杜雪芳 李彥彬 張修宇

摘 要：鄭州市作為中原城市群核心城市，其水資源的變化與城市經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等方面的發(fā)展密切相關(guān)。為科學(xué)分析鄭州市水資源承載力現(xiàn)狀，從水量、水質(zhì)、水域和水流四維角度出發(fā)，在分析鄭州市水資源現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，構(gòu)建“量-質(zhì)-域-流”水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用主客觀賦權(quán)法和TOPSIS模型對(duì)鄭州市2010—2019年水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：研究期內(nèi)鄭州市水資源承載力呈現(xiàn)波動(dòng)增長(zhǎng)趨勢(shì)，2015年之后水資源承載力持續(xù)增長(zhǎng)，2018年水資源承載力等級(jí)達(dá)到Ⅰ級(jí)。分析各維度水資源承載力發(fā)現(xiàn)，鄭州市屬資源型缺水城市，應(yīng)進(jìn)一步提升城市節(jié)水水平，優(yōu)化水資源配置。

關(guān)鍵詞：水資源承載力;評(píng)價(jià);主客觀賦權(quán)法;TOPSIS模型;鄭州市

中圖分類(lèi)號(hào)：TV213.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.02.017

引用格式：杜雪芳，李彥彬，張修宇.基于TOPSIS模型的鄭州市水資源承載力研究[J].人民黃河，2022，44（2）：84-88.

Abstract： As the core city of the central plains urban agglomeration， the change of water resources in Zhengzhou is closely related to the development of urban economy and society. In order to scientifically analyze the current situation of water resources carrying capacity in Zhengzhou， based on the analysis of the current situation of water resources in Zhengzhou， this paper constructed a quantity-quality-domain-flow water resources carrying capacity index system， and used the subjective and objective weighting method and TOPSIS model to evaluate the water resources carrying capacity of Zhengzhou from 2010 to 2019. The results show that the water resources carrying capacity of Zhengzhou has fluctuated and increased in research period. After 2015， the water resources carrying capacity has continued to increase， and the water resources carrying capacity reached to grade I in 2018. Through further analysis of water resources carrying capacity in all dimensions， it is found that Zhengzhou belongs to the resources-type water shortage. Next， it should further improve the urban water-saving level and optimize the allocation of water resources.

Key words： carrying capacity of water resources;evaluation;subjective and objective weighting method;TOPSIS model;Zhengzhou City

1 引 言

水資源是人類(lèi)生存和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展不可或缺的重要基礎(chǔ)性自然資源，與糧食、石油并列為三大戰(zhàn)略資源?！?019年全球風(fēng)險(xiǎn)報(bào)告》和《2020年全球風(fēng)險(xiǎn)報(bào)告》把水資源危機(jī)列為影響全球的十大風(fēng)險(xiǎn)因素之一，《2021年全球風(fēng)險(xiǎn)報(bào)告》把自然資源危機(jī)（包含水資源危機(jī)）列為全球第五大風(fēng)險(xiǎn)因素。由此可見(jiàn)，水資源安全影響人類(lèi)生存、社會(huì)穩(wěn)定及經(jīng)濟(jì)發(fā)展，是治國(guó)安邦的大事。

我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)進(jìn)入新發(fā)展時(shí)期，城鄉(xiāng)人口的變化和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高質(zhì)量發(fā)展，對(duì)水資源的開(kāi)發(fā)利用提出了更高要求?？茖W(xué)有效地評(píng)價(jià)水資源承載力，對(duì)保障區(qū)域水資源安全利用，維持經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高質(zhì)量發(fā)展，促進(jìn)城市發(fā)展、提高人民生活質(zhì)量以及合理規(guī)劃未來(lái)發(fā)展模式有重要意義。近幾年來(lái)，許多專(zhuān)家學(xué)者從評(píng)價(jià)模型、評(píng)價(jià)方法、動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)預(yù)警及診斷方面對(duì)水資源承載力開(kāi)展了許多研究，如徐凱莉等[1]采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型模擬水資源承載能力，門(mén)寶輝等[2]基于云理論評(píng)價(jià)了北京市水環(huán)境承載力，葉海焯等[3]利用協(xié)調(diào)發(fā)展度評(píng)價(jià)了南京市水資源承載狀態(tài)，余灝哲等[4]基于量-質(zhì)-域-流評(píng)價(jià)了京津冀水資源承載力，左其亭等[5]基于組合權(quán)重和TOPSIS模型評(píng)價(jià)了黃河流域九省（區(qū)）水資源承載力，許楊等[6]基于DPSR-改進(jìn)TOPSIS模型評(píng)價(jià)了淮安市水資源承載力。杜雪芳等[7-8]曾針對(duì)黃河下游生態(tài)型灌區(qū)水資源承載力進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)影響水資源承載力的因素有很多，如人口、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展指標(biāo)、水量、水質(zhì)、氣候變化等。過(guò)去對(duì)水資源承載力的研究多從供需水和水污染的角度開(kāi)展，而水資源開(kāi)發(fā)利用中也存在水域空間侵占、水資源過(guò)度開(kāi)發(fā)等問(wèn)題[9-10]。為提升水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文基于上述研究，從量-質(zhì)-域-流層面對(duì)鄭州市水資源承載力進(jìn)行研究，以期為開(kāi)展鄭州市水資源調(diào)配和提升水資源承載力提供參考。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 研究區(qū)概況

鄭州市是中原城市群的核心城市，位于河南省中部，近年來(lái)發(fā)展迅猛，2016年被納入國(guó)家中心城市建設(shè)行列?！多嵵萁ㄔO(shè)國(guó)家中心城市行動(dòng)綱要（2017—2035年）》中提到，預(yù)計(jì)鄭州市2035年人口規(guī)模達(dá)到1 350萬(wàn)，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值達(dá)到3萬(wàn)億元、人均GDP達(dá)到22萬(wàn)元、城鎮(zhèn)人口比例達(dá)到90%。2019年鄭州市常住人口1 035.2萬(wàn)，城鎮(zhèn)人口約772萬(wàn)，城鎮(zhèn)化率74.6%，生產(chǎn)總值11 590億元。

鄭州市北靠黃河，南連黃淮平原，地勢(shì)西南高、東北低，境內(nèi)河流分屬黃河和淮河兩大水系，其中流域面積較大的河流29條，2019年水資源總量為6.32億m3（比2018年減小13.2%），各行政區(qū)的地表水資源量均低于多年平均水資源量，人均水資源占有量?jī)H為全國(guó)的1/10，屬于嚴(yán)重缺水地區(qū)。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文選取12個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)2010—2019年鄭州市水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)，所用數(shù)據(jù)來(lái)源于《河南省水資源公報(bào)》《河南統(tǒng)計(jì)年鑒》《河南省環(huán)境質(zhì)量狀況公報(bào)》及國(guó)家統(tǒng)計(jì)局等。

3 研究方法

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建是科學(xué)評(píng)判一個(gè)區(qū)域水資源承載力的關(guān)鍵。為了使所選指標(biāo)充分反映系統(tǒng)特征，選擇指標(biāo)時(shí)應(yīng)遵循系統(tǒng)性、典型性、層次性、綜合性、可獲得性等原則，結(jié)合相應(yīng)的衡量標(biāo)準(zhǔn)與計(jì)算方法，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行分類(lèi)排序，將相關(guān)性小的指標(biāo)剔除[11-12]。通過(guò)文獻(xiàn)梳理發(fā)現(xiàn)，過(guò)去對(duì)水資源承載力的研究大多與水量和水質(zhì)有關(guān)，而忽略了水域空間、水動(dòng)力過(guò)程對(duì)水資源承載力的影響。因此，本文從水量、水質(zhì)、水域、水流4個(gè)維度，結(jié)合經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)、水資源系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)3個(gè)系統(tǒng)特征，構(gòu)建水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（見(jiàn)表1）。水量維度反映區(qū)域的水資源自然稟賦條件、水資源利用程度和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中的用水水平，指標(biāo)選取產(chǎn)水模數(shù)、人均用水量、每公頃農(nóng)田灌溉用水量、萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量;水質(zhì)維度反映河湖污染物種類(lèi)、濃度及污水處理水平，指標(biāo)選取水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、污水處理率、萬(wàn)元GDP化學(xué)需氧量（COD）排放量、萬(wàn)元GDP氨氮排放量;水域維度反映區(qū)域或流域的水域面積、植被覆蓋度、水網(wǎng)密度、地下水開(kāi)采狀況，指標(biāo)選取地下水開(kāi)采率、綠化覆蓋率;水流維度主要反映生態(tài)環(huán)境方面的用水以及生態(tài)基流的滿足程度，指標(biāo)選取生態(tài)耗水量和生態(tài)補(bǔ)水比例。

3.2 指標(biāo)權(quán)重確定

3.2.1 層次分析法

層次分析法（AHP）由美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家T. L. Saaty提出，該方法采用定性與定量相結(jié)合的方法確定指標(biāo)權(quán)重，常被用來(lái)解決多準(zhǔn)則決策問(wèn)題[13-15]，其主要步驟如下。

平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI取值見(jiàn)表2。

一致性比率CR計(jì)算公式為

若CR<0.1或λmax=n，則表明判斷矩陣滿足一致性要求。

（3）層次總排序及一致性檢驗(yàn)。檢驗(yàn)各個(gè)層次整體排列的一致性，計(jì)算各個(gè)層次的要素相對(duì)系統(tǒng)整體目標(biāo)的綜合權(quán)重，最終得到最優(yōu)決策方案。

3.2.2 熵權(quán)法

熵權(quán)法（EWM）相比德?tīng)柗品ā哟畏治龇ǖ戎饔^賦權(quán)法具有客觀性，能夠更好地對(duì)結(jié)果進(jìn)行解釋?zhuān)淅眯畔⒅g的差異性進(jìn)行賦權(quán)，但采用此方法需要有部分樣本量，通過(guò)樣本確定權(quán)值，再根據(jù)所確定的權(quán)值進(jìn)行分析[16]，主要步驟如下。

（1）初始數(shù)據(jù)正趨化與標(biāo)準(zhǔn)化處理。采用減法一致化法對(duì)負(fù)向指標(biāo)進(jìn)行一致性處理，處理后的指標(biāo)按下式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化：

（2）計(jì)算第a個(gè)評(píng)價(jià)樣本第j個(gè)指標(biāo)的特征比重。計(jì)算公式為

（3）計(jì)算各指標(biāo)的信息熵。計(jì)算公式為

當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)信息完全無(wú)序（即有序度為零）時(shí)，其熵值最大（ej=1）。ej越大表明該指標(biāo)提供的信息量越少，即該指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)影響不大，可考慮將其剔除。

（4）計(jì)算差異度系數(shù)和指標(biāo)權(quán)重。計(jì)算公式為

3.3 水資源承載力評(píng)價(jià)模型

TOPSIS法又稱(chēng)優(yōu)劣解距離法，它依據(jù)評(píng)價(jià)方案與理想解的歐氏距離來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)方案的優(yōu)劣排序。其基本原理是通過(guò)分析樣本對(duì)象的優(yōu)劣狀態(tài)，建立樣本對(duì)象最優(yōu)（最劣）方案即正（負(fù)）理想點(diǎn)，并確定樣本對(duì)象與正（負(fù)）理想點(diǎn)的距離，進(jìn)而求得樣本對(duì)象與理想點(diǎn)的貼近程度[17-19]。主要步驟如下。

4 結(jié)果與分析

4.1 結(jié) 果

（1）指標(biāo)權(quán)重。根據(jù)鄭州市2010—2019年水資源現(xiàn)狀，構(gòu)建水資源承載力綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，利用AHP和EWM分別計(jì)算主觀權(quán)重和客觀權(quán)重，取二者的平均值作為組合權(quán)重，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，AHP與EMW權(quán)重計(jì)算結(jié)果雖然存在差異，但在量-質(zhì)-域-流四維視角下權(quán)重計(jì)算整體趨勢(shì)是一致的。從權(quán)重視角看，人均用水量對(duì)鄭州市水資源承載力影響較大，綠化覆蓋率和生態(tài)耗水量影響較小，這與鄭州市近年來(lái)城鎮(zhèn)人口不斷增加、用水需求量逐年增大的現(xiàn)狀相符;從維度視角看，水量和水質(zhì)對(duì)水資源承載力影響顯著，用EWM計(jì)算的水量和水域權(quán)重較大，用AHP計(jì)算的水質(zhì)和水流權(quán)重較大。鑒于這兩種方法在計(jì)算中各有側(cè)重，為保證評(píng)價(jià)結(jié)果的合理性，本文采用代數(shù)法將主觀和客觀權(quán)重進(jìn)行組合，所得組合權(quán)重作為最終權(quán)重計(jì)算值。

（2）貼近度Ca。利用式（10）～式（12）計(jì)算2010—2019年鄭州市水資源承載力貼近度Ca，并對(duì)綜合貼近度進(jìn)行排序，結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知：水量維度的貼近度整體呈減小趨勢(shì)，說(shuō)明鄭州市2010—2019年水資源數(shù)量情勢(shì)嚴(yán)峻，需要調(diào)用客水對(duì)各行業(yè)供水進(jìn)行補(bǔ)充，以保證經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)發(fā)展;水質(zhì)維度的貼近度逐漸靠近1，說(shuō)明水質(zhì)有較明顯改善，與河流控制斷面監(jiān)測(cè)結(jié)果一致;水域和水流研究期內(nèi)波動(dòng)變化，表明過(guò)去對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、地下水開(kāi)采、水域空間保護(hù)方面重視不夠。綜合量-質(zhì)-域-流4個(gè)維度，對(duì)綜合貼近度進(jìn)行排序后發(fā)現(xiàn)，鄭州市2010—2019年水資源承載力不斷增強(qiáng)，且2014年年底南水北調(diào)中線正式通水后，在調(diào)水補(bǔ)償和開(kāi)展節(jié)水宣傳等多方面因素的共同促進(jìn)下，2016年起鄭州市水資源承載力明顯增大。

4.2 水資源承載力綜合分析

將鄭州市2010—2019年水資源承載力按貼近度等分為4級(jí)：Ⅰ級(jí)為可承載（0.75～1.00），Ⅱ級(jí)為臨界承載（0.50～0.75），Ⅲ級(jí)為臨界超載（0.25～0.50），Ⅳ級(jí)為超載（0～0.25）。評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)圖1，由圖1（a）可知，鄭州市水資源承載力呈波動(dòng)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，2015年之后水資源承載力持續(xù)增大，原因是2013年開(kāi)始實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度，通過(guò)嚴(yán)格控制用水總量和入河湖排污總量，提高用水效率，提升了水資源承載力。由2010—2019年《鄭州市水資源公報(bào)》可知，2014年鄭州市水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率開(kāi)始提升，2019年省控?cái)嗝姹O(jiān)測(cè)結(jié)果達(dá)標(biāo)率為100%，較2010年達(dá)標(biāo)率11.1%提升顯著。隨著鄭州市經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，用水需求量不斷增大，生態(tài)補(bǔ)水比例增長(zhǎng)顯著，污染物排放量逐漸減少，但人均水資源占有量并無(wú)明顯提升，且水資源開(kāi)發(fā)利用程度高于國(guó)際公認(rèn)的40%警戒線，需要進(jìn)一步開(kāi)展節(jié)約用水和引調(diào)客水來(lái)滿足生活生產(chǎn)需要。

鑒于水域和水流維度評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重較小，本文從水量維度和水質(zhì)維度對(duì)鄭州市水資源承載力進(jìn)一步分析，結(jié)果見(jiàn)圖1（b）和圖1（c）?？梢钥闯?，2010—2019年鄭州市水量承載力總體呈下降趨勢(shì)，水質(zhì)承載力增長(zhǎng)顯著，因此判斷鄭州市屬于資源型缺水城市。鄭州市2019年各行政區(qū)水資源承載力水量維度評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2可以看出，鄭州市2019年水資源承載力臨界超載區(qū)域主要集中在鄭州市區(qū)、新密市、上街區(qū)及其周?chē)糠謪^(qū)域，滎陽(yáng)市水資源承載力等級(jí)為Ⅰ級(jí)，鞏義市、登封市、新鄭市、中牟縣水資源承載力等級(jí)均為Ⅱ級(jí)。以鄭州市區(qū)為例，其生活用水量占全市生活用水量的90.37%，河湖補(bǔ)水量占全市生態(tài)環(huán)境用水量的65.23%，工業(yè)用水量占全市工業(yè)用水量的28.37%，相較于其他地區(qū)占比較大，水資源需求量大，因此需開(kāi)展節(jié)約用水工作和引外調(diào)水源來(lái)補(bǔ)足城市發(fā)展所需水量。鄭州市近些年來(lái)水資源問(wèn)題改善明顯，但市區(qū)及用水量較大的其他區(qū)域在節(jié)水方面仍有較大的提升空間，如通過(guò)增加先進(jìn)的水處理設(shè)施、優(yōu)化城市產(chǎn)業(yè)布局、合理規(guī)劃建設(shè)城市水系、大力推廣節(jié)水技術(shù)與設(shè)施、提高雨洪水和中水利用率等措施，減小城市用水壓力、解決水資源空間分布不均衡等問(wèn)題。

5 結(jié) 語(yǔ)

以鄭州市為研究區(qū)，通過(guò)分析其水資源現(xiàn)狀，結(jié)合水量、水質(zhì)、水域、水流特點(diǎn)，構(gòu)建“量-質(zhì)-域-流”水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用主客觀賦權(quán)法與TOPSIS模型對(duì)水資源承載力進(jìn)行分析，結(jié)果表明2010—2019年鄭州市水資源承載力增長(zhǎng)顯著，但仍然存在資源型缺水的問(wèn)題。對(duì)2019年鄭州市各行政區(qū)水量承載力做進(jìn)一步評(píng)價(jià)分析，結(jié)果與其水資源現(xiàn)狀一致。本次評(píng)價(jià)由于水質(zhì)、水域和水流相關(guān)數(shù)據(jù)較難獲取，因此指標(biāo)選擇受限，下一步需運(yùn)用遙感、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，完善水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

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