基于熵權(quán)TOPSIS模型的自貢市水資源承載力評(píng)價(jià)

盧建秋 曹 越

（1.黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080）

引言

水資源是人類生存的基礎(chǔ)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的保障，是一項(xiàng)十分重要的基礎(chǔ)性資源。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程，水資源的供需問題已經(jīng)成為了人類發(fā)展迫切需要解決的問題[1]。水資源承載力是在一定的歷史發(fā)展條件下當(dāng)?shù)厮Y源對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)的最大支撐力[2]。水資源承載力評(píng)價(jià)是進(jìn)行水資源宏觀調(diào)控和合理配置的主要依據(jù)，是對(duì)水資源、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的綜合反應(yīng)，對(duì)區(qū)域水資源的合理開發(fā)利用具有指導(dǎo)意義[3]。

水資源承載力評(píng)價(jià)主要的評(píng)價(jià)方法有模糊綜合評(píng)價(jià)法，層次分析法，灰色關(guān)聯(lián)度法，主成分分析法等。但這些方法具有較強(qiáng)的主觀性或?qū)υ紨?shù)據(jù)有一定的限制要求。如層次分析法分析時(shí)研究對(duì)象不宜太多；主成分分析法分析時(shí)主成分因子符號(hào)有正負(fù)會(huì)導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果意義不明確等。本文采用結(jié)合熵權(quán)法的TOPSIS模型，通過熵權(quán)法來確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重避免了專家意見得分帶來的主觀因素的影響。TOPSIS模型對(duì)樣本數(shù)據(jù)沒有限制，簡便易行，能較為精準(zhǔn)的評(píng)價(jià)目標(biāo)間的優(yōu)劣程度，近年來得到廣泛的運(yùn)用。如王晗[4]等鄭州市水資源承載力綜合評(píng)價(jià)對(duì)鄭州市水資源可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。李勤[5]等基于改進(jìn)TOPSIS法的民用建筑再生利用方案，為民用建筑再生利用方案的選擇提供了新思路。孫瀅悅[6]等基于TOPSIS評(píng)價(jià)法的城市應(yīng)急避難所選址適宜性評(píng)價(jià)研究，為城市避難所的選址和適宜性提供了參考。本文采用此方法對(duì)自貢市2016—2020年的水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，以期為自貢市水資源可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

自貢市地處四川盆地南部，位于東經(jīng)104°02′57″—105°16′11″，北緯28°55′37″—29°38′25″，幅員面積為4 381km2。常住人口249萬人，地區(qū)生產(chǎn)總值1 458.43億元。自貢市為亞熱帶溫潤季風(fēng)氣候，全年雨量豐沛，集中在夏季，多年平均降雨量為1 003.18mm，全市人均占有水資源量880 m3，僅占全省人均水資源量的22.7%，屬水資源嚴(yán)重缺乏地區(qū)。全市河流分屬二個(gè)水資源三級(jí)區(qū)，西部越溪河、沙溪河屬青衣江和岷江干流水資源三級(jí)區(qū)，其余河流屬沱江水資源三級(jí)區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文所用數(shù)據(jù)均來自2016—2020年《自貢市水資源公報(bào)》和《自貢市統(tǒng)計(jì)年鑒》。

2 研究方法

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

表1自貢市水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

水資源承載力評(píng)價(jià)是研究水資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境之間協(xié)調(diào)發(fā)展的關(guān)系，在選取承載力子系統(tǒng)時(shí)以水資源供給、水資源消耗、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境為水資源承載力的子系統(tǒng)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。結(jié)合自貢市當(dāng)?shù)靥卣魈暨x15個(gè)具有代表性、科學(xué)性和可操作性的指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)見表1。為了充分分析水資源的供需問題將水資源分為消耗和供給兩個(gè)方面去評(píng)價(jià)承載力。水資源消耗子系統(tǒng)為從各個(gè)方面分析水量消耗，選取了人均用水量、萬元GDP用水量、農(nóng)業(yè)用水率等指標(biāo)；水資源供給子系統(tǒng)為了解自貢市水資源量和水資源的開發(fā)程度，選取產(chǎn)水模數(shù)、人均水資源量和水資源開發(fā)利用率為評(píng)價(jià)指標(biāo)；社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)為了解在水資源變化中社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展?fàn)顩r，選取第一產(chǎn)業(yè)GDP占比、城鎮(zhèn)化率和人均GDP為評(píng)價(jià)指標(biāo)；生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)為了解水資源對(duì)環(huán)境的影響和維護(hù)生態(tài)環(huán)境的用水狀況，選取污水處理率、生態(tài)用水率等評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)與目標(biāo)呈線性正相關(guān)或負(fù)相關(guān)確定指標(biāo)類別。

為準(zhǔn)確對(duì)水資源承載力評(píng)價(jià)和分級(jí)結(jié)合國內(nèi)已有研究文獻(xiàn)[7-8]先對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)見表2。其中Ⅰ級(jí)為可承載，Ⅱ級(jí)為弱可承載，Ⅲ級(jí)為臨界可承載，Ⅳ級(jí)為超載，Ⅴ級(jí)為嚴(yán)重超載[8]。

2.2 熵權(quán)TOPSIS模型基本原理

表2評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

熵權(quán)TOPSIS模型是先用熵權(quán)法確定各指標(biāo)層的權(quán)重，再用TOPSIS模型找到方案的最優(yōu)解和最劣解，通過計(jì)算出指標(biāo)與最優(yōu)解與最劣解之間的歐式距離來評(píng)價(jià)指標(biāo)。具體步驟如下：

（1）構(gòu)建原始矩陣。根據(jù)需要決策的目標(biāo)和評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)造出多目標(biāo)決策矩陣。

（2）決策矩陣無量綱化處理。

對(duì)決策矩陣中與分析結(jié)果正相關(guān)的指標(biāo)采用公式：

對(duì)決策矩陣中與分析結(jié)果負(fù)相關(guān)的指標(biāo)采用公式：

式中min（xj），max（xj）為第j列中xij的中的最小值和最大值。

（3）計(jì)算出指標(biāo)權(quán)重。

1）計(jì)算第i年第j項(xiàng)的比重。

2）計(jì)算信息熵。

其中n為年份數(shù)。

3）計(jì)算權(quán)重

其中m為指標(biāo)數(shù)。

（4）構(gòu)建TOPSIS模型

1）加權(quán)決策矩陣。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正向化和標(biāo)準(zhǔn)化處理：

其中wj為各指標(biāo)權(quán)重。

2）確定最優(yōu)理想解和最劣理想解

最優(yōu)理想解為：

最劣理想解為：

3）運(yùn)用計(jì)算歐式距離法計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)與最優(yōu)理想解與最劣理想解之間的距離

4）計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)與最優(yōu)解與最劣解的貼近度

Si越接近1說明評(píng)價(jià)指標(biāo)越接近最優(yōu)理想解，則水資源承載力水平越高。Si越接近0說明評(píng)價(jià)指標(biāo)越接近最劣理想解，則水資源承載力水平越低。

3 自貢市水資源承載力綜合分析

3.1 計(jì)算結(jié)果

（1）由熵權(quán)法確定的各指標(biāo)系數(shù)結(jié)果見表3。

（2）由TOPSIS法計(jì)算出的自貢市2016—2020年的各指標(biāo)的貼近度結(jié)果見表4。

表3評(píng)價(jià)指標(biāo)比重

表4自貢市2016-2020年水資源承載力結(jié)果

3.2 水資源承載力結(jié)果綜合分析

從圖1自貢市水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果圖中可以看出從2016年到2020年水資源承載力水平總體為上升趨勢(shì)，在2016—2017年水資源承載力為Ⅳ級(jí)到2018年水資源承載力增長到了Ⅲ級(jí)且直到2020年水資源承載力都在穩(wěn)定的增長。子系統(tǒng)中，水資源消耗子系統(tǒng)的水資源承載力保持在Ⅲ級(jí)且總體呈上升趨勢(shì)；水資源供給子系統(tǒng)水資源承載力水平呈V字型上升趨勢(shì)，2016年水資源供給子系統(tǒng)水資源承載力為Ⅳ級(jí)到2017年水資源承載力降至V級(jí)，經(jīng)過政府一系列工程措施，水資源供給子系統(tǒng)水資源承載力穩(wěn)定增長到2020年達(dá)到Ⅲ級(jí)；社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)水資源承載力2016—2020年均為Ⅲ級(jí)總體處于平穩(wěn)發(fā)展?fàn)顟B(tài)；生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)水資源承載力水平總體發(fā)展呈倒V型，2016年為Ⅲ級(jí)到2017—2019年達(dá)到Ⅱ級(jí)至2020年降至Ⅲ級(jí)。

圖1 自貢市水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果

從資料上分析，從2016年到2017年降雨量比上一年減少21.6%，水資源總量為68 216萬m3，比多年平均減少53.9%，是造成水資源供給子系統(tǒng)水資源承載力大幅降低主要原因。2018年降雨量比多年平均增加5.1%；小井溝水庫建成，累計(jì)向旭水河、釜溪河生態(tài)補(bǔ)水2 318萬m3，向雙溪水庫補(bǔ)充生活生產(chǎn)用水1 225萬m3，使水資源供給子系統(tǒng)水資源承載力得到提升；2020年降水量再次增加比多年平均增加10.2%，通過《小井溝水庫和雙溪水庫聯(lián)合調(diào)度方案》通過合理配置、優(yōu)化調(diào)度措施，使2020年水資源供給子系統(tǒng)水資源承載力再次得到提升。

水資源消耗子系統(tǒng)水資源承載力2016—2020年均為Ⅲ級(jí)，其中農(nóng)業(yè)用水率C3和耗水率C4均為阻礙水資源承載力的因素。農(nóng)業(yè)用水在2020年達(dá)到66.4%為Ⅴ級(jí)嚴(yán)重超載水平，總耗水率在2020為59.8%為Ⅳ超載水平。

生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)中污水處理率C11和城市綠地面積C12水資源承載力水平均達(dá)到Ⅱ級(jí)、森林覆蓋率C13水資源承載力水平均達(dá)到Ⅲ級(jí)且均呈緩慢上升趨勢(shì)；生態(tài)用水率C14從2016年的2.0%到2018年降到了1.2%，再從2018年升到了2020年1.9%，生態(tài)用水率是引起生態(tài)環(huán)境承載力變化的主要原因。生態(tài)環(huán)境的改善離不開水資源，生態(tài)用水對(duì)自貢市水資源承載力的提升有遲緩性。

社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)中人均GDPC102016—2020年水資源承載力水平為Ⅲ級(jí)且持續(xù)增長至2020年接近Ⅱ級(jí)。城鎮(zhèn)化率C9和第一產(chǎn)業(yè)GDP占比C8為水資源承載力增長的阻礙因素。城鎮(zhèn)化率C9從48.5%增至55.4%，使用水空間分布更集中，不利于水資源承載力提升；第一產(chǎn)業(yè)GDP占比C82020年水資源承載力增長到15.8%達(dá)到超載水平。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

本文采用熵權(quán)TOPSIS法從水資源供給、水資源消耗、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境四個(gè)方面分析自貢市2016—2020年水資源承載力，結(jié)果表明自貢市水資源承載力大多數(shù)為Ⅲ級(jí)臨界可承載狀態(tài)。水資源供給除了2020年為Ⅲ級(jí)其他年份均為Ⅳ級(jí)超載狀態(tài)，自貢市屬于資源型缺水城市。

（1）2016—2020年自貢市水資源承載力從Ⅳ級(jí)提升到Ⅲ級(jí)，貼近度在穩(wěn)定增長，表明自貢市的水資源承載力水平正在逐步的提升。但水資源承載力總體處于臨界可承載狀態(tài)，水資源壓力依舊嚴(yán)峻。

（2）農(nóng)業(yè)用水率、耗水率、第一產(chǎn)業(yè)GDP占比、城鎮(zhèn)化率、生態(tài)用水率是阻礙水資源承載力提升的障礙因素。其中農(nóng)業(yè)用水率、耗水率和第一產(chǎn)業(yè)GDP占比是阻礙水資源承載力提升的主要因素。

4.2 建議

從農(nóng)業(yè)用水率和第一產(chǎn)業(yè)GDP占比是阻礙水資源承載力提升的主要障礙因素來看，自貢市的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)占比較高，為了減輕水壓力應(yīng)該合理優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，應(yīng)該減輕農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)占比、大力發(fā)展低水耗的新型產(chǎn)業(yè)；同時(shí)農(nóng)業(yè)方面研發(fā)新型灌溉技術(shù)如采用滴灌等方法減少水資源的浪費(fèi)。從源頭了解生態(tài)環(huán)境用水機(jī)理，確保生態(tài)用水發(fā)揮最大作用，以減少生態(tài)用水量。自貢市為亞熱帶溫潤季風(fēng)氣候夏季降雨量豐沛，可以通過工程措施較少汛情的發(fā)生并提高水資源供給能力。