李治軍，陳海楓，王美波，王旻憶

(黑龍江大學(xué) a.水利電力學(xué)院；b.寒區(qū)地下水研究所，哈爾濱 150080)

0 引 言

水資源是區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要資源，當(dāng)今社會水資源匱乏問題嚴(yán)重影響著人類生產(chǎn)生活，評估區(qū)域水資源狀況，根據(jù)評價結(jié)果做好水資源保護(hù)工作具有重要的意義[1]。水資源承載力是指在一定人口規(guī)模下，水資源支撐社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的能力水平。在我國，水資源承載力的首次提出來自于對新疆地區(qū)水資源承載力的評價，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國學(xué)者多領(lǐng)域多角度積極探索研究，水資源承載力的評價理論體系日趨完善[2]。杜雪芳等[3]基于TOPSIS模型，科學(xué)分析了鄭州市水資源承載力的現(xiàn)狀。蔣美彤等[4]借助生態(tài)足跡法，動態(tài)分析了區(qū)域水資源承載力。曹麗娟等[5]通過主成分分析法，從多個維度分析評價區(qū)域水資源承載力。在對水資源承載力的評價研究過程中，傳統(tǒng)的賦權(quán)法確定權(quán)重時，存在主觀局限性及不穩(wěn)定的問題。針對以上問題，結(jié)合前人的研究成果，本文將變異系數(shù)法和熵權(quán)法確定的指標(biāo)權(quán)重相組合，采用TOPSIS模型，對長春市2011-2019年水資源承載力進(jìn)行分析評價，以期為長春市水資源開發(fā)利用與可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

長春市坐落于吉林省中部地區(qū)(E124°18′-E127°02′，N43°05′-N45°15′)，地處松遼平原，地勢平坦，東西走向略高于西北走向，地貌主要以平洼地為主，少數(shù)為丘陵和山地，容易發(fā)生洪澇災(zāi)害[6]。溫帶大陸性半濕潤季風(fēng)季候，特征顯著，四季分明。多年平均降水量為565mm,具有時空不均和南多北少等特點。長春市境內(nèi)有第二松花江、拉林河兩大水系，是長春市主要供水來源[7]。近年來，由于經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要，城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，各行業(yè)廢水排放量增加，水污染問題突出，水資源供需不足，水資源短缺問題已成為制約區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素之一[8]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文使用的數(shù)據(jù)來源于2011-2019年長春市統(tǒng)計年鑒、長春市水資源公報。

2 研究方法

2.1 評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

水資源承載力受到多方面因素的影響，分析評價長春市的水資源承載力，首先要構(gòu)建科學(xué)的評價指標(biāo)體系。本文結(jié)合長春市水資源現(xiàn)狀、前人的研究成果以及收集到的相關(guān)數(shù)據(jù)，從經(jīng)濟(jì)社會、水資源、生態(tài)系統(tǒng)3個子系統(tǒng)選取11項指標(biāo)，構(gòu)建長春市水資源承載力評價體系，見表1。其中，評價指標(biāo)為正向時，其值越大，承載力越強(qiáng)；評價指標(biāo)為負(fù)向時，其值越大，承載力越弱。

表1 長春市水資源承載力評價指標(biāo)體系

2.2 指標(biāo)權(quán)重的確定

變異系數(shù)法是一種通過指標(biāo)的變異程度來賦權(quán)的客觀賦權(quán)法，在權(quán)重的計算過程中，可以有效反映不同指標(biāo)之間存在的差距[9]。熵權(quán)法在水資源承載評價中應(yīng)用較多，其原理是通過數(shù)據(jù)的離散程度來反映指標(biāo)權(quán)重的大小，客觀科學(xué)，準(zhǔn)確度高[10]。客觀賦權(quán)法可以克服主觀賦權(quán)法中人為評判對權(quán)重計算結(jié)果的影響，但是單一的計算方法也存在一定的不足。為了保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，通過組合賦權(quán)法，將變異系數(shù)法和熵權(quán)法權(quán)重計算結(jié)果相組合，來計算相關(guān)指標(biāo)的組合權(quán)重。

2.2.1 變異系數(shù)法

計算各指標(biāo)的變異系數(shù)：

歸一化計算各指標(biāo)的權(quán)重：

2.2.2 熵權(quán)法

對指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。取n個評價年限，每個年限由m個評價指標(biāo)，構(gòu)成初始矩陣R=(rij)m×n，將所有指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化[11]：

式中：Rij為數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的值；min{r1j,r2j,...rmj}為指標(biāo)數(shù)據(jù)的最小值；max{r1j,r2j,...rmj}為指標(biāo)數(shù)據(jù)的最大值。

對于第i個指標(biāo)，其信息熵的計算公式為：

式中：ei為第i項指標(biāo)的信息熵；fij為評價因子在指標(biāo)中的比重。

通過信息熵ei，計算各評價指標(biāo)的熵權(quán)為：

2.2.3 組合賦權(quán)

假設(shè)由變異系數(shù)法確定的權(quán)重向量為w1i，由熵權(quán)法確定的權(quán)重向量為w2i，運(yùn)用加法集成法，求得最終的綜合權(quán)重向量wi為[12]：

wi=αw1i+βw2i

式中：α、β為組合賦權(quán)法的待定系數(shù)，可用差異系數(shù)法求解：

式中：w1i、w2i為變異系數(shù)法和熵權(quán)法的權(quán)重；REn為差異程度系數(shù)；n為指標(biāo)的個數(shù)；p1,p2…,pn為按從小到大順序排列起來的各指標(biāo)變異系數(shù)權(quán)重。

2.3 TOPSIS模型

TOPSIS模型通過建立正理想解和負(fù)理想解，確定樣本對象與正負(fù)理想解的距離。在此基礎(chǔ)上，計算水資源承載力綜合評價指數(shù)的定量評價方法，適用于多方案多指標(biāo)的系統(tǒng)，具體步驟如下[13]：

步驟一：建立標(biāo)準(zhǔn)化矩陣。根據(jù)組合賦權(quán)所確定的權(quán)重wi，建立規(guī)范化水資源承載力分析矩陣。

Y=|yij|m×n=|wi×xij|m×n

步驟二：確定正負(fù)理想解。

Y+=max{yij}

Y-=min{yij}

式中：Y+為樣本對象正理想解，即第i個指標(biāo)在第j年內(nèi)的最大值；Y-為樣本對象負(fù)理想解，即第i個指標(biāo)在第j年內(nèi)的最小值。

步驟三：距離計算。

步驟：水資源承載力綜合評價指數(shù)計算。

式中：Cj為第j年的水資源承載力綜合評價指數(shù)，取值范圍為[0,1]，其值越接近1時，區(qū)域承載力越好。

3 結(jié)果與分析

3.1 指標(biāo)權(quán)重分析

通過變異系數(shù)法、熵權(quán)法計算得到的長春市各項指標(biāo)權(quán)重見表2。將變異系數(shù)法計算得到的權(quán)重按從小到大的順序排列起來，計算得到差異系數(shù)REn=8.639,α=0.53,β=0.47；運(yùn)用組合賦權(quán)法得到指標(biāo)的組合權(quán)重，見表2。為了便于分析，3種權(quán)重的對比見圖1。

表2 變異系數(shù)法、熵權(quán)法及組合權(quán)重計算結(jié)果

圖1 變異系數(shù)法、熵權(quán)法及組合權(quán)重計算結(jié)果對比

由表2和圖1可知，3種方法計算得到的指標(biāo)權(quán)重存在較大差異，但整體來看，權(quán)重較高的幾項指標(biāo)接近。其中，變異系數(shù)法計算得出的生態(tài)環(huán)境用水率指標(biāo)權(quán)重為0.320，熵權(quán)法計算得出的生態(tài)環(huán)境用水率指標(biāo)權(quán)重為0.193，組合賦權(quán)法計算得出的生態(tài)環(huán)境用水率指標(biāo)權(quán)重為0.260。在3種計算權(quán)重的方法中，均為權(quán)重最高的指標(biāo)，說明增加生態(tài)環(huán)境用水可以有效增大水資源承載力。

組合權(quán)重中，人均水資源量占比較高，為0.127，表明人均水資源量對區(qū)域的水資源承載力評價有重要的影響；產(chǎn)水模數(shù)的權(quán)重也較高，為0.126，表明產(chǎn)水模數(shù)越高，對水資源承載力的恢復(fù)有積極的促進(jìn)作用；水資源開發(fā)利用率的權(quán)重次高，為0.107，表明過多開發(fā)利用區(qū)域的水資源，對水資源承載力具有消極的作用，不利于水資源的可持續(xù)發(fā)展。

3.2 水資源承載力分析

依據(jù)現(xiàn)有的研究成果以及長春市實際狀況，將長春市2011-2019年水資源承載力按綜合評價指數(shù)分為5級，即I級為理想承載(0.8～1)，Ⅱ級為良好可承載(0.6～0.8)，Ⅲ級為可承載(0.4～0.6)，Ⅳ級為弱可承載(0.2～0.4)，V級為不可承載(0～0.2)。根據(jù)上述模型和方法，計算長春市的水資源承載評價值，結(jié)果見表3。為了更加直觀反映長春市2011-2019年水資源承載力情況，依據(jù)綜合評價結(jié)果，繪制年際變化趨勢圖，見圖2。

表3 2011-2019年長春市水資源承載力綜合評價值

圖2 2011-2019年長春市承載力評價值變化趨勢圖

由表3和圖2可知，在2011-2019年期間，長春市水資源承載力評價值由0.264上升至0.874，變化趨勢總體處于上升，表明區(qū)域水資源承載力向著良好的態(tài)勢轉(zhuǎn)變。2011-2012年，水資源評價值呈上升趨勢，但承載力均處于Ⅳ級，承載力較弱。2012-2013年，水資源承載力評價值呈下降趨勢，在2013年達(dá)到近幾年最低值0.204。由于人口數(shù)量增加，生產(chǎn)生活用水增加，需要加大對水資源的開發(fā)利用，水資源開發(fā)利用超出區(qū)域水資源承載水平，造成水資源巨大的壓力。

2013-2015年，水資源承載力評價值呈上升趨勢，在2015年達(dá)到Ⅲ級，處于可承載狀態(tài)。原因是2014年開始實行最格的水資源管理制度，保護(hù)和節(jié)約用水，合理控制對水資源的開發(fā)利用，區(qū)域產(chǎn)水模數(shù)增加，人均水資源量增加，提高了水資源承載力。2015-2016年，水資源承載力評價值由0.471下降至0.323。2016-2019年，水資源承載力呈逐年上升趨勢，并且在2019年到達(dá)近年來最大值0.869。由2016-2019年《長春市水資源公報》可知，區(qū)域生態(tài)環(huán)境用水增加，由2016年的1.39%上升至2019年的6.35%，補(bǔ)充了過度開發(fā)利用的區(qū)域水資源，加大了水環(huán)境整治，防控各類污染源，引入先進(jìn)的治理技術(shù)和理念，實施生態(tài)環(huán)境修復(fù)工程，水生態(tài)環(huán)境得到改善，在2019年集中式飲用水水源水質(zhì)達(dá)標(biāo)率保持100%。

4 結(jié) 論

1)本文結(jié)合長春市的水資源實際狀況選取指標(biāo)體系，采用變異系數(shù)法和熵權(quán)法組合賦權(quán)，確定指標(biāo)的權(quán)重，使計算結(jié)果更準(zhǔn)確反映區(qū)域水資源承載力影響情況。評價指標(biāo)中，人均水資源量、產(chǎn)水模數(shù)、生態(tài)環(huán)境用水率等占有較大的權(quán)重，對區(qū)域水資源承載力評價影響較大。

2)采用TOPSIS模型，對長春市2011-2019年水資源承載力進(jìn)行評價。結(jié)果表明，長春市水資源承載力整體處于上升趨勢，由2011年的0.264增長至2018年的0.874，合理開發(fā)利用水資源，提升區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，加大污水處理力度，增加生態(tài)環(huán)境用水對水資源承載力的恢復(fù)有重要影響，未來長春市可以重點從這幾方面入手，促進(jìn)區(qū)域水資源可持續(xù)發(fā)展。