基于熵權(quán)TOPSIS模型的晉城市水資源承載力分析

李治軍景安琳黃佳俊侯岳

(1.黑龍江大學水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江大學寒區(qū)地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080)

引言

隨著科技與經(jīng)濟的不斷發(fā)展、壯大、日益繁榮，對水資源的壓力也愈來愈大。晉城市水資源可持續(xù)發(fā)展和城市綜合能力快速增長的矛盾日益加劇。水資源承載力是指水資源在特定歷史發(fā)展和社會經(jīng)濟發(fā)展階段下的水資源特征，以現(xiàn)有的技術(shù)、經(jīng)濟指標、統(tǒng)計數(shù)據(jù)和社會發(fā)展水平為依據(jù)，基于水資源可持續(xù)開發(fā)利用和高效配置為原則，以保護生態(tài)環(huán)境和水生態(tài)文明協(xié)調(diào)發(fā)展為條件，經(jīng)過合理規(guī)劃和優(yōu)化，對該地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護的最大承受能力和滿足程度。

對于水資源承載力的評價方法有很多種，主要分為3大類：經(jīng)驗估算法，是一種區(qū)域水資源供需平衡分析，根據(jù)水資源總量，可利用水資源量，需水量等來確定水資源承載力；指標體系評價法，代表方法為層次分析法[5]、模糊綜合評價法[6]、主成分分析法[7]等，操作簡單、便捷，利用所選擇的指標體系，來反映區(qū)域水資源承載力；復雜系統(tǒng)分析法[8]，有人工神經(jīng)網(wǎng)絡法[9]、系統(tǒng)動力學法等[10]，該方法更能體現(xiàn)水資源承載力的情況，以及其相互之間的關(guān)系，但對于其他方法來說，考慮指標時需要更加全面，過程也更為復雜。

本文采用熵權(quán)TOPSIS模型對山西省晉城市構(gòu)建水資源承載力評價指標體系。利用熵權(quán)法來確定權(quán)重，以此來更加準確地呈現(xiàn)出各指標的重要程度，TOPSIS模型是依據(jù)不同評價對象與正負理想解之間的遠近程度來確定各指標對象的優(yōu)劣，是多目標決策分析中一種常用的有效方法[11]。

1 區(qū)域概況

晉城市位于山西省東南部分，N35°11′～36°04′，E111°55′～113°7′，全市總面積9490km2。境內(nèi)主要有丹河和沁河2大流域[12]，以及衛(wèi)河直流。晉城市水資源情況包含晉城城區(qū)、陽城縣、澤州縣、沁水縣、陵川縣和高平市。晉城市人均水資源量626m3/人，不足全國人均水資源量的1/4，屬于典型的資源型缺水地區(qū)[13]。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文中的水資源開發(fā)利用率、產(chǎn)水模數(shù)、人口總量、水功能區(qū)水資達標率等水資源指標、社會指標、生態(tài)指標數(shù)據(jù)來源于《晉城市水資源公報》(2015—2020)；人口自然增長率、萬元GDP用水量、萬元工業(yè)增加值用水量等經(jīng)濟指標來自于《晉城市國民經(jīng)濟及社會發(fā)展統(tǒng)計公報》(2015—2020)。

2.2 研究方法

2.2.1 利用熵權(quán)法取得各項指標權(quán)重

2.2.1.1 得到原始矩陣，并將各項指標標準化

原始矩陣Xij，為第j個指標第i年的原始數(shù)值；m為評價指標；n為評價年份(i=1，2……n；j=1，2……m)[14]。

(1)

各項指標有正向指標和負向指標之分，正向指標為該指標越大越優(yōu)型，具有極大值屬性；負向指標為該指標越大越劣型，具有極小值屬性[15]。通過以下公式將原始矩陣真標準化，得到標準化矩陣Bij。

正向指標計算公式：

(2)

負向指標計算公式：

(3)

2.2.1.2 熵權(quán)法確定評價指標的權(quán)重

熵權(quán)法是一種相對客觀確定權(quán)重的方法，相對于較為主觀確定權(quán)重的層次分析法來說，更加具有準確性。根據(jù)已知數(shù)據(jù)，算出各指標的信息熵，再根據(jù)信息熵得出各指標權(quán)重[16]。

確定信息熵Ej：

(4)

(5)

確定指標權(quán)重wj：

(6)

2.2.2 TOPSIS計算

根據(jù)熵權(quán)法所確定的權(quán)重wj，構(gòu)建以熵權(quán)法確定的權(quán)重規(guī)范化評價矩陣Zij。

Zij=wjBij

(7)

(8)

(9)

計算各評價對象最優(yōu)解的相對貼近度Aj。當?shù)贸龅臄?shù)值越大，證明該評價對象距離正理想解越近，負理想解越遠，評價得分越高；反之亦然。

(10)

2.3 指標體系的建立

根據(jù)水資源承載能力與水資源現(xiàn)狀、水資源在生產(chǎn)生活中所發(fā)揮的作用，以及以水資源為基礎產(chǎn)出的經(jīng)濟情況，結(jié)合晉城市水資源狀況，確定以下15指標作為評價指標體系。分別從水資源、社會、經(jīng)濟、生態(tài)4個方面作為系統(tǒng)層，在不同層面上分析水資源承載力的不同[18,19]。

3 結(jié)果與分析

根據(jù)上述公式將已知數(shù)據(jù)進行標準化處理后，先得出各指標信息熵，最終得出各指標權(quán)重，結(jié)果見表2。

表1 晉城市水資源承載力評價指標體系

表2 評價指標標準化結(jié)果及各指標權(quán)重

晉城市評價指標體系運用熵權(quán)TOPSIS法得出各指標在2015—2020年與正負理想解之間的距離，得出樣本最優(yōu)解相對貼近度，見表3。

表3 正負理想解距離、貼近度及排名

圖1 正負理想解距離以及貼近度數(shù)值

貼近度值越大，表明水資源承載力相對越好；貼近度值越小，表明水資源承載力相對越差[20]。

從表2可以看出，2020年和2015年水資源相對充沛，X14人工生態(tài)環(huán)境用水率、X15水功能區(qū)水質(zhì)達標率、X2水資源開發(fā)利用率位于近6a前列；X5人口密度、X8人口自然增長率、X10萬元GDP用水量、人均水資源占有量數(shù)值相對較小，分別位居第1、第2，水資源承載力處于中等較強協(xié)調(diào)發(fā)展狀態(tài)。2016年和2018年貼近度相近，X1單位面積水資源量、X3產(chǎn)水模數(shù)、X4人均水資源占有量數(shù)值相對靠前；X5人口密度、X14人工生態(tài)環(huán)境用水率數(shù)值相對靠后，位居第3、第4，水資源承載力處于較弱狀態(tài)。2017年位居第5，X1單位面積水資源量、X8人口自然增長率相對靠前；X6人均生活用水量、X14人工生態(tài)環(huán)境用水率在所有指標中處于靠后位置，此時水資源承載力也處于較弱狀態(tài)，人類的經(jīng)濟活動與水資源狀況此時的相互協(xié)調(diào)能力較弱。在研究年份中貼近度最低的一年為2019年，X2水資源開發(fā)利用率、X15水功能區(qū)達標率居于靠前位置，X1單位面積水資源量、X3產(chǎn)水模數(shù)、X4人均水資源占有量都處于末尾位置，水資源承載力馬上進入到較差的狀態(tài)，人類的經(jīng)濟活動與水資源狀況馬上要進入不協(xié)調(diào)狀態(tài)。

綜上也可以看出，X1單位面積水資源量、X3產(chǎn)水模數(shù)、X4人均水資源占有量、X14人工生態(tài)環(huán)境用水率、X15水功能區(qū)水質(zhì)達標率都為正向指標，有利因素。X6城鎮(zhèn)化率也為正向指標，但城鎮(zhèn)化率逐年下降，雖然也對晉城市水資源承載力存在正向影響，但影響不大。其他指標均為負向指標，對晉城市水資源承載力存在反向作用。2020年水資源承載力數(shù)值不高，并且正向指標的值與其他指標相比也偏低。

從權(quán)重上看，權(quán)重最大為X14人工生態(tài)環(huán)境用水率，最小的為X7人均生活用水量。權(quán)重由大到小為X14、X5、X11、X10、X8、X13、X1、X3、X12、X4、X6、X9、X2、X15、X7。水資源子系統(tǒng)權(quán)重大小的排序為經(jīng)濟系統(tǒng)>社會系統(tǒng)>水資源系統(tǒng)>生態(tài)系統(tǒng)。由此可見，即使X14人工生態(tài)環(huán)境用水率為所有影響因素中權(quán)重最大的，也不會改變各系統(tǒng)層對水資源承載力的影響。

由表3可以確定，2020年水資源承載力為最好的一年，貼近度為0.515；2019年為水資源承載力最差的一年，貼近度為0.286。晉城市2016—2018年貼近度變化不大，表示水資源承載力也是較為穩(wěn)定的，到2019年發(fā)生轉(zhuǎn)折突然下降，2020年成為近6a水資源承載力最好的一年。具體大小排序為2020年>2015年>2018年>2016年>2017年>2019年。

由圖1可以看出，2016年、2017年、2018年及2019年都是與正理想距離更遠，與負理想距離更近，貼近度數(shù)值都小于0.5，2015年正負理想距離基本類似，所以貼近度為0.5，只有2020年與正理想距離更近，與負理想距離更遠，貼近度值越大，水資源承載能力越好。

4 結(jié)論

本文運用熵權(quán)TOPSIS方法，涵蓋了4個方面15個評價指標對晉城市2015—2020年6a間水資源承載力進行評價，根據(jù)評價結(jié)果可以得到，水資源承載力處于不穩(wěn)定的波動狀態(tài)，這6a間水資源承載力最好以及較為不好的年份為相近的2a，2020年和2019年。最終水資源承載力評價結(jié)果從高到低為2020年、2015年、2018年、2016年、2017年、2019年。晉城市水資源情況不容樂觀，其貼近度值最大的才為0.515，對晉城市水資源合理分配依舊任重道遠。在系統(tǒng)層中對權(quán)重影響較大的為經(jīng)濟系統(tǒng)和社會系統(tǒng)，故水資源承載力與人類經(jīng)濟活動發(fā)展，社會發(fā)展關(guān)系較大，加強區(qū)域的水資源承載能力，也是對經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展提供有力后盾。