馮飛翔，李鴻旭

(1.河北工程大學管理工程與商學院，河北 邯鄲 056038；2.中山大學系統(tǒng)科學與工程學院，廣東 廣州 510006)

0 引言

隨著環(huán)境變化和經(jīng)濟社會的發(fā)展，人類對水資源的需求日益增加，從而造成水資源短缺。目前，水資源問題已經(jīng)成為影響全球經(jīng)濟發(fā)展最嚴重的問題之一[1]。在此背景下對水資源的脆弱性進行研究顯得尤為重要。

“脆弱性”一詞起源于地下水的研究，1968年Margat[2]提出了地下水脆弱性的概念。水資源脆弱性不僅關(guān)系到地下水的水資源供需關(guān)系與矛盾，也涉及地表水的供需問題。因此，眾多學者對地表水資源脆弱性方面進行了一系列研究[3-4]。

盡管當前學者對地表水脆弱性評價已經(jīng)進行了大量的研究，但是，這些方法并不適用于中原城市群地表水脆弱性評價研究的實際情況?，F(xiàn)有關(guān)于中原城市群地表水脆弱性評價研究存在如下問題：一是單一的評價方法不能準確反映地表水脆弱性的真實情況；二是評價指標的權(quán)重確定采用主觀賦權(quán)的方法，權(quán)重確定不夠合理。為了更加準確地反映中原城市群地表水脆弱性的實際情況，項目組使用灰色關(guān)聯(lián)TOPSIS法、熵權(quán)法、GIS技術(shù)對中原城市群地表水脆弱性進行評價，得出中原城市群地表水脆弱性評價結(jié)果，從而為中原城市群地表水治理提出針對性建議。

1 研究區(qū)概況

根據(jù)國務(wù)院2016年12月28日批復的《中原城市群發(fā)展規(guī)劃》，中原城市群涵蓋河南省、山西省、河北省、山東省和安徽省共5省30市，土地面積28.7萬平方公里。具體包括：河南省的鄭州、開封、洛陽、南陽、安陽、商丘、新鄉(xiāng)、平頂山、許昌、焦作、周口、信陽、駐馬店、鶴壁、濮陽、漯河、三門峽、濟源；山西省的長治、晉城、運城；河北省的邢臺、邯鄲；山東省的聊城、菏澤；安徽省的淮北、蚌埠、宿州、阜陽、亳州。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于：各省統(tǒng)計年鑒，各個城市統(tǒng)計年鑒，《中國區(qū)域經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒》《中國林業(yè)統(tǒng)計年鑒》《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》《中國城市統(tǒng)計年鑒》，各省水資源公報。

2.2 地表水脆弱性評價指標體系的構(gòu)建

將影響中原城市群地表水脆弱性的因素劃分為自然脆弱性、人為脆弱性和承載脆弱性三類，參考鄒君等[5]的研究成果，從自然脆弱性、人為脆弱性和承載脆弱性三個方面選取12項評價指標，并將指標劃分為正向指標和負向指標，正向指標是指標值越大，脆弱性程度越高。構(gòu)建中原城市群地表水脆弱性評價的指標體系，如表1所示。

表1 中原城市群地表水脆弱性評價的指標體系

2.3 地表水脆弱性評價模型的建立

2.3.1 權(quán)重計算

熵權(quán)法是一種客觀的確定權(quán)重的方法[6]，可以減少由于主觀權(quán)重設(shè)置不合理產(chǎn)生的評價誤差。主要步驟如下。

1）原始數(shù)據(jù)矩陣標準化。將原始數(shù)據(jù)矩陣進行標準化處理，得矩陣

式中：xij為第i個評價對象在第j個指標的屬性值。

2）熵值計算。計算第j個指標下第i個評價對象的屬性值的權(quán)重yij。

計算第j個指標的熵值ej。

3）熵權(quán)值計算。計算第j個指標的熵權(quán)值wj。

其中：1-ej是第j個指標的差異系數(shù)。

2.3.2 灰色關(guān)聯(lián)TOPSIS法

灰色關(guān)聯(lián)TOPSIS法是由孟衛(wèi)軍等[7]提出的一種綜合灰色關(guān)聯(lián)分析和TOPSIS法優(yōu)勢的多屬性決策方法。灰色關(guān)聯(lián)TOPSIS法保留了傳統(tǒng)TOPSIS法的優(yōu)勢，通過計算備選方案與理想方案之間的距離來進行排序，同時，灰色關(guān)聯(lián)分析又能體現(xiàn)方案數(shù)據(jù)曲線幾何形狀的相似性。兩者結(jié)合能更加全面反映各方案的真實情況。灰色關(guān)聯(lián)TOPSIS法主要分為以下步驟。

1）構(gòu)建初始決策矩陣。設(shè)m個備選方案，n個評價指標，構(gòu)建初始決策矩陣X=（xij）m×n，其中xij為第i個備選方案在評價指標j下的指標值（i=1,2,L,m；j=1,2,L,n）。

2）初始決策矩陣規(guī)范化處理。對原始數(shù)據(jù)進行規(guī)范化處理，得規(guī)范化矩陣Y=（yij）m×n，其中

3）構(gòu)建加權(quán)規(guī)范化決策矩陣。使用熵權(quán)法求得各評價指標的權(quán)重向量W=（w1，w2，L，wn），對規(guī)范化決策矩陣進行加權(quán)，得到加權(quán)規(guī)范化決策矩陣U=（uij）m×n，其中uij=yij·wij。

4）確定正理想解U+和負理想解U-。

5）計算備選方案到正、負理想解的距離。

6）計算備選方案與正、負理想解之間的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)。

其中，ζ為分辨系數(shù)，ζ∈[0，1]，常取0.5。

7）計算備選方案與正、負理想解的灰色關(guān)聯(lián)度。

8）對距離和關(guān)聯(lián)度進行無量綱化處理。式（13）為各備選方案與正、負理想解的相對距離，式（14）為各備選方案與正、負理想解的相對關(guān)聯(lián)度。

9）計算備選方案的混合關(guān)聯(lián)度。

其中，α、β為決策者對位置和形狀的偏好程度，α+β=1。

10）計算備選方案的灰色相對貼近度。

3 中原城市群地表水脆弱性評價結(jié)果及分析

3.1 評價結(jié)果

采用熵權(quán)法求得各中原城市群地表水脆弱性評價指標權(quán)重如表2所示。

表2 評價指標權(quán)重

根據(jù)得到的權(quán)重和規(guī)范化初始決策矩陣，計算得出加權(quán)規(guī)范化決策矩陣，如表3所示。

確定各評價指標的正、負理想解，如表4所示。

表4 評價指標的正、負理想解

計算各備選方案與正、負理想解的灰色關(guān)聯(lián)度及灰色相對貼進度，如表5所示。

表5 各備選方案與正、負理想解的灰色關(guān)聯(lián)度及灰色相對貼進度

3.2 評價結(jié)果分析

根據(jù)上述評價結(jié)果，運用ArcGIS10.2軟件，使用自然間斷點分級法將中原城市群地表水脆弱性劃分為極低脆弱區(qū)、低脆弱區(qū)、中等脆弱區(qū)、高脆弱區(qū)、極高脆弱區(qū)5個等級，如表6所示。

由表6可知，極低脆弱性區(qū)的地表水脆弱性級別較低，地表水承壓能力高，不易受到污染。低脆弱性區(qū)的地表水脆弱性級別比極低脆弱性區(qū)的脆弱性等級升高，地表水承壓能力變?nèi)?，但相對來說不易受到污染。中等脆弱性區(qū)的地表水脆弱性級別處于中等水平，地表水承壓能力一般，相對不易受到污染。高等脆弱性區(qū)的地表水脆弱性級別升高，地表水承壓能力降低，受到污染的可能性增大。極高脆弱性區(qū)的地表水脆弱性級別較高，地表水承壓能力較低，容易受到污染。

表6 中原城市群地表水脆弱性分區(qū)

從整體上看，中原城市群地表水脆弱性空間分布差異明顯，大致空間格局呈西部高、東部低的趨勢。其中，東部的宿州、蚌埠和亳州地表水脆弱性極低，邢臺、邯鄲、聊城、濮陽、菏澤、開封、周口、駐馬店、阜陽和淮北地表水脆弱性較低。安陽、鶴壁、新鄉(xiāng)、商丘、平頂山、許昌、漯河和信陽地表水脆弱性處于中等水平。西部的長治、晉城、運城、焦作、鄭州和南陽地表水脆弱性較高，三門峽、洛陽和濟源地表水脆弱性極高。

通過對中原城市群各城市地表水脆弱性評價分析，可以發(fā)現(xiàn)，不同城市地表水脆弱性變化的影響因素存在明顯差異。從各指標的變化來看，不同城市地表水脆弱性變化的影響因素也存在一定的關(guān)聯(lián)性?？傮w上，中原城市群地表水脆弱性上升的主要因素與降水量、森林覆蓋率、農(nóng)業(yè)發(fā)展、工業(yè)發(fā)展和人口密度等因素相關(guān)。

4 結(jié)論與建議

中原城市群地表水脆弱性的影響因素復雜多樣，本課題構(gòu)建了中原城市群地表水脆弱性評價指標，運用灰色關(guān)聯(lián)TOPSIS法計算得出中原城市群的地表水脆弱性。評價結(jié)果分析表明：一方面，地表水脆弱性上升的主要原因是經(jīng)濟社會的高速發(fā)展，如工農(nóng)業(yè)發(fā)展加快、人口增長，造成用水量增大，并且加重了地表水的污染；另一方面，降低地表水脆弱性的主要影響因素有增加森林覆蓋率、減緩人口增長、提高水資源利用率及減少工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活的用水量等。為降低中原城市群地表水的脆弱性，需要做到以下幾點。

1）嚴格控制廢污水排放量，加強對污染源的控制，提高用水效率，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，緩解水資源短缺問題。

2）加強水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，推廣節(jié)水灌溉技術(shù)，減少農(nóng)藥與化肥的使用，建設(shè)高效節(jié)水農(nóng)業(yè)，減少對水資源的過度依賴。

3）加強生態(tài)環(huán)境保護，提高森林覆蓋率，減少水土流失，緩解氣候變化產(chǎn)生的負面影響，提升生態(tài)區(qū)域修復能力。

4）增強水源保護意識，生活垃圾與污水集中處理，大力開展水資源保護知識宣傳，提高環(huán)境保護意識與監(jiān)督意識。