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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450046)

水資源是人類(lèi)社會(huì)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(lèi)對(duì)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(wèn)題[4]，不少學(xué)者開(kāi)始重視對(duì)區(qū)域水資源承載力的研究。正確評(píng)價(jià)水資源承載力對(duì)于保障水資源可持續(xù)利用和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(huì)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(huì)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(huì)可持續(xù)發(fā)展的合理規(guī)模[7]。目前對(duì)水資源承載力評(píng)價(jià)采用的方法較多，主要有模糊綜合評(píng)價(jià)法[8]、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法[9-10]、主成分分析法[11]、對(duì)數(shù)函數(shù)法[12]和TOPSIS模型[13-14]等。例如，袁艷梅等[8]運(yùn)用改進(jìn)的模糊綜合評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)了江陰市水資源承載力狀況；楊光明等[9]基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論設(shè)計(jì)了4種方案，通過(guò)對(duì)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(dòng)力學(xué)法通過(guò)4種方案模擬對(duì)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(yùn)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(shì)的結(jié)論；張巧麗[12]采用對(duì)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(shì)；田培等[13]運(yùn)用變權(quán)TOPSIS模型從時(shí)間和空間角度對(duì)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶水資源承載力進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。不同水資源承載力評(píng)價(jià)方法各具特點(diǎn)，水資源承載力評(píng)價(jià)研究發(fā)展迅速，是當(dāng)前水資源科學(xué)研究中的重點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題之一[15]。與其他水資源承載力評(píng)價(jià)方法相比，TOPSIS模型計(jì)算簡(jiǎn)單，對(duì)數(shù)據(jù)及指標(biāo)數(shù)目等沒(méi)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(píng)價(jià)研究中使用較多。

對(duì)于水資源承載力評(píng)價(jià)問(wèn)題，除采用不同評(píng)價(jià)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(duì)中國(guó)西南喀斯特地區(qū)的水資源承載力進(jìn)行了評(píng)價(jià)；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(píng)價(jià)研究中；Milano等[19]對(duì)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(duì)海河流域進(jìn)行了可持續(xù)發(fā)展評(píng)估和生態(tài)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)，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(píng)價(jià)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(wàn)元GDP用水量、生態(tài)環(huán)境用水率等10個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用改進(jìn)的TOPSIS模型綜合評(píng)價(jià)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(lái)江蘇省水資源開(kāi)發(fā)利用提供參考。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取直接關(guān)系到區(qū)域水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和真實(shí)性。本文遵循科學(xué)性、整體性、層次性、動(dòng)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(guó)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(kāi)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(gè)子系統(tǒng)10個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)組成的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(圖1)。10個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)中，萬(wàn)元GDP用水量、生態(tài)環(huán)境用水率和耗水率3個(gè)指標(biāo)為負(fù)向指標(biāo)，其他7個(gè)指標(biāo)為正向指標(biāo)。綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)重點(diǎn)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(duì)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(píng)價(jià)指標(biāo)體系

依據(jù)國(guó)家規(guī)范及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，參考已有研究中的評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[22-24]和評(píng)判準(zhǔn)則，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(diǎn)，將評(píng)價(jià)指標(biāo)劃分為極高(Ⅰ級(jí))、較高(Ⅱ級(jí))、中等(Ⅲ級(jí))、較差(Ⅳ級(jí))、極差(Ⅴ級(jí))5個(gè)等級(jí)，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

2 評(píng)價(jià)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?；谥笖?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(wèn)題，構(gòu)造的判斷矩陣一致性好，計(jì)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(píng)分規(guī)則和計(jì)算步驟詳見(jiàn)文獻(xiàn)[26]。

2.2 改進(jìn)的TOPSIS模型

逼近理想點(diǎn)的TOPSIS模型[27-28]以評(píng)價(jià)系統(tǒng)中的正、負(fù)理想解為基點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算各評(píng)價(jià)對(duì)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(píng)價(jià)對(duì)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(jì)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(diǎn)。此外，傳統(tǒng)TOPSIS模型在應(yīng)用過(guò)程中，當(dāng)評(píng)價(jià)對(duì)象到正、負(fù)理想解的距離恰好相同時(shí)，歐式距離法通常無(wú)法準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)各評(píng)價(jià)對(duì)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(jì)算，不再計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象到正、負(fù)理想解的距離，而是計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)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(píng)價(jià)結(jié)果可能區(qū)分度不高的問(wèn)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(duì)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(píng)價(jià)結(jié)果區(qū)分度不高的缺點(diǎn)，計(jì)算步驟為：

a. 對(duì)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(jí)為Ⅴ級(jí)、Ⅳ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅱ級(jí)時(shí)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(cè)度是對(duì)水資源承載力評(píng)價(jià)后的進(jìn)一步分析，利用障礙度模型可以診斷和測(cè)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(xiàng)指標(biāo)的障礙度越小，說(shuō)明區(qū)域水資源承載力受該項(xiàng)指標(biāo)的阻礙作用越弱，反之亦然。障礙度計(jì)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(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)結(jié)果

研究數(shù)據(jù)來(lái)源于2009—2018年的《江蘇省統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》和2008—2017年的《江蘇省水資源公報(bào)》。運(yùn)用改進(jìn)的層次分析法計(jì)算得到x1～x1010個(gè)評(píng)價(jià)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(yùn)用改進(jìn)的TOPSIS模型對(duì)江蘇省2008—2017年的水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，2008—2014年江蘇省水資源承載力等級(jí)為Ⅲ級(jí)，即中等水平，2015—2017年上升為Ⅱ級(jí)，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(dòng)，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(shì)，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(kāi)發(fā)利用空間。

表2 江蘇省水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果

從統(tǒng)計(jì)資料來(lái)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(duì)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(wàn)m3/km2減少到27.80萬(wàn)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(guò)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(huì)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(wàn)m3/km2，是2016年產(chǎn)水模數(shù)72.80萬(wàn)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(huì)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(huì)使水資源承載力下降。

3.2 障礙因子診斷

為甄別對(duì)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(duì)江蘇省水資源承載力障礙因子進(jìn)行測(cè)度，結(jié)果見(jiàn)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(gè)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(gè)指標(biāo)始終保持在第 1位和第2位，這2個(gè)指標(biāo)對(duì)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(lái)看，產(chǎn)水模數(shù)對(duì)水資源承載力的影響更大。水資源子系統(tǒng)的4個(gè)指標(biāo)全部排在前5位，也說(shuō)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(dòng)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(gè)指標(biāo)障礙度相對(duì)較小，表明生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)對(duì)水資源承載力起到一定的積極作用，但仍不可忽視對(duì)生態(tài)環(huán)境的關(guān)注和保護(hù)。經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)2個(gè)指標(biāo)的障礙度排在最后兩位，數(shù)值小，對(duì)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(lái)整體表現(xiàn)為逐漸上升的趨勢(shì)，但耗水率、供水模數(shù)等障礙因子對(duì)水資源承載力的負(fù)面影響仍然存在，政府和社會(huì)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(píng)價(jià)模型，結(jié)合改進(jìn)的層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，對(duì)江蘇省水資源承載力進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)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(shì)，仍有一定的開(kāi)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(gè)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(shí)最嚴(yán)格水資源管理制度，加強(qiáng)用水過(guò)程監(jiān)管；增強(qiáng)全社會(huì)節(jié)水意識(shí)，大力推進(jìn)全社會(huì)節(jié)水工作，精準(zhǔn)施策，切實(shí)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(xiǎn)隱患，提升水環(huán)境質(zhì)量。