基于灰色關(guān)聯(lián)TOPSIS法的中原城市群地表水脆弱性評價(jià)*

馮飛翔，李鴻旭

(1.河北工程大學(xué)管理工程與商學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.中山大學(xué)系統(tǒng)科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

0 引言

隨著環(huán)境變化和經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，人類對水資源的需求日益增加，從而造成水資源短缺。目前，水資源問題已經(jīng)成為影響全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展最嚴(yán)重的問題之一[1]。在此背景下對水資源的脆弱性進(jìn)行研究顯得尤為重要。

“脆弱性”一詞起源于地下水的研究，1968年Margat[2]提出了地下水脆弱性的概念。水資源脆弱性不僅關(guān)系到地下水的水資源供需關(guān)系與矛盾，也涉及地表水的供需問題。因此，眾多學(xué)者對地表水資源脆弱性方面進(jìn)行了一系列研究[3-4]。

盡管當(dāng)前學(xué)者對地表水脆弱性評價(jià)已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，但是，這些方法并不適用于中原城市群地表水脆弱性評價(jià)研究的實(shí)際情況。現(xiàn)有關(guān)于中原城市群地表水脆弱性評價(jià)研究存在如下問題：一是單一的評價(jià)方法不能準(zhǔn)確反映地表水脆弱性的真實(shí)情況；二是評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重確定采用主觀賦權(quán)的方法，權(quán)重確定不夠合理。為了更加準(zhǔn)確地反映中原城市群地表水脆弱性的實(shí)際情況，項(xiàng)目組使用灰色關(guān)聯(lián)TOPSIS法、熵權(quán)法、GIS技術(shù)對中原城市群地表水脆弱性進(jìn)行評價(jià)，得出中原城市群地表水脆弱性評價(jià)結(jié)果，從而為中原城市群地表水治理提出針對性建議。

1 研究區(qū)概況

根據(jù)國務(wù)院2016年12月28日批復(fù)的《中原城市群發(fā)展規(guī)劃》，中原城市群涵蓋河南省、山西省、河北省、山東省和安徽省共5省30市，土地面積28.7萬平方公里。具體包括：河南省的鄭州、開封、洛陽、南陽、安陽、商丘、新鄉(xiāng)、平頂山、許昌、焦作、周口、信陽、駐馬店、鶴壁、濮陽、漯河、三門峽、濟(jì)源；山西省的長治、晉城、運(yùn)城；河北省的邢臺、邯鄲；山東省的聊城、菏澤；安徽省的淮北、蚌埠、宿州、阜陽、亳州。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于：各省統(tǒng)計(jì)年鑒，各個(gè)城市統(tǒng)計(jì)年鑒，《中國區(qū)域經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國林業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國城市統(tǒng)計(jì)年鑒》，各省水資源公報(bào)。

2.2 地表水脆弱性評價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

將影響中原城市群地表水脆弱性的因素劃分為自然脆弱性、人為脆弱性和承載脆弱性三類，參考鄒君等[5]的研究成果，從自然脆弱性、人為脆弱性和承載脆弱性三個(gè)方面選取12項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)，并將指標(biāo)劃分為正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)，正向指標(biāo)是指標(biāo)值越大，脆弱性程度越高。構(gòu)建中原城市群地表水脆弱性評價(jià)的指標(biāo)體系，如表1所示。

表1 中原城市群地表水脆弱性評價(jià)的指標(biāo)體系

2.3 地表水脆弱性評價(jià)模型的建立

2.3.1 權(quán)重計(jì)算

熵權(quán)法是一種客觀的確定權(quán)重的方法[6]，可以減少由于主觀權(quán)重設(shè)置不合理產(chǎn)生的評價(jià)誤差。主要步驟如下。

1）原始數(shù)據(jù)矩陣標(biāo)準(zhǔn)化。將原始數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得矩陣

式中：xij為第i個(gè)評價(jià)對象在第j個(gè)指標(biāo)的屬性值。

2）熵值計(jì)算。計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)下第i個(gè)評價(jià)對象的屬性值的權(quán)重yij。

計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)的熵值ej。

3）熵權(quán)值計(jì)算。計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)值wj。

其中：1-ej是第j個(gè)指標(biāo)的差異系數(shù)。

2.3.2 灰色關(guān)聯(lián)TOPSIS法

灰色關(guān)聯(lián)TOPSIS法是由孟衛(wèi)軍等[7]提出的一種綜合灰色關(guān)聯(lián)分析和TOPSIS法優(yōu)勢的多屬性決策方法?；疑P(guān)聯(lián)TOPSIS法保留了傳統(tǒng)TOPSIS法的優(yōu)勢，通過計(jì)算備選方案與理想方案之間的距離來進(jìn)行排序，同時(shí)，灰色關(guān)聯(lián)分析又能體現(xiàn)方案數(shù)據(jù)曲線幾何形狀的相似性。兩者結(jié)合能更加全面反映各方案的真實(shí)情況?；疑P(guān)聯(lián)TOPSIS法主要分為以下步驟。

1）構(gòu)建初始決策矩陣。設(shè)m個(gè)備選方案，n個(gè)評價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建初始決策矩陣X=（xij）m×n，其中xij為第i個(gè)備選方案在評價(jià)指標(biāo)j下的指標(biāo)值（i=1,2,L,m；j=1,2,L,n）。

2）初始決策矩陣規(guī)范化處理。對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理，得規(guī)范化矩陣Y=（yij）m×n，其中

3）構(gòu)建加權(quán)規(guī)范化決策矩陣。使用熵權(quán)法求得各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重向量W=（w1，w2，L，wn），對規(guī)范化決策矩陣進(jìn)行加權(quán)，得到加權(quán)規(guī)范化決策矩陣U=（uij）m×n，其中uij=yij·wij。

4）確定正理想解U+和負(fù)理想解U-。

5）計(jì)算備選方案到正、負(fù)理想解的距離。

6）計(jì)算備選方案與正、負(fù)理想解之間的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)。

其中，ζ為分辨系數(shù)，ζ∈[0，1]，常取0.5。

7）計(jì)算備選方案與正、負(fù)理想解的灰色關(guān)聯(lián)度。

8）對距離和關(guān)聯(lián)度進(jìn)行無量綱化處理。式（13）為各備選方案與正、負(fù)理想解的相對距離，式（14）為各備選方案與正、負(fù)理想解的相對關(guān)聯(lián)度。

9）計(jì)算備選方案的混合關(guān)聯(lián)度。

其中，α、β為決策者對位置和形狀的偏好程度，α+β=1。

10）計(jì)算備選方案的灰色相對貼近度。

3 中原城市群地表水脆弱性評價(jià)結(jié)果及分析

3.1 評價(jià)結(jié)果

采用熵權(quán)法求得各中原城市群地表水脆弱性評價(jià)指標(biāo)權(quán)重如表2所示。

表2 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)得到的權(quán)重和規(guī)范化初始決策矩陣，計(jì)算得出加權(quán)規(guī)范化決策矩陣，如表3所示。

確定各評價(jià)指標(biāo)的正、負(fù)理想解，如表4所示。

表4 評價(jià)指標(biāo)的正、負(fù)理想解

計(jì)算各備選方案與正、負(fù)理想解的灰色關(guān)聯(lián)度及灰色相對貼進(jìn)度，如表5所示。

表5 各備選方案與正、負(fù)理想解的灰色關(guān)聯(lián)度及灰色相對貼進(jìn)度

3.2 評價(jià)結(jié)果分析

根據(jù)上述評價(jià)結(jié)果，運(yùn)用ArcGIS10.2軟件，使用自然間斷點(diǎn)分級法將中原城市群地表水脆弱性劃分為極低脆弱區(qū)、低脆弱區(qū)、中等脆弱區(qū)、高脆弱區(qū)、極高脆弱區(qū)5個(gè)等級，如表6所示。

由表6可知，極低脆弱性區(qū)的地表水脆弱性級別較低，地表水承壓能力高，不易受到污染。低脆弱性區(qū)的地表水脆弱性級別比極低脆弱性區(qū)的脆弱性等級升高，地表水承壓能力變?nèi)?，但相對來說不易受到污染。中等脆弱性區(qū)的地表水脆弱性級別處于中等水平，地表水承壓能力一般，相對不易受到污染。高等脆弱性區(qū)的地表水脆弱性級別升高，地表水承壓能力降低，受到污染的可能性增大。極高脆弱性區(qū)的地表水脆弱性級別較高，地表水承壓能力較低，容易受到污染。

表6 中原城市群地表水脆弱性分區(qū)

從整體上看，中原城市群地表水脆弱性空間分布差異明顯，大致空間格局呈西部高、東部低的趨勢。其中，東部的宿州、蚌埠和亳州地表水脆弱性極低，邢臺、邯鄲、聊城、濮陽、菏澤、開封、周口、駐馬店、阜陽和淮北地表水脆弱性較低。安陽、鶴壁、新鄉(xiāng)、商丘、平頂山、許昌、漯河和信陽地表水脆弱性處于中等水平。西部的長治、晉城、運(yùn)城、焦作、鄭州和南陽地表水脆弱性較高，三門峽、洛陽和濟(jì)源地表水脆弱性極高。

通過對中原城市群各城市地表水脆弱性評價(jià)分析，可以發(fā)現(xiàn)，不同城市地表水脆弱性變化的影響因素存在明顯差異。從各指標(biāo)的變化來看，不同城市地表水脆弱性變化的影響因素也存在一定的關(guān)聯(lián)性?？傮w上，中原城市群地表水脆弱性上升的主要因素與降水量、森林覆蓋率、農(nóng)業(yè)發(fā)展、工業(yè)發(fā)展和人口密度等因素相關(guān)。

4 結(jié)論與建議

中原城市群地表水脆弱性的影響因素復(fù)雜多樣，本課題構(gòu)建了中原城市群地表水脆弱性評價(jià)指標(biāo)，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)TOPSIS法計(jì)算得出中原城市群的地表水脆弱性。評價(jià)結(jié)果分析表明：一方面，地表水脆弱性上升的主要原因是經(jīng)濟(jì)社會的高速發(fā)展，如工農(nóng)業(yè)發(fā)展加快、人口增長，造成用水量增大，并且加重了地表水的污染；另一方面，降低地表水脆弱性的主要影響因素有增加森林覆蓋率、減緩人口增長、提高水資源利用率及減少工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活的用水量等。為降低中原城市群地表水的脆弱性，需要做到以下幾點(diǎn)。

1）嚴(yán)格控制廢污水排放量，加強(qiáng)對污染源的控制，提高用水效率，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，緩解水資源短缺問題。

2）加強(qiáng)水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，推廣節(jié)水灌溉技術(shù)，減少農(nóng)藥與化肥的使用，建設(shè)高效節(jié)水農(nóng)業(yè)，減少對水資源的過度依賴。

3）加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)，提高森林覆蓋率，減少水土流失，緩解氣候變化產(chǎn)生的負(fù)面影響，提升生態(tài)區(qū)域修復(fù)能力。

4）增強(qiáng)水源保護(hù)意識，生活垃圾與污水集中處理，大力開展水資源保護(hù)知識宣傳，提高環(huán)境保護(hù)意識與監(jiān)督意識。