基于熵權(quán)—TOPSIS原理的濟南市資源環(huán)境承載力評價研究

周景陽，常莎莎

（山東建筑大學(xué) 管理工程學(xué)院，山東濟南 250101）

0 引言

隨著城市人口和人類活動的無限擴張，城市面臨著交通堵塞、環(huán)境污染、生態(tài)惡化等問題，給城市的可持續(xù)發(fā)展帶來巨大挑戰(zhàn)[1，2]。濟南市作為山東省省會城市，在2018 年城鎮(zhèn)化率達到72.1%，且隨著區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展等國家戰(zhàn)略的實施，濟南市成為省會經(jīng)濟圈的核心龍頭城市，并且支持建設(shè)成為國家中心城市，對資源環(huán)境的需求進一步增加。因此，對濟南市資源環(huán)境承載力進行科學(xué)評價，使經(jīng)濟社會發(fā)展與資源消耗、環(huán)境保護相協(xié)調(diào)，有利于促進濟南市持續(xù)、健康發(fā)展。

通過對國內(nèi)外資源環(huán)境承載力相關(guān)文獻進行研究，研究成果主要集中在資源環(huán)境承載力相關(guān)理論探討[3，4]、指標體系研究[5，6]與評價方法應(yīng)用[7，8]等方面。在資源環(huán)境承載力研究理論方面，學(xué)者們從不同角度對承載力研究進展進行了總結(jié)，如王麗萍等[9]對資源環(huán)境承載力內(nèi)涵的演化發(fā)展進行綜述，認為資源環(huán)境承載力的評價對象應(yīng)該突破單一要素向更綜合性的方向拓展；Wang 等[10]則認為城市資源環(huán)境承載力研究內(nèi)容應(yīng)關(guān)注資源環(huán)境系統(tǒng)和人類活動的相互關(guān)系。資源環(huán)境承載力指標體系構(gòu)建與評價方面，學(xué)者們基于不同區(qū)域或理論構(gòu)建有所差別的指標系統(tǒng)進行評價研究，如蘇偉洲等[11]從用水量投入與經(jīng)濟產(chǎn)出角度構(gòu)建水資源承載力指標體系，利用數(shù)據(jù)包絡(luò)模型測量了四川省水資源承載力；藍希等[12]從水污染控制、水資源環(huán)境和社會經(jīng)濟三個層面建立水環(huán)境承載力指標系統(tǒng)，采用均方差決策法對武漢市水環(huán)境承載力進行研究；羅名海等[13]基于武漢市地理國情，采用三大產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟增加值等指標和地理加權(quán)回歸分析法，評估該區(qū)域土地資源承載能力。評價方法創(chuàng)新應(yīng)用上，學(xué)者們基于新的視角或提出新的框架進行實踐，如Zhu 等[14]回歸承載力本源，提出了一種負荷—載體的新視角，從水、土地、大氣層面對中國30 個省份的生態(tài)承載力進行評估；Magri等[15]提出了一種新型可持續(xù)城市規(guī)劃決策輔助工具，確定阿爾及利亞地區(qū)按照現(xiàn)有生活水平所能維持的水資源承載能力?？v觀以往文獻，國內(nèi)外學(xué)者進行了富有成效的研究，為資源環(huán)境承載力評價提供了參考。但現(xiàn)有研究多集中在水資源、水環(huán)境、土地資源或生態(tài)環(huán)境承載力的評價，對經(jīng)濟社會系統(tǒng)的考慮各有差別，且指標權(quán)重確定時主觀性較強，不利于資源環(huán)境承載力的客觀評價。因此，由于資源環(huán)境系統(tǒng)具有復(fù)雜性和豐富性，本文在以往研究的基礎(chǔ)上，綜合經(jīng)濟社會、資源承載、環(huán)境承載三個維度構(gòu)建指標體系，并考慮了支持資源環(huán)境系統(tǒng)的正向指標以及對資源環(huán)境產(chǎn)生壓力的負向指標，選取濟南市作為研究區(qū)域，利用熵權(quán)—TOPSIS原理對該地區(qū)資源環(huán)境承載力水平進行綜合評價研究，分析資源環(huán)境承載力近年來的動態(tài)演變。

1 指標體系構(gòu)建與數(shù)據(jù)來源

1.1 資源環(huán)境承載力評價指標體系構(gòu)建

資源環(huán)境承載力是資源環(huán)境系統(tǒng)在不造成嚴重衰退和損害的情況下，對人口數(shù)量和經(jīng)濟規(guī)模的支持能力[16]，它是由人類社會、經(jīng)濟系統(tǒng)與資源環(huán)境等系統(tǒng)相互作用形成的[17]，在一定程度上反映了資源環(huán)境與人類活動是否協(xié)調(diào)。根據(jù)資源環(huán)境與經(jīng)濟社會系統(tǒng)之間的關(guān)系，指標設(shè)計應(yīng)考慮支持資源環(huán)境系統(tǒng)的正向指標，即反映資源環(huán)境可獲得性對經(jīng)濟發(fā)展上的支撐力，以及對資源環(huán)境承載力起約束作用的負向指標，即反映資源環(huán)境需求量的經(jīng)濟發(fā)展對資源環(huán)境向下的壓力[14]。本文根據(jù)濟南市資源環(huán)境以及作為山東省會的特點，結(jié)合以往的研究成果[5，6，18，19]，遵循指標選取的綜合性、科學(xué)性、代表性、數(shù)據(jù)可獲性等原則[20，21]，從經(jīng)濟社會、資源承載、環(huán)境承載維度選擇21 項指標，建立濟南市資源環(huán)境承載力評價指標系統(tǒng)，如表1所示。

表1 濟南市資源環(huán)境承載力評價指標體系

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文研究數(shù)據(jù)來源于《 濟南統(tǒng)計年鑒》（2007-2018 年）、《濟南市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》（2007-2018 年）、《 濟 南 市 環(huán) 境 質(zhì) 量 簡 報》（2007-2018 年）、《山東省統(tǒng)計年鑒》（2007-2018 年）、《山東省生態(tài)環(huán)境狀況公報》（2007-2018 年），具體通過登錄濟南市統(tǒng)計局、濟南市生態(tài)環(huán)境局、山東省統(tǒng)計局、山東省生態(tài)環(huán)境廳官方網(wǎng)站進行下載、查詢和整理評價指標數(shù)據(jù)。對于年份缺失的數(shù)據(jù)，通過登錄國家統(tǒng)計局和中國知網(wǎng)年鑒數(shù)據(jù)庫，查詢主要城市年度數(shù)據(jù)庫以及濟南市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報進行補充。

2 研究方法

2.1 評價矩陣構(gòu)建及標準化

設(shè)濟南市資源環(huán)境承載力指標體系原始評價矩陣為S=(sij)m×n，sij為指標i 在第j 年的初始值；i=1,2,3,…,m，m 為評價指標數(shù)；j=1,2,3,…,n，n 為評價年份數(shù)。

為了消除資源環(huán)境承載力評價各指標間量綱以及物理量等屬性的影響，需對收集到的指標數(shù)據(jù)進行標準化。評價矩陣標準化方法如下。

對于正向指標，在一定范圍內(nèi)數(shù)值越大，所反映的資源環(huán)境承載力越大，公式為：

負向指標所代表的含義則與正向指標相反，公式為：

為使數(shù)據(jù)處理和運算有意義，需進一步消除零值的影響，對無量綱后的數(shù)據(jù)整體平移α 單位，即指標i在第j 年的標準化值為：rij=+α，為避免破壞原始數(shù)據(jù)規(guī)律，最大限度保留原始數(shù)據(jù)，α 取值遵循最小化原則，本文α 取值為0.000 1。平移后得到標準化矩陣R。

2.2 基于熵權(quán)法確定權(quán)重

熵權(quán)法能夠根據(jù)各項指標提供的信息量，分析指標之間的關(guān)聯(lián)度，更加客觀地確定指標權(quán)重[22，23]。因此，為了避免權(quán)重確定時有較強的主觀性，本文采用信息熵值法來確定資源環(huán)境承載力各項指標的權(quán)重。

第一步，計算指標i 下第j 年的特征比重或貢獻度：

第二步，計算指標i 的信息熵：

第三步，確定各項指標的權(quán)重：

進而建立基于熵值ωi的加權(quán)規(guī)范化評價矩陣Z，以增強評價矩陣的客觀性，如公式（8）所示：

2.3 TOPSIS 模型建立

TOPSIS 法也稱為“逼近理想解排序法”，其原理是通過檢測目標方案與最優(yōu)方案、最劣方案的距離進行排序，主要用于有限方案的多目標決策問題[24，25]。通過對比評價矩陣內(nèi)各指標量化值與正負理想解的靠近或偏離程度，可以研究濟南市歷年資源環(huán)境承載力情況及動態(tài)變化趨勢。

首先，確定正、負理想解。設(shè)正理想解Z+，即可以選擇的最優(yōu)方案；負理想解為Z-，即最劣方案，計算公式為：

其次，計算指標到正負理想解的距離。采用歐式計算法，分別計算每個年份對應(yīng)的指標功能值到正負理想解的距離，設(shè)在第j 年第i 個指標到的距離為，第i 個指標到的距離為，公式如下：

最后，計算濟南市歷年資源環(huán)境承載力的貼近度Tj，以Tj表示歷年承載力水平。設(shè)第j 年資源環(huán)境承載力指標功能值與理想解的靠近程度為Tj，公式如下：

Tj取值范圍為[0,1]，Tj越大表明該年度資源環(huán)境承載力指數(shù)比較靠近最優(yōu)承載力，當(dāng)Tj=1 時，承載力最優(yōu)；Tj越靠近于0，則該年度資源環(huán)境承載力越低，當(dāng)Tj=0 時，該年度資源環(huán)境承載力達到最低水平。通過對比貼近度Tj的大小，可以對濟南市近年來的資源環(huán)境承載力優(yōu)劣進行排序。

3 實證研究

3.1 濟南市資源環(huán)境承載力評價結(jié)果

對原始指標數(shù)據(jù)按照公式（1）至公式（4）進行處理，根據(jù)熵權(quán)法公式（5） 至公式（7） 計算得到濟南市2007-2018 年資源環(huán)境承載力各指標權(quán)重，如表2 所示。

表2 濟南市資源環(huán)境承載力各指標權(quán)重計算結(jié)果

進而根據(jù)TOPSIS 原理，將加權(quán)規(guī)范化評價矩陣Z按照公式（9）至公式（13）計算得出濟南市資源環(huán)境承載力2007-2018 年資源環(huán)境承載力與正負理想解的距離以及貼近度，如表3 所示。

表3 濟南市2007-2018 年資源環(huán)境承載力測度結(jié)果

通過以上計算得出濟南市在2007-2018 年資源環(huán)境承載力的總體發(fā)展及變化情況，為了更深入地研究濟南市資源環(huán)境承載力各子系統(tǒng)情況，本文進一步計算了濟南市資源環(huán)境承載力三個維度承載力的評價數(shù)值，并繪制其動態(tài)變化趨勢，如圖1 所示。

圖1 濟南市資源環(huán)境承載力變化趨勢

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 資源環(huán)境承載力總體情況。從資源環(huán)境承載力總體水平及變化情況來看，2007-2018 年濟南市資源環(huán)境承載力水平整體表現(xiàn)為線性上升趨勢，承載力指數(shù)介于0.210 6～0.816 9。在2007-2017 年，資源環(huán)境承載力增速較快，年平均增速為13.11%，此階段各維度的承載力平均增速從高到低分別為經(jīng)濟社會維度、環(huán)境維度、資源維度，可以看出經(jīng)濟社會維度承載力的穩(wěn)固提升是維持濟南市資源環(huán)境承載力增長的有利因素，環(huán)境維度與資源維度上的輕微波動對濟南市資源環(huán)境承載力有促進或阻礙作用，但在該時間段內(nèi)整體產(chǎn)生的影響較小。當(dāng)然，2017-2018 年濟南市資源環(huán)境承載力增幅并不大，承載力指數(shù)由0.814 3 變化為0.816 9，究其原因，可能是受到資源承載力下降趨勢的影響，但由于該時間段內(nèi)環(huán)境維度與經(jīng)濟社會維度的承載力仍保持增長的趨勢，因此濟南市資源環(huán)境承載力整體上所受影響較小。

3.2.2 經(jīng)濟社會系統(tǒng)承載力情況。從經(jīng)濟社會維度來看，2007-2018 年濟南市經(jīng)濟社會承載力呈現(xiàn)出逐年增長的趨勢，承載力指數(shù)介于0.163 3～0.834 6，年平均增長速度為15.98%，在各維度中居第一位。濟南市經(jīng)濟運行質(zhì)量不斷提升，主要原因包括：擁有山東省省會、我國重要的工業(yè)城市以及重要交通樞紐、區(qū)域性金融中心等職能，規(guī)劃方向明確；近年來經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整等發(fā)展戰(zhàn)略取得效果顯著，尤其是第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值在GDP 中的比例逐年增加，2018 年第三產(chǎn)業(yè)在GDP 中的比例達60.52%；該市城鎮(zhèn)化水平逐年提高，在2018 年城鎮(zhèn)化水平達到72.1%，大量人口涌入城鎮(zhèn)，勞動力素質(zhì)提高；人均可支配收入不斷提高，2007-2018 年城鎮(zhèn)人均可支配收入從18 005.1 元增加到50 146 元。從圖中可以看出2012-2013 年承載力指數(shù)增幅較小，2013 年較2012 年發(fā)展速度僅為1.04，而其中負向指標人口自然增長率變化最大，2013 年人口自然增長率為4.53‰，到2014 年增長到11.11‰，主要由于2013 年11 月國家實施單獨二胎政策，刺激了人口自然增長率的提升；到了2015-2018 年人口自然增長率出現(xiàn)回落，但也維持在5‰以上，此階段經(jīng)濟社會承載力增長速度較之前緩慢。

3.2.3 資源系統(tǒng)承載力情況。從資源維度的承載力來看，2007-2018 年濟南市資源承載力指數(shù)介于0.246 8～0.789 4，年平均增長速度為10.22%，在各維度中最低。2013 年之前呈線性增長趨勢，2013-2015年呈拋物線緩慢上升趨勢，并且在2015 年達到峰值，之后出現(xiàn)緩慢下降趨勢。2013 年之前，隨著道路規(guī)劃的不斷完善，濟南市人均擁有道路面積增幅較大，人均擁有道路面積已經(jīng)從2007 年的15.06 m2增長到2013 年的人均23.87 m2；濟南市住房保障工作的開展使得農(nóng)村、城鎮(zhèn)人均住宅建筑面積也有所增長，住房質(zhì)量得到改善；有賴于生產(chǎn)技術(shù)的進步與創(chuàng)新，濟南市萬元工業(yè)增加值用水量、萬元GDP 能耗明顯下降，與2007年相比，2013 年濟南市萬元工業(yè)增加值用水量、萬元GDP 能耗分別下降了38.99%、57.52%；而在2007-2013年濟南市人口密度并未出現(xiàn)大幅度增長，由此發(fā)現(xiàn)，以上可能是此階段濟南市資源承載力維度線性增長的原因。到了2013-2015 年，受人口增長率大幅上升影響，濟南市人均擁有道路面積、人均耕地面積、農(nóng)村以及城鎮(zhèn)人均住宅建筑面積增速較慢，尤其是人均耕地面積此階段始終保持在人均0.87 畝左右；濟南市萬元工業(yè)增加值用水量、萬元GDP 能耗在此期間也未見明顯下降，因此2013-2015 年濟南市資源承載力雖然保持增長趨勢，但是增速放緩。2015-2018 年，濟南市人均擁有道路面積、人均耕地面積以及城鎮(zhèn)人均住宅建筑面積出現(xiàn)波動下降，而人口密度在2017 年首次突破800人/km2，以上可能是導(dǎo)致濟南市資源維度承載力開始出現(xiàn)下滑趨勢的原因。

3.2.4 環(huán)境系統(tǒng)承載力變化情況。從環(huán)境維度來看，2007-2018 年濟南市環(huán)境承載力指數(shù)介于0.278 5～0.955 6，年平均增長速度為11.86%。2010 年以前呈現(xiàn)增長趨勢，2010-2013 年出現(xiàn)短暫下降趨勢并在之后處于平穩(wěn)階段，2013 年之后呈線性增長趨勢。2007-2010年，濟南市生態(tài)環(huán)境總體逐年向好，人均公園綠地面積在該時間段內(nèi)增幅最大，從2007 年的人均9.5 m2增長到2010 年的11.3 m2；工業(yè)污染物排放得到有效控制，其中2010 年億元GDP 工業(yè)二氧化硫排放量較2007 年下降了40.14%。2010-2013 年，濟南市生態(tài)環(huán)境壓力增加，尤其是在2011 年環(huán)境承載力出現(xiàn)了下降趨勢，污水集中處理率較2010 年下降了3.05%，億元GDP 工業(yè)二氧化硫排放量較2010 年增長了37.99%，萬元GDP 工業(yè)廢水排放量也有所上升，此外，盡管2011-2013 年濟南市環(huán)境系統(tǒng)狀況總體穩(wěn)定，但在2013 年環(huán)境空氣可吸入顆粒物濃度年均值到達0.191 mg/m3，超過國家環(huán)境空氣質(zhì)量（GB3095-2012） 年度二級標準的1.7 倍，環(huán)境空氣污染仍較嚴重。2013 年以來，部分指標有所好轉(zhuǎn)，廢水污水得到有效治理，萬元GDP 工業(yè)廢水排放量從2013 年的1.64 噸下降到2018 年的0.76 噸，污水集中處理率在2018 年達到96.59%；空氣質(zhì)量相比前一階段有所改善，億元GDP 工業(yè)二氧化硫排放量從2013 年的15.51 噸下降到2018 年的2.11 噸，2018 年環(huán)境空氣可吸入顆粒物濃度年度平均值為0.112 mg/m3，盡管較2013 年得到改善，但仍超過環(huán)境空氣質(zhì)量（GB3095-2012）二級標準0.6 倍；生態(tài)綠化取得積極成果，建成區(qū)綠化覆蓋率保持平穩(wěn)增長，2016 年濟南市建成區(qū)綠化覆蓋率首次超過40%，并在之后兩年保持在40%以上。從各維度來看，2013 年以來濟南市環(huán)境承載力指數(shù)增幅最為顯著，環(huán)境承載力指數(shù)從2013 年的0.479 5 到2018 年達到0.955 6，整體環(huán)境質(zhì)量取得了積極成果，主要在于近年來濟南市加大污水排放監(jiān)管力度，強化水資源保護，實施污染減排項目，實時監(jiān)控空氣質(zhì)量，注重綠化管理等，盡管濟南市整體環(huán)境質(zhì)量有所改善，但濟南市大氣環(huán)境治理尤其是降低空氣污染物濃度任務(wù)仍面臨嚴峻形勢。

4 總結(jié)

4.1 結(jié)論

4.1.1 從資源環(huán)境承載力綜合水平來看，2007-2018年濟南市資源環(huán)境承載力總體上呈現(xiàn)平穩(wěn)上升趨勢，可以發(fā)現(xiàn)濟南市整體資源環(huán)境承載力對經(jīng)濟社會維度的承載力依賴特征明顯，經(jīng)濟社會發(fā)展水平的穩(wěn)固提升是促進濟南市整體資源環(huán)境承載力增長的重要因素，而資源和環(huán)境維度承載力的波動變化對整體資源環(huán)境承載力有促進或阻礙作用。說明近年來濟南市通過調(diào)整產(chǎn)業(yè)發(fā)展結(jié)構(gòu)，促進產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級、保障社會民生事業(yè)等促進了經(jīng)濟社會的快速持續(xù)發(fā)展，同時也應(yīng)意識到濟南市資源、環(huán)境維度承載力發(fā)展趨勢的波動變化，即經(jīng)濟社會的發(fā)展也給資源環(huán)境帶來較大的壓力。

4.1.2 從資源環(huán)境各維度來看，2007-2018 年濟南市經(jīng)濟社會、資源維度、環(huán)境維度承載力指數(shù)均有不同程度的增長，其中經(jīng)濟社會承載力指數(shù)呈現(xiàn)持續(xù)增長趨勢，且年均增速最高，資源維度、環(huán)境維度的承載力指數(shù)呈現(xiàn)波動上升的趨勢。濟南市近年來的經(jīng)濟社會建設(shè)成效顯著，使得經(jīng)濟社會承載力穩(wěn)步上升；盡管濟南市在資源投入方面取得較大進展，也應(yīng)認識到由于濟南市作為山東省省會，對省內(nèi)人口吸引力較大，人口密度的增加使得資源消耗增大，進而導(dǎo)致資源承載力出現(xiàn)輕微下降趨勢；在肯定濟南市近年來環(huán)保工作的同時，仍需注意到大氣污染物濃度尤其是環(huán)境空氣可吸入顆粒物濃度是環(huán)境承載力的阻礙因素。

4.1.3 經(jīng)濟社會的發(fā)展為人類生活提供了重要物質(zhì)基礎(chǔ)，資源的持續(xù)利用與環(huán)境保護是經(jīng)濟社會長期健康發(fā)展的保障，同樣，資源環(huán)境承載力的提升也需要經(jīng)濟社會發(fā)展與資源利用、環(huán)境保護相協(xié)調(diào)。因此，一方面要抓住當(dāng)前新舊動能轉(zhuǎn)換機遇，以科技創(chuàng)新為引領(lǐng)，積極發(fā)揮濟南市區(qū)位條件發(fā)展新經(jīng)濟，創(chuàng)造經(jīng)濟優(yōu)勢；另一方面，大力發(fā)展綠色經(jīng)濟，構(gòu)建低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟體系，實現(xiàn)資源可再生利用，同時壯大環(huán)保產(chǎn)業(yè)，重視大氣污染防治工作，改善空氣質(zhì)量，進一步提升資源環(huán)境承載力，促進濟南市可持續(xù)發(fā)展。

4.2 展望

當(dāng)前，濟南市正處于新舊動能轉(zhuǎn)換先行區(qū)、自貿(mào)試驗區(qū)等國家戰(zhàn)略交匯的戰(zhàn)略機遇期和發(fā)展黃金期，資源環(huán)境的可持續(xù)性對經(jīng)濟社會發(fā)展起到關(guān)鍵作用，而局部地區(qū)仍存在資源短缺、環(huán)境污染等問題，與群眾期待還有差距，經(jīng)濟社會發(fā)展給資源環(huán)境帶來雙重壓力，亟需開展資源環(huán)境承載力評價研究。本文綜合濟南市經(jīng)濟社會、資源、環(huán)境情況對其資源環(huán)境承載力進行了綜合評價研究，為避免主觀因素影響，采用熵權(quán)法進行賦權(quán)，并利用TOPSIS 原理研究了2007-2018 年濟南市資源環(huán)境承載力時間上的演變，有利于濟南市經(jīng)濟社會與資源環(huán)境協(xié)調(diào)推進，為其他類似城市的資源環(huán)境承載力評價提供參考。由于城市作為一個開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)，其內(nèi)部資源環(huán)境承載力呈現(xiàn)出動態(tài)性特點，下一步可以選取濟南市不同區(qū)域進行橫向?qū)Ρ妊芯?，分析各區(qū)域的空間演變，為促進城市持續(xù)健康發(fā)展提出更多參考建議。