基于模糊綜合評價法的河南省中原城市群水資源承載力評價研究

安 強，魏傳江，賀華翔，崔英杰，聶倩文

(1.中國水利水電科學研究院，北京 100038；2.華北電力大學，北京 102206)

0 引 言

水資源是人類生存和社會經(jīng)濟發(fā)展必不可少的自然資源之一，水資源條件的好壞，在一定程度上影響和制約著人類生存和社會經(jīng)濟的發(fā)展。隨著中國經(jīng)濟進入新時代，社會經(jīng)濟的高質(zhì)量發(fā)展和人口的不斷變化，對水資源開發(fā)利用提出了更高的要求。為保障水資源的可持續(xù)利用，維持經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展，對水資源承載能力的研究備受重視。水資源承載力評價是進行水資源優(yōu)化配置的基礎(chǔ)，也是實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要保障[1,2]。因此，科學有效地評價水資源承載力對促進城市發(fā)展、提高人民生活質(zhì)量以及合理規(guī)劃未來發(fā)展模式有著重要意義。

國內(nèi)外學者已經(jīng)對水資源承載力開展了眾多的研究：Falkenmark 等(1998)通過分析影響水資源承載力的多種因素，計算了部分發(fā)展中國家和地區(qū)的水資源使用限度[3]，Varis等(2001)通過對長江流域的研究，分析了該流域社會經(jīng)濟狀況與水資源承載力的關(guān)系[4]，Steven H. A. Koop 等(2015)從多方面建立了國際性的評價指標體系，并分析了與智慧水務(wù)城市研究的關(guān)聯(lián)[5]；施雅風等(1992) 用常規(guī)趨勢法量化分析了烏魯木齊河流域的水資源承載力[6]，許有鵬(1993) 建立了西北干旱區(qū)水資源承載能力綜合評價模型[7]，段新光、欒芳芳(2014)用模糊綜合評價法對新疆水資源承載力進行了評價[8]。目前，現(xiàn)有研究中利用指標體系評價水資源承載力的研究還存在一些問題：一是評價指標和評價結(jié)果的分級不夠具體，不能準確反映承載力狀況；二是確定評價指標權(quán)重時，單純采用主觀賦權(quán)法或客觀賦權(quán)法，賦權(quán)結(jié)果不夠合理；三是在對水資源承載力各子系統(tǒng)的分析中，忽視了各子系統(tǒng)對承載力的影響力度不同；四是在對城市群進行評價時，只是單一的分析區(qū)域內(nèi)各城市的情況，而缺少了對城市群整體的分析。鑒于此，本文將評價指標和評價結(jié)果的狀態(tài)都分為5個等級，采用層次分析法和熵權(quán)法相結(jié)合的綜合賦權(quán)法對評價指標進行賦權(quán)，以模糊綜合評價法對河南省中原城市群的10個地市的水資源承載力進行評價，并從多個角度分析評價結(jié)果，以期為將來該區(qū)域的水資源配置和城市發(fā)展規(guī)劃提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

河南省中原城市群是以鄭洛新為核心的城市群，主要包括鄭州、鶴壁、開封、濮陽、安陽、焦作、新鄉(xiāng)、駐馬店、許昌、漯河十個省轄(管)市。該區(qū)域交通便利，人口密集，豐富的勞動力帶來了眾多的產(chǎn)業(yè)，2015年其人口總數(shù)為2 414 萬人，城市面積達到62 579 km2，GDP總值為21 526.7 億元。該區(qū)域處于北亞熱帶和暖溫帶地區(qū)，氣候溫和，日照充足，適宜于農(nóng)、林、牧、漁等各業(yè)發(fā)展，是我國重要的糧食基地，其人均糧食占有量為591.4 kg。然而，由于水資源的短缺、人口的眾多以及生態(tài)環(huán)境的惡化，加之對水資源不合理的開發(fā)利用，河南省中原城市群面臨的水資源狀況不容樂觀，水資源問題已經(jīng)成為制約該區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展和人們生活水平提高的重要因素。因此，開展河南省中原城市群水資源承載力研究，對進一步合理規(guī)劃水資源以及促進經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。

2 研究方法

2.1 評價方法及數(shù)據(jù)來源

本文使用模糊綜合評價模型進行水資源承載力研究，其原理為[9]：建立評價指標集C={c1，c2，…，cn}和評語集V={v1，v2，…，vm}，按式(1)計算模糊綜合評價結(jié)果。

B=A·R

(1)

(2)

式中：rij為ci的評價對等級vj的隸屬度，Ri=(ri1，ri2，…，rim)是評語集V的模糊子集，即對第i個元素ci的單因素評價結(jié)果。

本文所使用的數(shù)據(jù)主要來源于《2015年河南省水資源公報》和《2015年河南省統(tǒng)計年鑒》。

2.2 水資源承載力評價指標體系的構(gòu)建和評價指標分級標準的確定

影響水資源承載力的因素有很多，涉及環(huán)境狀態(tài)、社會規(guī)模、經(jīng)濟發(fā)展等多方面。河南省作為全國人口最多的省份，其省內(nèi)城市群必然面臨著人口多所帶來的壓力，特別是近年來隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對生活質(zhì)量的要求也日益提高，相應(yīng)地給水資源也帶來了更大的壓力。為了能夠準確反映該區(qū)域的水資源承載力狀況，本文從兩方面來選取指標，一方面，根據(jù)已有的水資源承載力研究文獻，參考其中選取頻次較高的指標，另一方面，針對河南省中原城市群的實際情況和特點，結(jié)合專家意見，選擇適合研究區(qū)的指標。鑒于研究區(qū)天然水資源匱乏、社會人口眾多和經(jīng)濟正處于高速發(fā)展階段，故對水資源、社會、經(jīng)濟這些方面提出較高要求，對水資源子系統(tǒng)、社會子系統(tǒng)和經(jīng)濟子系統(tǒng)分別取了3～5個指標，而對生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)只取了具有代表性的生態(tài)用水率這一項指標，最終本文以水資源子系統(tǒng)、社會子系統(tǒng)、經(jīng)濟子系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)作為水資源承載力目標的準則層，選取了13個指標(表1)。

構(gòu)建好評價指標體系后，對各個評價指標進行等級劃分，結(jié)合河南省中原城市群的水資源特點，將各評價指標劃分為5個等級(表1),構(gòu)建評語集V={v1，v2，v3，v4，v5}。其中v1級表示水資源承載力處于很差狀態(tài)，水資源矛盾十分突出；v2級表示水資源承載力處于較差狀態(tài)，但基本可以滿足各行業(yè)的用水需求；v3級表示水資源承載力處于一般狀態(tài)，沒有明顯的區(qū)域缺水問題；v4級表示水資源承載力處于較好狀態(tài)，水資源足夠支撐當?shù)氐慕?jīng)濟社會發(fā)展規(guī)模；v5級表示水資源承載力處于良好狀態(tài)，水資源與經(jīng)濟、社會、生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展，處于可持續(xù)利用的狀態(tài)。

2.3 評價指標權(quán)重的確定

水資源承載力涉及的因素眾多，不同的因素對其的影響力有所差別。從客觀上來看，不同的指標對水資源承載力的反映程度不同；從主觀上來看，不同區(qū)域的地域特點相差較大，在賦權(quán)時要考慮研究區(qū)域的實際情況。權(quán)重的計算方法大致分為主觀法和客觀法，其中層次分析法、比較矩陣法等主觀法主要根據(jù)決策者的經(jīng)驗來決定各指標的重要性，主觀性太強，易受人的意識的干擾，而熵權(quán)法等客觀法則存在過度依賴指標變化率的缺陷，因此，本文采用層次分析法和熵權(quán)法相結(jié)合的綜合賦權(quán)法來確定指標權(quán)重。

表1 2015年河南省中原城市群水資源承載力綜合評價指標及其分級標準

首先，利用層次分析法對準則層進行賦值，具體步驟見相關(guān)文獻[10-12]，這里只給出層次分析法中1～9標度法的評價標準(表2)和各子系統(tǒng)之間的判斷矩陣(表3)，計算結(jié)果為：準則層的四個子系統(tǒng)的權(quán)重分別為WU1=0.467 3，WU2=0.160 1，WU3=0.277 2，WU4=0.095 4。

表2 1～9標度法的評價標準

表3 四個子系統(tǒng)的判斷矩陣

然后，采用熵權(quán)法確定各準則層中各評價指標的權(quán)重，具體過程[13,14]不再贅述，計算結(jié)果為：指標層各個評價指標權(quán)的重分別為W1={0.267 6,0.198 1,0.148 4,0.170 3,0.215 6}，W2={0.209 5,0.303 1,0.183 0,0.304 4}，W3={0.338 4,0.236 5,0.425 1}，W4={1.000 0}。

最后，將各子系統(tǒng)的權(quán)重值和其內(nèi)各項評價指標的權(quán)重值相乘，得到各評價指標的最終權(quán)重(表4)。

表4 2015年河南省中原城市群水資源承載力各評價指標權(quán)重

2.4 利用單因素評價法計算評判矩陣R

(3)

(4)

其他等級隸屬度為0；

(5)

其他等級隸屬度為0；

(6)

其他等級隸屬度為0；

(7)

逆指標隸屬度計算公式如下：

(8)

(9)

其他等級隸屬度為0；

(10)

其他等級隸屬度為0；

(11)

其他等級隸屬度為0；

(12)

根據(jù)以上公式計算得到各地市隸屬度矩陣R。

2.5 模糊綜合評價計算

根據(jù)計算得到的權(quán)重矩陣A和各地市的隸屬度矩陣R，利用模糊綜合評級公式B=A·R可得到各地市的模糊綜合評價矩陣B。

評價指標的各等級所反映的水資源承載力的情況是不同的，對各等級賦予0～1之間的數(shù)值來進行量化，數(shù)值越大代表水資源承載能力越強，對等級v1，v2，v3，v4，v5分別取α1=0.1，α2=0.3，α3=0.5，α4=0.7，α5=0.9。根據(jù)下式計算水資源承載力的綜合評價值，計算結(jié)果見表5。

(13)

根據(jù)已有研究成果[16-18]，結(jié)合河南省中原城市群的水資源條件、生態(tài)環(huán)境特點以及社會經(jīng)濟發(fā)展情況，得到綜合評分值的分級標準(見表6)。

3 結(jié)果分析與討論

總體上看，河南省中原城市群的水資源承載力狀況較好，10個地市評分值均在0.2～0.5之間，說明該區(qū)域水資源承載力屬于適中程度，水資源仍具備一定的開采潛力，能夠維持社會經(jīng)濟的發(fā)展，生活、生產(chǎn)、生態(tài)用水相對來講處于平衡狀態(tài)，暫時不會面對嚴重的缺水問題。盡管水資源承載力都處于可承載狀態(tài)，但10個地市的綜合評分值仍表現(xiàn)出了一定的區(qū)分度(圖1)，根據(jù)綜合評分值由高到低排列依次是：許昌、鄭州、漯河、駐馬店、濮陽、焦作、鶴壁、開封、安陽、新鄉(xiāng)，其中許昌評分值最高為0.440 5，新鄉(xiāng)評分值最低為0.266 6。

3.1 各子系統(tǒng)承載力結(jié)果分析

受天然水資源情況的限制和人為政策的影響，各地市的水資源狀況、社會經(jīng)濟發(fā)展模式和生態(tài)環(huán)境都存在一定的差異，因此10個地市的水資源承載力表現(xiàn)出了一定的空間分異性。為了更加清楚地反映各地市在子系統(tǒng)層面表現(xiàn)出的空間分異性，本文對影響水資源承載力的水資源子系統(tǒng)、社會子系統(tǒng)、經(jīng)濟子系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)進行了獨立的模糊綜合計算，得到了各子系統(tǒng)的綜合評分值(圖2)。

(1)根據(jù)水資源子系統(tǒng)的評價結(jié)果，各地市的評分值由高到低分別為：駐馬店、濮陽、開封、漯河、焦作、許昌、新鄉(xiāng)、安陽、鄭州、鶴壁，其中駐馬店評分值最高，為0.307 4，安陽、鄭州、鶴壁最低，為0.1。整體上，河南省中原城市群的水資源子系統(tǒng)評分值較低，只有駐馬店和濮陽的評分值高于0.2，處于可承載狀況，其余地市的評分值均較低，處于準不可承載狀態(tài)。河南省中原城市群水資源量本就不夠豐富，河南省作為全國人口第一大省，人口眾多導致水資源量更為緊缺，人均水資源量甚至不及全國平均水平的1/5。同時，河南省作為我國重要的糧食基地，由于灌排設(shè)備的技術(shù)落后，灌溉用水占用了大量的水資源，水資源供需矛盾十分突出。

(2)在社會子系統(tǒng)評價結(jié)果中，各地市評分值由高到低分別為：鄭州、濮陽、許昌、鶴壁、焦作、新鄉(xiāng)、安陽、開封、駐馬店、漯河，其中鄭州評分值最高，為0.561 3，漯河評分值最低，為0.381 9。整體上，河南省中原城市群的社會子系統(tǒng)的評分值較高，其中鄭州、濮陽、許昌、鶴壁的評分值都超過了0.5，達到了良好可承載狀況，其余地市也均處于可承載狀況。河南省中原城市群的各地市人口密度普遍較大，2015年鄭州市人口密度更是達到了1 270 人/km2，盡管如此，但鄭州市的評分值卻是最高，主要是因為鄭州市作為省會城市，節(jié)水設(shè)施完備，經(jīng)濟發(fā)展迅速，人均GDP等指標的評分值較高，使得其社會子系統(tǒng)的總評分值最高。漯河的社會子系統(tǒng)評分值最低，主要是在于其人口密度大、經(jīng)濟發(fā)展緩慢，2015年漯河人口密度為976 人/km2，人口密度僅低于鄭州，而人均GDP僅為3.77萬元，同時受水資源條件等的影響，其生活用水定額僅為84.28 L/(人·d)。

(3)從經(jīng)濟子系統(tǒng)來看，各地市評分值由高到低分別為：許昌、鄭州、漯河、駐馬店、鶴壁、焦作、安陽、開封、新鄉(xiāng)、濮陽，其中許昌評分值最高，為0.800 4，濮陽評分值最低，為0.325 7。整體上，河南省中原城市群的經(jīng)濟子系統(tǒng)的評分值較高，其中許昌的評分值超過了0.8，達到了理想可承載狀態(tài)，鄭州、漯河、駐馬店的評分值超過了0.5，達到良好可承載狀態(tài)，其余地市也都處于可承載狀態(tài)。許昌和鄭州在農(nóng)業(yè)綜合灌溉用水定額、萬元GDP用水量、第一產(chǎn)業(yè)用水比例3項指標的評分值都較高，說明其社會發(fā)展水平較高，農(nóng)業(yè)節(jié)水效果顯著，對緩解水資源供需矛盾起到了良性作用。濮陽市的經(jīng)濟子系統(tǒng)的評分值最低，2015年濮陽的農(nóng)業(yè)綜合灌溉用水定額和萬元GDP用水量分別達到了4 260.35 m3/hm2和38.71 m3，在10個地市中排名最差，第一產(chǎn)業(yè)用水比例也高達70 %，說明其用水結(jié)構(gòu)需要進一步調(diào)整。

(4)在生態(tài)子系統(tǒng)的評價結(jié)果中，各地市評分值由高到低分別為：鄭州、漯河、濮陽、安陽、許昌、焦作、鶴壁、開封、新鄉(xiāng)、駐馬店，其中鄭州評分值最高，為0.9，駐馬店評分值最低，為0.238 6。整體上來看，河南省中原城市群的生態(tài)子系統(tǒng)的評分值較高，鄭州、漯河、濮陽的評分值都達到了理想可承載狀態(tài)，其余地市也都為可承載或良好可承載狀態(tài)。鄭州市生態(tài)子系統(tǒng)的評分值最高，其2015年的生態(tài)用水率高達15.46%，主要原因是自2013年被確定為全國水生態(tài)文明城市建設(shè)試點后，鄭州市高度重視水環(huán)境問題，積極完成水生態(tài)文明建設(shè)，水污染問題得到改善。駐馬店2015年生態(tài)用水率僅為1.19%，大部分河段水質(zhì)均超過Ⅴ類水質(zhì)，水生態(tài)失衡嚴重，嚴重制約了水資源承載力的提高。

3.2 各地市水資源承載力評價各子系統(tǒng)貢獻度分析

各子系統(tǒng)的權(quán)重值是不同的，同等分值的情況下，相比于權(quán)重值較低的子系統(tǒng)，權(quán)重值大的子系統(tǒng)的評分值對最后的綜合評價結(jié)果影響會更大。為了更好地表現(xiàn)出各子系統(tǒng)的評分值對綜合評分值的貢獻度，以及探究各子系統(tǒng)對水資源承載力的影響，本文計算了各地市綜合評分值中各子系統(tǒng)所占的分值，見各子系統(tǒng)所占分值的堆積圖(圖3)。經(jīng)過剛才的分析，我們已經(jīng)知道四個子系統(tǒng)中水資源子系統(tǒng)的狀況最差，生態(tài)子系統(tǒng)的狀況最好，但從圖3中可以看出，在水資源承載力的綜合評分中，這二者的表現(xiàn)卻并沒有表現(xiàn)出明顯的差距。原因在于水資源子系統(tǒng)在水資源承載力評價體系中更為重要，在前面的賦權(quán)過程中對其賦予了較高的權(quán)重，盡管其狀況較差，但僅從評分組成上來看并沒有表現(xiàn)出來。

圖3 各地市水資源承載力綜合評分值組成情況

3.3 城市群水資源承載力整體性評價

河南省中原城市群是一個城市集合體，我們不能只單一地考慮各地市的情況。在同一個城市群中，各城市的發(fā)展狀況密切相關(guān)，城市群不會任由其成員的某個子系統(tǒng)崩潰，比如某市出于某種原因水資源突然變得極度緊缺，其他城市勢必會將自己的水資源分給它，這便是研究城市群水資源承載力時所要考慮的整體性。本文將不同地市相同子系統(tǒng)的隸屬度值進行整合，并對其進行加權(quán)平均處理，進而可計算得到整個城市群各子系統(tǒng)的評分值，見表7。各子系統(tǒng)按評分值由高到低排列依次為生態(tài)子系統(tǒng)、經(jīng)濟子系統(tǒng)、社會子系統(tǒng)、水資源子系統(tǒng)，其中生態(tài)子系統(tǒng)最高，為0.563 8，水資源子系統(tǒng)最低，為0.166 3。城市群整體結(jié)果與單獨分析各地市時得到的結(jié)果是一致的，從整個城市群的角度看，水資源子系統(tǒng)依然是情況最差的，只有0.166 3，處于準不可承載，這意味著當河南省中原城市群中的城市面臨較嚴重的資源性問題時，很難通過城市群內(nèi)部的資源協(xié)調(diào)來解決，而只能考慮外調(diào)水等途徑。

表7 城市群各子系統(tǒng)評價結(jié)果

3.4 城市群水資源承載力評價各子系統(tǒng)貢獻度分析

同前面對各地市各子系統(tǒng)貢獻度的分析，從城市群這個整體上對各子系統(tǒng)的評分按其權(quán)重賦權(quán)，得到各子系統(tǒng)對整個城市群水資源承載力評分的貢獻度，見圖4。其中經(jīng)濟子系統(tǒng)貢獻度最高，達到了41 %，生態(tài)子系統(tǒng)貢獻度最低，只有15 %，水資源子系統(tǒng)和社會子系統(tǒng)貢獻度同為22 %。城市群中各地市的經(jīng)濟子系統(tǒng)本身狀況就較好，同時經(jīng)濟子系統(tǒng)的權(quán)重值也較高，因此最終經(jīng)濟子系統(tǒng)對水資源承載力評分的貢獻度最高。作為狀況最好的生態(tài)子系統(tǒng)，其貢獻度卻是最低的，這主要是由于生態(tài)子系統(tǒng)的權(quán)重值較低。

圖4 城市群水資源承載力評分各子系統(tǒng)貢獻度

4 結(jié) 論

(1)2015年河南省中原城市群水資源承載力狀況總體較好，從評價結(jié)果來看，安陽、鶴壁、焦作、開封、漯河、濮陽、新鄉(xiāng)、許昌、鄭州、駐馬店的水資源承載力綜合評分值分別為0.290 6、0.293 9、0.329 2、0.293 8、0.430 0、0.357 4、0.266 6、0.440 5、0.437 4、0.400 1，其中許昌評分值最高，為0.440 5，新鄉(xiāng)評分值最低，為0.266 6，10個地市均處于可承載狀態(tài)。

(2)從不同子系統(tǒng)來看，水資源子系統(tǒng)評分值普遍較低，其中駐馬店水資源子系統(tǒng)評分值最高，安陽、鄭州、鶴壁評分值最低，對于整個城市群來說，水資源子系統(tǒng)的情況也不容樂觀，改善該子系統(tǒng)狀況需要借助區(qū)域外的資源；社會子系統(tǒng)總體狀況較好，其中鄭州社會子系統(tǒng)評分值最高，漯河評分值最低；經(jīng)濟子系統(tǒng)總體狀況也較好，其中許昌經(jīng)濟子系統(tǒng)評分值最高，濮陽評分值最低，經(jīng)濟子系統(tǒng)對整個城市群水資源承載力的貢獻度最高；生態(tài)子系統(tǒng)總體狀況最好，其中鄭州生態(tài)子系統(tǒng)評分值最高，駐馬店評分值最低。

(3)目前河南省中原城市群的水資源承載力處于可承載狀態(tài)，但隨著人口的增多、社會經(jīng)濟的發(fā)展以及氣候環(huán)境的變化，水資源依然面臨著巨大的壓力。未來河南省中原城市群應(yīng)合理控制人口，深化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，提高節(jié)水意識，合理規(guī)劃水資源開發(fā)及利用，同時，針對各地市不同系統(tǒng)所面臨的問題，應(yīng)提出相應(yīng)的解決方法。