某城市水資源承載力研究

宋樹成

（河北省張家口水文勘測研究中心，河北 張家口 075000）

0 引言

對城市經(jīng)濟發(fā)展來說，水資源十分重要，水資源的匱乏會給人們的生活和工作造成嚴重的影響，所以對城市水資源情況進行評估，同時參考評估數(shù)據(jù)來制定水資源調(diào)配措施和采取對應(yīng)的水資源保護方案是十分重要的[1-3]。一般通過分析一個地區(qū)的水資源承載力來判斷其水資源是否充沛，分配是否合理。在國內(nèi)，眾多學者也從各個方面對水資源承載力的評價方法進行研究，其評價體系也更科學合理[4]。門寶輝等[5]通過生態(tài)足跡法，對地區(qū)水資源承載力進行動態(tài)分析，給當?shù)氐乃Y源的調(diào)配提出合理的建議。杜雪芳等[6]根據(jù)TOPSIS 模型，對鄭州市水資源承載力的發(fā)展趨勢進行分析。曹麗娟等[7]利用主成分分析法，從多個方面對地區(qū)水資源承載力進行評價。但是在評價水資源的承載力時，使用傳統(tǒng)賦權(quán)法計算權(quán)重時，通常會因主觀局限性而導致計算結(jié)果出現(xiàn)偏差。

基于此，為了解當?shù)貐^(qū)域水資源承載力的實際情況，并掌握其發(fā)展規(guī)律，通過組合賦權(quán)法計算指標權(quán)重，并使用TOPSIS模型對當?shù)厮Y源承載力進行計算，為制定相關(guān)當?shù)厮Y源管理方案提供理論支撐。

1 研究區(qū)概況

某城市地勢平坦，西北走向略低于東西走向，平洼地為其主要地貌類型，另外存在部分山地與丘陵，出現(xiàn)洪澇災(zāi)害的概率較高。城市內(nèi)四季分明，多年降雨量均值為572 mm，且具有南多北少、時空不均的特點。這幾年，城市規(guī)模逐漸擴大，城市污水排放量也大幅增加，給水環(huán)境造成嚴重污染，水資源供給面臨較大的困難，該現(xiàn)象已成為限制當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展的重要因素，對該城市2012—2020 年的水資源相關(guān)數(shù)據(jù)進行研究。

2 研究方法

2.1 建立評價指標體系

很多因素都會對水資源的承載力造成影響，要想準確地評價城市水資源承載力，采用合理科學的評價指標體系必不可少。通過結(jié)合當?shù)厮Y源相關(guān)數(shù)據(jù)和水資源現(xiàn)狀，從生態(tài)系統(tǒng)、水資源以及經(jīng)濟社會的角度出發(fā)，從上述3 個子系統(tǒng)中挑選處指標11 項，以此來建立該城市的水資源承載力評價體系，具體評價指標見表1。在表1 中，當評價指標屬于負向時，承載力隨著數(shù)值增大而減少，當評價指標屬于正向時，承載力隨著數(shù)值增大而增大。

表1 水資源評價指標體系

2.2 確定指標權(quán)重

變異系數(shù)法的賦權(quán)是通過判斷指標的變異程度完成的，屬于客觀賦權(quán)法，在計算權(quán)重的過程中，能夠?qū)⒏鱾€指標之間的差異有效地反映出來。在評價水資源承載力時熵權(quán)法應(yīng)用得較多，該方法在計算指標權(quán)重時是根據(jù)數(shù)據(jù)的離散程度完成的，科學客觀，有較高的準確度。當使用主觀賦權(quán)法時，會因為人為評判的影響而導致權(quán)重計算結(jié)果可能出現(xiàn)誤差，而客觀賦權(quán)法能夠很好的避免這種問題，不過單一的計算方法也有一些缺點。為了保證計算結(jié)果有較高的準確性，根據(jù)組合賦權(quán)法的形式，結(jié)合熵權(quán)法權(quán)與變異系數(shù)法的權(quán)重計算結(jié)果，以此來計算相關(guān)指標的組合權(quán)重。

可根據(jù)公式（1）對各指標變異系數(shù)進行計算，如公式（1）所示。

在公式里，第i項指標的均值和標準差為和σi。

對各指標的權(quán)重進行歸一化計算，如公式（2）所示。

歸一化處理各指標數(shù)據(jù)，取評價年限n個，同時在每個年限里包括評價指標m個，可形成初始矩陣R=（rij）m×n并且將全部數(shù)據(jù)進行標準化處理。

計算第i個指標的信息熵的表達式如公式（3）所示。

式中：fij為評價因子在指標中的權(quán)重；ei為第i項的信息熵。

2.3 建立TOPSIS 模型

通過負理想解與正理想解來建立TOPSIS 模型，依次得出正負理想解與樣本對象的距離。以此為基礎(chǔ)采用水資源承載力綜合評價指數(shù)的定量評價方法，能夠應(yīng)用在多指標多方案的系統(tǒng)評價中，如公式（4）所示。

第一步：構(gòu)建標準化矩陣。

式中：wi為組合賦權(quán)得出的權(quán)重；m×n為n個評價年限，且在每個年限中存在m個評價指標，Y代表樣本對象理想解。

第二步：對正負理想解進行確定。

在上式中，Y+與Y-分別表示正、負理想解，即第j年中第i指標的最大值和最小值。

第三步：距離計算。

第四步：水資源承載力綜合評價指數(shù)的計算。

式中：Cj為水資源承載力綜合評價指數(shù)在第j年的值，[0，1]為其取值范圍，當Cj的值越靠近1 時，當?shù)爻休d力就越高。

3 分析結(jié)果

3.1 分析指標權(quán)重

以熵權(quán)法和變異系數(shù)法對該區(qū)域的指標權(quán)重進行計算，以組合賦權(quán)對該區(qū)域的組合權(quán)重進行計算，具體計算結(jié)果見表2。根據(jù)從小到大的順序?qū)⒆儺愊禂?shù)法計算的權(quán)重進行排序，能夠計算8.64 為REn（差異系數(shù)）的值，0.47 和0.53 分別為組合賦權(quán)待定系數(shù)β和α的值。圖1 為3 種權(quán)重的對比結(jié)果。

圖1 指標權(quán)重計算結(jié)果對比

表2 指標權(quán)重計算結(jié)果

從圖1 和表2 能夠看出，通過3 種方法計算的指標權(quán)重間差異較大，但經(jīng)過綜合對比，發(fā)現(xiàn)部分高權(quán)重指標較為相近。其中，0.321 和0.194 分別為通過變異系數(shù)法和熵權(quán)法計算出的生態(tài)環(huán)境用水率指標權(quán)重，生態(tài)環(huán)境用水率指標通過組合賦權(quán)法計算的權(quán)重為0.261。該指標在3 種計算方法中權(quán)重值均為最大，這表示提高生態(tài)環(huán)境用水率能夠很大程度地提高水資源承載力。

人均水資源在組合權(quán)重里占比較大，其值為0.128，這說明當?shù)厮Y源承載力會受人均水資源量較大的影響。同時能夠發(fā)現(xiàn)權(quán)重較高的還有產(chǎn)水模數(shù)，其值為0.127，這說明水資源承載力的恢復速度會因產(chǎn)水模數(shù)的增大而增大。權(quán)重略低的為水資源開發(fā)利用率，其值為0.108，這說明當?shù)厮Y源開發(fā)利用過多會在一定程度上削弱水資源承載力，阻礙了水資源的長期發(fā)展。

3.2 分析水資源承載力

結(jié)合當?shù)氐膶嶋H情況，根據(jù)綜合評價指數(shù)可以將2012—2020 年的水資源承載力分成5 個等級，依次為0.8~1，理想承載力（I 級）；0.6~0.8，良好承載力（Ⅱ級）；0.4~0.6，可承載（Ⅲ級）；0.2~0.4，弱可承載（IV 級）；0~0.2，不可承載（V 級）。通過以上方法和模型，對該地區(qū)水資源承載評價值進行計算，表3 為具體計算結(jié)果。為了將該地區(qū)2012—2020 年的水資源承載力更直觀地表現(xiàn)出來，按照綜合評價結(jié)果和承載力等級將其變化趨勢繪制成圖，如圖2 和圖3 所示。

圖2 該地區(qū)2012 年至2020 年水資源承載力評價值變化趨勢

圖3 該地區(qū)2012—2020 年水資源承載力等級變化趨勢

表3 該地區(qū)2012—2020 年水資源承載力評價值

從圖2 和表3 中能夠看出，在2012—2020 年，該地區(qū)水資源承載力評價值逐漸提高，從0.65 增至0.875，提高了近4 倍，這表示該地區(qū)水資源承載力發(fā)展情況較好。但是在2012—2013 年，雖然水資源評價值同樣為增長情況，不過這段時間內(nèi)的承載力較低，等級為V 級。

水資源承載力評價值在2013—2014 年逐漸降低，降至2014 年的0.205。該現(xiàn)象是因為地區(qū)人口總數(shù)變多，生活用水量提高，水資源開發(fā)利用量逐漸提高，超過當?shù)氐乃Y源承載水平，給水資源形成了較高的壓力。

水資源承載力評價值在2014—2016 年逐漸提高，增長至2016 年的Ⅲ級，此時為可承載狀態(tài)。這是因為在當?shù)?015 執(zhí)行了比較嚴格的水資源管理制度，提高節(jié)約用水和水資源保護力度，水資源的開發(fā)利用得到合理控制，提高了人均水資源量和當?shù)禺a(chǎn)水模數(shù)，水資源承載力慢慢增大，并于2020 年增至0.87，為最近幾年的最高值。同時根據(jù)當?shù)厮Y源公報能夠發(fā)現(xiàn)，區(qū)域生態(tài)環(huán)境用水從2017—2020 年一直處于上升狀態(tài)，這期間從1.4%提高至6.36%，對部分區(qū)域的水資源過度開發(fā)利用進行補充，提高額污染源防控、水環(huán)境整治力度，并引入前沿水環(huán)境治理理念和技術(shù)，采取多項生態(tài)修復措施，大大改善了水生態(tài)環(huán)境。

4 結(jié)論

為了解當?shù)貐^(qū)域水資源承載力的實際情況，并掌握其發(fā)展規(guī)律，這次研究通過組合賦權(quán)法計算指標權(quán)重，并使用TOPSIS模型對當?shù)厮Y源承載力進行計算，主要得出以下2個結(jié)論：1）生態(tài)環(huán)境用水率、人均水資源指標權(quán)重以及產(chǎn)水模數(shù)指標權(quán)重較大，均能在一定程度上對當?shù)厮Y源承載力起到積極的作用，而水資源開發(fā)利用率權(quán)重值較低，這表示當?shù)厮Y源開發(fā)利用過多會在一定程度上削弱水資源承載力，阻礙水資源的長期發(fā)展。2）在2012—2020 年，該地區(qū)水資源承載力評價值逐漸提高，從0.65 增至0.875，提高近4 倍，這表示該地區(qū)水資源承載力發(fā)展情況較好，當?shù)仡C布和執(zhí)行的水資源管理制度能夠使水資源的開發(fā)利用得到合理控制，人均水資源量和當?shù)禺a(chǎn)水模數(shù)得到提高。