基于熵權TOPSIS模型的遼寧省區(qū)水資源承載力評價研究

任 博，曹永強，李可欣，楊雪婷，周姝含，趙 慧

(1.遼寧師范大學地理科學學院，遼寧 大連 116029；2.天津師范大學京津冀生態(tài)文明發(fā)展研究院，天津 300387)

水是人類賴以生存的資源。中國水資源呈現(xiàn)“東多西少，南多北少”的特點，水資源供需矛盾明顯，加之氣候變暖，淡水資源的短缺成為阻礙人類進步與發(fā)展的關鍵問題[1]。水資源承載力是指在一定的時段內，支撐著區(qū)域經濟發(fā)展，并能維持生態(tài)系統(tǒng)正常運轉的最大水資源量[2]，提高水資源承載力水平，對于加強遼寧省生態(tài)環(huán)境保護與地區(qū)經濟發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。工業(yè)發(fā)展和人口增長的過程中，水資源消耗量不斷增加，水資源短缺問題嚴重，探明區(qū)域水資源承載力成為至關重要的問題。

水資源承載力問題研究作為可持續(xù)發(fā)展研究和水資源安全戰(zhàn)略研究中的一個基礎科學問題，長期處于國內外研究前沿。因此，國內外在水資源承載力上做了大量的研究分析[3]，注重節(jié)約用水的提高。近些年，國家大力支持多項節(jié)水技術創(chuàng)新、新材料的改用、改造節(jié)水工藝，推行清潔生產，不斷促進水資源的重復利用率，使耗水量逐年減少，以提高水資源承載力，但與國外先進水平相比，仍有極大差距[4]。國外多在工業(yè)用水方面對污水處理和循環(huán)冷卻水部分進行研究，以此增強水資源承載力[5]。目前對水資源承載力的研究重點主要有：一是對水資源承載力評價，從而探究水資源所面臨的問題，提出相應的節(jié)水措施。例如鄭德鳳等[6]采用標準差橢圓、協(xié)調發(fā)展指數(shù)等研究方法探究中國水資源承載力和城鎮(zhèn)化質量的協(xié)調關系。余灝哲等[7]對京津冀水資源承載力進行綜合評價，從而發(fā)現(xiàn)京津冀水資源所面臨的問題。Barrington等[8]對煉油廠用水情況進行評價分析，確定出可行的節(jié)水措施，提高整個煉廠的用水水平，為實現(xiàn)污水零排放提供了一定的基礎。二是運用不同的預測模型對水資源承載力預警，以保護水資源安全。例如李琦蕓等[9]構建了考慮供水與排污約束的南通市水資源-社會經濟-生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)動力學模型，對南通市水資源承載狀態(tài)進行預警分析。李雨欣等[10]等利用ARIMA模型預測中國水資源承載力未來趨勢變化，發(fā)現(xiàn)在30～40°N部分地區(qū)，未來人均水資源生態(tài)盈虧有所惡化。三是探究突破水資源承載力上限所產生的影響以及對可持續(xù)發(fā)展的影響，例如HARRIS等[11]在分析農業(yè)承載力的上限時，將水資源可利用量作為影響農作物產量關鍵變量，并認為水資源可利用量對農業(yè)的產量和可持續(xù)發(fā)展有重要影響。Dai等[12]采用系統(tǒng)動力學方法提出了以人口和GDP為基礎的水資源承載力計算方法，為缺水地區(qū)尋找經濟發(fā)展與水安全之間的平衡提供了信息。目前，在水資源承載力評價研究中，多集中對系統(tǒng)評價、預測和影響因素分析，缺少對評價系統(tǒng)的耦合協(xié)調性分析，因此，本文探究影響水資源承載力的各子系統(tǒng)是否協(xié)調發(fā)展，尋找水資源實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的突破口，以此為遼寧省水資源管理和理論優(yōu)化提供依據(jù)。

遼寧省由于多年的粗放開采，工業(yè)化耗水量大，一直以來存在水資源短缺嚴重，供需矛盾突出等問題，缺水會阻礙遼寧省社會經濟的發(fā)展，水資源也成為衡量地區(qū)經濟和環(huán)境是否均衡發(fā)展的標準之一[13]。遼寧省立足于自身水資源短缺的情況，在《遼寧省國民經濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠景目標綱要》中提出：深入貫徹“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”治水思路[14]。遼寧省作為極度缺水地區(qū)，水資源特性已成為當前乃至今后影響和制約全省經濟、社會可持續(xù)發(fā)展的一個瓶頸問題。2020年遼寧省水資源總量341.79億m3，僅為全國水資源總量的(31 605.2億m3)的1.1%，隨著經濟發(fā)展對水資源承載力提出了更高的要求[15]。在此背景下，應提高遼寧省水資源承載力，為全省水資源安全提供保證。正確評價和判斷遼寧省區(qū)域發(fā)展的水資源承載力，進而相應地制定與水資源相協(xié)調的發(fā)展戰(zhàn)略，對遼寧省水資源與國民經濟發(fā)展的關系具有重要的現(xiàn)實意義。因此，本文以遼寧省為研究區(qū)，在對研究區(qū)2010—2020年水資源發(fā)展狀況探究的基礎上，構建評價體系，結合層次分析法和熵權法計算權重，利用理想點法對遼寧省水資源承載力進行評價，并在此基礎上，利用耦合協(xié)調性評價水資源、社會、經濟和生態(tài)4個子系統(tǒng)的協(xié)調發(fā)展水平，為遼寧省水資源可持續(xù)發(fā)展方向提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

遼寧省南瀕黃海、渤海，南北、東西跨度均約為550 km，總面積14.8萬km2(圖1)，是東北地區(qū)通往關內的交通要道，也是東北地區(qū)通向世界、連接歐亞大陸橋的重要門戶和前沿地帶[16]。受海洋性氣候影響顯著，自東南向西北由溫帶的半濕潤向半干旱過渡。水資源現(xiàn)狀：水資源總量年際變化較大，2021年人均水資源總量930.8 m3/人，遠低于全國人均水資源量(2 239.8 m3/人)；萬元工業(yè)增加值用水量17.7 m3，較2015年降低35.76%；目前遼寧省農業(yè)用水效率86.47%，水資源供需矛盾突出，是北方嚴重缺水的省份之一[17]。《遼寧省“十四五”水安全保障規(guī)劃》提出到2025年，全省用水總量控制在162億m3以內，全面推進全省節(jié)水行動。

圖1 遼寧省行政區(qū)劃

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

2010—2020年各地市評價指標數(shù)據(jù)來源于《遼寧省統(tǒng)計年鑒》《遼寧省水資源公報》和《中國城市統(tǒng)計年鑒》等。文中出現(xiàn)的指標數(shù)據(jù)主要依據(jù)《生態(tài)縣、生態(tài)市、生態(tài)省建設指標(修訂稿)》《生態(tài)文明建設考核目標體系》《綠色發(fā)展指標體系》等。

2.2 研究方法

2.2.1AHP組合賦權法[18-19]

采用歸一化處理公式消除量綱差異性，從而建立標準矩陣y。正向指標歸一化計算式為：

(1)

負向歸一化計算式為：

(2)

式中xij、yij——遼寧省水資源、社會、經濟、生態(tài)環(huán)境各系統(tǒng)指標j關于樣本i的原始值及標準化值；maxxij、minxij——各系統(tǒng)指標j的最大、最小值。

各參數(shù)的熵值的表達式為：

(3)

(4)

式中ej——第j個指標的信息熵；k——標準化系數(shù)，即k=-lnn；pij——計算第i年份第j個指標占該指標的比重。

確定指標權重，計算見式(5)：

(5)

為了能夠避免強烈的主觀判斷對水資源承載力評價結果產生較大的誤差，本文結合層次分析法和熵權法，主客觀相結合來修正指標權重，計算方法如下：

(6)

2.2.2基于理想點法的評價模型

修正后的指標權重wi更加準確地反映指標的重要程度，使得評價結果更加可信[19]。利用理想點法評價遼寧省水資源承載力的主要流程如下。

a)正、負理想點[20]。根據(jù)各指標對系統(tǒng)的相關關系可將理想目標劃分為正、負理想點，計算方法如下：

(7)

(8)

b)測度距離的計算[20]。正、負理想點與評價指標之間的綜合測度距離D1、D2考慮選用歐式距離來定義，其表達式為：

(9)

(10)

c)確定貼近度[18]。理想點貼近度U可反映水資源承載力水平，其是在各評價指標的綜合影響下形成，理想點貼近度的計算公式如下：

(11)

式中U——貼近正理想點程度的參數(shù)，取值區(qū)間為0—1，其值越大則越接近于正理想點。

2.2.3耦合協(xié)調度模型

水資源承載力是受多個子系統(tǒng)耦合作用形成的動態(tài)系統(tǒng)，分析水資源、社會、經濟、生態(tài)環(huán)境4個子系統(tǒng)之間相互影響的程度大小[21]，具體計算公式如下：

(12)

(13)

T=aU1×bU2×cU3×dU4

(14)

式中U1、U2、U3、U4——水資源、社會、經濟、生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)承載力指數(shù)；C——耦合度；T——發(fā)展度；a、b、c、d——水資源、社會、經濟、生態(tài)4個準則層權重系數(shù)，參照已有研究成果[21-22]，令a=b=c=d=1/4；D——耦合協(xié)調度。

根據(jù)梁建飛等[22]的相關研究，耦合協(xié)調度D劃分見表1。

表1 “水資源-社會-經濟-生態(tài)”系統(tǒng)協(xié)調發(fā)展水平度量標準

2.3 評價指標體系構建

水資源承載力評價指標體系應反映“水資源-社會-經濟-環(huán)境”系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)律與質量，水資源承載力受多方面因素影響[23]，確定指標體系要客觀地反映區(qū)域水資源條件、社會發(fā)展狀況和生態(tài)環(huán)境等方面(表2)。以遼寧省為研究對象，在左其亭等[2]、吳明艷等[24]學者研究基礎上，結合遼寧省各指標的發(fā)展特點和趨勢，科學地建立目標層、準則層、指標層。評價指標體系見表2，目標層為遼寧省省區(qū)水資源承載力綜合評價指數(shù)，反映水資源承載力水平；準則層包括水資源、社會、經濟、生態(tài)環(huán)境4個子系統(tǒng)；水資源準則層主要通過降水量和人均水資源量來聯(lián)系生態(tài)環(huán)境和經濟社會，選取總耗水量等 5 個指標來表征[25]；社會準則層利用人口密度指標反映其對水資源造成的壓力，選取城鎮(zhèn)化率等 4 個指標表征[26]；經濟準則層主要通過人均GDP、GDP年增長率來反映對水資源承載力的影響，經濟水平的提高更利于管理水平及技術水平的提升，從而有利于水資源承載力的提升[27]；生態(tài)環(huán)境準則層主要分析污水處理及生態(tài)環(huán)境用水，從而反映生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)對水資源的影響[28]?？茖W地評價指標等級劃分顯著影響最終評價結果，根據(jù)相關研究成果，將評價指標等級分級標準由優(yōu)到劣分為5個等級：Ⅰ—Ⅴ級，分別代表可承載、弱可承載、臨界、超載、嚴重超載，再結合遼寧省各指標的發(fā)展特點和趨勢，參考目前比較公認的水資源承載能力評價指標分級標準及國內外相關規(guī)范[2,19]，合理設計指標的分級標準值。

表2 水資源承載力評價體系及等級劃分

3 結果分析

3.1 權重及各等級綜合貼進度的確定

評價指標結合AHP和熵權法進行評價，修改后的權重見表3。可以看出，修正之后降水量權重最大，為0.134，其次是第三產業(yè)比重、人均水資源量和污水處理率，權重分別是0.094、0.078、0.078。萬元工業(yè)增加用水的修正權重最小，為0.019?？傮w而言，修正后的指標權重更加貼近實際，完善了因2種方法的不足而造成評價結果脫離實際情況的問題[29]。

表3 修正后的權重系數(shù)計算結果

3.2 遼寧省水資源承載力評價

評估系統(tǒng)對2010—2020年這16個指標的數(shù)據(jù)值進行了標準化，并利用水資源承載力評估模型計算了每個指標的理想點接近度。根據(jù)評價等級分類標準，得出了2010—2020年的承載力水平。從時間上看，研究期內遼寧省各地市的水資源承載力呈波動特征，總體范圍在0.4～0.8，評價指數(shù)均值由2010年的0.517增大到2020年的0.662，提高了23.40%，見表4。

表4 2010—2020 年遼寧省各地市水資源承載力水平

遼寧省各地市水資源承載力時間變化趨勢見圖2，每隔5年監(jiān)測一次，遼寧省各地區(qū)水資源承載力水平均在Ⅱ—Ⅳ級，研究期內評價等級逐漸提高。從空間上看(圖2)，2010年，大連市、沈陽市、丹東市和本溪市水資源承載力為Ⅳ級，大連市水資源承載力水平表現(xiàn)最差(0.478)，其余地級市均為Ⅲ級，其中阜新市表現(xiàn)最好，其理想點貼近度值為0.567；2015年，大部分地級市仍為Ⅲ級，其中盤錦市水資源承載力水平呈現(xiàn)最低值為0.504，阜新市、錦州市、鞍山市和葫蘆島市水資源承載力為Ⅱ級，其中錦州市理想點貼近度最高為0.629；2020年所有地級市水資源承載力均為Ⅱ級，一半的地級市承載力水平高于全省平均水平，其中錦州市水資源承載力表現(xiàn)最高為0.716，大連市水資源承載力表現(xiàn)最低為0.631。由此可以看出，中西部地區(qū)水資源承載力變化最為明顯。

a)2010年

3.3 遼寧省水資源系統(tǒng)耦合協(xié)調性分析

通過式(12)—(14)，計算2010—2020年遼寧省水資源、社會、經濟、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)耦合協(xié)調性，耦合度一直呈現(xiàn)高度耦合階段，耦合度指數(shù)在0.875 4～0.978 4，呈逐年增長趨勢，水資源承載力耦合協(xié)調性由2010年的0.643 6增大到2020年的0.825 7，總體呈波動上升，處于初級協(xié)調向中級協(xié)調過渡。從空間上來看(圖3)，2010年除沈陽市以外其他地級市協(xié)調水平在0.6～0.7，處于初級協(xié)調水平，耦合協(xié)調度最低值為鐵嶺市0.631 7，最高值為沈陽市0.709 4，處于中級協(xié)調水平。2015年遼寧省所有地級市協(xié)調水平在0.7～0.8，處于中級協(xié)調水平。2020年遼寧省所有地級市均表現(xiàn)為良好協(xié)調的狀態(tài)，沈陽市、盤錦市、丹東市耦合協(xié)調水平最高，其中沈陽市為0.859 3，朝陽市、阜新市、鐵嶺市協(xié)調性較差，其中鐵嶺市為0.713 8。從時間上看(圖4)，各地市系統(tǒng)間耦合協(xié)調度指數(shù)均呈波動增長態(tài)勢，2010—2015年耦合協(xié)調性增長幅度比2015—2020年大，沈陽市耦合協(xié)調性變化最明顯，由2010年0.709 4增長至2020年0.859 3，阜新市變化幅度最小由2010年0.654 1增長至2020年0.731 1。

圖3 遼寧省水資源空間耦合協(xié)調性

圖4 遼寧省水資源時間耦合協(xié)調性

3.4 水資源承載力原因變化分析

a)遼寧省水資源承載力穩(wěn)定性較差。2010—2020年，遼寧省水資源承載力呈現(xiàn)波動特征，水資源承載力隨著降水量和人均水資源呈正相關。由表4可知，錦州市相對于其他地級市，水資源承載力發(fā)展較好，主要由于該市工業(yè)用水量較少；大連市、沈陽市等地區(qū)經濟水平高，社會發(fā)展迅速，工業(yè)用水量增加且人口多，人均水資源量低于全省平均水平，水資源可持續(xù)性低，用水矛盾問題突出[30]。除2016、2019年外，大連市的水資源承載力為全省最低，與其他城市相比，其水資源質量和數(shù)量都相對較差。在營口市、葫蘆島市和丹東市等人均水資源量和年降水量相對豐富的地區(qū)，城市居民的生活用水較少，用水效率較高，污水處理率高于全省平均水平[31]，因此水資源承載力水平較高。遼寧省水資源承載力最值差異顯著，表明遼寧省水資源時空分布極其不均衡。東部山區(qū)水資源豐富，人口稀少，工業(yè)不發(fā)達，工農業(yè)水資源壓力小，水資源承載力水平較高；中部和沿海地區(qū)人口稠密，是遼寧省重要的工商業(yè)谷物基地，經濟發(fā)展迅速，供用水矛盾日益突出[32]。隨著人民生活水平的提高，對水環(huán)境的要求也越來越高，人們已經不能忍受主要河流的持續(xù)枯竭[33]，加之水資源分布空間差異明顯，對化工產業(yè)的穩(wěn)定性和集聚性產生極大不利影響，因此導致水資源承載力出現(xiàn)顯著空間差異。

b)行業(yè)用水矛盾突出。通過計算遼寧省各地級市2010—2020年水資源承載力可知，行業(yè)用水矛盾突出的地區(qū)水資源承載力較低，例如大連市的每年水量僅有16.47億m3，生活用水量約為2.88億m3，城鎮(zhèn)人均占有量僅為450 m3，遠低于世界人均水平的標準(1 000 m3)。主要是由于該地區(qū)工業(yè)發(fā)展水平較高，GDP增長率迅速，人口數(shù)量和總耗水量急劇增大，使得大連市缺水現(xiàn)象屢屢發(fā)生，嚴重制約經濟的發(fā)展。此外，生活垃圾和工業(yè)污水造成水環(huán)境污染嚴重，破壞水系生態(tài)平衡[34]。同時，水資源系統(tǒng)受到破壞，也會進一步加大水資源供需缺口矛盾，加劇阻礙大連市區(qū)域發(fā)展[35]。

4 結論與討論

4.1 結論

本文從生態(tài)環(huán)境、經濟、社會與水資源4個子系統(tǒng)構建水資源承載力評價指標體系，利用AHP-熵權法計算權重，并采用理想點法評價方法確定遼寧省各年份水資源承載力等級，評價各子系統(tǒng)耦合協(xié)調性。主要結論如下。

a)2010—2020年期間遼寧省各地區(qū)承載力總體呈現(xiàn)上升趨勢，總體范圍在0.4～0.8，水資源承載力評價等級位于Ⅱ—Ⅳ級，區(qū)域空間差異明顯，其中大連市和沈陽市等地區(qū)的水資源承載力較差，錦州市水資源承載力較好,2020年三市水資源承載力分別為0.631、0.614、0.716。

b)遼寧省水資源耦合協(xié)調水平在0.6～0.9，處于初級協(xié)調向中級協(xié)調過渡，最后表現(xiàn)為良好協(xié)調的狀態(tài)，其中沈陽市綜合評價最高為0.859 3，鐵嶺市最低為0.713 8。水資源、社會、經濟、生態(tài)4個系統(tǒng)耦合協(xié)調性從高到低為：經濟>社會>生態(tài)>水資源。

c)遼寧省水資源承載力主要受降水量、污水處理率、水資源量和第三產業(yè)比重的影響，因此應大力宣傳綠色發(fā)展理念，嚴格控制水資源使用，加強節(jié)約用水管理，提高水資源利用效率，合理設定水資源管理控制指標，實現(xiàn)水資源可持續(xù)發(fā)展。

4.2 討論

以往對遼寧省的水資源承載能力分析多停留在評價區(qū)域承載力大小上，對于連同水資源承載力系統(tǒng)內部的協(xié)同發(fā)展研究較少?；诖耍梃b已有學者的研究，構建“水資源-社會-經濟-生態(tài)環(huán)境”系統(tǒng)，一方面剖析了遼寧省水資源承載力水平時空演變特征，另一方面揭示耦合演變趨勢，以期為提升遼寧省水資源承載力起到積極作用。

基于研究結論，遼寧省多年水資源承載力呈增加的趨勢，水資源承載力空間差異明顯。與經濟和社會子系統(tǒng)相比，水資源和生態(tài)子系統(tǒng)承載力水平相對滯后。影響遼寧省水資源承載力的因素眾多，其中受降水量、第三產業(yè)比重、人均水資源量和污水處理率的影響較大，除此與自然人口增長率、總耗水量和GDP增長率等因素也是相關的[36]。其中，水資源量、降水量和生態(tài)環(huán)境與自然資源環(huán)境密切相關，在發(fā)展經濟的同時，需要在現(xiàn)有水資源量和降水量的基礎上加強對水資源的利用效率[37]；此外，污水的合理回收循環(huán)處理和利用成為需要解決水資源短缺關鍵，兼顧對生態(tài)環(huán)境的有效保護，促進生態(tài)效益的提升[38]。分析顯示遼寧省水資源均衡性問題依然突出，供水安全保障程度不高。當前，隨著遼寧省社會經濟發(fā)展步伐的加快，要合理考慮“水資源-社會-經濟-生態(tài)”系統(tǒng)性因素在水資源承載力中的占比情況，科學調整水系統(tǒng)內部結構，開展新型水資源技術的研發(fā)，針對性地提出促進水資源承載力提高的有效措施，在穩(wěn)定發(fā)展水資源的同時兼顧生態(tài)環(huán)境和人居環(huán)境的適宜性追求經濟、社會和生態(tài)效益一體化[39]。

由于數(shù)據(jù)的可獲取性，本文指標數(shù)據(jù)存在一定的局限性，就研究內容和研究對象而言，在今后研究中，將考慮水質等生態(tài)環(huán)境指標，未來在提高遼寧省水資源承載力方面，完善水治理體系，提升水治理能力，提升涉水事務監(jiān)管能力和水平，提升用水計量、工程安全、河湖管理等方面自動監(jiān)測能力，全面整合水利信息系統(tǒng)及各類水利數(shù)據(jù)資源，提升水利信息化智慧化水平；進一步完善水利工程建設與運行、水資源管理、河湖管理、水災害防御、水土保持、水庫移民、農村供水等重點領域管理標準規(guī)范；提高水資源利用率，促進遼寧省水資源向均衡協(xié)調方向發(fā)展。