基于AHP-TOPSIS模型的江蘇省水資源承載力評價

李少朋，趙 衡,2，王富強(qiáng),2，楊東明

(1.華北水利水電大學(xué)水資源學(xué)院，河南 鄭州 450046;2.河南省黃河流域水資源節(jié)約集約利用重點實驗室，河南 鄭州 450046)

水資源是人類社會賴以生存和發(fā)展的重要資源之一。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口規(guī)模的增大，人類對水資源的需求量逐漸增加[1]，經(jīng)濟(jì)發(fā)展受水資源的影響日益顯著[2-3]，水資源短缺、水環(huán)境污染、水生態(tài)退化等已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展中不可忽視的問題[4]，不少學(xué)者開始重視對區(qū)域水資源承載力的研究。正確評價水資源承載力對于保障水資源可持續(xù)利用和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義[5-6]。水資源承載力是指在一定經(jīng)濟(jì)社會和科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平條件下，以生態(tài)、環(huán)境健康發(fā)展和經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展協(xié)調(diào)為前提的水資源系統(tǒng)能夠支撐經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的合理規(guī)模[7]。目前對水資源承載力評價采用的方法較多，主要有模糊綜合評價法[8]、系統(tǒng)動力學(xué)法[9-10]、主成分分析法[11]、對數(shù)函數(shù)法[12]和TOPSIS模型[13-14]等。例如，袁艷梅等[8]運用改進(jìn)的模糊綜合評價法評價了江陰市水資源承載力狀況；楊光明等[9]基于系統(tǒng)動力學(xué)理論設(shè)計了4種方案，通過對比得到重慶市水資源承載力可持續(xù)發(fā)展的最優(yōu)方案；高亞等[10]基于系統(tǒng)動力學(xué)法通過4種方案模擬對比得到提高江蘇省水資源承載力的最優(yōu)方案；許朗等[11]運用主成分分析法得出2000—2009年江蘇省水資源承載力總體呈上升趨勢的結(jié)論；張巧麗[12]采用對數(shù)函數(shù)構(gòu)建模型，模擬結(jié)果表明2004—2016年江蘇省水資源承載力有逐年改善的趨勢；田培等[13]運用變權(quán)TOPSIS模型從時間和空間角度對長江經(jīng)濟(jì)帶水資源承載力進(jìn)行了綜合評價。不同水資源承載力評價方法各具特點，水資源承載力評價研究發(fā)展迅速，是當(dāng)前水資源科學(xué)研究中的重點和熱點問題之一[15]。與其他水資源承載力評價方法相比，TOPSIS模型計算簡單，對數(shù)據(jù)及指標(biāo)數(shù)目等沒有嚴(yán)格要求，既能充分利用指標(biāo)信息，又具有良好的客觀性，因而在區(qū)域水資源承載力評價研究中使用較多。

對于水資源承載力評價問題，除采用不同評價方法的研究外，有些學(xué)者還從相關(guān)概念和理論、資源可持續(xù)發(fā)展、環(huán)境要素和承載標(biāo)準(zhǔn)等視角進(jìn)行了探討。例如，Yang等[16]從承載規(guī)模的角度對中國西南喀斯特地區(qū)的水資源承載力進(jìn)行了評價；Zhang等[17]基于自然界的視角分析了湖南湘潭岳塘區(qū)的水資源-水環(huán)境承載力；Ren等[18]將生物代謝的相關(guān)概念及理論引入甘肅武威市的水資源承載力評價研究中；Milano等[19]對地中海盆地的水資源利用情況進(jìn)行了分析，從可持續(xù)發(fā)展的角度提出了優(yōu)化水資源利用水平的措施；Wang等[20]對海河流域進(jìn)行了可持續(xù)發(fā)展評估和生態(tài)環(huán)境承載力評價，并從可持續(xù)發(fā)展的角度估算了承載規(guī)模；金菊良等[21]構(gòu)建了不同承載標(biāo)準(zhǔn)下的水資源承載力評價模型，并以陜西省為例進(jìn)行了分析研究。

本文構(gòu)建包含人均GDP、萬元GDP用水量、生態(tài)環(huán)境用水率等10個指標(biāo)的評價指標(biāo)體系，采用改進(jìn)的TOPSIS模型綜合評價江蘇省2008—2017年水資源承載力，并利用障礙度模型診斷了影響江蘇省水資源承載力水平的障礙因子，以期為未來江蘇省水資源開發(fā)利用提供參考。

表1 評價指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)

1 評價指標(biāo)體系

評價指標(biāo)的選取直接關(guān)系到區(qū)域水資源承載力評價結(jié)果的準(zhǔn)確性和真實性。本文遵循科學(xué)性、整體性、層次性、動態(tài)性及可操作性等原則，在綜合考慮相關(guān)研究中選用頻次較高的指標(biāo)的基礎(chǔ)上，參考全國水資源供需分析中的指標(biāo)體系，并結(jié)合江蘇省水資源條件和開發(fā)利用現(xiàn)狀，綜合分析影響水資源承載力的因素，構(gòu)建了由經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境和水資源3個子系統(tǒng)10個評價指標(biāo)組成的綜合評價指標(biāo)體系(圖1)。10個評價指標(biāo)中，萬元GDP用水量、生態(tài)環(huán)境用水率和耗水率3個指標(biāo)為負(fù)向指標(biāo)，其他7個指標(biāo)為正向指標(biāo)。綜合評價指標(biāo)體系中，經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)重點考慮區(qū)域經(jīng)濟(jì)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展用水水平，生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)主要反映區(qū)域污水處理水平、環(huán)境狀況及對水資源的需求情況，水資源子系統(tǒng)主要考慮區(qū)域水資源稟賦條件和用水效率水平。

圖1 水資源承載力綜合評價指標(biāo)體系

依據(jù)國家規(guī)范及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，參考已有研究中的評價指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)[22-24]和評判準(zhǔn)則，同時考慮經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展及水資源利用等制約因素[25]，結(jié)合江蘇省水資源特點，將評價指標(biāo)劃分為極高(Ⅰ級)、較高(Ⅱ級)、中等(Ⅲ級)、較差(Ⅳ級)、極差(Ⅴ級)5個等級，分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。

2 評價模型

2.1 改進(jìn)的層次分析法

層次分析法(analytic hierarchy proces， AHP)是一種將定性與定量相結(jié)合的決策方法。基于指數(shù)標(biāo)度的層次分析法能夠較好地解決傳統(tǒng)層次分析法存在的一致矩陣構(gòu)造能力弱、標(biāo)度值與排序方法不一致等問題，構(gòu)造的判斷矩陣一致性好，計算結(jié)果準(zhǔn)確，具有一定的優(yōu)越性。本文采用基于指數(shù)標(biāo)度的層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，指數(shù)標(biāo)度法的評分規(guī)則和計算步驟詳見文獻(xiàn)[26]。

2.2 改進(jìn)的TOPSIS模型

逼近理想點的TOPSIS模型[27-28]以評價系統(tǒng)中的正、負(fù)理想解為基點，通過計算各評價對象與正、負(fù)理想解的距離和貼近度并進(jìn)行排序，進(jìn)而得出各評價對象的優(yōu)劣狀況。然而傳統(tǒng)TOPSIS模型可能存在逆序現(xiàn)象，基于加權(quán)距離的TOPSIS模型改變了加權(quán)的環(huán)節(jié)，直接將權(quán)重用于距離的計算，保持原數(shù)據(jù)間的關(guān)系結(jié)構(gòu)不變化，克服了傳統(tǒng)TOPSIS模型因權(quán)重改變可能產(chǎn)生逆序現(xiàn)象的缺點。此外，傳統(tǒng)TOPSIS模型在應(yīng)用過程中，當(dāng)評價對象到正、負(fù)理想解的距離恰好相同時，歐式距離法通常無法準(zhǔn)確地評價各評價對象的優(yōu)劣狀況。基于虛擬負(fù)理想解的TOPSIS模型改進(jìn)了距離的計算，不再計算評價對象到正、負(fù)理想解的距離，而是計算評價對象到正理想解和虛擬負(fù)理想解的距離[29]，可有效解決傳統(tǒng)TOPSIS模型評價結(jié)果可能區(qū)分度不高的問題。因此，本文采用加權(quán)距離和虛擬負(fù)理想解相結(jié)合的方式對TOPSIS模型進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的TOPSIS模型可有效克服傳統(tǒng)TOPSIS模型存在的逆序和評價結(jié)果區(qū)分度不高的缺點，計算步驟為：

a. 對于正向和負(fù)向指標(biāo)數(shù)據(jù)xij按極差法分別進(jìn)行處理，再加1后得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Y=(yij)m×n，其中i為年份，取值為1,2,…,m；j為指標(biāo)，取值為1,2,…,n。

b. 標(biāo)準(zhǔn)化矩陣數(shù)據(jù)歸一化后得到歸一化矩陣Z=(zij)m×n。

c. 由歸一化后的矩陣Z與各指標(biāo)的權(quán)重wj相乘得到加權(quán)決策矩陣V=(vij)m×n。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中α、β為系數(shù)，且α+β=1，這里取α=β=0.5。

基于表1和改進(jìn)的TOPSIS模型，得到江蘇省水資源承載力等級為Ⅴ級、Ⅳ級、Ⅲ級、Ⅱ級時貼近度臨界值分別為0.262、0.439、0.610和0.800，也即當(dāng) 0

2.3 障礙度模型

障礙度測度是對水資源承載力評價后的進(jìn)一步分析，利用障礙度模型可以診斷和測算影響水資源承載力的障礙因子及障礙度[30]，有助于提高區(qū)域水資源承載力水平。某項指標(biāo)的障礙度越小，說明區(qū)域水資源承載力受該項指標(biāo)的阻礙作用越弱，反之亦然。障礙度計算公式為

(7)

其中Fj=wjWjPij=1-zij

式中：Uij為障礙度；Fj為因子貢獻(xiàn)度；Pij為指標(biāo)偏離度；wj為指標(biāo)j的權(quán)重；Wj為指標(biāo)j所屬子系統(tǒng)的權(quán)重；zij為歸一化后的指標(biāo)數(shù)值。

3 江蘇省水資源承載力評價

3.1 評價結(jié)果

研究數(shù)據(jù)來源于2009—2018年的《江蘇省統(tǒng)計年鑒》《中國統(tǒng)計年鑒》和2008—2017年的《江蘇省水資源公報》。運用改進(jìn)的層次分析法計算得到x1～x1010個評價指標(biāo)的權(quán)重分別為0.086、0.113、0.132、0.082、0.076、0.055、0.085、0.153、0.134和0.084。運用改進(jìn)的TOPSIS模型對江蘇省2008—2017年的水資源承載力進(jìn)行評價，結(jié)果見表2。由表2可知，2008—2014年江蘇省水資源承載力等級為Ⅲ級，即中等水平，2015—2017年上升為Ⅱ級，即較高水平。2008—2017年江蘇省水資源承載力貼近度值有所波動，2008年最低，2016年最高，2013年和2017年出現(xiàn)下降，但整體上呈逐漸上升的趨勢，由2008年的0.522上升到2017年的0.618，表明江蘇省水資源仍有一定的開發(fā)利用空間。

表2 江蘇省水資源承載力評價結(jié)果

從統(tǒng)計資料來看，2013年生態(tài)環(huán)境用水率為0.65%，比2012年的0.60%上升了8.33%，生態(tài)環(huán)境改善需要的水量增加，表明生態(tài)環(huán)境治理對水資源承載力的影響具有一定遲緩性；產(chǎn)水模數(shù)由2012年的36.60萬m3/km2減少到27.80萬m3/km2，人均水資源量由2012年的471.38 m3減少到 357.11 m3，降幅均超過20%；而人均GDP為76 563元，比2012年的 69 397元增加了10.33%，耗水率為55.52%，比2012年的50.14%增加了10.73%，在水資源量減少的情況下，經(jīng)濟(jì)社會高速發(fā)展，相應(yīng)的水資源管理措施滯后，易造成水資源承載力下降。2017年產(chǎn)水模數(shù)為38.50萬m3/km2，是2016年產(chǎn)水模數(shù)72.80萬m3/km2的52.88%；人均水資源量為489.66 m3，是2016年人均水資源量927.41 m3的52.80%；人均GDP為107 189元，比2016年的 96 887元增加10.63%，在水資源量減少明顯的情況下，雖然經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展規(guī)模仍處于水資源可承載的范圍內(nèi)，但水資源承載力系統(tǒng)內(nèi)部的矛盾緩解力度不足仍會使水資源承載力下降。

3.2 障礙因子診斷

為甄別對水資源承載力產(chǎn)生負(fù)面影響的障礙因子，采用障礙度模型對江蘇省水資源承載力障礙因子進(jìn)行測度，結(jié)果見圖2。從圖2可知，障礙因子障礙度排序前5位的是供水模數(shù)、耗水率、生態(tài)環(huán)境用水率、產(chǎn)水模數(shù)和人均水資源量，全部集中在水資源和生態(tài)環(huán)境2個子系統(tǒng)，是主要的障礙因子。各年份中，供水模數(shù)和耗水率2個指標(biāo)始終保持在第 1位和第2位，這2個指標(biāo)對江蘇省水資源承載力的影響較大，生態(tài)環(huán)境用水率指標(biāo)一直居于第3位，產(chǎn)水模數(shù)和人均水資源量交替出現(xiàn)在第4位或第5位，從出現(xiàn)的頻次來看，產(chǎn)水模數(shù)對水資源承載力的影響更大。水資源子系統(tǒng)的4個指標(biāo)全部排在前5位，也說明目前水資源要素是制約水資源承載力提升的主要障礙因子之一。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，水資源子系統(tǒng)障礙度較大，需要采取以下措施：①嚴(yán)格控制用水總量，強(qiáng)化用水監(jiān)管；②優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局，提升用水水平；③掌握水資源動態(tài)變化，合理用水；④大力推進(jìn)節(jié)水工作，提高用水效率。此外，還應(yīng)重視生態(tài)環(huán)境保護(hù)，保障生態(tài)環(huán)境用水，嚴(yán)格控制污水排放量，逐步改善水環(huán)境。2008—2017年生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)除生態(tài)環(huán)境用水率指標(biāo)外，其余3個指標(biāo)障礙度相對較小，表明生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)對水資源承載力起到一定的積極作用，但仍不可忽視對生態(tài)環(huán)境的關(guān)注和保護(hù)。經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)2個指標(biāo)的障礙度排在最后兩位，數(shù)值小，對江蘇省水資源承載力的貢獻(xiàn)度較大，表明經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的指標(biāo)不是影響江蘇省水資源承載力的主要障礙因子。

圖2 江蘇省水資源承載力障礙因子障礙度

綜上所述，江蘇省水資源承載力近年來整體表現(xiàn)為逐漸上升的趨勢，但耗水率、供水模數(shù)等障礙因子對水資源承載力的負(fù)面影響仍然存在，政府和社會各界必須綜合考慮上述因素，并為進(jìn)一步提高水資源承載力積極努力。

4 結(jié) 論

a. 采用改進(jìn)的TOPSIS模型構(gòu)建江蘇省水資源承載力評價模型，結(jié)合改進(jìn)的層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，對江蘇省水資源承載力進(jìn)行了綜合評價。評價結(jié)果表明，2008—2017年江蘇省水資源承載力呈現(xiàn)逐步上升的趨勢，仍有一定的開發(fā)利用潛力。

b. 供水模數(shù)、耗水率、生態(tài)環(huán)境用水率、產(chǎn)水模數(shù)和人均水資源量這5個指標(biāo)為江蘇省水資源承載力的主要障礙因子，其中耗水率和供水模數(shù)影響最大。

c. 應(yīng)加強(qiáng)水資源管理，嚴(yán)格落實最嚴(yán)格水資源管理制度，加強(qiáng)用水過程監(jiān)管；增強(qiáng)全社會節(jié)水意識，大力推進(jìn)全社會節(jié)水工作，精準(zhǔn)施策，切實提高水資源利用效率；強(qiáng)化生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)，逐步消除環(huán)境風(fēng)險隱患，提升水環(huán)境質(zhì)量。