基于DPSIR—TOPSIS模型的安徽省水資源承載力評價

阮 君，何 剛，王瑩瑩

(安徽理工大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，安徽淮南232001)

水資源在人類社會發(fā)展中起著極其重要的作用。近年來我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，2018年國內(nèi)生產(chǎn)總值已突破90億[1]。隨著工業(yè)化與城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)，人類社會對水資源需求的不斷增加、水資源過度開發(fā)、水資源浪費、水資源污染等現(xiàn)象迫使水資源陷入危機(jī)。水資源承載力是制約一個地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要因素，對其進(jìn)行科學(xué)合理的評價和研究對于促進(jìn)地區(qū)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[2]。

目前關(guān)于水資源承載力的研究眾多。柴乃杰[3]等基于模糊可變決策模型，利用博弈論法將指標(biāo)熵權(quán)與最大離差法權(quán)值進(jìn)行集成以確定指標(biāo)權(quán)重，對甘肅省水資源承載力進(jìn)行綜合評價，結(jié)果表明2006—2015年甘肅省水資源承載力整體呈現(xiàn)下降趨勢。鄧紅衛(wèi)[4]等基于GIS與離差平方和組合賦權(quán)法對恩施州的水資源承載力進(jìn)行評價，結(jié)果表明2017年恩施州整體水環(huán)境承載力屬于一般水平。楊瑩[5]等利用狀態(tài)空間和層次分析法，綜合考慮生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會、社會資源三大復(fù)合系統(tǒng)相互作用關(guān)系對河南省鞏義市水資源承載力進(jìn)行綜合評價，結(jié)果表明2001—2010年該市水資源承載力整體呈上升趨勢。劉童[6]等以四川省水資源承載力為研究對象，構(gòu)建五元聯(lián)系數(shù)模型對其進(jìn)行動態(tài)評價與分析，結(jié)果表明四川省水資源承載力在評價時間段均處于基本平衡狀態(tài)，整體上呈上升趨勢。劉永安[7]等提出組合熵權(quán)秩次法，建立改進(jìn)的集對分析—可變模糊集耦合的水資源承載力綜合評價模型，對成都市水資源承載力進(jìn)行研究與評價，結(jié)果表明成都市水資源承載力綜合評價等級為2級，水資源開發(fā)利用已到一定規(guī)模，但仍具有開發(fā)潛力。

綜上，學(xué)者們已圍繞水資源承載力問題展開眾多研究，但是運用多重模型進(jìn)行的研究較少?；诖?，本文以安徽省水資源承載力為研究對象，基于DPSIR模型構(gòu)建綜合評價指標(biāo)體系，利用2010—2017年相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合熵權(quán)法確定各指標(biāo)權(quán)重，通過TOPSIS模型與障礙度模型對其進(jìn)行綜合分析與評價，希望能為提高安徽省水資源承載力提供一定理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

安徽省位于中國大陸東部，介于北緯29°41′～34°38′，東經(jīng)114°54′～119°37′之間，下轄17個地級市，44個市轄區(qū)，5個縣級市以及56個縣。安徽省地跨長江、淮河南北，東西寬約450km，南北長約570km，土地面積13.94萬km2，人口總數(shù)約6324萬，與江蘇、浙江、湖北、江西、山東及河南接壤。安徽省地形地貌有平原、丘陵和山區(qū)等，境內(nèi)河流湖泊眾多，降雨時空分布不均[8]，易造成洪澇災(zāi)害，同時水資源較為緊缺。

2 方法與模型

2.1 評價指標(biāo)體系建立

1993年，歐洲環(huán)境局提出DPSIR模型概念，能夠系統(tǒng)全面的描述各系統(tǒng)之間的關(guān)系[9]，當(dāng)前在學(xué)術(shù)界運用較為廣泛。該模型中的“驅(qū)動力”是促使水資源承載力發(fā)生變化的各種經(jīng)濟(jì)、社會、人口等動力因素；“壓力”是生產(chǎn)及生活活動對水資源承載力造成的影響；“狀態(tài)”是指水資源承載力在驅(qū)動力和壓力共同作用下的表現(xiàn)；“影響”是當(dāng)水資源承載力發(fā)生變化時所產(chǎn)生的一系列效應(yīng)；“響應(yīng)”是人類針對水資源承載力變化所采取的措施和對策。根據(jù)DPSIR模型確定相應(yīng)指標(biāo)，構(gòu)建安徽省水資源承載力評價指標(biāo)體系。

2.2 模型構(gòu)建

2.2.1 熵權(quán)法

熵權(quán)法是根據(jù)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)確定權(quán)重的一種客觀賦值方法。一般來說，指標(biāo)的信息熵越小，提供的信息量越大，指標(biāo)對應(yīng)權(quán)重越大；反之則越小[10]。主要計算步驟如下所示：

令原始評價指標(biāo)矩陣為：

(1)

其中，uij為第i個指標(biāo)的第j年的原始數(shù)值。

進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化以消除量綱影響，得標(biāo)準(zhǔn)化矩陣。

正向指標(biāo)：

逆向指標(biāo)：

(2)

(3)

熵權(quán)法計算得權(quán)重矩陣：

(4)

得到權(quán)重矩陣為w=(w1w2…wm)。

2.2.2 TOPSIS法

即“逼近理想解排序方法”，由Hwang和Yoon于1981年提出的，主要應(yīng)用于系統(tǒng)工程有限方案的多目標(biāo)決策中[11]，通過距離進(jìn)行決策的評價方法。

2.2.3 熵權(quán)TOPSIS法

熵權(quán)法與TOPSIS法的組合[12-13]。評價前進(jìn)行同趨勢化，將低優(yōu)指標(biāo)進(jìn)行倒數(shù)處理，即將原始矩陣U轉(zhuǎn)化為矩陣

(5)

進(jìn)行歸一化處理，公式為

(6)

得到?jīng)Q策矩陣

(7)

計算正負(fù)理想解：

到正理想解的距離為：

到負(fù)理想解的距離為：

(8)

其中，xij max、xij min分別為第j年的最大值和最小值，wi是第i個指標(biāo)的權(quán)重。

計算各項指標(biāo)到負(fù)理想解的貼現(xiàn)度：

Lj為第j年水資源承載力綜合評價指數(shù)，取值范圍為0～1。根據(jù)得分進(jìn)行優(yōu)劣排序，計算公式為：

(9)

2.2.4 障礙度模型

運用障礙度模型識別主要障礙因子及障礙度，主要有因子貢獻(xiàn)度、指標(biāo)偏離度和障礙度三個指標(biāo)[14-15]。主要步驟有：

計算因子貢獻(xiàn)度：

Fi=Wi×Xij

(10)

其中，Wi是第i個指標(biāo)的單項權(quán)重，Xij是該項指標(biāo)所在準(zhǔn)則層權(quán)重。

計算指標(biāo)偏離度：

Iij=1-vij

(11)

其中，vij是原始矩陣標(biāo)準(zhǔn)化后矩陣。

計算障礙度：

(12)

3 結(jié)果分析

3.1 指標(biāo)權(quán)重確定

利用安徽省2010—2017年相關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)主要來源于各年份《安徽省統(tǒng)計年鑒》。運用熵權(quán)法確定各指標(biāo)權(quán)重，結(jié)果如表1所示。

表1 安徽省水資源承載力評價指標(biāo)體系

3.2 TOPSIS法分析

3.2.1 綜合系統(tǒng)TOPSIS分析

通過上述模型，計算出2010—2017年安徽省水資源承載力綜合水平的正負(fù)理想解與貼現(xiàn)度，具體數(shù)值如表2所示。

表2 2010—2017年安徽省水資源承載力的正負(fù)理想解與貼現(xiàn)度

2010—2017年，安徽省水資源承載力變化主要分為三個階段。第一階段為2010—2011年，貼現(xiàn)度從0.5622下降到0.1221，同比下降78.28%，下滑幅度較大且明顯。第二階段為2011—2015年，水資源承載力貼現(xiàn)度呈波動上升，從0.1221上升到0.3407，同比增長近兩百個百分點。2012—2013年期間雖出現(xiàn)輕微下滑現(xiàn)象，但在總體上呈上升態(tài)勢，然而水資源承載力始終處于較低水平。第三個階段為2015—2017年，貼現(xiàn)度從0.3407驟增到0.7370，增長幅度較大，在2017年又出現(xiàn)輕微下滑現(xiàn)象，下降至0.6055。從整體來看，2010—2017年安徽省水資源承載力綜合水平呈良好態(tài)勢發(fā)展，變化趨勢如圖1所示。特別是近兩年來，隨著《安徽省飲用水水源環(huán)境保護(hù)條例》《巢湖流域水污染防治條例》等政策措施的出臺，使得安徽省在水資源規(guī)劃與管理方面取得重大進(jìn)展。但是相比于發(fā)達(dá)城市而言，安徽省水資源承載力仍處于較低水平。因此，安徽省需要對水資源承載力水平保持持續(xù)高度的關(guān)注。發(fā)展科學(xué)技術(shù)水平，做好水資源開發(fā)、使用、治理的協(xié)調(diào)工作；完善相應(yīng)法律法規(guī)，嚴(yán)格懲治水資源浪費與水污

染現(xiàn)象；提高居民節(jié)水意識，實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用與發(fā)展。

圖1 2010—2017年安徽省水資源承載力 綜合水平雷達(dá)圖

3.2.2 子系統(tǒng)TOPSIS分析

運用相同模型，進(jìn)一步對安徽省水資源承載力各子系統(tǒng)進(jìn)行分析，計算出各子系統(tǒng)在2010—2017年的貼現(xiàn)度，如表3所示。

表3 2010—2017年安徽省水資源承載力子系統(tǒng)貼現(xiàn)度

2010—2017年期間，驅(qū)動力子系統(tǒng)貼現(xiàn)度持續(xù)增長，人均生產(chǎn)總值、人口數(shù)量以及城鎮(zhèn)化率均取得巨大進(jìn)步。這幾年安徽省經(jīng)濟(jì)建設(shè)局勢良好，主要得益于眾多國家宏觀政策，如中部崛起，江淮地區(qū)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，淮河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展規(guī)劃等。經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)是區(qū)域發(fā)展的堅實基礎(chǔ)。在當(dāng)今經(jīng)濟(jì)新形勢下，安徽省應(yīng)積極抓住政策機(jī)遇，充分利用地理與資源優(yōu)勢，使本省經(jīng)濟(jì)水平更上一層樓。

2010年壓力子系統(tǒng)貼現(xiàn)度為0.6305，處于較高水平。到2011年急劇下滑，僅有0.0077，到2015為止年雖有一定提升，但子系統(tǒng)水平仍然較低。2016—2017年，壓力子系統(tǒng)逐漸恢復(fù)并一直處于增長狀態(tài)。如表1所示，從子系統(tǒng)內(nèi)部可以看出，2010年安徽省COD與氨氮排放量較少，2011—2015年排放量大幅度增加，隨著相關(guān)治理政策的實施，在2016年恢復(fù)正常水平，與壓力子系統(tǒng)變化基本一致，說明壓力子系統(tǒng)的正常運行與COD及氨氮排放量密切相關(guān)。因此，在今后生產(chǎn)運作中，應(yīng)嚴(yán)格控制COD、氨氮及其他污染物的排放量，在治理污染源的同時也要做好污染物的二次處理和循環(huán)利用，盡可能減少水資源負(fù)荷。

2010—2017年，狀態(tài)子系統(tǒng)在波動中呈下降趨勢，從0.5627下降到0.3537，同比下降37.14%。經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)，使得水資源的壓力愈來愈大，例如人均水資源量和地表水資源量都存在不同程度的減少。在保證經(jīng)濟(jì)有序發(fā)展的同時，應(yīng)完善相關(guān)水資源保護(hù)與管理條例，針對各種狀況做好積極應(yīng)對措施以適應(yīng)社會發(fā)展需要。

影響子系統(tǒng)貼現(xiàn)度從0.000直線上升到0.9265，變化幅度較大。由于2010—2017年期間，驅(qū)動力及壓力子系統(tǒng)都具有較大幅度的變動，影響子系統(tǒng)受驅(qū)動力子系統(tǒng)和壓力子系統(tǒng)同時作用，導(dǎo)致影響子系統(tǒng)也存在較大變化。

同狀態(tài)子系統(tǒng)類似，2010—2017年期間，響應(yīng)子系統(tǒng)在波動中降低，從0.6523下降到0.4207，同比下降35.51%。響應(yīng)子系統(tǒng)變化主要分為兩個階段，第一個階段為2010—2012年，從0.6523上升到0.7637，在此期間響應(yīng)子系統(tǒng)處于較高水平；第二個階段為2013—2017年，從0.3318上升到0.4207，變化幅度較小，且整體處于較低水平。從原始數(shù)據(jù)可以看出，水土流失治理面積和工業(yè)廢水治理設(shè)施處理能力的下降，是導(dǎo)致狀態(tài)子系統(tǒng)處于較低水平的主要原因。為有效提高安徽省水資源承載力，應(yīng)該持續(xù)對水資源進(jìn)行整改和治理，對各種狀況做好積極“響應(yīng)”，防止水資源承載力水平再次惡化。

3. 3 障礙度分析

3.3.1 指標(biāo)層障礙度

運用障礙度模型，計算出2010—2017年阻礙安徽省水資源承載力提升的主要障礙因子及其障礙度，選取所占比重前五個的指標(biāo)，具體結(jié)果如表4所示。

表4 2010—2017年安徽省水資源承載力主要障礙因子及障礙度

如表4所示，2010—2017年安徽省水資源承載力主要障礙因子的變化主要有兩個階段。第一階段為2010—2014年，占較大比重的障礙因子主要分布于影響子系統(tǒng)和響應(yīng)子系統(tǒng)；第二階段為2015—2017年，較大比重障礙因子主要分布于驅(qū)動力子系統(tǒng)和壓力子系統(tǒng)。說明安徽省水資源承載力前期受政府宏觀調(diào)控和保護(hù)政策制約和影響，隨著國家政府對水資源及環(huán)境保護(hù)的重視，各項保護(hù)措施得到有效落實，當(dāng)前安徽省水資源承載力主要受經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平及發(fā)展過程的影響。在今后發(fā)展中，在保證經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展的前提下，完善相關(guān)水利工程，避免水資源供需不足；加強水資源規(guī)劃與管理，提高水資源利用率；完善相關(guān)政策法規(guī)，杜絕水資源浪費現(xiàn)象；發(fā)展高科技技術(shù)，實現(xiàn)水資源開發(fā)與再利用。從水資源的開發(fā)、使用、再使用一條線的管理與保護(hù)，以實現(xiàn)生態(tài)與經(jīng)濟(jì)的良好協(xié)調(diào)。

3.3.2 準(zhǔn)則層障礙度

進(jìn)一步計算驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、影響和響應(yīng)五個子系統(tǒng)的障礙度，結(jié)果如表5所示。

表5 2010—2017年安徽省水資源承載力子系統(tǒng)障礙度

2010—2017年，驅(qū)動力子系統(tǒng)較大幅度的下降后又開始逐漸回升，2016—2017年又開始大幅度下降，波動幅度較大，如圖3所示。2010—2011年，壓力子系統(tǒng)從13.70%上升到23.80%，至2016年為止始終占有較大比重，在2017年下降到9.75%。2010—2015年，狀態(tài)子系統(tǒng)的比重一直占較低比重，到2016年甚至下降到0.00%，于2017年上升到30.98%。影響子系統(tǒng)在2010年占比為33.12%，2011—2017年所占比重開始下降，并始終處于較低水平。響應(yīng)子系統(tǒng)從2010—2015年一直處于緩慢上升狀態(tài)，除了2012年降到6.43%，于2016年上漲到39.23%。從以上變化可以看出，在今后發(fā)展水資源承載力過程中，需要更加關(guān)注驅(qū)動力子系統(tǒng)、狀態(tài)子系統(tǒng)以及響應(yīng)子系統(tǒng)，完善相應(yīng)整改措施，以促進(jìn)安徽省水資源承載力有效提升。

圖2 2010—2017年安徽省水資源承載力各系統(tǒng)變化

4 結(jié)論

基于DPSIR模型構(gòu)建水資源承載力綜合評價指標(biāo)體系，利用相關(guān)數(shù)據(jù)，使用熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重，構(gòu)建TOPSIS模型與障礙度模型，對2010—2017年安徽省水資源承載力進(jìn)行綜合評價與分析，得出以下結(jié)論：2010—2017年安徽省水資源承載力綜合水平波動較大，雖有一定上升，但與發(fā)達(dá)城市相比仍有較大差距，在今后發(fā)展中需要采取相關(guān)措施以維持安徽省水資源承載力穩(wěn)步上升至良好水平；各子系統(tǒng)水平均處于動態(tài)變化中，驅(qū)動力子系統(tǒng)持續(xù)上升，壓力子系統(tǒng)和影響子系統(tǒng)在波動中呈上升趨勢，狀態(tài)子系統(tǒng)和響應(yīng)子系統(tǒng)整體呈下降趨勢，發(fā)展中應(yīng)協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)共同發(fā)展，切勿顧此失彼形成“短板”；制約安徽省水資源承載力的因素也處于動態(tài)變化中，2010—2014年主要分布于影響子系統(tǒng)和響應(yīng)子系統(tǒng)，2015—2017年主要分布于驅(qū)動力子系統(tǒng)和壓力子系統(tǒng)，各個階段的影響因素分布的不同，要求對其時刻保持高度關(guān)注；目前，阻礙安徽省水資源承載力提升的子系統(tǒng)主要為驅(qū)動力子系統(tǒng)、狀態(tài)子系統(tǒng)和響應(yīng)子系統(tǒng)，需重點關(guān)注其發(fā)展。