基于DPSIR-TOPSIS模型的河北省水資源承載力評價及障礙因素研究

石曉昕, 袁重樂, 錢 會， 徐盼盼， 鄭 樂

(1.長安大學 水利與環(huán)境學院， 陜西 西安 710064； 2.旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應教育部重點實驗室， 陜西 西安 710064)

1 研究背景

我國是一個水資源短缺的國家，人均水資源量不足世界人均水平的1/4，且水資源需求量隨著社會的快速發(fā)展不斷增加，導致水資源短缺、水環(huán)境惡化等問題日益凸顯，面臨的風險挑戰(zhàn)更加復雜[1-2]。究其原因是人類經濟社會發(fā)展對水資源造成的影響和干擾，致使水資源、經濟社會和生態(tài)環(huán)境三者之間嚴重失衡。為了充分合理利用水資源，使社會、生態(tài)和水資源保護協(xié)調發(fā)展，必須綜合考慮水資源系統(tǒng)承載力[3-4]。

水資源承載力概念最早是在20世紀80年代末提出的，之后水資源承載力的研究范圍和深度越來越大[5]。從研究方法來看，盧炎秋等[6]采用主成分分析法研究了恩施州水資源承載力，發(fā)現(xiàn)人口、水資源的利用情況和經濟社會發(fā)展是影響承載力的因素；安國慶[7]利用BP神經網(wǎng)絡對衡水市水資源承載力進行了時空分析，結果表明2010-2016年其水資源承載力呈先上升后降低的趨勢，空間上呈現(xiàn)東、西部地區(qū)分異的特征；楊光明等[8]通過構建系統(tǒng)動力學模型評價了重慶市水資源承載力；夏歡等[9]應用改進的TOPSIS法對連云港市水資源承載力進行了評價，并針對評價結果提出了合理化建議。除了上述研究方法，還有多目標分析法[10]、水足跡理論[11]、模糊綜合評價法[12]等。從評價體系來看，陳海濤等[13]基于水資源、經濟社會、生態(tài)環(huán)境3個方面構建了評價體系對河南省水資源承載力進行了評價研究；阮君等[14]基于DPSIR概念模型構建了評價指標體系。

綜上所述，水資源承載力已成為當下水資源領域研究的重點和熱點，現(xiàn)有的成果理論完善了其評價體系。但也存在著一些不足之處：在確定權重方面受主觀因素影響較大，結果不具有客觀性，如主成分分析法；在評價過程中無法反映真實和理想承載力水平之間的差距，如水足跡法；模糊綜合評價法容易忽略次要因素，評價結果不夠細致。與其他方法相比，TOPSIS方法不受指標和數(shù)據(jù)的限制，思路清晰且應用簡便。DPSIR模型能有效地反映各子系統(tǒng)之間的相互作用，被廣泛應用于水資源承載力水平研究。目前，針對河北省水資源承載力評價的研究較少，大都集中在對某個市的研究[15-16]，或者是將京津冀地區(qū)[17]作為整體系統(tǒng)來研究水資源承載力。鑒于此，本文采用DPSIR概念模型構建評價體系，利用熵權TOPSIS方法對河北省2010-2017年水資源承載力進行評價研究，并通過障礙度模型分析主要障礙因子，為河北省水資源承載力評價提供依據(jù)和方法，為協(xié)調水資源、生態(tài)環(huán)境和經濟社會發(fā)展的關系提供借鑒。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

河北省界于北緯36°05′～42°40′、東經113°27′～119°50′之間，東臨渤海，內環(huán)京津，總面積18.88×104km2，研究區(qū)域行政區(qū)劃分如圖1所示。該地屬溫帶大陸性季風氣候，四季分明。降水量季節(jié)差異大，分布特點為東南多西北少；年平均氣溫1.6～14.1 ℃，分布特征為南高北低。據(jù)2010-2017年資料統(tǒng)計，河北省多年平均水資源總量為161.79×108m3，平均用水量為190.05×108m3，水資源總量供不應求。平均人均水資源量為220.12 m3，僅相當于全國人均水平的10.51%。河北是京津地區(qū)水源地，不斷地向京津供水，支持其經濟社會和生態(tài)環(huán)境用水，承擔著保護用水安全的重要責任，但日益增長的用水需求使得河北省面臨水資源短缺、供需矛盾不斷加重等一系列問題。

圖1 研究區(qū)域行政區(qū)劃分圖

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文選取的數(shù)據(jù)均來自于2010-2017年《河北省統(tǒng)計年鑒》和《河北水資源公報》。

2.3 研究方法

2.3.1 綜合評價指標體系構建 DPSIR(driving force-pressure-state-impact-response)是一種由歐洲環(huán)境署對PSR模型做出改進后提出的概念模型，系統(tǒng)地概括了人與自然環(huán)境的相互作用與關系，還包含了社會、經濟、資源與環(huán)境等要素，具有綜合性、科學性、系統(tǒng)性等優(yōu)點[18-20]。該模型將水資源系統(tǒng)分為驅動力(driving force)、壓力(pressure)、狀態(tài)(state)、影響(impact)、響應(response)5大部分[21]。河北省水資源承載力評價指標體系由這5部分組成，共選取14個指標，如表1所示。

表1 基于DPSIR概念模型的河北省水資源承載力評價體系

2.3.2 熵權法 本文選用熵權法對指標賦權。熵權法是根據(jù)指標的原始數(shù)據(jù)的離散程度來確定指標權重，能夠避免因主觀因素、決策者而造成的誤差和影響，具有精度高、客觀科學的優(yōu)點，一般來說，熵值越小，對評價對象的作用越大，熵權越大，反之亦然[22-24]。具體的步驟如下：

令評價指標初始矩陣為：

(1)

式中：xij為指標j在第i年的數(shù)據(jù)。

對原始數(shù)據(jù)進行標準化處理：

(2)

(3)

(4)

式中：rij為指標j第i年的標準化值；xmax j、xmin j分別為相應指標對應的最大值和最小值；i=1,2,…,m,m為評價對象；j=1,2,…,n,n為評價指標。

計算權重：

(5)

(6)

(7)

式中：ej為信息熵；fij為指標的特征比重，當fij=0時，記lnfij=0。

得到權重為：

W=(w1,w2,…,wn)

(8)

2.3.3 TOPSIS模型 TOPSIS(technique for order preference by similarity to an ideal solution)全稱為“逼近于理想解的排序法”，是一種對多方案、多指標的系統(tǒng)進行決策評價的模型，通過構造正理想解和負理想解對評價對象進行排序，計算各評價方案與正負理想解的距離，再計算貼近度，與1越接近，表明評價結果越優(yōu)，反之越差。這種方法邏輯清晰，應用方便靈活，在水資源承載力研究中被廣泛使用[25-27]。具體步驟如下：

構造加權矩陣：

vij=wjrij

(9)

確定正負理想解：

(10)

(11)

計算不同方案到正、負理想解的距離：

(12)

(13)

計算貼近度：

(14)

式中：ηi與1越接近，評價結果越優(yōu)。

2.3.4 障礙度模型 通過障礙度模型對河北省水資源承載力的各子系統(tǒng)和單項指標進行障礙度大小評估，識別障礙因素[27]。引入因子貢獻度(Fij)、偏離度(Iij)和障礙度(pij、Pij)，計算公式如下：

Fij=wjzj

(15)

Iij=1-Rij

(16)

(17)

Pij=∑pij

(18)

式中：wj為各指標所占的權重；zj為各子系統(tǒng)所占的權重；Rij為標準化處理后的單項指標值。

3 結果與分析

3.1 河北省水資源承載力評價結果與分析

3.1.1 綜合系統(tǒng)水資源承載力分析 根據(jù)上述的方法及模型，計算得到2010-2017年河北省水資源承載力綜合評價值，結果如圖2和3所示。

由圖2可以看出，河北省水資源承載力的綜合水平變化趨勢呈“M型”，2010-2012年呈逐步遞增的態(tài)勢，2012-2014年其綜合評價值由0.591 6降至0.437 5，同比下降26.05%，2014-2017年有輕微的波動，呈先上升后下降的趨勢，主要是驅動力、狀態(tài)、影響子系統(tǒng)共同影響的結果。綜合來看，河北省2010-2017年水資源承載力波動較小，整體上處于中等水平。

圖2 2010-2017年河北省水資源承載力綜合評價結果

圖3 2010-2017年河北省水資源承載力的變化趨勢

3.1.2 DPSIR子系統(tǒng)水資源承載力分析 運用相同模型，進一步對河北省水資源承載力各子系統(tǒng)進行分析，計算得到2010-2017年各子系統(tǒng)水資源承載力評價值，結果如表2和圖4所示。

表2 各子系統(tǒng)水資源承載力評價結果

圖4 2010-2017年河北省各子系統(tǒng)水資源承載力評價結果

根據(jù)表2和圖4，對各子系統(tǒng)水資源承載力分析如下：

(1)驅動力子系統(tǒng)。2010-2017年驅動力子系統(tǒng)波動幅度較大，2010-2012年貼近度由0.171 7增大至0.627 8，到2014年又減小至0.348 9，2014-2017年呈先增大后減小的趨勢，整體來看是波動上升的，其主要原因在于河北省近年來的經濟發(fā)展水平不斷提高，尤其是在2015年之后我國將京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略確立為國家的重大發(fā)展戰(zhàn)略，人均地區(qū)生產總值不斷提高，貢獻率增大，而在2012-2014年及2016-2017年兩個階段內，驅動力子系統(tǒng)的貼近度降低，是由于這兩個階段內的產水模數(shù)降低，說明水資源總量減少，水資源供需矛盾變得突出，從而導致水資源承載力降低。

(2)壓力子系統(tǒng)。2010-2017年壓力子系統(tǒng)貼近度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。主要分為兩個階段，第1階段從2010年的0.503 6減小至2014年的0.282 8，第2階段從2014年的0.282 8增大至2017年的0.784 7，整體的發(fā)展趨勢較好。從原始數(shù)據(jù)來看，主要是因為自2014年之后，河北省農業(yè)化肥施用量以及工業(yè)用水量在不斷地減小，這得益于河北省相關的管理措施，推進有機肥代替農藥化肥，嚴格控制高毒農藥的使用，工業(yè)用水量在研究期間減少了11.84%，另外人均用水量也在不斷地減少，降低了水資源負荷，使得壓力子系統(tǒng)達到較高的承載力水平。

(3)狀態(tài)子系統(tǒng)。狀態(tài)子系統(tǒng)的貼近度呈不斷波動的趨勢，狀態(tài)子系統(tǒng)反映了驅動力和壓力子系統(tǒng)共同作用的結果。 2012、2016年狀態(tài)子系統(tǒng)的貼近度較高，分別為0.659 7、0.675 0，主要原因在于這兩個年度的降水豐沛，分別達到了1 138.22×108和1 118.4×108m3，使得區(qū)域水資源量和人均水資源量均有所增加，2014年的貼近度最低，僅為0.224 6，主要原因為該年年降水量少，導致水資源承載力水平較低。

(4)影響子系統(tǒng)。影響子系統(tǒng)的貼近度波動較大，從2010年的0.470 4增大至2011年的0.985 2，2014年驟減至0.129 2，2014-2017年整體有小幅度的上升。主要是供水綜合生產能力對影響子系統(tǒng)的影響比較大，其所占權重也達到了0.084 4，用水量的增加推動著供水綜合生產能力的增長，供水綜合生產能力欠缺會制約水資源承載力的發(fā)展，說明河北省仍需不斷完善供水設施，包括治理管網(wǎng)老化、提高水廠工藝等。

(5)響應子系統(tǒng)。響應子系統(tǒng)的貼近度在波動中上升，2010-2017年從0.477 0增大至0.719 7，同比增大了50.88%，其結果反饋了政府調控與政策傾向，2011-2017年河北省生態(tài)環(huán)境用水比重不斷增大；建成區(qū)綠化覆蓋率總體上呈小幅下降的趨勢，波動較小，這兩個指標的權重分別達到了0.079、0.087，說明環(huán)境的治理對水資源承載力水平起到了重要作用。

綜合來看，在驅動力作用影響下，水資源承載力發(fā)展受到一定壓力，會導致水資源發(fā)生變化，呈現(xiàn)出不同的狀態(tài)，狀態(tài)子系統(tǒng)承載力水平的波動范圍與驅動力、壓力子系統(tǒng)保持一致，且其隨著驅動力子系統(tǒng)承載力的變化而變化。影響子系統(tǒng)是各子系統(tǒng)呈現(xiàn)的狀態(tài)對人類社會環(huán)境的反饋作用，響應子系統(tǒng)是為應對水資源狀況出現(xiàn)的各種問題而采取的措施，以阻止環(huán)境惡化。由評價結果可知，響應子系統(tǒng)與其余子系統(tǒng)承載力的變化趨勢相差較大，說明河北省在經濟社會發(fā)展的同時，對生態(tài)環(huán)境的治理保護兼顧還不到位。

3.2 河北省水資源承載力障礙度因素診斷

3.2.1 主要障礙因素分析 根據(jù)障礙度模型，對2010-2017年河北省水資源承載力障礙度進行計算，選擇比重位于前5位的指標為主要障礙因子并對其進行排序，結果如表3所示。

表3 2010-2017年河北省水資源承載力主要障礙因素的障礙度排序

由表3可知，工業(yè)用水量(X5)和人均用水量(X7)在2010-2014年的障礙度所占比重較大，2015-2017年逐漸降低。分析原始數(shù)據(jù)可知，這兩個指標值在2015年之后開始有較大幅度下降，說明河北省逐漸重視對工業(yè)用水的控制，向節(jié)水型的新工藝技術方向發(fā)展，工業(yè)結構優(yōu)化、技術改革可以有效減少工業(yè)用水量，同時居民的節(jié)水意識也不斷提高，采用一些有效的節(jié)水技術來提高用水效率。其次出現(xiàn)次數(shù)較多的有農業(yè)化肥施用量(X4)、人均水資源量(X9)，農用化肥和農藥導致水體污染，加劇了水資源短缺，而且會影響飲水和糧食安全，因此需要及時采取措施控制有害物質的排放。再者，出現(xiàn)次數(shù)相對較多的為建成區(qū)綠化覆蓋率(X13)和生態(tài)環(huán)境用水比重(X14)，說明需要重視生態(tài)環(huán)境的建設與保護，改善水環(huán)境。在2015-2017年的排序中，出現(xiàn)了一些新的指標因素，包括人口密度(X2)、產水模數(shù)(X3)，表明驅動力子系統(tǒng)對水資源承載力的制約影響越來越大；另外還有生活用水占比(X6)和供水綜合生產能力(X11)，說明在今后的水資源管理規(guī)劃中，更應該注重單項指標的障礙度，將系統(tǒng)管理和單項因子治理相結合，做到統(tǒng)籌兼顧，提高水資源承載力水平。

3.2.2 各子系統(tǒng)障礙度分析 根據(jù)各項指標障礙度的分析結果可以得到各子系統(tǒng)的障礙度，如圖5所示。

圖5 2010-2017年河北省水資源承載力各子系統(tǒng)障礙度

由圖5可知，壓力子系統(tǒng)從2012年之后所占比重呈下降趨勢，但除2017年之外其余年份的障礙度依舊處于一個較高的水平；影響子系統(tǒng)在2011和2012年的障礙度較小，分別為0.179 9%、1.471 0%，從2013年開始所占比重增大；驅動力、狀態(tài)、響應子系統(tǒng)一直處于波動狀態(tài)，但總體來說比較穩(wěn)定。狀態(tài)子系統(tǒng)與驅動力子系統(tǒng)障礙度的變化趨勢相同，這也印證了二者水資源承載力水平的變化關系。綜合來看，在今后的水資源承載力發(fā)展與治理中，需更加關注驅動力、壓力和狀態(tài)子系統(tǒng)的優(yōu)化和調整，同時兼顧影響和響應子系統(tǒng)來不斷提高河北省水資源承載力水平。

4 討 論

本研究結果表明，河北省2010-2017年水資源承載力水平總體發(fā)展處于較平穩(wěn)的狀態(tài)，與張永芳等[28]對河北省水資源脆弱性的研究結果一致，其水資源脆弱性評價結果與本文承載力水平發(fā)展趨勢相反，驗證了承載力越高，脆弱性越低的結論。影響承載力的主要因素包括工農業(yè)用水量、人均用水量以及生態(tài)環(huán)境用水比重，主要是河北省作為工農業(yè)大省，其發(fā)展對水資源承載力起著極大的影響作用；同時河北省作為我國生態(tài)環(huán)境較為嚴峻的區(qū)域之一，其生態(tài)環(huán)境用水也是影響水資源承載力發(fā)展的重要因素。因此，當?shù)貞扇∮行У拇胧└纳朴盟F(xiàn)狀，促進可持續(xù)發(fā)展。

由于河北省各市部分指標數(shù)據(jù)不足，本文只對河北省時間序列的水資源承載力進行了評估，未對空間分布作詳細探討，在今后的研究中可以增加對各市水資源承載力的分析，結合時空分布，從整體上討論河北省水資源承載力水平，使評價結果更完整。

5 結 論

本文通過構建DPSIR模型，采用熵權法賦權、TOPSIS模型作為評價方法，建立了水資源承載力評價體系，并結合障礙度模型對河北省水資源承載力水平進行評價，主要結論如下：

(1)從整體水平上來看，河北省水資源承載力在2010-2017年間波動較小，其綜合評價指數(shù)從0.414 9上升至0.438 7，呈上升趨勢。

(2)從各子系統(tǒng)來看，除影響子系統(tǒng)水資源承載力下降外，其余子系統(tǒng)水資源承載力都有不同程度的提高。

(3)從障礙因素來看，河北省水資源承載力發(fā)展的主要障礙因素為壓力子系統(tǒng)，其次是狀態(tài)子系統(tǒng)、驅動力子系統(tǒng)。具體來說，影響河北省水資源承載力的主要障礙因子分為兩個階段，2010-2013年為工業(yè)用水量、人均用水量、生態(tài)環(huán)境用水比重；2014-2017年為農業(yè)化肥施用量、人均水資源量、建成區(qū)綠化覆蓋率。