態系統相互作用，共同影響區域可持續發展[2]。水資源承載力是衡量地區可持續發展的重要指標之一，是基于可持續發展理念在一定科學技術水平條件下區域水資源對社會經濟的最大支撐能力[3]。分析研究社會經濟發展規模與水資源承載力匹配狀況，通過社會經濟系統與水資源合理配置，使得區域水資源與城市發展和諧共生[4]。

目前，關于水資源承載力評價的主要方法有系統動力學法、模糊綜合評價法和主成分分析法等[5]，國內學者基于這些評價方法構建不同的評價指標體系對各地區水資源承載力進行評價。例如閉祖良[6]、許杰玉[7]、石厚波[8]、王菲等[9]學者基于最嚴格水資源管理制度目標，構建水量、水質評價指標體系，采用經驗公式法分別對廣西左江流域、和靜縣、澇河流域和玉林市等地區進行評價研究。石曉昕等[10]以年降水量、人均水資源量等作為狀態層指標，構建驅動力、壓力、狀態、影響和響應的評價指標體系，采用障礙度模型和熵權TOPSIS模型對湖北省水資源承載力進行評價。吳明艷[11]、劉玒玒[12]等以人均水資源量、地表水資源量占比等作為水資源子系統指標，構建水資源子系統、社會子系統、經濟子系統和生態環境子系統指標體系分別對西北五省區和長江經濟帶進行水資源承載力評價。針對廣東省水資源承載力研究成果中，趙壁奎等[13]把水資源承載力模型分為人口、經濟、水環境、供水等4個子系統，采用系統動力學法對研究區域進行評價。武翡翡利用系統動力學模型預測不同降雨頻率下廣東省水資源承載力[14]。宋松圍繞SDGs結合廣東省水資源情況，構建降水量、人均水資源量和水資源總量等本土化水資源可持續利用評價指標體系，并進行水資源可持續利用評價[15]。綜上所述，目前大多研究是以本地水資源量作為水資源系統的評價指標，鮮少見關于考慮入境水量情況下的水資源承載力研究成果。

廣東省位于我國南部沿海地區，經濟規模連續多年位列全國第一，2021年經濟總量占全國10.9%，常住人口占全國9.0%，用水量占全國6.9%，而水資源總量僅占全國4.1%。由于特殊地理位置造成本地水資源有限，入境水量豐富，2021年廣東省入境水量是本地水資源總量的1.3倍，考慮入境水量指標更符合廣東省水資源特點。本文基于熵權-TOPSIS模型構建考慮入境水量后的水資源承載力評價指標體系，對廣東省水資源承載力進行評價分析，為高質量發展提供基礎數據支撐。

2 研究區域概況

廣東省陸地面積約為17.98萬km2，島嶼面積約為1 592.7 km2。地勢大體呈北高南低，地貌類型有平原、丘陵、山地、臺地等，境內河流眾多，西江、北江、東江在境內匯流后注入南海。多年平均降雨量為1 771 mm，水資源總量豐富，但時空分布不均。人均本地水資源為1 458 m3，遠低于全國的平均水平，此外東深供水工程進一步增大廣東省水資源壓力[16]。

2021年廣東省本地水資源量為1 221.1億m3，入境水量為1 567.1億m3，按照本地水資源量的統計口徑全省水資源開發利用率為33.5%，按照包括上游入境水量的統計口徑全省水資源開發利用率為10.0%。在用水方面，全省用水總量為407.0億m3，其中農業用水占50.17%、工業用水占19.21%、城鎮公共用水占9.53%、生活用水占19.43%、生態補水占1.65%，農業仍是主要用水大戶，用水壓力大。在用水效率方面，2021年人均綜合用水量為322 m3、萬元地區生產總值用水量為32.7 m3、萬元工業增加值用水量為17.3 m3、耕地實際灌溉畝均用水量為711 m3、人均生活用水為2 561 L/d，其中人均綜合用水量、萬元地區生產總值用水量和萬元工業增加值用水量等指標均低于全國平均水平，用水效率較高。因此，廣東省用水總量大，用水效率整體較高，而本地水資源量有限，對過境水依賴程度較高。可見，加入入境水量指標對研究廣東省水資源承載力具有重要意義。

3 研究方法

3.1 熵權法基本原理

熵權法是一種較為客觀計算權重的方法，該方法以信息論為基礎，根據各項評價指標變異程度大小反映指標數據隱含的信息量，進而確定指標權重，避免主觀因素干擾[17-18]。其主要原理是各項指標經過標準化處理后計算其信息熵的大小，信息熵值與離散程度成反比關系，而指標權重與離散程度成正比關系，即指標的信息熵數值越小，離散程度越大，指標權重越大，對評價系統影響越大。計算步驟如下。

1) 構建水資源承載力評價矩陣

V=(χij)m×n

(1)

式中：

n——評價年數；

m——評價指標個數；

xij——第i年第j個指標的數值。

2) 矩陣標準化：對各項指標數據進行標準化處理，消除不同計量單位的影響。

R=(rij)m×n

(2)

3) 計算各指標信息熵

(3)

4) 計算指標權重

(4)

3.2 TOPSIS模型基本原理

TOPSIS模型又稱“逼近理想解排序法”，是計算指標與理想解的相對貼近程度大小，然后判斷其優劣[18-20]。該方法的基本思路是正向理想解是各評價指標的最優解，負向理想解是各評價指標的最劣解，計算指標與理想解的相對距離并進行比較，與正理想解最接近，同時離負理想解最遠，則為最優方案，即水資源承載力越大。模型計算步驟如下。

1) 構建基于熵權法的評價矩陣Y

Y=(yij)m×n=(wj×rij)m×n

(5)

2) 求解正、負向評價指標的理想解

(6)

(7)

3) 計算評價指標與理想解的距離

(8)

式中：

4) 貼近度的計算

(9)

式中：

Ti越接近1，評價結果越優，水資源承載力越大。

3.3 評價等級劃分

參考國內有關研究成果[18-19]，根據貼近度大小將水資源承載能力劃分為嚴重超載、超載、臨界超載、弱承載、可承載等五個等級，貼近度大小與水資源承載力評價等級關系見表1。

表1 水資源承載能力評價等級

4 廣東省水資源承載力評價

4.1 評價指標的選取

結合廣東省水資源特點和相關研究成果[18-22]，從水資源系統、社會經濟系統和生態系統三方面選取18個評價指標，構建考慮入境水資源量的廣東省水資源承載力評價指標體系(見表2)。

表2 廣東省水資源承載力評價指標體系

由2012—2021年《廣東省水資源公報》和《廣東省統計年鑒》的相關數據，形成廣東省水資源承載力評價矩陣(見表3)。

表3 2012—2021年廣東省水資源承載力評價指標數據

4.2 指標權重計算

根據熵權法模型的公式(1)～(4)，計算評價指標的權重，計算結果見表4。

表4 廣東省水資源承載力評價指標權重

4.3 水資源承載力評價

根據TOPSIS模型的公式(5)～(9)，計算2012—2021年評價指標的貼近度，并根據表1的評價等級對其水資源承載狀況進行評價，評價結果見表5。

表5 廣東省水資源承載力評價

4.4 結果分析

4.4.1指標權重結果

由表4可知，熵權法計算的水資源系統權重為0.242 6、社會經濟系統為0.472 3、生態環境系統為0.285 1。其中，權重較大的指標是城鎮化率、建成區綠化覆蓋率和人均綜合用水量，權重分別為0.089 0、0.086 4和0.079 1；權重較小的指標是耗水率、城市污水排放量和產水模數等，權重分別為0.026 5、0.032 4和0.034 7。入境水量、人均水資源量和水資源開發利用程度的權重分別為0.034 2、0.035 7和0.076 6。表明考慮入境水量指標后，水資源系統除水資源開發利用程度指標有較大影響外，其他的影響程度均較小，水資源系統整體對水資源承載力影響較小，社會經濟系統影響較大。

4.4.2水資源承載力評價結果

由表5可知，2012—2021年廣東省水資源承載力貼近度的平均值為0.356，承載力評價屬于超載狀態(Ⅳ級)，其中2014年貼近度最低，屬于嚴重超載狀態(Ⅴ)，2021年貼近度最高，屬于弱承載狀態(Ⅲ級)，評價期間整體呈現先下降后上升的趨勢，地區水資源承載力得到提升。以2014年為時間分界點研究其變化趨勢(第一階段是2012—2014年，第二階段是2015—2021年)。第一階段貼近度呈現下降趨勢，2014年為最低值，表明期間廣東省水資源不能滿足社會經濟發展需求，水資源與社會經濟發展不協調。第二階段貼近度呈現上升趨勢，2021年達到最高值，表明廣東省加強水資源管理，社會經濟發展規模與地區水資源逐步適應，水資源承載力顯著提升。

4.4.3原因分析

由圖1分析2012—2021年全省用水情況，2012年用水總量為451.00億m3，2021年下降至407.00億m3，用水總量整體呈下降趨勢。由圖2分析全省用水效率情況，2012年耕地實際灌溉畝均用水量、人均綜合用水量、萬元地區生產總值用水量和萬元工業增加值用水量分別為771 m3、428 m3、75 m3和46 m3，至2021年分別下降至711 m3、322 m3、32.7 m3和17.3 m3，指標呈下降趨勢，用水效率逐步提高。表明廣東省在實施最嚴格水資源管理制度和新時期水資源剛性約束管理制度后，加強水資源管理，提高全省水資源利用效率，有效控制用水總量，重視水資源合理利用和保護，社會經濟發展規模與水資源條件相互協調，水資源承載力逐步提升。

圖1 2012—2021年廣東省用水總量趨勢示意

圖2 2012—2021年廣東省主要用水指標趨勢示意

5 結語

1) 結合廣東省水資源特點構建考慮入境水量指標后的水資源承載力評價指標體系，選取水資源、社會經濟、生態環境三大系統共計18個指標，采用基于熵權-TOPSIS模型的方法進行水資源承載力評價分析，評價指標體系和結果更接近地區實際情況。

2) 熵權法計算結果表明，水資源系統權重最小，社會經濟系統權重最大，說明入境水資源量占比較大的地區水資源系統對水資源承載力影響較小，社會經濟系統對其影響較大。

3) 通過熵權-TOPSIS模型計算的廣東省水資源承載力變化呈先下降后上升的趨勢。在第一階段(2012—2014年)水資源承載力呈下降趨勢，2014年貼近度最小，處于嚴重超載狀態(Ⅴ)；到第二階段(2015—2021年)水資源承載力呈上升趨勢，水資源承載力等級從超載逐漸提升至弱承載狀態。全省加強水資源管理，用水效率逐步提高，水資源承載力顯著提升。