孫雅茹，董增川，劉 淼

(1. 河海大學水文水資源學院，南京 210098；2. 江蘇省水文水資源勘測局，南京 210029)

水資源是人類賴以生存發(fā)展的最重要的基礎資源之一，但是隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，水資源短缺、水環(huán)境惡化、水生態(tài)退化等水問題相繼出現(xiàn)[1]，區(qū)域水資源承載力是水資源、社會、經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境的綜合反映，是區(qū)域水安全的重要度量[2]，因此水資源承載力的研究對于水安全和區(qū)域的協(xié)調(diào)發(fā)展有著重要意義。國內(nèi)新疆軟課題組最早提出水資源承載力的研究[3]，夏軍等運用水資源承載力研究水安全[4]，趙建世等運用水資源承載能力計算模型分析海河流域的水資源承載能力演變[5]，金菊良等建立了不同承載標準下區(qū)域水資源承載力評價模型[6]。

到目前為止，水資源承載力評價的方法眾多，例如綜合指標法[7]、模糊綜合評價法[8]、主成分分析法[9]、投影尋蹤法[10]等。綜合指標法雖然簡單方便，但是對于問題的分析和認知 不夠具體細致；模糊綜合評價法應用廣泛，但是容易遺失信息而對評價結(jié)果造成影響；主成分分析法可以將多個指標降維處理成幾個綜合變量，但是有時會出現(xiàn)該綜合變量物理意義不明確的情況；投影尋蹤法不需要事先確定各項指標的權重，但是不適用于樣本較少的情況。本文采用改進的Topsis法進行水資源承載力的評價，Topsis方法在土地利用評價[11]、生態(tài)安全評價[12]及電能質(zhì)量評價[13]等多方面有所應用，該方法在指標數(shù)量、樣本數(shù)量和數(shù)據(jù)等方面都沒有嚴格的限制和要求，原始數(shù)據(jù)利用充分，信息損失較少[11]，而且該方法操作簡單方便。鑒于此，本文從水資源、社會、經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境4方面構建水資源承載力評價指標體系，以鹽城市為例，基于鹽城2005、2010、2015和2020四個水平年的指標數(shù)據(jù)，采用組合賦權法確定權重，以改進的Topsis法和障礙因子診斷模型為理論基礎，進行鹽城市水資源承載力評價并識別出影響其的關鍵因素，為鹽城市水資源規(guī)劃和保護提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 指標體系構建

水資源承載力是指在一定的社會背景及技術條件的支持下，以可預見期內(nèi)滿足合理的生態(tài)環(huán)境用水和保護生態(tài)環(huán)境為前提，考慮來水、工程情況和用水需求等因素，水資源對區(qū)域社會經(jīng)濟的最大負荷[14]。水資源承載力與社會、經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境息息相關，彼此相互影響，相互作用，本研究參考相關文獻[14,15]和相關研究，從水資源、社會、經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境4方面考慮，選擇了15個指標構建水資源承載力評價指標體系(表1)，該指標體系較為全面描述了水資源承載力的相關影響因素，從而對區(qū)域水資源承載力做出合理科學的評價。

表1 水資源承載力評價指標體系Tab.1 Evaluation index system for water resources carrying capacity

1.2 權重確定

本文采用基于博弈論的組合賦權法[16]來確定指標體系中各指標的權重，該方法可以綜合主觀與客觀權重相結(jié)合，提高了結(jié)果的可靠性和科學性。該方法的基本思想是在不同方法求得的權重之間需找妥協(xié)，使得可能的權重與各權重之間的各自偏差最小化。本文采用層次分析法和熵值法計算各指標的權重，并根據(jù)組合賦權法的思想，綜合兩種方法的結(jié)果求得最終權重。

1.3 改進TOPSIS模型

Topsis法(逼近與理想值的排序方法)可以根據(jù)有限個數(shù)的評價方案與理想化目標的接近程度來進行排序，是一種適用于多指標、多方案進行比較選擇的分析方法。相比傳統(tǒng)的Topsis法，改進的Topsis法考慮了各評價指標的相對重要程度，構造了加權的決策矩陣；傳統(tǒng)Topsis評價中運用各計算方案的指標數(shù)據(jù)進行指標標準化，也從標準化矩陣中選取最大值和最小值作為正、負理想值，這種方法沒有劃分指標標準，只能反映區(qū)域水資源承載力狀態(tài)變化的趨勢或者人為劃分最終評價等級，在科學合理地反映區(qū)域的水資源承載力處于何等水平上有一定難度，同時當評價對象自身條件發(fā)生變化時，容易引起正、負理想解的變化，缺乏一定的穩(wěn)定性[17]，因此本研究引入了指標分級標準進行改進，最終求出各方案與理想化目標的接近程度，并判斷出各方案中水資源承載力所處的水平。計算步驟如下。

(1)數(shù)據(jù)標準化處理。指標分為成本型指標(指標值越大越好)和收益型指標(指標值越小越好)，所選評價指標因為量綱不同需要進行標準化處理。假設指標評價體系中一共有k個指標，s個待標準化方案，其中s=n+(m-1)，n為待評價方案的個數(shù)，m為指標標準劃分的等級數(shù)，即有(m-1)個等級之間的臨界值組成的方案。

對于成本型指標：

(1)

對于收益型指標：

(2)

式中：xij和pij分別為j個標準化方案中第i個指標的原始值和標準化值，當j=1,…,n時，xij和pij分別為待評價方案的指標原始值和標準化值，當j=n+1,…,n+(m-1)時，xij和pij分別為各指標等級標準劃分的臨界值及其標準化值；max(xij)和min(xij)分別為s個待標準化方案中第i個指標的最大值和最小值。

(2)構建加權決策矩陣。由組合賦權法求得各指標的權重為ωi，結(jié)合指標標準化的結(jié)果，可以構建加權決策矩陣V=(vij)k×s：

vij=ωipij

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(5)計算貼近度。貼近度Tj表征各方案與最優(yōu)方案的接近程度，其值越大，表明區(qū)域水資源承載狀態(tài)越好，計算公式如下：

(8)

通過該貼近度的計算，可以求出指標標準(m-1)個臨界值方案的貼近度，從而可以判斷各評價方案的水資源承載力所屬的等級。

1.4 障礙因子診斷模型

為有效提高區(qū)域的水資源承載力，需要找出對區(qū)域水資源承載力產(chǎn)生負面影響的主要障礙因素。目前障礙度診斷模型的研究還處于初級階段，通常方法是采用因子貢獻度、指標偏離度和障礙度來進行分析診斷[11,12]。因子貢獻度一般指單一指標對總目標的貢獻大小，通?？梢杂弥笜藱嘀卅豬表示；指標偏離度指指標實際值與最優(yōu)目標值之間的差距，可以用1與各指標的標準化值pij之差來表示；障礙度Qij表示第j(j=1,2,…,n)個評價方案中各子系統(tǒng)或者各指標對區(qū)域水資源承載力的影響程度，計算公式如下：

(9)

2 鹽城市水資源承載力評價

鹽城市位于淮河流域的下游，蘇北平原中東部，其多年平均降水量為1 016.6 mm，降雨年內(nèi)分配不均，全年70%的雨量集中在汛期。鹽城市內(nèi)河網(wǎng)密布，溝渠縱橫，多年平均本地水資源量47.89 億m3，但是近年來鹽城市的水污染和水環(huán)境問題比較嚴重，水質(zhì)型缺水問題突出。鹽城市是全國重點糧、棉、油生產(chǎn)基地，是江蘇省沿海開發(fā)戰(zhàn)略的重點地區(qū)，其社會經(jīng)濟發(fā)展還有進步的空間，為緩解供需水之間的矛盾，營造良好的生態(tài)環(huán)境，需要了解鹽城市的水資源狀況，科學規(guī)劃和保護鹽城市水資源，因此有必要對鹽城市水資源承載力進行評價及障礙因子診斷。

2.1 權重確定

根據(jù)上文構建的鹽城市水資源承載力評價指標體系和鹽城市的具體情況，先分別采用層次分析法和熵值法計算得到權重，然后采用組合賦權法求得綜合權重，結(jié)果見表2。

2.2 改進的Topsis水資源承載力評價模型

指標標準的等級劃分對評價結(jié)果有著重要的影響，根據(jù)國家相關規(guī)范和標準，結(jié)合鹽城市的相關發(fā)展規(guī)劃以及水資源保護方面的要求，參考相關文獻和其他地區(qū)的標準[3,18,19]，確定了評價體系各指標的標準，并將其劃分為 “好(Ⅰ)”、“較好(Ⅱ)”、“中等(Ⅲ)”、“較差(Ⅳ)”和“差(Ⅴ)”這5個等級， 5個等級由臨界值1(Ⅰ和Ⅱ級之間)、臨界值2(Ⅱ和Ⅲ級之間)、臨界值3(Ⅲ和Ⅳ級之間)和臨界值4(Ⅳ和Ⅴ級之間)這4個臨界值劃分，詳見表3。

表2 指標權重Tab.2 Index weights

表3 指標標準Tab.3 Standards of indexes

本研究針對鹽城市2005、2010、2015和2020年這4個水平年開展水資源承載力評價，根據(jù)《鹽城市水資源公報》、《鹽城市統(tǒng)計年鑒》《鹽城市水資源保護規(guī)劃》、《鹽城市水利現(xiàn)代化規(guī)劃》、《鹽城市節(jié)水型社會規(guī)劃》等相關資料，可以統(tǒng)計出各指標在2005、2010和2015年的數(shù)值，并預測出各指標在2020水平年的數(shù)值，詳見表4。

根據(jù)式(1)、(2)將各指標的原始值和標準的臨界值進行標準化后，結(jié)合權重計算生成加權決策矩陣并根據(jù)公式(4)、(5)確定各指標的正、負理想解，最后根據(jù)式(6)～(8)計算歐氏距離和貼近度，結(jié)果見表5。

表4 不同年份指標值Tab.4 Index values in different years

由表5、6可知，鹽城市水資源承載力在2005年處于Ⅳ級的水平，即鹽城市在2005年水資源承載力處于較差的水平；在2010年和2015年，鹽城市水資源承載力處于Ⅲ級，即中等水平；到2020年，鹽城市水資源承載力將提升至Ⅱ級，即較好的水平。

根據(jù)在不同水平年的貼近度計算結(jié)果，2005-2020年，貼近度數(shù)值在不斷上升，說明鹽城市水資源承載力的狀態(tài)在不斷好轉(zhuǎn)提高。從水資源子系統(tǒng)來看，2005-2020年，總體上供水壓力呈現(xiàn)小幅度的增長，由于人口變化并不大，所以人均水資源占有量變化也不大，但是在地下水開采方面，由于《鹽城市地下水壓采方案》等相關政策的推行，鹽城市的地下水超采情況有明顯的好轉(zhuǎn)；從社會子系統(tǒng)來看，生活方面的用水效率和污水處理率都有了顯著的提升，但是還有一定的提升空間；從經(jīng)濟子系統(tǒng)來看，隨著人民生活水平的提高，農(nóng)業(yè)和工業(yè)方面的用水效率從較差的水平提高到了較好的水平，使得萬元GDP用水量近年來明顯降低，經(jīng)濟子系統(tǒng)的狀態(tài)明顯改善；從生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)來看，雖然整體生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的狀態(tài)在好轉(zhuǎn)，但是鹽城市的水環(huán)境和水污染問題一直比較嚴重，2005-2015年水功能區(qū)水質(zhì)達標率一直低于70%，嚴重制約了鹽城市的水資源承載力。

表5 鹽城市水資源承載力評價結(jié)果Tab.5 Evaluation results of water resources carrying capacity of yancheng city

表6 鹽城市水資源承載力評價等級標準Tab.6 Evaluation standards of water resources carrying capacity of yancheng city

2.3 障礙因子診斷

根據(jù)式(9)計算各指標以及各子系統(tǒng)的障礙度，基于障礙度排序，找出影響鹽城市水資源承載力的主要障礙因子，本文列出排名前6的指標因子，詳見表7，各子系統(tǒng)障礙度變化趨勢見圖1。

表7 鹽城市水資源承載力前6位障礙因子Tab.7 Top 6 obstacle factors of water resources carrying capacity of yancheng city

圖1 各子系統(tǒng)障礙度Fig.1 Obstacle degrees of sub-systems

從表7來看，2005-2020年，水資源子系統(tǒng)的障礙度隨著時間明顯在增加，從2005年的19.96%增加到2020年的49.08%，成為影響鹽城市水資源承載力的首要因素；而經(jīng)濟子系統(tǒng)的障礙度呈現(xiàn)相反的趨勢，由于用水效率和污水處理方面的提高，使得經(jīng)濟子系統(tǒng)的障礙度明顯降低；社會子系統(tǒng)的障礙度也呈現(xiàn)輕微下降的趨勢，該子系統(tǒng)2005-2020年障礙度一直小于其他子系統(tǒng)；生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的障礙度在這段時間內(nèi)變化不大，在2020年位居第二。

根據(jù)表7，在2005年，排名前6的障礙因子之間障礙度的差距并不大，主要阻礙鹽城水水資源承載力的障礙因子集中在水質(zhì)、用水效率和水量方面，其中水功能區(qū)水質(zhì)達標率(C12)是影響水資源承載力的首要障礙因子，其次是用水效率方面的供水管網(wǎng)扣損率(C5)和萬元GDP用水量(C8)兩個指標，接著是水量方面的人均水資源量(C1)和地下水超采面積比(C2)兩個指標；到了2010年，排名前6的障礙因子之間障礙度的差距依然不大，由于水質(zhì)情況有一定的改善，水功能區(qū)水質(zhì)達標率(C12)的障礙度降至第二，由于用水效率的提高，相關指標的障礙度排名均有所降低，而人均水資源量(C1)成為首要障礙因子；在2015年，排名前6的障礙因子之間障礙度的逐漸拉大，首要障礙因子和次要障礙因子沒有變化，由于各方面用水效率進一步提高，其障礙度進一步減少，地下水超采面積比(C2)和城鎮(zhèn)綠化覆蓋率(C15)的障礙度排名上升；預測到2020年，排名前6的障礙因子之間障礙度的差距將進一步拉大，人均水資源量(C1)和地下水超采面積比(C2)兩個指標依然位居前三，根據(jù)相關規(guī)劃指標水功能區(qū)水質(zhì)達標率(C12)將改善至85%，故在2020年該指標障礙度降低，城鎮(zhèn)綠化覆蓋率(C15)的障礙度排名上升，用水效率方面只有灌溉水利用系數(shù)(C9)位于前六，其他用水效率相關指標障礙度依然在不斷減小。

結(jié)合鹽城市2005、2010、2015和2020年的水資源承載力的評價結(jié)果和障礙因子診斷結(jié)果，目前鹽城市的水污染和水環(huán)境問題比較嚴重，需要積極整治黑臭水體，加強排污監(jiān)管，加大污水處理設施的建設，嚴格控制農(nóng)業(yè)面源污染，實現(xiàn)工業(yè)廢水全部達標排放；同時，一方面需要積極推廣節(jié)水型社會的建設，尤其鹽城市農(nóng)業(yè)發(fā)達，在農(nóng)業(yè)節(jié)水方面需要加大投入，加快農(nóng)業(yè)節(jié)水工程建設，另一方面需要合理科學建設跨區(qū)域調(diào)水工程，緩解鹽城市的供水壓力。

3 結(jié) 語

(1)本文采用改進的Topsis法構建鹽城市水資源承載力評價模型，結(jié)合組合賦權法確定的權重，對鹽城市進行了水資源承載力評價，同時構建障礙因子診斷模型，識別出影響鹽城市水資源承載力的障礙因子。該方法科學簡便，對區(qū)域水資源承載力評價和診斷有一定的參考價值。

(2)根據(jù)鹽城市水資源承載力評價結(jié)果，2005-2015年，鹽城市水資源承載狀態(tài)呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)的趨勢，從2005年較差的水平提升到2015年中等水平，期間鹽城市大力推廣節(jié)水措施，用水效率迅速提高，但是水環(huán)境問題依然嚴重，預計到2020年，鹽城市水資源承載力將提高到較好的水平。

(3)根據(jù)障礙因子診斷模型計算結(jié)果，從準則層來看，在2005年時，經(jīng)濟子系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)對鹽城市水資源承載力影響較大，到2020年時，水資源子系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的影響較大；從指標層來看，用水效率的相關指標的障礙度在不停降低，人均水資源量指標由主要障礙因子上升為首要障礙因子，地下水超采面積比和城鎮(zhèn)綠化覆蓋率由一般障礙因子變成主要障礙因子，通過水污染治理等措施，水功能區(qū)水質(zhì)達標率到2020年可由主要障礙因子降為一般障礙因子。

□