基于PSR模型-綜合賦權(quán)法的江蘇省水資源承載力評價

李治軍，汪 超

(1.黑龍江大學水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150081；2.黑龍江大學寒區(qū)地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150081)

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展與人口的不斷增加，人類社會對于水資源的需求日益劇增[1]。水是人類社會可持續(xù)發(fā)展的基本條件之一，人類的生存和發(fā)展無時無刻都離不開水[2]。中國水資源的總量雖然位居世界第四，然而水資源時空分布不均[3]。自改革開放以來，經(jīng)濟的大幅度上升對水資源可持續(xù)發(fā)展提出了更高的要求，對水資源進行合理準確的評價也提出更高的要求[4]。水資源評價是對水資源的數(shù)量、質(zhì)量、時空分布特征以及開放利用條件的評估分析過程[5]，水資源承載力作為水資源評價的一種，它對于衡量一個地區(qū)的水資源能否支撐當?shù)厝丝凇⒔?jīng)濟、社會環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

綜合水資源承載力的評價方法，目前廣泛應(yīng)用的有模糊綜合評價法[6]、主成分分析法[7]、系統(tǒng)動力學方法[3]等。在對水資源承載力進行評價時，大多數(shù)研究趨向于對空間領(lǐng)域分析，如劉佳駿等[2]對高原喀斯特山區(qū)水資源承載力的評估及模擬，焦隆等[5]、劉建廳等[8]與王江等[9]分別對桂林市、河南省各地級市以及陜西省關(guān)中地區(qū)水資源承載力的評價研究，整體來看，對區(qū)域水資源承載力時空上變化的研究不多，然而對一個區(qū)域進行多年的水資源承載力分析評價，通過分析結(jié)果數(shù)據(jù)的波動，對于分析一個區(qū)域水資源未來發(fā)展趨勢有著重要的參考性，同時為中國水資源可持續(xù)發(fā)展、水資源綜合管理和優(yōu)化配置提供了決策依據(jù)[10]。

水資源承載力研究中，一般在確定評價指標權(quán)重時，主要是基于AHP法或改進AHP法，如王奕淇等[11]在基于SD與AHP模型的流域水資源承載力仿真研究中，對評價指標賦權(quán)時采用AHP法，通過問卷調(diào)查和訪談的形式，并結(jié)合專家意見，對問卷調(diào)查結(jié)果進行整理，以此構(gòu)造出判斷矩陣。李少朋等[12]在基于AHP-TOPSIS模型的江蘇省水資源承載力評價中，在確定指標權(quán)重時則采用改進的AHP法，利用指數(shù)標度法與AHP相結(jié)合，以此構(gòu)造的判斷矩陣一致性好，計算結(jié)果準確。但是AHP法存在一定的主觀性，忽略了原始數(shù)據(jù)所要傳達的信息熵，然而熵權(quán)法可以正好彌補這一缺陷，采用熵權(quán)法與AHP相結(jié)合的綜合賦權(quán)法可以使研究結(jié)果更具有可靠性與科學性。

1 研究區(qū)域概況

江蘇省，位于長江三角洲地區(qū)，全省面積10.72萬km2，是全國唯一一個所有地級行政區(qū)都躋身百強的省份，人口眾多，根據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，2021年常住人口達到8 505.4萬人。地理位置優(yōu)越，跨江濱海、湖泊眾多，主要以亞熱帶季風氣候-溫帶季風氣候為主，氣候溫和、水量適中，境內(nèi)多年平均水資源量436.57億m3，多年平均人均水資源量為519.43 m3。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 基于TOPSIS模型的基本原理

TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution)由C.L.Hwang和K.Yoon于1981年首次提出[9]，TOPSIS法是綜合評價的一種常用方法，能夠充分利用原始數(shù)據(jù)的信息，計算出所評價目標與最優(yōu)、最劣項目方案的歐式距離[13]，其結(jié)果能精確地反映各評價方案之間的差距。得到各個評價對象的最優(yōu)解與相對貼近度后，根據(jù)其大小做最終排序，作為評價方案優(yōu)劣的基礎(chǔ)，然后對水資源承載力進行綜合評價，具體建模步驟如下[14]。

a)構(gòu)建決策矩陣。假設(shè)有n個評價對象，m個評價指標，構(gòu)成決策矩陣X=(xij)n×m:

(1)

b)構(gòu)建無量綱化決策矩陣V=(bij)n×m:

極大型指標：

(2)

極小型指標：

(3)

式中xjmin、xjmax——同一評價指標的最小值、最大值。

c)確定矩陣Z的最優(yōu)向量Z+和最劣向量Z-：

(4)

(5)

(6)

(7)

e)計算得出最優(yōu)解的相對貼近度Si：

(8)

Si與水資源承載力的關(guān)系成正相關(guān)，Si越大表明承載力越大，當Si=1時，水資源承載力最大，當Si=0時，水資源承載力最小。

2.2 評價等級劃分

綜合考慮江蘇省區(qū)域的實際狀況，并根據(jù)相關(guān)已有研究資料，將相對貼近度分成五級[8]，即V1、V2、V3、V4、V5，V1對于人類經(jīng)濟活動與水資源處于不協(xié)調(diào)發(fā)展狀態(tài)，V2對應(yīng)人類經(jīng)濟活動與水資源處于較差協(xié)調(diào)狀態(tài)，V3對應(yīng)人類經(jīng)濟活動與水資源處于中等協(xié)調(diào)發(fā)展狀態(tài)，V4對應(yīng)人類經(jīng)濟活動與水資源處于較好協(xié)調(diào)發(fā)展狀態(tài)，V5對應(yīng)人類經(jīng)濟活動與水資源處于良好協(xié)調(diào)發(fā)展狀態(tài)。水資源承載能力水平等級具體分區(qū)見表1。

表1 水資源承載能力水平等級與分區(qū)

2.3 數(shù)據(jù)來源

2011—2019年江蘇省各評價指標數(shù)據(jù)來源于《江蘇省水資源公報》與《江蘇省統(tǒng)計年鑒》。

3 江蘇省水資源承載力評價分析

3.1 評價指標體系構(gòu)建

綜合考慮江蘇省的水資源現(xiàn)狀及特點，以及當?shù)氐纳鐣?jīng)濟和生態(tài)環(huán)境等因素，本文根據(jù)經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(OECD)與聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNWP)提出了“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”(PSR)模型構(gòu)建水資源承載力評價指標體系[15]。壓力模型表征人類活動對大自然造成的干擾和壓力；狀態(tài)模型表征各種因素長期作用于自然要素的結(jié)果，反映當前自然條件和特性；響應(yīng)模型表征人類面臨自然問題所采取的對策與措施[22]。PSR模型遵循“原因—效果—社會響應(yīng)”邏輯順序[16]，目前，PSR模型主要運用于生態(tài)安全評價、生態(tài)環(huán)境承載力評價等[17-21]。該模型的主要優(yōu)勢在于能夠清晰地描繪外界壓力、系統(tǒng)狀態(tài)和響應(yīng)決策與行動三者之間的關(guān)系，相對于“社會經(jīng)濟-水資源-生態(tài)環(huán)境”“量-質(zhì)-域-流”“以水定人、以水定地、以水定產(chǎn)”等其他評價指標體系，能夠較好的反映一個區(qū)域水資源、社會經(jīng)濟、人口與生態(tài)環(huán)境之間的復雜關(guān)系，三大模型相互影響、相互制約，形成水資源承載系統(tǒng)的動態(tài)影響與評估體系。

在選擇PSR模型的評價指標時，江蘇省作為中國經(jīng)濟發(fā)展大省，經(jīng)濟發(fā)展水平與生態(tài)環(huán)境建設(shè)始終位居全國前列，經(jīng)濟的發(fā)展必然帶動人口的增加，這對江蘇省水資源的承載能力必定是一個巨大的挑戰(zhàn)，因此在選取壓力類指標時特意考慮了人均GDP以及城鎮(zhèn)化率，在選擇狀態(tài)類指標時考慮了人均水資源量與人口密度以及在響應(yīng)類指標中選擇了萬元GDP用水量、建成區(qū)綠化覆蓋率等有非常大可能對江蘇省水資源承載力造成影響的因素，同時為了反映城市污染物的排放對江蘇省水資源承載力的影響，針對性的選取了城鎮(zhèn)生活污水排放量、城市COD排放量、城市氨氮排放量等因素作為此次參評指標。具體選取情況見表2，江蘇省2011—2019年水資源承載力各指標值見表3。

表2 水資源承載能力綜合評價指標體系

表3 江蘇省2011—2019年水資源承載力各指標值

3.2 權(quán)重的確定

對于水資源承載力的評價，由于涉及的因素眾多，包括自然因素、社會因素、經(jīng)濟因素等等，不同的因素對其的影響程度又不一樣，因此在對水資源承載力進行評價時，應(yīng)首先計算出各指標的權(quán)重來量化各評價指標對水資源承載力的影響度。對于權(quán)重的計算，目前現(xiàn)有的方法有AHP、比較矩陣法等的主觀法與熵權(quán)法等的客觀法，由于熵權(quán)法存在過度依賴參評指標變化率的不足，而AHP主要依據(jù)專家的經(jīng)驗來確定各指標的重要度，主觀性太強，因此本文采用主客觀相結(jié)合的綜合賦權(quán)法來確定指標權(quán)重，首先利用AHP確定“壓力類、狀態(tài)類、響應(yīng)類”的權(quán)重，根據(jù)專家經(jīng)驗首先對“三類”在影響江蘇省水資源承載能力重要度方面有了初步判斷，避免了區(qū)域性差異對評價結(jié)果的影響，其次利用熵權(quán)法確定各自所含指標的權(quán)重，保留了數(shù)據(jù)所要傳達的信息熵，使得評價結(jié)果更嚴謹、更科學。

表4 PSR模型“壓力類、狀態(tài)類、響應(yīng)類”的判斷矩陣

b)熵權(quán)法確定客觀權(quán)重。利用熵權(quán)法來確定每個參評指標的客觀權(quán)重，在計算指標權(quán)重時，對“壓力類、狀態(tài)類、響應(yīng)類”三大類中每一類進行單獨考慮，應(yīng)使得每一類的指標權(quán)重總和為1。熵權(quán)法具體計算步驟見參考文獻[25]，計算結(jié)果分別為：

wz1={0.1187,0.2337,0.1104,0.1062,0.1153,0.1520,0.1637}，

wz2={0.1440,0.0930,0.1039,0.1593,0.1162,0.2024,0.1812}，

wz3={0.2234,0.1819,0.1848,0.2054,0.2046}

式中wz1、wz2、wz3分別為壓力類、狀態(tài)類、響應(yīng)類各參評指標的客觀權(quán)重。

c)確定最終權(quán)重。采用綜合賦權(quán)法確定PSR模型各評價指標的最終權(quán)重，將“壓力類、狀態(tài)類、響應(yīng)類”的類別權(quán)重值與其內(nèi)各項參評指標的權(quán)重值相乘，見式(9)，以此得到各參評指標的最終權(quán)重，具體情況見表5。

(9)

式中w1、w2、w3——壓力類、狀態(tài)類、響應(yīng)類評價指標綜合權(quán)重的列向量；k1、k2、k3——三大類別的類別權(quán)重值；α1、α2、α3——各類別指標層權(quán)重的列向量。

3.3 基于TOPSIS模型計算貼近度

為了消除各指標量綱的影響，首先對江蘇省2011—2019年水資源承載力各指標值進行標準化處理，根據(jù)式(2)、(3)得到無量綱化決策矩陣V=(bij)n×m為:

表5 江蘇省水資源承載力各評價指標權(quán)重

基于以上無量綱化決策矩陣，由式(4)—(8)計算出2011—2019年江蘇省水資源承載力的歐氏距離與相對貼近度，見表6。

表6 TOPSIS模型的相對貼近度評價結(jié)果

3.4 結(jié)果分析與討論

根據(jù)表6的相對貼近度評價結(jié)果和表1的水資源承載能力分區(qū)，確定各年份的承載能力等級，見表7。并繪制歐氏距離的評價結(jié)果與相對貼近度變化，見圖1。由表7可知2011—2019年江蘇省水資源承載能力相對貼近度的平均值為0.497，水資源承載能力在此期間整體處于中等水平，其中相對貼近度最高值為2014年的0.582，最低值為2015年的0.406，其值均高于較弱承載能力等級界值0.4，表明在本評價年限內(nèi)，江蘇省的水資源開發(fā)利用已初具一定規(guī)模，但是仍具有一定的開發(fā)利用潛力。

表7 江蘇省水資源承載力評價

圖1 歐式距離與貼近度評價結(jié)果

由圖1可以看出相對貼近度值在2011—2014年呈現(xiàn)穩(wěn)步增長趨勢，在2015年相對貼近度值突然下降，達到所研究年限里的最低值，其值即將達到較弱承載能力界定值，表明此時江蘇省水資源開發(fā)利用程度過高，本地的水資源已經(jīng)不能夠很好的滿足社會經(jīng)濟發(fā)展對水資源的需求。但2015年以后相對貼近度值重新出現(xiàn)增長，經(jīng)過比較2011—2019年城市人均COD排放量與城市人均氨氮排放量，見圖2,發(fā)現(xiàn)2015年到2016年城市人均COD排放量與城市人均氨氮排放量均有大幅度下降，這對2015年以后江蘇省水資源承載力的提高起到了促進作用。在接下來的4年內(nèi)，相對貼近度值雖有波動，但是波動并不大，其值均在0.45～0.47，說明江蘇省水資源承載能力已經(jīng)趨于平穩(wěn)狀態(tài)，已經(jīng)逐漸轉(zhuǎn)向良好態(tài)勢發(fā)展，且隨著國家對水資源保護的重視度越來越高，2016年《關(guān)于全面推行河長制的意見》的印發(fā)以及各種環(huán)境保護法的出臺，未來幾年內(nèi)江蘇省水資源承載力出現(xiàn)降低的可能性較低，且有可能水資源承載能力會得到進一步提高。從江蘇省地域特征來看，江蘇省可劃分為蘇南、蘇中和蘇北三區(qū)，根據(jù)《2020年江蘇省水資源公報》，蘇南、蘇中和蘇北三區(qū)用水量分別為180.0億、105.8億、166.9億m3，萬元工業(yè)增加值用水量分別為35.4、33.2、11.7 m3?？芍K南地區(qū)相對于蘇中和蘇北地區(qū)，水資源開發(fā)利用程度稍高，在未來江蘇省水資源發(fā)展中，應(yīng)繼續(xù)貫徹“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水方針，進一步地提高江蘇省水資源承載能力。

圖2 城市人均COD與氨氮排放量變化曲線

目前，針對江蘇省水資源承載能力的計算，已有不少專家學者對此進行了研究，如劉英杰等[22]在對長江三角洲的水資源承載力評價中，以云模型與PSR模型構(gòu)建評價指標體系，通過AHP確定權(quán)重與計算隸屬度判定評價等級；沈時等[26]在評價江蘇省水資源承載能力時，采用組合權(quán)重-MNCM法，以改進AGA-AHP法以優(yōu)化專家評價矩陣并確定主觀權(quán)重，采用多維正態(tài)云模型法得到確定度；趙宏臻等[27]則采用主成分分析法對江蘇省水資源承載力從時間角度進行綜合評價。本文在此基礎(chǔ)上，考慮了使用PSR模型確定評價指標,熵權(quán)法與AHP相結(jié)合的綜合賦權(quán)法來確定指標權(quán)重，且基于TOPSIS模型計算出相對貼近度，以此判定承載力等級。其最終評價結(jié)果與本文所得結(jié)果都基本相同，江蘇省水資源承載能力處于中等水平，基本處在臨界承載與可承載之間，承載能力基本穩(wěn)定且有上升發(fā)展趨勢。

4 結(jié)論

a)在對江蘇省進行水資源承載力評價時，本文基于江蘇省水資源系統(tǒng)的復雜性，在選擇評價指標時運用PSR模型的“壓力類、狀態(tài)類、響應(yīng)類”這三大類指標，充分考慮了水資源的自然屬性、社會經(jīng)濟屬性以及生態(tài)屬性。同時為了能更系統(tǒng)地反映各指標對水資源承載力的影響力，本研究使用熵權(quán)法與AHP相結(jié)合的綜合賦權(quán)法確定各評價指標的最終權(quán)重，既保留了數(shù)據(jù)傳達的信息熵，也充分考慮了研究區(qū)域的實際情況，使得評價結(jié)果更具科學性。

b)通過TOPSIS法計算出各個評價對象的歐式距離與相對貼近度，依據(jù)相對貼近度越大，承載能力越大的原則，對計算出的貼近度進行等級劃分，評價結(jié)果顯示：2011—2019年江蘇省水資源承載能力整體處于中等水平，貼近度最高值為2014年的0.582，最低為2015年的0.406，2015年以后相對貼近度值重新出現(xiàn)增長，2016—2017年相對貼近度值雖有波動，但是波動值均在0.45～0.47，說明總體上江蘇省水資源承載能力在向好的方向發(fā)展。