基于改進(jìn)TOPSIS法的鹽城市水資源承載力評(píng)價(jià)及障礙因子診斷

孫雅茹，董增川，劉 淼

(1. 河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098；2. 江蘇省水文水資源勘測(cè)局，南京 210029)

水資源是人類賴以生存發(fā)展的最重要的基礎(chǔ)資源之一，但是隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水資源短缺、水環(huán)境惡化、水生態(tài)退化等水問題相繼出現(xiàn)[1]，區(qū)域水資源承載力是水資源、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的綜合反映，是區(qū)域水安全的重要度量[2]，因此水資源承載力的研究對(duì)于水安全和區(qū)域的協(xié)調(diào)發(fā)展有著重要意義。國內(nèi)新疆軟課題組最早提出水資源承載力的研究[3]，夏軍等運(yùn)用水資源承載力研究水安全[4]，趙建世等運(yùn)用水資源承載能力計(jì)算模型分析海河流域的水資源承載能力演變[5]，金菊良等建立了不同承載標(biāo)準(zhǔn)下區(qū)域水資源承載力評(píng)價(jià)模型[6]。

到目前為止，水資源承載力評(píng)價(jià)的方法眾多，例如綜合指標(biāo)法[7]、模糊綜合評(píng)價(jià)法[8]、主成分分析法[9]、投影尋蹤法[10]等。綜合指標(biāo)法雖然簡單方便，但是對(duì)于問題的分析和認(rèn)知 不夠具體細(xì)致；模糊綜合評(píng)價(jià)法應(yīng)用廣泛，但是容易遺失信息而對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果造成影響；主成分分析法可以將多個(gè)指標(biāo)降維處理成幾個(gè)綜合變量，但是有時(shí)會(huì)出現(xiàn)該綜合變量物理意義不明確的情況；投影尋蹤法不需要事先確定各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重，但是不適用于樣本較少的情況。本文采用改進(jìn)的Topsis法進(jìn)行水資源承載力的評(píng)價(jià)，Topsis方法在土地利用評(píng)價(jià)[11]、生態(tài)安全評(píng)價(jià)[12]及電能質(zhì)量評(píng)價(jià)[13]等多方面有所應(yīng)用，該方法在指標(biāo)數(shù)量、樣本數(shù)量和數(shù)據(jù)等方面都沒有嚴(yán)格的限制和要求，原始數(shù)據(jù)利用充分，信息損失較少[11]，而且該方法操作簡單方便。鑒于此，本文從水資源、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境4方面構(gòu)建水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，以鹽城市為例，基于鹽城2005、2010、2015和2020四個(gè)水平年的指標(biāo)數(shù)據(jù)，采用組合賦權(quán)法確定權(quán)重，以改進(jìn)的Topsis法和障礙因子診斷模型為理論基礎(chǔ)，進(jìn)行鹽城市水資源承載力評(píng)價(jià)并識(shí)別出影響其的關(guān)鍵因素，為鹽城市水資源規(guī)劃和保護(hù)提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

水資源承載力是指在一定的社會(huì)背景及技術(shù)條件的支持下，以可預(yù)見期內(nèi)滿足合理的生態(tài)環(huán)境用水和保護(hù)生態(tài)環(huán)境為前提，考慮來水、工程情況和用水需求等因素，水資源對(duì)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的最大負(fù)荷[14]。水資源承載力與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境息息相關(guān)，彼此相互影響，相互作用，本研究參考相關(guān)文獻(xiàn)[14,15]和相關(guān)研究，從水資源、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境4方面考慮，選擇了15個(gè)指標(biāo)構(gòu)建水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1)，該指標(biāo)體系較為全面描述了水資源承載力的相關(guān)影響因素，從而對(duì)區(qū)域水資源承載力做出合理科學(xué)的評(píng)價(jià)。

表1 水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Tab.1 Evaluation index system for water resources carrying capacity

1.2 權(quán)重確定

本文采用基于博弈論的組合賦權(quán)法[16]來確定指標(biāo)體系中各指標(biāo)的權(quán)重，該方法可以綜合主觀與客觀權(quán)重相結(jié)合，提高了結(jié)果的可靠性和科學(xué)性。該方法的基本思想是在不同方法求得的權(quán)重之間需找妥協(xié)，使得可能的權(quán)重與各權(quán)重之間的各自偏差最小化。本文采用層次分析法和熵值法計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重，并根據(jù)組合賦權(quán)法的思想，綜合兩種方法的結(jié)果求得最終權(quán)重。

1.3 改進(jìn)TOPSIS模型

Topsis法(逼近與理想值的排序方法)可以根據(jù)有限個(gè)數(shù)的評(píng)價(jià)方案與理想化目標(biāo)的接近程度來進(jìn)行排序，是一種適用于多指標(biāo)、多方案進(jìn)行比較選擇的分析方法。相比傳統(tǒng)的Topsis法，改進(jìn)的Topsis法考慮了各評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)重要程度，構(gòu)造了加權(quán)的決策矩陣；傳統(tǒng)Topsis評(píng)價(jià)中運(yùn)用各計(jì)算方案的指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化，也從標(biāo)準(zhǔn)化矩陣中選取最大值和最小值作為正、負(fù)理想值，這種方法沒有劃分指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，只能反映區(qū)域水資源承載力狀態(tài)變化的趨勢(shì)或者人為劃分最終評(píng)價(jià)等級(jí)，在科學(xué)合理地反映區(qū)域的水資源承載力處于何等水平上有一定難度，同時(shí)當(dāng)評(píng)價(jià)對(duì)象自身?xiàng)l件發(fā)生變化時(shí)，容易引起正、負(fù)理想解的變化，缺乏一定的穩(wěn)定性[17]，因此本研究引入了指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行改進(jìn)，最終求出各方案與理想化目標(biāo)的接近程度，并判斷出各方案中水資源承載力所處的水平。計(jì)算步驟如下。

(1)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。指標(biāo)分為成本型指標(biāo)(指標(biāo)值越大越好)和收益型指標(biāo)(指標(biāo)值越小越好)，所選評(píng)價(jià)指標(biāo)因?yàn)榱烤V不同需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。假設(shè)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系中一共有k個(gè)指標(biāo)，s個(gè)待標(biāo)準(zhǔn)化方案，其中s=n+(m-1)，n為待評(píng)價(jià)方案的個(gè)數(shù)，m為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)劃分的等級(jí)數(shù)，即有(m-1)個(gè)等級(jí)之間的臨界值組成的方案。

對(duì)于成本型指標(biāo)：

(1)

對(duì)于收益型指標(biāo)：

(2)

式中：xij和pij分別為j個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化方案中第i個(gè)指標(biāo)的原始值和標(biāo)準(zhǔn)化值，當(dāng)j=1,…,n時(shí)，xij和pij分別為待評(píng)價(jià)方案的指標(biāo)原始值和標(biāo)準(zhǔn)化值，當(dāng)j=n+1,…,n+(m-1)時(shí)，xij和pij分別為各指標(biāo)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分的臨界值及其標(biāo)準(zhǔn)化值；max(xij)和min(xij)分別為s個(gè)待標(biāo)準(zhǔn)化方案中第i個(gè)指標(biāo)的最大值和最小值。

(2)構(gòu)建加權(quán)決策矩陣。由組合賦權(quán)法求得各指標(biāo)的權(quán)重為ωi，結(jié)合指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)果，可以構(gòu)建加權(quán)決策矩陣V=(vij)k×s：

vij=ωipij

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(5)計(jì)算貼近度。貼近度Tj表征各方案與最優(yōu)方案的接近程度，其值越大，表明區(qū)域水資源承載狀態(tài)越好，計(jì)算公式如下：

(8)

通過該貼近度的計(jì)算，可以求出指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)(m-1)個(gè)臨界值方案的貼近度，從而可以判斷各評(píng)價(jià)方案的水資源承載力所屬的等級(jí)。

1.4 障礙因子診斷模型

為有效提高區(qū)域的水資源承載力，需要找出對(duì)區(qū)域水資源承載力產(chǎn)生負(fù)面影響的主要障礙因素。目前障礙度診斷模型的研究還處于初級(jí)階段，通常方法是采用因子貢獻(xiàn)度、指標(biāo)偏離度和障礙度來進(jìn)行分析診斷[11,12]。因子貢獻(xiàn)度一般指單一指標(biāo)對(duì)總目標(biāo)的貢獻(xiàn)大小，通?？梢杂弥笜?biāo)權(quán)重ωi表示；指標(biāo)偏離度指指標(biāo)實(shí)際值與最優(yōu)目標(biāo)值之間的差距，可以用1與各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值pij之差來表示；障礙度Qij表示第j(j=1,2,…,n)個(gè)評(píng)價(jià)方案中各子系統(tǒng)或者各指標(biāo)對(duì)區(qū)域水資源承載力的影響程度，計(jì)算公式如下：

(9)

2 鹽城市水資源承載力評(píng)價(jià)

鹽城市位于淮河流域的下游，蘇北平原中東部，其多年平均降水量為1 016.6 mm，降雨年內(nèi)分配不均，全年70%的雨量集中在汛期。鹽城市內(nèi)河網(wǎng)密布，溝渠縱橫，多年平均本地水資源量47.89 億m3，但是近年來鹽城市的水污染和水環(huán)境問題比較嚴(yán)重，水質(zhì)型缺水問題突出。鹽城市是全國重點(diǎn)糧、棉、油生產(chǎn)基地，是江蘇省沿海開發(fā)戰(zhàn)略的重點(diǎn)地區(qū)，其社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展還有進(jìn)步的空間，為緩解供需水之間的矛盾，營造良好的生態(tài)環(huán)境，需要了解鹽城市的水資源狀況，科學(xué)規(guī)劃和保護(hù)鹽城市水資源，因此有必要對(duì)鹽城市水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)及障礙因子診斷。

2.1 權(quán)重確定

根據(jù)上文構(gòu)建的鹽城市水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和鹽城市的具體情況，先分別采用層次分析法和熵值法計(jì)算得到權(quán)重，然后采用組合賦權(quán)法求得綜合權(quán)重，結(jié)果見表2。

2.2 改進(jìn)的Topsis水資源承載力評(píng)價(jià)模型

指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的等級(jí)劃分對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果有著重要的影響，根據(jù)國家相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合鹽城市的相關(guān)發(fā)展規(guī)劃以及水資源保護(hù)方面的要求，參考相關(guān)文獻(xiàn)和其他地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)[3,18,19]，確定了評(píng)價(jià)體系各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)，并將其劃分為 “好(Ⅰ)”、“較好(Ⅱ)”、“中等(Ⅲ)”、“較差(Ⅳ)”和“差(Ⅴ)”這5個(gè)等級(jí)， 5個(gè)等級(jí)由臨界值1(Ⅰ和Ⅱ級(jí)之間)、臨界值2(Ⅱ和Ⅲ級(jí)之間)、臨界值3(Ⅲ和Ⅳ級(jí)之間)和臨界值4(Ⅳ和Ⅴ級(jí)之間)這4個(gè)臨界值劃分，詳見表3。

表2 指標(biāo)權(quán)重Tab.2 Index weights

表3 指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Standards of indexes

本研究針對(duì)鹽城市2005、2010、2015和2020年這4個(gè)水平年開展水資源承載力評(píng)價(jià)，根據(jù)《鹽城市水資源公報(bào)》、《鹽城市統(tǒng)計(jì)年鑒》《鹽城市水資源保護(hù)規(guī)劃》、《鹽城市水利現(xiàn)代化規(guī)劃》、《鹽城市節(jié)水型社會(huì)規(guī)劃》等相關(guān)資料，可以統(tǒng)計(jì)出各指標(biāo)在2005、2010和2015年的數(shù)值，并預(yù)測(cè)出各指標(biāo)在2020水平年的數(shù)值，詳見表4。

根據(jù)式(1)、(2)將各指標(biāo)的原始值和標(biāo)準(zhǔn)的臨界值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后，結(jié)合權(quán)重計(jì)算生成加權(quán)決策矩陣并根據(jù)公式(4)、(5)確定各指標(biāo)的正、負(fù)理想解，最后根據(jù)式(6)～(8)計(jì)算歐氏距離和貼近度，結(jié)果見表5。

表4 不同年份指標(biāo)值Tab.4 Index values in different years

由表5、6可知，鹽城市水資源承載力在2005年處于Ⅳ級(jí)的水平，即鹽城市在2005年水資源承載力處于較差的水平；在2010年和2015年，鹽城市水資源承載力處于Ⅲ級(jí)，即中等水平；到2020年，鹽城市水資源承載力將提升至Ⅱ級(jí)，即較好的水平。

根據(jù)在不同水平年的貼近度計(jì)算結(jié)果，2005-2020年，貼近度數(shù)值在不斷上升，說明鹽城市水資源承載力的狀態(tài)在不斷好轉(zhuǎn)提高。從水資源子系統(tǒng)來看，2005-2020年，總體上供水壓力呈現(xiàn)小幅度的增長，由于人口變化并不大，所以人均水資源占有量變化也不大，但是在地下水開采方面，由于《鹽城市地下水壓采方案》等相關(guān)政策的推行，鹽城市的地下水超采情況有明顯的好轉(zhuǎn)；從社會(huì)子系統(tǒng)來看，生活方面的用水效率和污水處理率都有了顯著的提升，但是還有一定的提升空間；從經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)來看，隨著人民生活水平的提高，農(nóng)業(yè)和工業(yè)方面的用水效率從較差的水平提高到了較好的水平，使得萬元GDP用水量近年來明顯降低，經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的狀態(tài)明顯改善；從生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)來看，雖然整體生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的狀態(tài)在好轉(zhuǎn)，但是鹽城市的水環(huán)境和水污染問題一直比較嚴(yán)重，2005-2015年水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率一直低于70%，嚴(yán)重制約了鹽城市的水資源承載力。

表5 鹽城市水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.5 Evaluation results of water resources carrying capacity of yancheng city

表6 鹽城市水資源承載力評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.6 Evaluation standards of water resources carrying capacity of yancheng city

2.3 障礙因子診斷

根據(jù)式(9)計(jì)算各指標(biāo)以及各子系統(tǒng)的障礙度，基于障礙度排序，找出影響鹽城市水資源承載力的主要障礙因子，本文列出排名前6的指標(biāo)因子，詳見表7，各子系統(tǒng)障礙度變化趨勢(shì)見圖1。

表7 鹽城市水資源承載力前6位障礙因子Tab.7 Top 6 obstacle factors of water resources carrying capacity of yancheng city

圖1 各子系統(tǒng)障礙度Fig.1 Obstacle degrees of sub-systems

從表7來看，2005-2020年，水資源子系統(tǒng)的障礙度隨著時(shí)間明顯在增加，從2005年的19.96%增加到2020年的49.08%，成為影響鹽城市水資源承載力的首要因素；而經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的障礙度呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)，由于用水效率和污水處理方面的提高，使得經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的障礙度明顯降低；社會(huì)子系統(tǒng)的障礙度也呈現(xiàn)輕微下降的趨勢(shì)，該子系統(tǒng)2005-2020年障礙度一直小于其他子系統(tǒng)；生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的障礙度在這段時(shí)間內(nèi)變化不大，在2020年位居第二。

根據(jù)表7，在2005年，排名前6的障礙因子之間障礙度的差距并不大，主要阻礙鹽城水水資源承載力的障礙因子集中在水質(zhì)、用水效率和水量方面，其中水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率(C12)是影響水資源承載力的首要障礙因子，其次是用水效率方面的供水管網(wǎng)扣損率(C5)和萬元GDP用水量(C8)兩個(gè)指標(biāo)，接著是水量方面的人均水資源量(C1)和地下水超采面積比(C2)兩個(gè)指標(biāo)；到了2010年，排名前6的障礙因子之間障礙度的差距依然不大，由于水質(zhì)情況有一定的改善，水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率(C12)的障礙度降至第二，由于用水效率的提高，相關(guān)指標(biāo)的障礙度排名均有所降低，而人均水資源量(C1)成為首要障礙因子；在2015年，排名前6的障礙因子之間障礙度的逐漸拉大，首要障礙因子和次要障礙因子沒有變化，由于各方面用水效率進(jìn)一步提高，其障礙度進(jìn)一步減少，地下水超采面積比(C2)和城鎮(zhèn)綠化覆蓋率(C15)的障礙度排名上升；預(yù)測(cè)到2020年，排名前6的障礙因子之間障礙度的差距將進(jìn)一步拉大，人均水資源量(C1)和地下水超采面積比(C2)兩個(gè)指標(biāo)依然位居前三，根據(jù)相關(guān)規(guī)劃指標(biāo)水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率(C12)將改善至85%，故在2020年該指標(biāo)障礙度降低，城鎮(zhèn)綠化覆蓋率(C15)的障礙度排名上升，用水效率方面只有灌溉水利用系數(shù)(C9)位于前六，其他用水效率相關(guān)指標(biāo)障礙度依然在不斷減小。

結(jié)合鹽城市2005、2010、2015和2020年的水資源承載力的評(píng)價(jià)結(jié)果和障礙因子診斷結(jié)果，目前鹽城市的水污染和水環(huán)境問題比較嚴(yán)重，需要積極整治黑臭水體，加強(qiáng)排污監(jiān)管，加大污水處理設(shè)施的建設(shè)，嚴(yán)格控制農(nóng)業(yè)面源污染，實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢水全部達(dá)標(biāo)排放；同時(shí)，一方面需要積極推廣節(jié)水型社會(huì)的建設(shè)，尤其鹽城市農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，在農(nóng)業(yè)節(jié)水方面需要加大投入，加快農(nóng)業(yè)節(jié)水工程建設(shè)，另一方面需要合理科學(xué)建設(shè)跨區(qū)域調(diào)水工程，緩解鹽城市的供水壓力。

3 結(jié) 語

(1)本文采用改進(jìn)的Topsis法構(gòu)建鹽城市水資源承載力評(píng)價(jià)模型，結(jié)合組合賦權(quán)法確定的權(quán)重，對(duì)鹽城市進(jìn)行了水資源承載力評(píng)價(jià)，同時(shí)構(gòu)建障礙因子診斷模型，識(shí)別出影響鹽城市水資源承載力的障礙因子。該方法科學(xué)簡便，對(duì)區(qū)域水資源承載力評(píng)價(jià)和診斷有一定的參考價(jià)值。

(2)根據(jù)鹽城市水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果，2005-2015年，鹽城市水資源承載狀態(tài)呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，從2005年較差的水平提升到2015年中等水平，期間鹽城市大力推廣節(jié)水措施，用水效率迅速提高，但是水環(huán)境問題依然嚴(yán)重，預(yù)計(jì)到2020年，鹽城市水資源承載力將提高到較好的水平。

(3)根據(jù)障礙因子診斷模型計(jì)算結(jié)果，從準(zhǔn)則層來看，在2005年時(shí)，經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)對(duì)鹽城市水資源承載力影響較大，到2020年時(shí)，水資源子系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的影響較大；從指標(biāo)層來看，用水效率的相關(guān)指標(biāo)的障礙度在不停降低，人均水資源量指標(biāo)由主要障礙因子上升為首要障礙因子，地下水超采面積比和城鎮(zhèn)綠化覆蓋率由一般障礙因子變成主要障礙因子，通過水污染治理等措施，水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率到2020年可由主要障礙因子降為一般障礙因子。

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