鄭州市水資源承載力綜合評(píng)價(jià)

王 晗，余文學(xué)，賈亦真

(1.河海大學(xué)公共管理學(xué)院,江蘇 南京 211100;2.河海大學(xué)商學(xué)院,江蘇 南京 211100)

水資源是人們生產(chǎn)生活不可或缺的重要要素，隨著我國(guó)人口的增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，對(duì)水資源的需求量也持續(xù)增長(zhǎng)，但是隨之而來(lái)的水環(huán)境污染和水資源短缺問(wèn)題卻愈加嚴(yán)重。為進(jìn)一步落實(shí)生態(tài)文明建設(shè)，促進(jìn)水資源和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的和諧發(fā)展，2016年水利部印發(fā)了《水利部辦公廳關(guān)于做好建立全國(guó)水資源承載能力監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制工作的通知》，明確要求在全國(guó)范圍內(nèi)組織開(kāi)展水資源承載能力監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制工作。

關(guān)于水資源承載力的研究最早可追溯到20世紀(jì)70年代，國(guó)際經(jīng)合組織和聯(lián)合國(guó)教科文組織共同針對(duì)資源短缺國(guó)家的森林、土地、水等自然資源開(kāi)展了一系列的承載力研究，并首次提出了水資源承載力的相關(guān)概念[1]。隨后，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)水資源承載力展開(kāi)了理論、方法模型和應(yīng)用方面的研究。Al-Kalbani等[2]使用DPSIR框架作為綜合評(píng)估蘇丹阿曼地區(qū)水資源承載力的工具，對(duì)當(dāng)?shù)厮Y源的可持續(xù)利用進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。Swirepik等[3]通過(guò)使用傘形環(huán)境資產(chǎn)(UEA)評(píng)估方法預(yù)測(cè)了澳大利亞?wèn)|部地區(qū)生態(tài)環(huán)境用水的總需求，并對(duì)當(dāng)?shù)卣麄€(gè)流域水資源的可持續(xù)分流管理提供了參考。張輝等[4]、曹麗娟等[5]基于主成分分析法對(duì)我國(guó)甘肅省部分縣市進(jìn)行了水資源承載力的綜合評(píng)估和研究。段新光等[6]、楊濤等[7]學(xué)者認(rèn)為區(qū)域水資源承載力具有一定的模糊性和不確定性，建議采用模糊數(shù)學(xué)的方法進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)我國(guó)新疆維吾爾自治區(qū)和寧夏回族自治區(qū)部分地區(qū)進(jìn)行了相關(guān)研究。盧超等[8]運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法研究了水資源承載力對(duì)內(nèi)蒙古自治區(qū)太仆寺旗城市發(fā)展的影響，并提出了構(gòu)建節(jié)水型經(jīng)濟(jì)發(fā)展城市的政策建議。臧正等[9]將多目標(biāo)函數(shù)應(yīng)用于遼寧省水資源負(fù)荷的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)研究，為不同時(shí)空內(nèi)資源配置和水資源可持續(xù)發(fā)展的定量研究提供了新的思路和評(píng)價(jià)方法。郭倩等[10]通過(guò)DPSIRM框架構(gòu)建水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，在此基礎(chǔ)上,將模擬退火算法用于投影尋蹤優(yōu)化,構(gòu)建耦合SA-PP模型，并將該模型應(yīng)用于云南省水資源的承載力綜合評(píng)價(jià)。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于區(qū)域水資源承載力的研究積累了豐富的研究成果和經(jīng)驗(yàn)，為進(jìn)一步的研究提供了參考。但是還存在以下兩方面問(wèn)題：①水資源承載力研究的方法有很多種，這些方法都能直接反映其承載力數(shù)值，但缺乏水資源現(xiàn)實(shí)承載力和理想值之間差距的計(jì)量；②大部分的研究側(cè)重于現(xiàn)狀年的分析，忽略了不同年份區(qū)域水資源承載力的動(dòng)態(tài)時(shí)空變化。由此，筆者選擇經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度快、水資源相對(duì)短缺的鄭州市作為研究區(qū)域，運(yùn)用熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重，并使用TOPSIS法對(duì)鄭州市2007—2016年的水資源承載力動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)進(jìn)行綜合分析，以期能夠客觀反映其水資源承載力的狀況，并為當(dāng)?shù)厮Y源可持續(xù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐和方法參考。

1 研究資料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

鄭州市地處中原腹地，位居黃河下游，華北平原南部，是我國(guó)中部地區(qū)重要的中心城市和核心城市?？偯娣e0.744 6萬(wàn)km2，介于北緯34°16′～34°58′、東經(jīng)112°42′～114°14′之間。市地形西南高東北低，以平原和丘陵為主。鄭州市下轄12個(gè)區(qū)市，常住人口972.39萬(wàn)人(2017年)，GDP總量居全國(guó)省會(huì)城市第7位(2017年)。鄭州市屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，全市多年平均氣溫15.6 ℃，年平均降水量約為542.15 mm，境內(nèi)河流分屬于黃河和淮河兩大水系，水資源總量約為11.24億m3，人均水資源量約179 m3，水資源相對(duì)短缺且時(shí)空分布不均，屬于典型的缺水地區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文中使用的數(shù)據(jù)來(lái)源于2007—2016年鄭州市統(tǒng)計(jì)年鑒、鄭州市水資源公報(bào)、鄭州市環(huán)境公報(bào)和鄭州市政府工作報(bào)告及相關(guān)部門的公報(bào)和報(bào)告等資料。

1.3 研究方法

1.3.1 熵權(quán)法

指標(biāo)權(quán)重的確定直接關(guān)系到評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和客觀性，專家調(diào)查法[11]、AHP法[12]和主觀加權(quán)法[13]等確權(quán)方法，簡(jiǎn)單易用、易于解釋，但是卻忽略了數(shù)據(jù)本身的影響，缺乏客觀性。熵權(quán)法[14]直接利用已獲得的指標(biāo)數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)本身的離散程度，通過(guò)計(jì)算指標(biāo)熵值的大小進(jìn)而求得權(quán)重值，是一種較為客觀的賦權(quán)方法。因此，筆者選擇熵權(quán)法作為評(píng)價(jià)指標(biāo)的確權(quán)工具。

具體計(jì)算步驟：

a. 對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，計(jì)算公式為

(1)

b. 計(jì)算指標(biāo)的熵值：

(2)

式中：pij為第j個(gè)評(píng)價(jià)因子第i項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的比重。

(3)

式中：Hj為指標(biāo)的熵值，且0≤Hj≤1。顯然，當(dāng)Pij=0時(shí)lnPij無(wú)意義，因此需對(duì)Pij加以修正，將其定義為

(4)

c. 計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)值Wj：

(5)

設(shè)采用熵權(quán)法得到的子系統(tǒng)的權(quán)重為Wi1，子系統(tǒng)內(nèi)第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重為Wi2，則第i個(gè)指標(biāo)的綜合權(quán)重計(jì)算公式如下：

(6)

1.3.2 TOPSIS模型

基于熵權(quán)法改進(jìn)的TOPSIS模型[15]有利于系統(tǒng)分析水資源承載力現(xiàn)狀與理想狀態(tài)的差距，能夠全面客觀地反映區(qū)域水資源承載力水平的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。具體計(jì)算步驟如下：

a. 原始數(shù)據(jù)預(yù)處理。將正指標(biāo)和逆指標(biāo)同趨勢(shì)化，本文選擇逆指標(biāo)正向化，計(jì)算公式如下：

(7)

式中：yij為指標(biāo)初始值，i=1,2,…,n,；j=1,2,…,m。

b. 計(jì)算規(guī)范化矩陣Z：

(8)

c. 構(gòu)建加權(quán)規(guī)范矩陣X：

Xij=WiZij

(9)

(10)

(11)

e. 計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象到正理想解和負(fù)理想解的距離：

(12)

(13)

f. 計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象與理想解的貼近程度：

(14)

Tij越大，表明該年水資源承載能力越接近最優(yōu)水平。當(dāng)Tij=1時(shí)，水資源承載力水平最高；當(dāng)Tij=0時(shí)，水資源承載力水平最低。本文以貼近度表示區(qū)域水資源承載力水平的大小，根據(jù)每年的貼近度大小可以判斷水資源承載力水平的高低，判斷優(yōu)劣。參考相關(guān)學(xué)者的研究成果[16-18]，結(jié)合鄭州市實(shí)際情況，以非等間距的方式依據(jù)貼近度Tij將鄭州市水資源可持續(xù)利用狀況劃分為5個(gè)評(píng)判等級(jí)：優(yōu)(0.9-1]；較好(0.7-0.9]；一般(0.5-0.7]；較差(0.3-0.5]；差(0-0.3]。

2 結(jié)果和分析

2.1 水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

水資源承載力主要是指水資源在滿足生態(tài)用水的基礎(chǔ)上，對(duì)人口、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展所能承受的最大負(fù)荷，其基本前提是水資源的可持續(xù)規(guī)劃和利用。水資源承載力是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，其水平的高低受到當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境等諸多方面的影響。從評(píng)價(jià)指標(biāo)的科學(xué)性、可行性和準(zhǔn)確性出發(fā)，在參考前人研究的基礎(chǔ)上結(jié)合鄭州市的實(shí)際情況，從水資源、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)環(huán)境4個(gè)方面選取17個(gè)指標(biāo)，構(gòu)建鄭州市水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，具體見(jiàn)表1。

表1 鄭州市水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.2 指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算

熵權(quán)法根據(jù)各指標(biāo)數(shù)據(jù)本身的變異情況，確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，能夠有效地避免人為主觀因素的影響，使指標(biāo)權(quán)重更加的客觀準(zhǔn)確。將鄭州市2007—2016年的原始數(shù)據(jù)帶入式(1)～(6)，計(jì)算得出鄭州市水資源承載力各子系統(tǒng)權(quán)重和評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重，見(jiàn)表2。

表2 鄭州市水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

2.3 水資源承載力綜合評(píng)價(jià)結(jié)果和分析

根據(jù)式(7)～(8)將原始數(shù)據(jù)同趨勢(shì)化處理，得到規(guī)范化矩陣Z，再將各指標(biāo)綜合權(quán)重W帶入式(9)，得到加權(quán)的規(guī)范化矩陣X，最后根據(jù)式(10)～(14)計(jì)算得出鄭州市2007—2016年的水資源承載力綜合評(píng)價(jià)值。具體數(shù)值和時(shí)空變化趨勢(shì)見(jiàn)表3。

表3 鄭州市水資源承載力綜合評(píng)價(jià)值

從表3可以看出，2007—2016年鄭州市水資源承載力綜合評(píng)價(jià)值由0.333 6上升到0.700 7，雖然部分年份稍許波動(dòng)，但是總體上升趨勢(shì)明顯，樣本期內(nèi)水資源承載力等級(jí)由差提升到較好。D+值由2007年的0.049 7下降到2016年的0.020 7，說(shuō)明水資源承載力整體逐漸靠近正理想解；D-值由2007年的0.024 9上升到2016年的0.048 4，說(shuō)明水資源承載力整體逐漸遠(yuǎn)離負(fù)理想解。

樣本期內(nèi)鄭州市水資源承載力最差的年份是2008年(0.246 3)，最優(yōu)的年份是2015年(0.706 2)，其得分相差近2.86倍。水資源承載力等級(jí)排行“差”等級(jí)的有2個(gè)年份，“較差”等級(jí)的有5個(gè)年份，“一般”等級(jí)的有1個(gè)年份，“較好”等級(jí)的有2個(gè)年份，整體布局呈梯形分布，雖然2015—2016年水資源承載力水平位于“較好”等級(jí)，但只是處于“一般”等級(jí)和“較好”等級(jí)的臨界水平，總體仍處于“一般”等級(jí)。

鄭州市近年來(lái)加大生態(tài)環(huán)境治理力度，引進(jìn)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，大力整治境內(nèi)河流污染，淘汰落后高耗水產(chǎn)能，并逐年加大水利工程項(xiàng)目投資額。大規(guī)模的整治力度和有效的改革措施，使鄭州市近些年的城市面貌和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到了極大的提升，這在很大程度上提高了鄭州市的水資源承載力的水平。

2.4 水資源承載力子系統(tǒng)評(píng)價(jià)結(jié)果和分析

將樣本數(shù)據(jù)帶入式(7)～(14)，可以計(jì)算出鄭州市水資源承載力各子系統(tǒng)的評(píng)價(jià)值，并據(jù)此得出各子系統(tǒng)對(duì)整體承載力水平的貢獻(xiàn)比(圖1)和變化趨勢(shì)(圖2)。

圖1 鄭州市水資源承載力子系統(tǒng)占比

圖2 鄭州市水資源承載力子系統(tǒng)變化趨勢(shì)

由圖1～2可以看出，鄭州市水資源承載力各子系統(tǒng)的變化趨勢(shì)和綜合承載力的變化趨勢(shì)基本一致，各子系統(tǒng)對(duì)綜合承載力的貢獻(xiàn)逐年增大，其中社會(huì)子系統(tǒng)對(duì)整體貢獻(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定，評(píng)價(jià)值基本在0.6左右。從社會(huì)子系統(tǒng)的構(gòu)成指標(biāo)來(lái)看，鄭州市的人口增長(zhǎng)率和農(nóng)田灌溉用水量指標(biāo)整體變化不大，社會(huì)子系統(tǒng)的變化趨勢(shì)主要受鄭州市人口密度和城鎮(zhèn)生活用水量的變動(dòng)影響。隨著鄭州市的快速發(fā)展，大量的外來(lái)人口涌入鄭州，為鄭州市發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)的同時(shí)，也提高了鄭州市的人口密度和城鎮(zhèn)生活用水量，對(duì)鄭州市的水資源承載力產(chǎn)生了一定的影響。

水資源子系統(tǒng)評(píng)價(jià)值總體呈波動(dòng)變化趨勢(shì)，其對(duì)綜合承載力的貢獻(xiàn)在2015年達(dá)到最高。從水資源子系統(tǒng)的構(gòu)成指標(biāo)來(lái)看，年降水量和水資源總量指標(biāo)是鄭州市水資源豐缺程度的數(shù)據(jù)反映，其貢獻(xiàn)力度要遠(yuǎn)大于其他指標(biāo)，水資源子系統(tǒng)的變化趨勢(shì)也基本同這2個(gè)指標(biāo)的變化趨勢(shì)相一致。鄭州市年降水量和水資源總量的時(shí)空分布不均正是水資源子系統(tǒng)評(píng)價(jià)值呈現(xiàn)波動(dòng)變化的主要原因。

生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的變化趨勢(shì)基本一致，其對(duì)綜合承載力的貢獻(xiàn)相對(duì)較大。生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)評(píng)價(jià)值的逐年上升，主要是受到污水處理率、水源地和河流水質(zhì)達(dá)標(biāo)率指標(biāo)不斷提高的影響。這與鄭州市近年來(lái)不斷完善城市污水處理系統(tǒng)，整治污染河流，提高水源地水質(zhì)達(dá)標(biāo)率等生態(tài)環(huán)境保護(hù)和治理措施的實(shí)施密切相關(guān)。經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)評(píng)價(jià)值的提升，則主要?dú)w功于萬(wàn)元GDP用水量的連續(xù)下降和水利項(xiàng)目投資額及第三產(chǎn)業(yè)比重的持續(xù)增加。

3 結(jié) 論

從水資源、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)環(huán)境幾個(gè)方面選取17個(gè)指標(biāo)構(gòu)建水資源承載力綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，利用熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重，并使用TOPSIS法對(duì)鄭州市2007—2016年的水資源承載力水平進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析，得到以下結(jié)論：

a. 2007—2016年鄭州市水資源承載力綜合評(píng)價(jià)值由0.333 6上升到0.700 7，總體呈穩(wěn)步上升態(tài)勢(shì)，樣本期內(nèi)水資源承載力等級(jí)由“差”提升到“較好”。水資源承載力評(píng)價(jià)值最低的年份是2008(0.246 3)年，最好的年份是2015年(0.706 2)，其得分相差近2.86倍。各子系統(tǒng)對(duì)綜合評(píng)價(jià)值的貢獻(xiàn)逐年提升，生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)對(duì)綜合承載力的貢獻(xiàn)最大，社會(huì)子系統(tǒng)對(duì)整體貢獻(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定，水資源子系統(tǒng)受到鄭州市水資源時(shí)空分布不均的影響，呈波動(dòng)變化趨勢(shì)。

b. 使用熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重，較好的避免了人為主觀因素的影響，通過(guò)TOPSIS模型的使用，可直觀看到鄭州市水資源承載力的現(xiàn)狀與理想值的差距，評(píng)價(jià)結(jié)果基本符合鄭州市的實(shí)際情況。但是受到數(shù)據(jù)可獲得性的影響，只能對(duì)鄭州市2016年以前的水資源承載力狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，這也是本文的不足和未來(lái)需要完善的地方。

c. 鄭州市雖然近幾年水資源承載力水平上升明顯，但總體仍處于一般或較低水平，水資源可持續(xù)利用壓力依舊很大。鄭州市作為國(guó)家中心城市，面臨著水資源相對(duì)短缺、水生態(tài)環(huán)境脆弱、人口壓力較大和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)亟待升級(jí)等問(wèn)題。因此，在大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的同時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步提高鄭州市的污水處理率和水質(zhì)達(dá)標(biāo)率，加大水生態(tài)保護(hù)和治理措施的實(shí)施力度，提高水利工程項(xiàng)目投資額，增加第三產(chǎn)業(yè)比重，降低單位GDP水耗，以進(jìn)一步提高城市水資源承載力，促進(jìn)水資源的可持續(xù)利用。