基于熵權(quán)Topsis的淮河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶水資源承載力評(píng)價(jià)*

吉婷婷，陳 童，毛廣雄2，

(1.淮陰師范學(xué)院教師教育學(xué)院，江蘇淮安 223300； 2.淮河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶研究院，江蘇淮安 223300； 3.淮陰師范學(xué)院城市與環(huán)境學(xué)院，江蘇淮安 223300)

0 引言

水資源是區(qū)域發(fā)展的戰(zhàn)略性經(jīng)濟(jì)資源，是區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要保證，水資源承載力的探討是可持續(xù)發(fā)展和水資源安全研究中的基礎(chǔ)性命題，是當(dāng)前水資源科學(xué)領(lǐng)域的重點(diǎn)和熱點(diǎn)[1-5]。

國內(nèi)最早于20世紀(jì)80年代末提出“水資源承載力”概念[1， 2， 6]。左其亭[2]系統(tǒng)地總結(jié)了我國水資源承載力研究方法發(fā)展過程，強(qiáng)調(diào)應(yīng)著重開展變化環(huán)境下水資源動(dòng)態(tài)承載力研究； 夏軍等[1， 5]從城市化發(fā)展的角度，闡明了城市化地區(qū)水資源承載力研究的范式。綜合而言，諸多學(xué)者圍繞水資源承載力開展了大量的研究，包括水資源承載力概念的界定、評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建、評(píng)價(jià)方法的優(yōu)化等； 研究尺度也包含國家、省市以及流域不同層次，研究方法也由簡單到綜合與集成[1-3， 7-9]。

然而，在區(qū)域發(fā)展規(guī)劃戰(zhàn)略的驅(qū)動(dòng)下，區(qū)域發(fā)展對(duì)水資源的需求必然增加，而水資源承載力是區(qū)域水安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展支撐能力的重要衡量。因此，對(duì)水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)，能夠?yàn)橐?guī)劃驅(qū)動(dòng)下的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)模式和強(qiáng)度提供參考，也可為水資源利用策略的制定提供依據(jù)。

圖1 淮河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶范圍示意圖

淮河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶位于淮河干流沿線，是江蘇、安徽和河南合力打造的區(qū)域性發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，已納入國家“十三五”發(fā)展規(guī)劃中[10]。近年來針對(duì)淮河流域水資源的研究已經(jīng)較多，包括水資源脆弱性的分析、水資源時(shí)空變化的規(guī)律、水資源的測算方法、氣候變化對(duì)水資源的影響等，但相關(guān)研究主要基于流域?qū)用孢M(jìn)行探討[7， 11-16]?；诖?，文章以淮河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶為例，基于熵權(quán)重分析，采用Topsis評(píng)價(jià)方法，分析水資源承載力區(qū)域差異及影響因子，以期為淮河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶規(guī)劃驅(qū)動(dòng)下的水資源合理利用提供理論依據(jù)，以促進(jìn)淮河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶水資源環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

淮河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶是我國東部沿海地區(qū)轉(zhuǎn)型發(fā)展的戰(zhàn)略腹地，是中西部地區(qū)重要的出海大通道，是國家現(xiàn)代化建設(shè)大局和全方位開發(fā)格局中的重要組成部分，其范圍為江蘇、安徽、河南3個(gè)省的20個(gè)市1個(gè)縣(圖1)。2015年末，經(jīng)濟(jì)帶總?cè)丝?.286 9億人，地區(qū)生產(chǎn)總值4.061 328萬億元，分別占全國的9.4%和6%[10]。

根據(jù)各市縣水資源公報(bào)計(jì)算可知， 2015年淮河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶為平水年，水資源總量為734.4億m3，其中地表水資源總量為557.7億m3，地下水資源總量為255.6億m3，人均水資源量為598 m3。水資源開發(fā)利用上， 2015年總用水量為425億m3，其中農(nóng)業(yè)用水量為281億m3，工業(yè)用水量為70.7億m3，而人均用水量為335.9m3。

2 數(shù)據(jù)來源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

該文基于2015年相關(guān)數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)淮河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶內(nèi)21市(縣)的水資源承載力。數(shù)據(jù)來源于《江蘇省統(tǒng)計(jì)年鑒》 (2016)、《安徽省統(tǒng)計(jì)年鑒》 (2016)、《河南省統(tǒng)計(jì)年鑒》 (2016)、《江蘇省水資源公報(bào)》 (2015)、《安徽省水資源公報(bào)》 (2015)、《河南省水資源公報(bào)》(2015)以及相應(yīng)市縣水資源公報(bào)與環(huán)境公報(bào)。

2.2 研究方法

以水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)為基礎(chǔ)，應(yīng)用主成分分析方法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行降維[17]，以此獲得主成分得分矩陣，并以該得分矩陣確定熵權(quán)權(quán)重[18]，然后運(yùn)用Topsis方法評(píng)價(jià)水資源承載力[19]。

2.2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

結(jié)合前人研究成果[2， 5]，考慮淮河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶市縣資料的可獲得性，按照科學(xué)性、客觀性、可操作性的原則，從水資源系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)三大方面選取有代表性的22項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)建水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1)。

2.2.2 Topsis方法

Topsis(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution)是一種逼近于理想解的評(píng)價(jià)方法[17， 19]，通過數(shù)據(jù)歸一化，Topsis找出評(píng)價(jià)方案中的最優(yōu)和最劣方案，并計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)方案和最劣方案的距離，獲得各評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)方案的相對(duì)接近程度。具體方法為：

對(duì)n個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象，該文中評(píng)價(jià)對(duì)象即為淮河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶21個(gè)市(縣)的水資源承載力，m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，原始指標(biāo)可表達(dá)為矩陣：

X=(Xij)n×m

(1)

對(duì)高優(yōu)(越大越好)、低優(yōu)(越小越好)指標(biāo)分別進(jìn)行歸一化變換，即：

(2)

數(shù)據(jù)歸一化中，采用熵權(quán)法對(duì)指標(biāo)賦權(quán)重[18]，得到轉(zhuǎn)化矩陣：

Z=(Zij)n×m

(3)

則矩陣各評(píng)價(jià)指標(biāo)中最大、最小值構(gòu)成的最優(yōu)、最劣向量分別為：

Z+=(Zmax1，Zmax2，…，Zmaxm)，Z-=(Zmin1，Zmin2，…，Zminxm)

(4)

故第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)、最劣方案的距離分別為：

(5)

因此，第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)方案的接近程度CI可表示為：

(6)

按相對(duì)接近度CI的大小排序，進(jìn)行評(píng)價(jià)。因Topsis是效益型評(píng)價(jià)模式，而該文評(píng)價(jià)的是水資源承載能力，所以其值越高，水資源承載力越高。

表1 淮河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

該文采用熵權(quán)法進(jìn)行賦權(quán)[18]，因而形成綜合熵權(quán)的Topsis方法，限于篇幅，熵權(quán)重方法不再贅述，詳見文獻(xiàn)[18， 19]。

3 水資源承載力評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的主成分降維與熵權(quán)重

采用主成分分析方法對(duì)水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行降維，從評(píng)價(jià)指標(biāo)中提取少數(shù)幾個(gè)潛在的彼此獨(dú)立的主成分指標(biāo)的線性組合來表示，以反映原來多個(gè)實(shí)測指標(biāo)的重要信息[6， 17]。結(jié)合表1中各項(xiàng)指標(biāo)，采用Topsis中數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化方法，應(yīng)用SPSS軟件，獲得評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的主成分特征值及貢獻(xiàn)率(表2)?？梢园l(fā)現(xiàn)，前5項(xiàng)主成分特征值皆大于1，且其累積貢獻(xiàn)率為87.865%，超過85%，能夠解釋所有指標(biāo)的綜合因子，所以選擇5個(gè)主成分進(jìn)行分析。

表2 各主成分的特征值、方差貢獻(xiàn)率及其累計(jì)貢獻(xiàn)率

同時(shí)，依據(jù)5個(gè)主成分因子，獲得旋轉(zhuǎn)后各變量指標(biāo)在不同主成分因子的負(fù)荷矩陣(表3)，以及不同地區(qū)各主成分得分矩陣(表4)，并根據(jù)表4中各主成分得分矩陣，計(jì)算得到5個(gè)主成分因子的熵權(quán)重值依次為0.206 0、0.176 5、0.221 0、0.199 2和0.197 3。

表3 淮河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶各指標(biāo)變量旋轉(zhuǎn)后在不同主成分因子的負(fù)荷矩陣

表4 淮河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶不同地區(qū)各主成分得分矩陣

從旋轉(zhuǎn)后各變量指標(biāo)的負(fù)荷矩陣(表3)可以發(fā)現(xiàn)，第一主成分上，水資源總量、地表水資源量、年降水量、人均水資源量、土地面積與水資源承載力成正相關(guān)。而人口密度指標(biāo)與水資源承載力成負(fù)相關(guān)。第二主成分上，總用水量、生活用水量、工業(yè)用水量、農(nóng)業(yè)用水量與水資源承載力成顯著負(fù)相關(guān)。第三主成分上，地區(qū)生產(chǎn)總值、人均GDP、工業(yè)增加值與水資源承載力的高低成正相關(guān)關(guān)系。第四主成分上，總?cè)丝?、城?zhèn)人口比重分別與水資源承載力成正、負(fù)相關(guān)關(guān)系； 而在第五主成分上，城鎮(zhèn)人均生活用水量、萬元GDP用水量都與水資源承載力成負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3.2 水資源承載力的評(píng)價(jià)結(jié)果

基于上述主成分得分矩陣，采用Topsis方法，結(jié)合熵權(quán)法獲得的權(quán)重，得到經(jīng)濟(jì)帶不同地區(qū)水資源承載力與最優(yōu)、最劣方案的距離，以及其與最優(yōu)方案的接近程度統(tǒng)計(jì)量CI值(表5)，可以看出， 2015年淮河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶內(nèi)不同地區(qū)水資源承載力存在較大差異，承載力最高的地區(qū)為鹽城市，最低的為桐柏縣，綜合得分值變動(dòng)于0.305 8～0.698 8之間。

從經(jīng)濟(jì)帶整體上看，淮河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶內(nèi)不同省份水資源承載力的總體水平差異較大，境內(nèi)江蘇、安徽、河南3省水資源承載力的平均得分分別為0.585 2、0.478 2、0.524 9?？梢?，淮河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶水資源承載力具有在淮河干流上、下游承載力高，而中游承載力偏低的空間分布特征。

而從經(jīng)濟(jì)帶內(nèi)部而言，經(jīng)濟(jì)帶內(nèi)江蘇省區(qū)域內(nèi)部差異較大，水資源承載力最高與最低地區(qū)差值為0.204 5，但總體水資源承載力水平較高，其中鹽城市水資源承載力最高； 安徽省區(qū)域內(nèi)部水資源承載力最高與最低地區(qū)差值為0.079 2，盡管其區(qū)域內(nèi)部差異較小，但總體水平居中，其中六安市水資源承載力最高； 河南省區(qū)域內(nèi)部水資源承載力亦總體較高，但內(nèi)部差異亦較大，水資源承載力最高與最低地區(qū)差值為0.327 3，其中信陽市水資源承載力最高，桐柏縣最低。

表5 淮河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶水資源承載力Topsis評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)量

3.3 水資源承載力的影響因素

水資源承載力優(yōu)劣的驅(qū)動(dòng)因素是復(fù)雜多樣的，基于前述各變量指標(biāo)在不同主成分因子的負(fù)荷矩陣可以看出(表3)，淮河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶水資源承載力高低的影響因素主要有以下四大方面：

(1)水資源總量是水資源承載力的供給側(cè)決定性因素。第一主成分的顯著指標(biāo)水資源總量、地表水資源量、年降水量、人均水資源量都與水資源總量有關(guān)，表明區(qū)域水資源總量是水資源承載力高低的重要基礎(chǔ)，是水資源供給側(cè)的要素。而淮河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶所屬的河南區(qū)域，主要位于上游大別山、桐柏山源頭，降水偏多； 下游江蘇境內(nèi)為降水充沛區(qū)域，水資源總量偏大，使得水資源承載力都偏高。而中游安徽境內(nèi)的主要區(qū)域，多處于淮河干流以北，降水量相對(duì)偏少，故導(dǎo)致水資源承載力偏低，這也是為何上游河南境內(nèi)以及下游江蘇境內(nèi)水資源承載力良好而中游安徽偏低的主要原因[9， 14]。

(2)用水量與用水結(jié)構(gòu)是提升與優(yōu)化水資源承載力的調(diào)控性因素。第二主成分上的顯著性指標(biāo)集中反映在社會(huì)系統(tǒng)中水資源利用總量與結(jié)構(gòu)性特征上，因此，從水資源利用層面上看，越少且高效的水資源利用方式越有利于水資源承載力水平的提高。這也意味著，提高淮河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶區(qū)域水資源承載力，需要從生活用水、工業(yè)用水和農(nóng)業(yè)用水的不同用水結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改善與優(yōu)化。

(3)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平是水資源調(diào)控能力的重要因素。第三主成分指標(biāo)集中在經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平層面，這表明，地區(qū)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提升，有助于水資源承載力的提高，這可能與良好經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)可為促進(jìn)水資源的高效利用和改善用水結(jié)構(gòu)及方式提供資金支持有關(guān)，也直接影響水資源利用的調(diào)控能力。

(4)城鎮(zhèn)化發(fā)展與人口增加是水資源承載力的脅迫性因素。在第四主成分上，城鎮(zhèn)人口比重與水資源的負(fù)相關(guān)關(guān)系表明，城鎮(zhèn)化發(fā)展在很大程度上對(duì)水資源承載力高低具有突出的脅迫性，這與城鎮(zhèn)化發(fā)展導(dǎo)致城鎮(zhèn)用水量增加，以及不同產(chǎn)業(yè)尤其是工業(yè)與第三產(chǎn)業(yè)的水資源利用增加有密切關(guān)聯(lián)。而在第五主成分上，城鎮(zhèn)人均生活用水量、單位GDP用水量都是用水結(jié)構(gòu)方面的影響因子，結(jié)合第四主成分中城鎮(zhèn)人口比重與水資源承載力成負(fù)相關(guān)關(guān)系的特征，也進(jìn)一步說明城鎮(zhèn)化發(fā)展中城鎮(zhèn)人均生活用水與萬元GDP用水量對(duì)水資源承載力水平的脅迫性影響。

4 結(jié)論

(1)淮河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶內(nèi)不同地區(qū)的水資源承載力差異較大，承載力最高的為鹽城市，最低為桐柏縣。經(jīng)濟(jì)帶內(nèi)不同省份間水資源承載力以江蘇最高、河南次之，安徽最低，具有淮河干流上、下游承載力高但中游偏低的空間分布特征。而在經(jīng)濟(jì)帶各省份水資源承載力內(nèi)部差異上，江蘇、河南兩省內(nèi)部差異較大，安徽較小。

(2)水資源總量是承載力高低的供給側(cè)決定性因素。水資源總量、地表水資源量、年降水量、人均水資源量、土地面積等與水資源承載力成正相關(guān)，是水資源總量層面的影響，是水資源承載力高低的重要基礎(chǔ)。

(3)用水量與用水結(jié)構(gòu)是提升與優(yōu)化水資源承載力的調(diào)控性因素?？傆盟?、生活用水量、工業(yè)用水量、農(nóng)業(yè)用水量與水資源承載力成負(fù)相關(guān)，是重要的調(diào)控性因素，這一特征為提高淮河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶水資源承載力提供了思路。

(4)城鎮(zhèn)化發(fā)展與人口增加是水資源承載力的脅迫性因素，而經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平是水資源調(diào)控能力的重要保證?？?cè)丝凇⒊擎?zhèn)人口比重分別與水資源承載力成正、負(fù)相關(guān)關(guān)系，這為規(guī)劃驅(qū)動(dòng)下考慮水資源承載力的城鎮(zhèn)化發(fā)展提供了參考。而地區(qū)生產(chǎn)總值、人均GDP、工業(yè)增加值與水資源承載力成顯著正相關(guān)，對(duì)協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源承載力關(guān)系具有重要參考價(jià)值。