基于改進(jìn)TOPSIS模型的連云港市水資源承載力研究

夏 歡，陳 菁,2，許 楊，張馨元，時振振

(1.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，南京 210098；2.南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點實驗室，南京 210098；3.中交水利水電建設(shè)有限公司，浙江 寧波 315200)

水是生命之源，是影響人類生存發(fā)展不可替代的公共的自然資源[1]。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化率的提高，許多地方水資源問題日益突出。水資源承載力是水資源安全戰(zhàn)略和可持續(xù)利用研究中的一個重要內(nèi)容，水資源承載力的研究對該區(qū)域水資源的開發(fā)和配置具有一定的指導(dǎo)意義[2]。水資源承載力是指在一定時期內(nèi)，以可預(yù)見的技術(shù)水平為條件，以水資源的可持續(xù)性為原則，以維護(hù)社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展為目的，通過對區(qū)域水資源進(jìn)行合理開發(fā)和配置，使該區(qū)域上的水資源可支撐最大的人口數(shù)量規(guī)模[3]。

我國對水資源承載力的研究始于1985年，迄今為止，已由起初的萌芽階段發(fā)展到深化發(fā)展階段[4]，且在此研究領(lǐng)域取得了頗為豐富的成果[5-9]。常見的水資源承載力的研究方法有模糊綜合評價法[6]、主成分分析法[7]、集對分析法[8]、和系統(tǒng)動力學(xué)法[9]等，這些方法在應(yīng)用過程中各有其特點。TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution)法是用于求解多屬性決策問題的一種新方法，其原理是根據(jù)有限個評價對象與理想值的接近程度進(jìn)行排序，然后根據(jù)排序的結(jié)果對現(xiàn)有的評價對象進(jìn)行相對優(yōu)劣的評價[10]。TOPSIS法的計算基礎(chǔ)來源于客觀數(shù)據(jù)，具有較好的客觀性[11]。加權(quán)TOPSIS法在區(qū)域水資源承載力評價中具有一定的可行性與準(zhǔn)確性[12]，其方法簡便實用[13]。在水資源短缺地區(qū)的水資源承載力研究中，TOPSIS方法比模糊綜合評判法更能反映區(qū)域水資源的利用現(xiàn)狀與緊缺程度[14]?；诖?，本文結(jié)合連云港市水資源和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀，采用主客觀權(quán)重確定法相結(jié)合的AHP-熵權(quán)法對原TOPSIS法進(jìn)行改進(jìn)，并使用改進(jìn)的TOPSIS模型對連云港水資源承載力進(jìn)行評價。

1 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來源

連云港市地處江蘇省的東北部，其地理坐標(biāo)為東經(jīng)118°24′～119°48′、北緯34°12′～35°07′。連云港市屬于溫帶濕潤性季風(fēng)氣候，氣候溫和，四季分明。連云港市2016年GDP總量達(dá)2 376.48 億元，人均GDP為52 852.95元。據(jù)2008-2016年資料統(tǒng)計，連云港市多年平均降雨量為840.20 mm ，平均水資源總量為22.65 億m3，平均水資源利用量為28.14 億m3，本地水資源總量供不應(yīng)求。平均人均水資源量為510.79 m3，遠(yuǎn)低于國際公認(rèn)的人均1 000 m3的下限。隨著連云港市社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化率的大幅度提高，該地區(qū)原本緊張的水資源更加緊缺。因此，通過評價連云港市近年來水資源承載力的大小和變化趨勢，分析影響水資源承載力的主要因素并提出提升水資源承載力的措施，將有利于緩解該地區(qū)水資源緊缺狀況，從而更好地促進(jìn)連云港市社會經(jīng)濟(jì)及生態(tài)環(huán)境之間的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展。

文中所用的數(shù)據(jù)資源均來自于《江蘇統(tǒng)計年鑒》(2008-2016年)、《連云港統(tǒng)計年鑒》(2008-2016年)、《連云港水資源公報》(2008-2016年)，經(jīng)過計算整理獲得。

2 研究方法

2.1 水資源承載力評價指標(biāo)體系構(gòu)建

水資源承載力綜合評價指標(biāo)體系的選取是水資源承載力研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文依據(jù)科學(xué)性、層次性和可操作性等原則，參考大量相關(guān)研究成果中綜合評價指標(biāo)的選取，結(jié)合連云港市水資源特點、社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境狀況，選取了20個評價指標(biāo)以構(gòu)建連云港市水資源承載力綜合評價指標(biāo)體系(表1)。文中所選取的指標(biāo)不僅包含了連云港市水資源的情況，更是考慮到連云港市的社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)等因素。因此，該指標(biāo)體系能綜合反映出連云港市水資源承載力的動態(tài)變化。

表1 連云港市水資源承載力評價指標(biāo)體系

2.2 評價方法

2.2.1 AHP-熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重

評價指標(biāo)權(quán)重的確定方法大體可分為主觀權(quán)重確定法和客觀權(quán)重確定法兩大類[15]。主觀權(quán)重確定方法的優(yōu)點在于能反應(yīng)研究者的意向，但缺乏對實際數(shù)據(jù)的真實反映；客觀權(quán)重確定方法雖然避免了主觀權(quán)重確定方法的缺點，但它易受離散值的影響[16]。綜合分析兩類方法的優(yōu)缺點，結(jié)合各自具有代表性的權(quán)重確定方法，得到一種主觀和客觀相結(jié)合的權(quán)重確定方法：AHP-熵權(quán)法。該方法不僅可以彌補(bǔ)主觀和客觀權(quán)重確定法的不足，還可以充分發(fā)揮彼此的優(yōu)勢，使得最終所確定的權(quán)重更具有科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

(1)層次分析法(AHP)。

① 構(gòu)造AHP判斷矩陣。

② 計算權(quán)向量。

(1)

式中：αi為指標(biāo)權(quán)重。

(2)

(3)

(4)

③判斷矩陣的一致性檢驗。

(5)

式中：n和λmax分別為判斷矩陣的階數(shù)和A的最大特征根。

若CR=CI/RI<0.10，則判斷矩陣滿意一致性檢驗。

(2)熵權(quán)法。

①列出原始評價指標(biāo)矩陣。

X=(xij)m×n(i=1,2,…m;j=1,2,…,n)

(6)

式中：m為評價指標(biāo)；n為評價對象；xij為第i個評價指標(biāo)在第j個評價對象上所對應(yīng)數(shù)值。

② 原始矩陣歸一化處理。

Y=(yij)m×n(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

(7)

(8)

(9)

③ 確定第i個評價指標(biāo)的熵權(quán)。

(10)

(11)

(12)

(13)

式中：βi為指標(biāo)權(quán)重。

(3)綜合權(quán)重。由AHP法和熵權(quán)法計算所得的權(quán)重計算第i個評價指標(biāo)的綜合權(quán)重ωi[17]：

(14)

2.2.2 改進(jìn)的TOPSIS方法

與傳統(tǒng)的TOPSIS相比，改進(jìn)的TOPSIS法主要是在決策矩陣中考慮了由AHP-熵權(quán)法所計算的綜合權(quán)重。具體步驟如下。

(1)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。

(2)構(gòu)建加權(quán)決策矩陣。

B=(bij)m×n=ωiyij

(15)

(3)確定正、負(fù)理想解。

令B+表示最優(yōu)方案(正理想解)，B-表示最劣方案(負(fù)理想解)，有：

(16)

(17)

(4)計算距離。

(18)

(19)

(5)計算相對貼近度Kj：

(20)

根據(jù)計算所得的Kj(0≤Kj≤1)值的大小進(jìn)行排序，Kj的值越大，表明評價對象越接近理想狀態(tài)，評價結(jié)果越好，反之越差。根據(jù)已有的研究成果[12]，可將相對貼近度劃分為5個等級標(biāo)準(zhǔn)(表2)，分別表示不同程度的水資源承載力。

3 結(jié)果分析

3.1 水資源承載力評價指標(biāo)影響分析

由公式(10)計算得到水資源承載力各評價指標(biāo)的綜合權(quán)重(表3)。由表3知，水資源子系統(tǒng)、社會子系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)和生態(tài)子系統(tǒng)的綜合指標(biāo)權(quán)重分別為0.262 7、0.214 0、0.285 8、0.237 5。各子系統(tǒng)中權(quán)重最大的指標(biāo)分別為人均水資源量(X1)、人口密度(X11)、萬元農(nóng)業(yè)增加值用水量(X12)和污水日處理能力(X17)。人均水資源量在研究時段內(nèi)平均值為510.79 m3。連云港市年平均降雨量少，且時空分布不均。因此，注重水利建設(shè)投資，有利于緩解連云港市水資源緊缺問題。連云港市2008年萬元農(nóng)業(yè)增加值用水量為1 451.86 m3，到2016年降低到690.08 m3，降低了52.47%。這說明農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力大，故可以通過優(yōu)化農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)，提高農(nóng)業(yè)用水效率來達(dá)到節(jié)約水資源的目的。

3.2 水資源承載力綜合評價值分析

根據(jù)2.2計算得到連云港市2008-2016年水資源承載力綜合評價相對貼近度的具體數(shù)值，結(jié)合表2得到表4。

表2 水資源承載力等級及含義

表3 連云港市水資源承載力各指標(biāo)權(quán)重

表4 2008-2016年連云港市水資源承載力評價結(jié)果

3.2.1 從水資源承載力結(jié)果分析

由表4知，2008-2016年，連云港市年均水資源承載力綜合評價值(K綜合)為0.494 3，平均承載力處于Ⅲ級。綜合評價值在2012年達(dá)到最大值0.650 6，最小值為2010年的0.283 4，承載力分別處于Ⅲ級和Ⅳ級。研究時段內(nèi)僅2009年和2010年承載力處于Ⅳ級水平，其他年份均為Ⅲ級。圖1為2008-2016年連云港市水資源承載力綜合評價值的具體情況和變化趨勢。

圖1 2008-2016年連云港市水資源承載力綜合評價結(jié)果

從圖1可以看出，2008-2016年，連云港市水資源承載力綜合評價值整體呈現(xiàn)出上升的趨勢，由2008年的0.416 2增長至2016年的0.613 0。其具體變化過程可劃分為3個階段：2008-2010年，綜合評價值由0.416 2下降到0.283 4，下降了31.9%，承載力由Ⅲ級降低到Ⅳ級；2010-2012年，綜合評價值平均以每年0.183 6的幅度上升，在2012年達(dá)到研究時段最大值，承載力由Ⅳ級上升至Ⅲ級；2012-2016年，綜合評價值基本趨于穩(wěn)定，在均值0.599 9左右略有波動，但承載力始終處于Ⅲ級中等水平。2008年以來，降雨持續(xù)偏少，河庫蓄水量嚴(yán)重不足，連云港市長期處于缺水狀態(tài)。2010年9-11月，連云港市平均降水量僅6.10mm，長期無雨，水資源極其緊張。這直接導(dǎo)致連云港市水資源承載力由2008年的Ⅲ級水平降低到2010年的Ⅳ級最低水平。2011年中央一號文件提到各級人民政府要實施最嚴(yán)格水資源管理制度，2012年連云港市年降雨量為945.10mm，為少見的豐水年，人均水資源量達(dá)到835.96m3，遠(yuǎn)高于研究時段平均人均水資源量510.79m3。這是影響2010-2012年水資源承載力綜合評價值平均以0.183 6的速率上升且在2012年達(dá)到最大值的主要原因。隨著最嚴(yán)格水資源管理制度的實施，連云港市注重兩型社會和生態(tài)文明建設(shè)，不斷提高水資源管理和保護(hù)水平。因此2013-2016年連云港整體水資源承載力處于一個較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

3.2.2 從準(zhǔn)則層評價結(jié)果分析

由表4可見，2008-2016年，連云港市年均水資源子系統(tǒng)、社會子系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)和生態(tài)子系統(tǒng)的水資源承載力綜合評價值分別為0.491 8、0.542 9、0.491 5、0.432 7，其中社會子系統(tǒng)的綜合評價值最大，生態(tài)子系統(tǒng)的最小。從構(gòu)成社會子系統(tǒng)的具體指標(biāo)看，城鎮(zhèn)化率和人口密度對其影響較大，連云港市城鎮(zhèn)化率由2008年的42%增長到2016年的60.2%，城鎮(zhèn)化進(jìn)程較快。研究時段內(nèi)水資源承載力準(zhǔn)則層的綜合評價結(jié)果及趨勢見圖2。

圖2 2008-2016年連云港市水資源承載力目標(biāo)層評價結(jié)果

由圖2知，水資源子系統(tǒng)的評價值處于波動起伏的不穩(wěn)定狀態(tài)，其主要原因是水資源總量在時間上分布不均。而社會子系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)和生態(tài)子系統(tǒng)的綜合評價值整體上均為上升的趨勢，各子系統(tǒng)的承載能力表現(xiàn)為提高的趨勢。其中，經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的增長幅度最大，其次為生態(tài)子系統(tǒng)。經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)主要受人均GDP、萬元GDP用水量和萬元農(nóng)業(yè)增加值用水量等指標(biāo)的影響。近年來，連云港市經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，2016年的人均GDP較2008年增長近2倍。與此同時，萬元GDP用水量降低了66.53%，萬元農(nóng)業(yè)增加值用水量降低了52.47%。這些指標(biāo)的提升直接影響經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)評價值的增長。污水日處理能力是影響生態(tài)子系統(tǒng)最主要的因素。該指標(biāo)由2008年的19.5 萬m3提高到2016年的40.6 萬m3。連云港市是沂沭泗洪水入海口，水污染問題尤為嚴(yán)重，城市污水處理能力逐年提高，污水處理設(shè)施進(jìn)一步完善，對區(qū)域水資源承載力的上升做出了較大的貢獻(xiàn)。

4 結(jié) 語

(1)在水資源承載力的評價指標(biāo)體系中，人均水資源量(X1)、人口密度(X11)、萬元農(nóng)業(yè)增加值用水量(X12)和污水日處理能力(X17)對水資源承載力影響較大。

(2)2008-2010年，連云港市水資源承載力綜合評價值由0.416 2下降到0.283 4，下降31.9%；2010-2012年，綜合評價值平均以每年0.183 6的幅度上升，在2012年達(dá)到研究時段最大值0.650 6；2012-2016年，綜合評價值基本趨于穩(wěn)定，在均值0.599 9左右略有波動。

(3)2008-2016年，連云港市水資源承載力整體呈現(xiàn)出上升的趨勢。2008-2010年連云港水資源承載力由Ⅲ級降低到Ⅳ級，2011年起提升至Ⅲ級，且在2012年達(dá)到承載力最大，2012-2016年，水資源承載力基本穩(wěn)定在Ⅲ級中等水平。

(4)截止2016年，連云港市水資源承載力為Ⅲ級，即連云港市水資源承載力仍具有一定的開發(fā)利用潛力。對此，本文提出以下建議提高連云港市水資源承載力。

農(nóng)業(yè)節(jié)水是首要途徑。連云港市是農(nóng)業(yè)大市，農(nóng)業(yè)是連云港的主要供水對象。據(jù)2008-2016年用水資料統(tǒng)計分析，9年間年平均用水28.14 億m3。其中，農(nóng)業(yè)用水22.22 億m3，占總用水量的79%。農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力大，可以通過優(yōu)化農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，提高農(nóng)業(yè)用水效率來達(dá)到節(jié)水的目的。

雨洪資源利用是有效方法。連云港市2008-2016年多年平均降雨量為840.2mm，但大部分集中在6-9月汛期，多年平均過境水量高達(dá)59.42 億m3，多為汛期過境洪水直排入海。因此，加快對現(xiàn)有水利工程設(shè)施的加固、改造，以提升攔蓄雨洪能力，使連云港市雨洪資源得到充分利用。

海水淡化是重要手段。連云港市因其優(yōu)越的地理位置，在發(fā)展海水利用方面具有一定的優(yōu)勢?！逗Ｋa(chǎn)業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃》中提出要建設(shè)一批海水淡化工程，以滿足沿海工業(yè)園區(qū)建設(shè)對淡水資源的需求。隨著海水淡化技術(shù)的完善和成本的降低，連云港市可通過海水淡化的方法來緩解水資源短缺問題。