兗州市水資源承載力多情景評價研究

呂建樹，劉煜杰，倪騰南

（山東師范大學(xué)人口·資源與環(huán)境學(xué)院，濟南 250014）

兗州市水資源承載力多情景評價研究

呂建樹，劉煜杰，倪騰南

（山東師范大學(xué)人口·資源與環(huán)境學(xué)院，濟南 250014）

采用改進的TOPSIS法和模糊綜合評價法，選取人均供水量、水資源利用率、生活用水定額、萬元工業(yè)產(chǎn)值需水量、供水模數(shù)、需水模數(shù)、生態(tài)環(huán)境用水率7項評價指標(biāo)，對兗州市2007－2030年3種不同情景下的水資源承載能力進行了分析、評價和預(yù)測。結(jié)果表明：兗州市現(xiàn)狀年（2007年）水資源已經(jīng)有相當(dāng)程度的開發(fā)利用，但仍有一定的開發(fā)潛力；在未來20多年中，隨著經(jīng)濟社會的進一步發(fā)展，兗州市的水資源承載能力將不斷變?nèi)?，但仍然可以維持在可承載的范圍內(nèi)，水資源將逐漸成為制約兗州市經(jīng)濟社會發(fā)展的主要因素之一；大力開源、建設(shè)節(jié)水型社會及合理配置水資源將是提高水資源承載力的主要措施。

水資源承載力；改進TOPSIS法；模糊綜合評價；兗州市

水資源承載力是各種自然資源承載力的重要組成部分［1］，直接關(guān)系到一個地區(qū)的經(jīng)濟社會發(fā)展?fàn)顩r。我國學(xué)者自上世紀(jì)80年代就開始對水資源承載力進行研究，但至今對水資源承載力沒有一個通用的定義，我們將水資源承載力定義為“在一定的社會經(jīng)濟水平和社會生產(chǎn)條件下，水資源可最大供給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生活和生態(tài)環(huán)境保護等用水的能力。即現(xiàn)有條件下水資源的最大開發(fā)容量，在此容量下水資源可自然循環(huán)和更新，不會造成環(huán)境惡化”。近年來，許多學(xué)者［1－3］利用多情景分析對水資源承載力進行研究，取得了較好的效果，本文采用改進的TOPSIS法和模糊綜合評價法對兗州市水資源承載力進行多情景評價研究。

1 兗州市水資源概況

兗州市地處魯中南山地丘陵西麓汶泗沖積平原，隸屬于山東省濟寧市，位于東經(jīng)116°35′21″～116°53′36″，北緯35°23′31″～35°43′17″之間，總面積約648 km2；屬于淮河流域、南四湖水系；主要過境河流有泗河、洸府河、楊家河等，均向西匯入南四湖。

兗州市屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫為14.3℃，降水量年際及年內(nèi)分布不均勻，多年平均降水量為696.3 mm；多年平均水資源總量為2.92×108m3，水資源構(gòu)成以地下水為主，人均水資源量約483 m3／人，僅占全國水平的的22%、世界水平的4.5%。兗州市是全國經(jīng)濟實力百強縣，工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，近年來隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，對水資源的壓力不斷增大，水資源對全市社會經(jīng)濟發(fā)展的制約作用已明顯體現(xiàn)出來，因此研究水資源承載力、實現(xiàn)對水資源的合理配置對全市的經(jīng)濟社會發(fā)展顯得尤為重要。

2 研究方法和資料來源

2.1 研究方法

目前區(qū)域水資源承載力的研究方法很多，主要有常規(guī)趨勢法、主成分分析法、模糊綜合評價法、系統(tǒng)動力學(xué)、模糊物元模型、TOPSIS法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、投影尋蹤法等。本文對兗州市水資源承載力評價研究采用的是改進的TOPSIS法和模糊綜合評價兩種方法。模糊綜合評價法是在水資源承載力研究中應(yīng)用較廣且比較成熟的一種方法，其實質(zhì)就是對主觀產(chǎn)生的“離散”過程進行綜合處理［4］，但此方法不能充分利用有效信息；TOPSIS法是一種常用的多目標(biāo)決策分析法，是近年來才引入水資源承載力研究的新方法，通過逼近理想解來對各評價對象進行排序，從而對各評價對象進行綜合評價［5］，可以充分利用有效信息。因此，這兩種方法可以取長補短，相互驗證，最終可以得出科學(xué)、客觀、合理的評價結(jié)果。2.1.1 改進的TOPSIS法

傳統(tǒng)TOPSIS法采用歐氏距離對各評價對象與理想解（最優(yōu)解）和負(fù)理想解（最劣解）之間進行距離的計算，但存在評價對象可能同時逼近理想解和負(fù)理想解的缺點，而垂直距離可以解決這個缺點。改進的TOPSIS法［5，6］的基本思想是：首先對原始數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化，然后利用熵權(quán)法和層次分析法確定各項評價指標(biāo)的權(quán)重，構(gòu)造加權(quán)矩陣，并且確定理想解和負(fù)理想解，最后計算各評價對象與理想解之間的垂直距離，距離越小，說明評價對象越優(yōu)；反之，則越差。具體步驟如下：

（1）構(gòu)造原始數(shù)據(jù)矩陣。設(shè)有m個評價對象，n個評價指標(biāo)，組成原始數(shù)據(jù)矩陣X＝（xij）m×n，并對X進行極差標(biāo)準(zhǔn)化，得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Y：

（2）評價指標(biāo)權(quán)重的確定。各評價指標(biāo)權(quán)重的確定采用層次分析法與熵權(quán)法［7］相結(jié)合的方法，將主觀方法和客觀方法相統(tǒng)一；既體現(xiàn)了數(shù)據(jù)本身的數(shù)理特征，又體現(xiàn)了人的主觀意愿，所得出的權(quán)重將比單一方法更加合理。層次分析法（AHP）的權(quán)重為W′＝（w′1，w′2，…，w′m），熵權(quán)法的權(quán)重為W″＝（w″1，w″2，…，w″m）。求出綜合權(quán)重為W＝（w1，w2，…，wm），其中wi＝θ1w′i＋θ2w″i，θ1＝θ2＝0.5，即熵權(quán)法和層次分析法對綜合權(quán)重的影響是相同的。在此基礎(chǔ)上，得到加權(quán)矩陣。

式中：rij＝y(tǒng)ijwj，i＝1，2，…，m，j＝1，2，…，n

（3）理想解及負(fù)理想解的確定。理想解：K＋＝｛maix（rij）｜i＝1，2，…，m｝＝

（4）距離的計算。根據(jù)各種文獻(xiàn)［5，6，8］對垂直距離的計算方法，得出第i個評價對象與理想解之間的垂直距離

2.1.2 模糊綜合評價法

模糊綜合評價的基本思想是在原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用隸屬函數(shù)進行單因素評價，進而得出評價矩陣，最后將評價矩陣與權(quán)重矩陣進行模糊變換，從而得出對各級評價標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度。具體步驟如下：

（1）建立因素集U＝（u1，u2，…，um）和V＝（v1，v2，…，vn）評判集。

（2）確定評判矩陣。即根據(jù)隸屬函數(shù)［9］，確定各指標(biāo)的實際值對不同級別的隸屬度，得到單因素評價集，進而得出評判矩陣A：

（3）評價指標(biāo)權(quán)重的確定。為了保證與改進TOPSIS法的可比性，同樣利用層次分析法和熵權(quán)法確定，W＝（w1，w2，…，wm）。

（4）模糊變換。模糊變換的公式為B＝W。A，通常退化為普通矩陣的計算。B為綜合評價的結(jié)果，B＝（b1，b2，…，bn），可用最大隸屬度原則和綜合指數(shù)法來確定水資源承載力的級別。

2.2 資料來源

現(xiàn)狀年（2007年）有關(guān)水資源的資料主要取自《濟寧市水資源公報》（2000－2007年）；人口、經(jīng)濟社會資料主要取自《兗州市統(tǒng)計年鑒》（2007年）、《濟寧市統(tǒng)計年鑒》（2007年）。對于兗州市各預(yù)測年（2010－2030年）的數(shù)據(jù)，人口數(shù)量采用灰色預(yù)測GM（1，1）模型，并結(jié)合《兗州市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十一個五年總體規(guī)劃綱要》進行預(yù)測；工農(nóng)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)、生態(tài)及生活用水量，采用定額法進行預(yù)測，需水定額則參考《兗州市節(jié)水型社會建設(shè)實施方案》和山東省其他地區(qū)的需水定額來確定。

3 兗州市水資源承載力評價

3.1 評價指標(biāo)體系及評價標(biāo)準(zhǔn)的確定

根據(jù)兗州市社會經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r和水資源的實際利用情況，通過分析其水資源承載能力的各個影響因素，又參照了全國水資源供需分析中的指標(biāo)體系，借鑒了山東省其他地區(qū)水資源評價指標(biāo)體系，選取人均供水量、水資源利用率、生活用水定額、萬元工業(yè)產(chǎn)值需水量、需水模數(shù)、供水模數(shù)、生態(tài)環(huán)境用水率7個主要指標(biāo)，構(gòu)成兗州市水資源承載力綜合評價的指標(biāo)體系。按照上述7個評價指標(biāo)對區(qū)域水資源承載力的影響程度，根據(jù)研究區(qū)的實際條件，將評價指標(biāo)對水資源承載能力影響程度劃分為V1，V2，V3共3個等級［9］，評價標(biāo)準(zhǔn)見表1。V1表示仍有較強的水資源承載能力，進一步開發(fā)利用潛力較大；V3表示接近水資源承載力的閾值，幾乎已無進一步開發(fā)的潛力；V2則介于V1和V3之間，為二者的中間狀態(tài)，表示水資源已經(jīng)有相當(dāng)程度的開發(fā)利用，但仍有進一步開發(fā)的潛力。

表1 水資源承載力評價標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Assessment standard of water resource carrying capacity

3.2 兗州市水資源承載力計算

結(jié)合兗州市社會經(jīng)濟發(fā)展速度、需水總量和供水量的預(yù)測結(jié)果，考慮3種不同情景基礎(chǔ)上的水資源供給、利用方案，分別利用改進的TOPSIS法和模糊綜合評價法對兗州市的水資源承載力進行評價。方案Ⅰ為最原始的方案，是水資源綜合評價的基準(zhǔn)狀態(tài)；既不考慮開源，也不考慮節(jié)水以及生態(tài)需水中地下水回灌需水，各預(yù)測年需水定額以及供水量參照現(xiàn)狀年（2007年）。方案Ⅱ介于方案Ⅰ和方案Ⅲ之間，考慮開源和生態(tài)需水中地下水回灌需水，但不考慮節(jié)水，可作為2種方案的過渡狀態(tài)。方案Ⅲ為較理想的狀態(tài)，綜合考慮開源與節(jié)水，考慮生態(tài)需水中地下水回灌需水。

利用綜合賦權(quán)法方法確定各評價指標(biāo)的權(quán)重，W＝（0.158 2，0.318 5，0.108 1，0.162 5，0.080 8，0.122 6，0.049 2）。限于文章篇幅有限，本文未列出原始數(shù)據(jù)。利用改進的TOPSIS法和模糊綜合評價法對以上3個方案進行綜合評價；在改進的TOPSIS法中，將分級臨界值也作為評價對象，以確定各年份水資源承載力的等級歸屬，其評分值越小越好；模糊綜合評價級別的確定采用最為常見的最大隸屬度原則。2種方法對水資源承載力的評價結(jié)果見表2。

3.3 評價結(jié)果分析

通過2種方法對兗州市水資源承載力的分析評價，現(xiàn)狀年（2007年）的水資源承載力得分處于V2級別，改進的TOPSIS法得分為0.059，對V2的隸屬度最大，為0.671，對V3級別也有一定的隸屬度。這說明現(xiàn)狀年水資源開發(fā)利用已達(dá)到相當(dāng)規(guī)模，但仍然有一定的開發(fā)利用潛力，可以為經(jīng)濟社會發(fā)展提供一定程度的支撐。但隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，3種情景的承載力得分（改進的TOPSIS法）不斷升高，說明水資源承載狀況不斷變差。

3.3.1 方案Ⅰ

方案Ⅰ為維持目前的狀態(tài)，均不采取開源和節(jié)水措施，采用2種方法得出的綜合評價結(jié)果基本一致，表明長此以往水資源承載力逐漸變?nèi)?，由基本可承載逐漸變?yōu)椴豢沙休d，其臨界界限大致在2015年。改進的TOPSIS得出的結(jié)果表明2007－2020年水資源承載力的級別均為V2，2025－2030年處在V3級別，但2015年之后的評價得分值已非常接近V3；模糊綜合評價得出的結(jié)果為2007－2015年為V2，2020－2030年為V3，對V3的隸屬度不斷增加，但對V1，V2仍然有一定的隸屬度。由于方法的差異，因此所得的級別有所差異，但是總的趨勢都是一樣的，水資源承載力都由V2級別變成V3級別，2015年之后水資源承載潛力已基本達(dá)到承載力的極限，已無進一步開發(fā)潛力，水資源將嚴(yán)重制約兗州市經(jīng)濟社會的發(fā)展，對生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的穩(wěn)定性構(gòu)成威脅。

表2 綜合評價結(jié)果Table 2 Assessed results of water resource carrying capacity

3.3.2 方案Ⅱ

方案Ⅱ為考慮到尋找進一步開源途徑、而尚未達(dá)到高水平節(jié)水效率的狀態(tài)。改進的TOPSIS法得出的評價結(jié)果與方案Ⅰ基本一致，2007－2020年水資源承載力的級別均為V2，2025－2030年為V3，承載力級別并沒有變化，但得分值高于方案Ⅰ。模糊綜合評價得出的結(jié)果與方案Ⅰ相比也沒有很大變化，僅僅是在隸屬度變化，各水平年和預(yù)測年的級別僅有2020年發(fā)生變化?？梢钥闯龇桨涪虮确桨涪褚茫偟淖兓厔轂樗Y源承載力由V2逐漸變?yōu)閂3，2020年之后水資源承載潛力同樣已接近承載力的極限。這說明僅僅尋找進一步開源途徑不能保證2030年以內(nèi)的可承載狀態(tài)，僅比基準(zhǔn)狀態(tài)（方案Ⅰ）推遲5年達(dá)到承載力極限。

3.3.3 方案Ⅲ

方案Ⅲ是綜合考慮充分開源、節(jié)水的較理想的狀態(tài)。改進的TOPSIS法計算結(jié)果表明2007－2030年均處在V2級別；模糊綜合評價法表明2007－2030年處在V2級別?？偟目磥?，方案Ⅲ的綜合評價得分明顯好于方案Ⅰ和方案Ⅱ，現(xiàn)狀年和預(yù)測年基本可承載。但是隨著經(jīng)濟和社會的不斷發(fā)展，方案Ⅲ評分有逐年降低的趨勢?？梢钥闯?，即使是采取了適當(dāng)?shù)拈_源和節(jié)水措施，兗州市的水資源供需仍然較為緊張，雖然處于可承載的范圍內(nèi)，但開發(fā)潛力不大，主要是由于兗州市的供水潛力已不大，2007－2030年的供水量基本沒有變化；目前兗州市的節(jié)水效率還不高，萬元工業(yè)產(chǎn)值需水量較高，農(nóng)業(yè)灌溉粗放，可見兗州市的節(jié)水潛力相當(dāng)大。因此應(yīng)在現(xiàn)有節(jié)水、開源措施上制定更加有效、合理的節(jié)水、開源政策。

對比3種方案，方案Ⅰ和方案Ⅱ分別在2015年、2020年將開始出現(xiàn)不可承載的狀況；方案Ⅲ在現(xiàn)狀年和各預(yù)測年基本保持可承載狀態(tài)，但2030年以后尚難預(yù)測。方案Ⅰ和方案Ⅱ評價結(jié)果說明兗州市水資源進一步開源的潛力已不大，對整個濟寧市區(qū)域水資源承載力的提高貢獻(xiàn)也會變得十分有限；而方案Ⅲ的水資源承載狀況明顯比前2種方案有了較大改善，說明節(jié)水是提高整個地區(qū)水資源承載力的主要途徑，是以后重點應(yīng)發(fā)展的方向。

4 結(jié)論與討論

本文利用改進的TOPSIS法和模糊綜合評價法對兗州市2007－2030年3種情景的水資源承載力進行了評價；模糊綜合評價已得到廣泛利用，但有效信息利用率較低；TOPSIS法是近年來引入的新方法，有效信息利用率高。利用這2種方法可以取長補短、相互驗證，避免了單一方法的偏差，雖然評價模型計算環(huán)節(jié)較多，但得出的結(jié)論相對客觀合理，基本符合兗州市水資源的實際狀況，可為兗州市的水資源合理利用和可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

現(xiàn)狀年（2007年）兗州市水資源承載處在V2級別，已經(jīng)有相當(dāng)程度的開發(fā)利用，仍有一定的利用潛力；隨著兗州市經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，水資源承載狀況將不斷下降，但通過采取合理節(jié)水、開源措施，完全可以維持在可承載的范圍內(nèi)。通過對2007－2030年3種情景的分析，整個地區(qū)當(dāng)?shù)厮Y源進一步開源的潛力有限，對水資源承載力的提高貢獻(xiàn)不大；而節(jié)約用水潛力巨大，故節(jié)水是提高兗州市水資源承載力的最明顯的措施。

［1］ 朱一中，夏軍，談戈.西北地區(qū)水資源承載力分析預(yù)測與評價［J］.資源科學(xué)，2003，25（4）：43－48.（ZHU Yizhong，XIA Jun，TAN Ge.Measurement and evaluation of water resources carrying capacity of Northwest China［J］.Resources Science，2003，25（4）：43－48.（in Chinese））

［2］ 劉沂軒，熊彩霞，于淑雯.徐州市水資源承載能力多情景綜合評價［J］.水電能源科學(xué)，2009，27（1）：44－47.（LIU Yi-xuan，XIONG Cai-xia，YU Shu-wen.Multiple scenarios comprehensive evaluation ofwater resources carrying capacity in Xuzhou City［J］.Water Resources and Power，2009，27（1）：44－47.（in Chinese））

［3］ 趙亞峰，汪一嗚，王永潔.銀川市水資源承載力多目標(biāo)情景分析［J］.寧夏大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008，29（3）：272－276.（ZHAO Ya-feng，WANG Yi-ming，WANG Yong-jie.Multi-Objective situation analysis of water resources carrying capacity of Yinchuan City［J］.Journal of Ningxia University（Natural Science Edition），2008，29（3）：272－276.（in Chinese））

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［5］ 呂建樹，劉 洋，楊念貴.基于TOPSIS法的水資源承載力研究［J］.水資源與水工程學(xué)報，2009，20（3）：83－86.（LüJian-shu，LIU Yang，YANG Nian-gui.Study on regionalwater resources carrying capacity based on improved TOPSIS Method［J］.Journal of Water Resources＆Water Engineering，2009，20（3）：83－86.（in Chinese））

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［9］ 閔慶文，余衛(wèi)東，張建新.區(qū)域水資源承載力的模糊綜合評價分析方法及應(yīng)用［J］.水土保持研究，2004，11（3）：14－17.（MIN Qing-wen，YU Wei-dong，ZHANG Jian-xin.Fuzzy-based evaluation of water resources carrying capacity and its application［J］.Research of Soil and Water Conservation，2004，11（3）：14－17.（in Chinese） ）

（編輯：趙衛(wèi)兵）

長江科學(xué)院參加2010年度（第八屆）國際水利先進技術(shù)（產(chǎn)品）推介會

2010年4月16日，水利部“2010年度（第八屆）國際水利先進技術(shù)（產(chǎn)品）推介會”在北京召開。水利部財務(wù)司、農(nóng)村水利司、國際合作與科技司、財政部農(nóng)業(yè)司、農(nóng)業(yè)部科教司、水利部綜合事業(yè)局、水利部“948”項目管理辦公室等單位有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)出席了推介會。水利部副部長胡四一同志出席開幕式并作重要講話。

長江科學(xué)院副院長汪在芹帶隊參加了推介會。為進一步做好長江科學(xué)院的水利技術(shù)引進和科技推廣工作，科研計劃處還組織了河流所、水資源所、工程安全所、水力學(xué)所、長控所、儀器所、長建公司等單位的9項技術(shù)參展，并有領(lǐng)導(dǎo)和專家到會進行技術(shù)交流與洽談，“基于分布式水文模擬的干旱評估和預(yù)報軟件系統(tǒng)”等技術(shù)受到重點關(guān)注。

本屆推介會由水利部國際合作與科技司、水利部“948”項目管理辦公室指導(dǎo)，水利部科技推廣中心主辦。參加本屆推介會的技術(shù)和產(chǎn)品總計113余項，參會各方代表共計600余人，均創(chuàng)歷屆推介會之最。本屆推介會通過多媒體展示、現(xiàn)場展覽、網(wǎng)上虛擬展廳展示、廠商與用戶現(xiàn)場互動交流、專家點評等形式，推介參會技術(shù)和產(chǎn)品。主辦方還特別邀請主管部門領(lǐng)導(dǎo)和專家，結(jié)合水利當(dāng)前重點工作和科技需求作專題演講。會后將針對會議推介的先進技術(shù)（產(chǎn)品）組織專家進行評議，形成并發(fā)布《2010年度國際水利先進技術(shù)推介會技術(shù)產(chǎn)品推薦目錄》，供有關(guān)部門與單位引進、選用決策時參考。

（摘自《長江水利科技網(wǎng)》）

M ultip le Scenarios Evaluation of W ater Resources Carrying Capacity in Yanzhou City

LüJian-shu，LIU Yu-jie，NITeng-nan
（Institute of Population Resource and Environment，Shandong Normal University，Jinan 250014，China）

On the basis of improved TOPSISmodel and fuzzy comprehensive evaluation，per capitawater supply，utilization rate ofwater resource，live use water quota，water requirement per ten thousand yuan output value，water supplymodule，water requirementmodule，and water ratio and utilization rate ofwater resources for ecological environmentwere adopted as the evaluation indices，water resources carrying capacity under three different scenarios was predicted and evaluated from 2007－2030 for Yanzhou City.The evaluated results show as follows：Currently，the water resourse in Yanzhou City has been developed considerably，but still has certain potential for development.In future 20 years，with the further development of economy and society，water resources carrying capacity will be become weaker continuously，but stillwill be in the carrying range，water resourcemay gradually be a factor restricting the development of economy and society.Developing water source vigorously，establishingwater-saving society and allocation water resources rationally are themain measureswhich improve water resources carrying capacity.

water resources carrying capacity；improved TOPSISmodel；fuzzy comprehensive evaluation；Yanzhou City

TV213

：A

1001－5485（2010）05－0024－05

2009-08-28；

2009-11-03

國家自然科學(xué)基金（40471122），山東省自然科學(xué)基金（Y2008E13）聯(lián)合資助

呂建樹（1986-），男，山東萊蕪人，碩士研究生，主要從事水資源評價、土地利用與生態(tài)安全等方面的研究，（電話）15054119668，（電子信箱）lvjianshu＠126.com。