基于TOPSIS模型的鄭州市水資源承載力研究

杜雪芳 李彥彬 張修宇

摘 要：鄭州市作為中原城市群核心城市，其水資源的變化與城市經濟、社會等方面的發(fā)展密切相關。為科學分析鄭州市水資源承載力現狀，從水量、水質、水域和水流四維角度出發(fā)，在分析鄭州市水資源現狀的基礎上，構建“量-質-域-流”水資源承載力評價指標體系，采用主客觀賦權法和TOPSIS模型對鄭州市2010—2019年水資源承載力進行評價。結果表明：研究期內鄭州市水資源承載力呈現波動增長趨勢，2015年之后水資源承載力持續(xù)增長，2018年水資源承載力等級達到Ⅰ級。分析各維度水資源承載力發(fā)現，鄭州市屬資源型缺水城市，應進一步提升城市節(jié)水水平，優(yōu)化水資源配置。

關鍵詞：水資源承載力;評價;主客觀賦權法;TOPSIS模型;鄭州市

中圖分類號：TV213.4

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.02.017

引用格式：杜雪芳，李彥彬，張修宇.基于TOPSIS模型的鄭州市水資源承載力研究[J].人民黃河，2022，44（2）：84-88.

Abstract： As the core city of the central plains urban agglomeration， the change of water resources in Zhengzhou is closely related to the development of urban economy and society. In order to scientifically analyze the current situation of water resources carrying capacity in Zhengzhou， based on the analysis of the current situation of water resources in Zhengzhou， this paper constructed a quantity-quality-domain-flow water resources carrying capacity index system， and used the subjective and objective weighting method and TOPSIS model to evaluate the water resources carrying capacity of Zhengzhou from 2010 to 2019. The results show that the water resources carrying capacity of Zhengzhou has fluctuated and increased in research period. After 2015， the water resources carrying capacity has continued to increase， and the water resources carrying capacity reached to grade I in 2018. Through further analysis of water resources carrying capacity in all dimensions， it is found that Zhengzhou belongs to the resources-type water shortage. Next， it should further improve the urban water-saving level and optimize the allocation of water resources.

Key words： carrying capacity of water resources;evaluation;subjective and objective weighting method;TOPSIS model;Zhengzhou City

1 引 言

水資源是人類生存和經濟社會發(fā)展不可或缺的重要基礎性自然資源，與糧食、石油并列為三大戰(zhàn)略資源。《2019年全球風險報告》和《2020年全球風險報告》把水資源危機列為影響全球的十大風險因素之一，《2021年全球風險報告》把自然資源危機（包含水資源危機）列為全球第五大風險因素。由此可見，水資源安全影響人類生存、社會穩(wěn)定及經濟發(fā)展，是治國安邦的大事。

我國經濟社會進入新發(fā)展時期，城鄉(xiāng)人口的變化和經濟社會的高質量發(fā)展，對水資源的開發(fā)利用提出了更高要求?？茖W有效地評價水資源承載力，對保障區(qū)域水資源安全利用，維持經濟社會的高質量發(fā)展，促進城市發(fā)展、提高人民生活質量以及合理規(guī)劃未來發(fā)展模式有重要意義。近幾年來，許多專家學者從評價模型、評價方法、動態(tài)預測預警及診斷方面對水資源承載力開展了許多研究，如徐凱莉等[1]采用系統(tǒng)動力學模型模擬水資源承載能力，門寶輝等[2]基于云理論評價了北京市水環(huán)境承載力，葉海焯等[3]利用協調發(fā)展度評價了南京市水資源承載狀態(tài)，余灝哲等[4]基于量-質-域-流評價了京津冀水資源承載力，左其亭等[5]基于組合權重和TOPSIS模型評價了黃河流域九?。▍^(qū)）水資源承載力，許楊等[6]基于DPSR-改進TOPSIS模型評價了淮安市水資源承載力。杜雪芳等[7-8]曾針對黃河下游生態(tài)型灌區(qū)水資源承載力進行研究，發(fā)現影響水資源承載力的因素有很多，如人口、經濟社會發(fā)展指標、水量、水質、氣候變化等。過去對水資源承載力的研究多從供需水和水污染的角度開展，而水資源開發(fā)利用中也存在水域空間侵占、水資源過度開發(fā)等問題[9-10]。為提升水資源承載力評價結果的準確性，本文基于上述研究，從量-質-域-流層面對鄭州市水資源承載力進行研究，以期為開展鄭州市水資源調配和提升水資源承載力提供參考。

2 研究區(qū)概況與數據來源

2.1 研究區(qū)概況

鄭州市是中原城市群的核心城市，位于河南省中部，近年來發(fā)展迅猛，2016年被納入國家中心城市建設行列。《鄭州建設國家中心城市行動綱要（2017—2035年）》中提到，預計鄭州市2035年人口規(guī)模達到1 350萬，國內生產總值達到3萬億元、人均GDP達到22萬元、城鎮(zhèn)人口比例達到90%。2019年鄭州市常住人口1 035.2萬，城鎮(zhèn)人口約772萬，城鎮(zhèn)化率74.6%，生產總值11 590億元。

鄭州市北靠黃河，南連黃淮平原，地勢西南高、東北低，境內河流分屬黃河和淮河兩大水系，其中流域面積較大的河流29條，2019年水資源總量為6.32億m3（比2018年減小13.2%），各行政區(qū)的地表水資源量均低于多年平均水資源量，人均水資源占有量僅為全國的1/10，屬于嚴重缺水地區(qū)。

2.2 數據來源

本文選取12個評價指標對2010—2019年鄭州市水資源承載力進行評價，所用數據來源于《河南省水資源公報》《河南統(tǒng)計年鑒》《河南省環(huán)境質量狀況公報》及國家統(tǒng)計局等。

3 研究方法

3.1 評價指標體系構建

評價指標體系的構建是科學評判一個區(qū)域水資源承載力的關鍵。為了使所選指標充分反映系統(tǒng)特征，選擇指標時應遵循系統(tǒng)性、典型性、層次性、綜合性、可獲得性等原則，結合相應的衡量標準與計算方法，對指標進行分類排序，將相關性小的指標剔除[11-12]。通過文獻梳理發(fā)現，過去對水資源承載力的研究大多與水量和水質有關，而忽略了水域空間、水動力過程對水資源承載力的影響。因此，本文從水量、水質、水域、水流4個維度，結合經濟社會系統(tǒng)、水資源系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)3個系統(tǒng)特征，構建水資源承載力評價指標體系（見表1）。水量維度反映區(qū)域的水資源自然稟賦條件、水資源利用程度和社會經濟發(fā)展過程中的用水水平，指標選取產水模數、人均用水量、每公頃農田灌溉用水量、萬元工業(yè)增加值用水量;水質維度反映河湖污染物種類、濃度及污水處理水平，指標選取水功能區(qū)水質達標率、污水處理率、萬元GDP化學需氧量（COD）排放量、萬元GDP氨氮排放量;水域維度反映區(qū)域或流域的水域面積、植被覆蓋度、水網密度、地下水開采狀況，指標選取地下水開采率、綠化覆蓋率;水流維度主要反映生態(tài)環(huán)境方面的用水以及生態(tài)基流的滿足程度，指標選取生態(tài)耗水量和生態(tài)補水比例。

3.2 指標權重確定

3.2.1 層次分析法

層次分析法（AHP）由美國運籌學家T. L. Saaty提出，該方法采用定性與定量相結合的方法確定指標權重，常被用來解決多準則決策問題[13-15]，其主要步驟如下。

平均隨機一致性指標RI取值見表2。

一致性比率CR計算公式為

若CR<0.1或λmax=n，則表明判斷矩陣滿足一致性要求。

（3）層次總排序及一致性檢驗。檢驗各個層次整體排列的一致性，計算各個層次的要素相對系統(tǒng)整體目標的綜合權重，最終得到最優(yōu)決策方案。

3.2.2 熵權法

熵權法（EWM）相比德爾菲法、層次分析法等主觀賦權法具有客觀性，能夠更好地對結果進行解釋，其利用信息之間的差異性進行賦權，但采用此方法需要有部分樣本量，通過樣本確定權值，再根據所確定的權值進行分析[16]，主要步驟如下。

（1）初始數據正趨化與標準化處理。采用減法一致化法對負向指標進行一致性處理，處理后的指標按下式進行標準化：

（2）計算第a個評價樣本第j個指標的特征比重。計算公式為

（3）計算各指標的信息熵。計算公式為

當一個系統(tǒng)信息完全無序（即有序度為零）時，其熵值最大（ej=1）。ej越大表明該指標提供的信息量越少，即該指標對評價影響不大，可考慮將其剔除。

（4）計算差異度系數和指標權重。計算公式為

3.3 水資源承載力評價模型

TOPSIS法又稱優(yōu)劣解距離法，它依據評價方案與理想解的歐氏距離來進行評價方案的優(yōu)劣排序。其基本原理是通過分析樣本對象的優(yōu)劣狀態(tài)，建立樣本對象最優(yōu)（最劣）方案即正（負）理想點，并確定樣本對象與正（負）理想點的距離，進而求得樣本對象與理想點的貼近程度[17-19]。主要步驟如下。

4 結果與分析

4.1 結 果

（1）指標權重。根據鄭州市2010—2019年水資源現狀，構建水資源承載力綜合評價指標體系，利用AHP和EWM分別計算主觀權重和客觀權重，取二者的平均值作為組合權重，結果見表3。由表3可知，AHP與EMW權重計算結果雖然存在差異，但在量-質-域-流四維視角下權重計算整體趨勢是一致的。從權重視角看，人均用水量對鄭州市水資源承載力影響較大，綠化覆蓋率和生態(tài)耗水量影響較小，這與鄭州市近年來城鎮(zhèn)人口不斷增加、用水需求量逐年增大的現狀相符;從維度視角看，水量和水質對水資源承載力影響顯著，用EWM計算的水量和水域權重較大，用AHP計算的水質和水流權重較大。鑒于這兩種方法在計算中各有側重，為保證評價結果的合理性，本文采用代數法將主觀和客觀權重進行組合，所得組合權重作為最終權重計算值。

（2）貼近度Ca。利用式（10）～式（12）計算2010—2019年鄭州市水資源承載力貼近度Ca，并對綜合貼近度進行排序，結果見表4。

由表4可知：水量維度的貼近度整體呈減小趨勢，說明鄭州市2010—2019年水資源數量情勢嚴峻，需要調用客水對各行業(yè)供水進行補充，以保證經濟社會持續(xù)發(fā)展;水質維度的貼近度逐漸靠近1，說明水質有較明顯改善，與河流控制斷面監(jiān)測結果一致;水域和水流研究期內波動變化，表明過去對生態(tài)環(huán)境保護、地下水開采、水域空間保護方面重視不夠。綜合量-質-域-流4個維度，對綜合貼近度進行排序后發(fā)現，鄭州市2010—2019年水資源承載力不斷增強，且2014年年底南水北調中線正式通水后，在調水補償和開展節(jié)水宣傳等多方面因素的共同促進下，2016年起鄭州市水資源承載力明顯增大。

4.2 水資源承載力綜合分析

將鄭州市2010—2019年水資源承載力按貼近度等分為4級：Ⅰ級為可承載（0.75～1.00），Ⅱ級為臨界承載（0.50～0.75），Ⅲ級為臨界超載（0.25～0.50），Ⅳ級為超載（0～0.25）。評價結果見圖1，由圖1（a）可知，鄭州市水資源承載力呈波動增長的趨勢，2015年之后水資源承載力持續(xù)增大，原因是2013年開始實行最嚴格水資源管理制度，通過嚴格控制用水總量和入河湖排污總量，提高用水效率，提升了水資源承載力。由2010—2019年《鄭州市水資源公報》可知，2014年鄭州市水功能區(qū)水質達標率開始提升，2019年省控斷面監(jiān)測結果達標率為100%，較2010年達標率11.1%提升顯著。隨著鄭州市經濟社會的發(fā)展，用水需求量不斷增大，生態(tài)補水比例增長顯著，污染物排放量逐漸減少，但人均水資源占有量并無明顯提升，且水資源開發(fā)利用程度高于國際公認的40%警戒線，需要進一步開展節(jié)約用水和引調客水來滿足生活生產需要。

鑒于水域和水流維度評價指標權重較小，本文從水量維度和水質維度對鄭州市水資源承載力進一步分析，結果見圖1（b）和圖1（c）?？梢钥闯?，2010—2019年鄭州市水量承載力總體呈下降趨勢，水質承載力增長顯著，因此判斷鄭州市屬于資源型缺水城市。鄭州市2019年各行政區(qū)水資源承載力水量維度評價結果見圖2。

由圖2可以看出，鄭州市2019年水資源承載力臨界超載區(qū)域主要集中在鄭州市區(qū)、新密市、上街區(qū)及其周圍部分區(qū)域，滎陽市水資源承載力等級為Ⅰ級，鞏義市、登封市、新鄭市、中牟縣水資源承載力等級均為Ⅱ級。以鄭州市區(qū)為例，其生活用水量占全市生活用水量的90.37%，河湖補水量占全市生態(tài)環(huán)境用水量的65.23%，工業(yè)用水量占全市工業(yè)用水量的28.37%，相較于其他地區(qū)占比較大，水資源需求量大，因此需開展節(jié)約用水工作和引外調水源來補足城市發(fā)展所需水量。鄭州市近些年來水資源問題改善明顯，但市區(qū)及用水量較大的其他區(qū)域在節(jié)水方面仍有較大的提升空間，如通過增加先進的水處理設施、優(yōu)化城市產業(yè)布局、合理規(guī)劃建設城市水系、大力推廣節(jié)水技術與設施、提高雨洪水和中水利用率等措施，減小城市用水壓力、解決水資源空間分布不均衡等問題。

5 結 語

以鄭州市為研究區(qū)，通過分析其水資源現狀，結合水量、水質、水域、水流特點，構建“量-質-域-流”水資源承載力評價指標體系，采用主客觀賦權法與TOPSIS模型對水資源承載力進行分析，結果表明2010—2019年鄭州市水資源承載力增長顯著，但仍然存在資源型缺水的問題。對2019年鄭州市各行政區(qū)水量承載力做進一步評價分析，結果與其水資源現狀一致。本次評價由于水質、水域和水流相關數據較難獲取，因此指標選擇受限，下一步需運用遙感、大數據等技術，完善水資源承載力評價指標體系。

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【責任編輯 張華興】