基于組合權(quán)重ＴＯＰＳＩＳ 模型的河南省引黃受水區(qū)水資源承載力研究

張修宇 曹彥坤 包添豪 王貽森 石峰

摘 要：為確定河南省引黃受水區(qū)水資源承載力狀況，構(gòu)建了包括水資源、生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)３ 個(gè)準(zhǔn)則的指標(biāo)體系，采用基于ＡＨＰ 法和ＥＷＭ 法組合權(quán)重的ＴＯＰＳＩＳ 模型，對(duì)該區(qū)２０１０—２０２１ 年水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：２０１０—２０２１ 年河南省引黃受水區(qū)水資源承載力呈現(xiàn)上升態(tài)勢(shì)，但水資源承載力等級(jí)整體偏低，大多數(shù)為Ⅲ級(jí)（臨界），均未達(dá)到Ⅰ級(jí)（可承載）水平；２０２１ 年河南省引黃受水區(qū)水資源承載力障礙因子中供水模數(shù)影響最大，城市污水處理率影響最??；從水資源和生態(tài)環(huán)境準(zhǔn)則來看，該地區(qū)水資源承載力還有很大提升空間，可以從加大水資源管理力度、加強(qiáng)節(jié)水宣傳等方面加以改善。

關(guān)鍵詞：水資源承載力；ＴＯＰＳＩＳ 模型；組合權(quán)重；河南省引黃受水區(qū)中圖分類號(hào)：ＴＶ２１３．４ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０７．０１４

引用格式：張修宇，曹彥坤，包添豪，等．基于組合權(quán)重ＴＯＰＳＩＳ 模型的河南省引黃受水區(qū)水資

源承載力研究［Ｊ］．人民黃河，２０２２，４５（７）：７３－７８．

０ 引言

水資源是一個(gè)地區(qū)不可或缺的重要自然資源。習(xí)近平總書記在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會(huì)上強(qiáng)調(diào)“促進(jìn)南北方協(xié)調(diào)發(fā)展，需要水資源的有力支撐”。全面落實(shí)“三新一高”（新發(fā)展階段、新發(fā)展理念、新發(fā)展格局和高質(zhì)量發(fā)展）戰(zhàn)略要求，是現(xiàn)代化發(fā)展的必要條件，是治國安邦的大事［１］ 。因此，水資源短缺是迫切需要解決的問題。

從２０ 世紀(jì)９０ 年代開始，國內(nèi)外很多專家對(duì)水資源評(píng)價(jià)方法、評(píng)價(jià)模型進(jìn)行了廣泛的研究，例如：Ｋｕｍａｒ 等［２］ 分析了氣候變化條件下當(dāng)前和未來的水資源供應(yīng)情況，并確定水資源承載能力為尼泊爾卡斯基區(qū)可支持的最大社會(huì)經(jīng)濟(jì)規(guī)模；Ｗａｎｇ Ｈｕａｄｏｎｇ 等［３］ 采用主成分分析法，從水資源、水管理、工業(yè)發(fā)展、農(nóng)業(yè)發(fā)展、社會(huì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)等方面構(gòu)建了河北省水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；Ｈｕ Ｍｅｎｇｑｉ 等［４］ 提出了一種結(jié)合水資源供需分析和Ｓ 形曲線閾值分析計(jì)算區(qū)域水資源承載力的改進(jìn)方法；Ｊｉ Ｊｕｎｔａｏ 等［５］ 基于河南省水資源的實(shí)際狀況，采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法，研究了河南省經(jīng)濟(jì)、人口、水資源、水環(huán)境４ 個(gè)子系統(tǒng)之間的關(guān)系；ＳｕｎＸｉｕｂｏ 等［６］ 在構(gòu)建水資源承載力研究評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，利用主客觀賦權(quán)法將權(quán)重引入ＴＯＰＳＩＳ 模型的歐氏距離計(jì)算中；左其亭［７］ 在對(duì)研究方法對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，把水資源承載力計(jì)算方法分為經(jīng)驗(yàn)公式法、綜合評(píng)價(jià)法、系統(tǒng)分析法３ 大類，并重點(diǎn)介紹了基于模擬和優(yōu)化的控制目標(biāo)反推模型（ＣＯＩＭ）方法及應(yīng)用情況；張修宇等［８－９］ 在全面剖析生態(tài)灌區(qū)復(fù)合系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于生態(tài)的灌區(qū)水資源承載力計(jì)算模型。

本文從水資源、生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)３ 個(gè)準(zhǔn)則出發(fā)對(duì)河南省引黃受水區(qū)水資源承載力進(jìn)行研究，以期為今后該地區(qū)水資源管理與可持續(xù)利用提供參考。

１ 研究方法

１．１ 指標(biāo)體系的構(gòu)建

水資源承載力評(píng)價(jià)不僅要考慮地區(qū)水資源量，還要綜合分析生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)兩個(gè)方面。河南省引黃受水區(qū)人均水資源量遠(yuǎn)低于全國平均水平，且空間分布差異明顯。結(jié)合引黃受水區(qū)水資源自然條件、生態(tài)環(huán)境狀況、經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水現(xiàn)狀綜合分析，參考相關(guān)研究［１０］ ，最終選?。保?個(gè)指標(biāo)（正向指標(biāo)值越大越好，負(fù)向指標(biāo)值越小越好），構(gòu)建水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（見表１）。其中：水資源準(zhǔn)則處于核心地位，反映區(qū)域水資源稟賦和發(fā)展水平，選擇人均用水量、年降水量、人均水資源量、產(chǎn)水系數(shù)和供水模數(shù)５ 個(gè)指標(biāo)；生態(tài)環(huán)境準(zhǔn)則反映區(qū)域環(huán)境污染對(duì)水資源的影響，選擇城市污水處理率、人均ＣＯＤ 排放量和歸一化植被指數(shù)３ 個(gè)指標(biāo)；經(jīng)濟(jì)社會(huì)準(zhǔn)則反映社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水資源的影響，選擇人均生活用水量、每公頃農(nóng)田灌溉用水量、萬元ＧＤＰ 用水量、萬元工業(yè)增加值用水量４ 個(gè)指標(biāo)。

１．２ 指標(biāo)權(quán)重確定

１．２．１ 層次分析法

層次分析（ＡＨＰ）法是通過定性與定量相結(jié)合來確定指標(biāo)權(quán)重的方法，適用于難以定量描述的決策問題［１１－１３］ 。主要計(jì)算步驟如下。

２ 實(shí)例應(yīng)用

２．１ 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

河南省引黃受水區(qū)主要包括洛陽、鄭州、濟(jì)源、開封、平頂山、三門峽、許昌、商丘、濮陽、焦作、鶴壁、周口、安陽和新鄉(xiāng)１４ 個(gè)地級(jí)市（見圖１），總面積約１０．２萬ｋｍ２，占全省面積的６１％，跨淮河、黃河和海河三大流域。河南省是一個(gè)人口眾多、水資源缺乏的省份，引黃受水區(qū)又屬于河南省缺水較為嚴(yán)重的地區(qū)，水資源供需矛盾長期存在，引黃工程改善了該地區(qū)的水資源狀況，對(duì)河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮了重要作用［１９－２０］ 。本文選?。保?個(gè)指標(biāo)對(duì)２０１０—２０２１ 年引黃受水區(qū)１４ 個(gè)地級(jí)市水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，數(shù)據(jù)來源于《河南統(tǒng)計(jì)年鑒》《河南省水資源公報(bào)》等。

２．２ 計(jì)算結(jié)果

１）組合權(quán)重ωｊ 。根據(jù)式（１） ～式（２）確定主觀權(quán)重，求得一致性比率ＣＲ ＝０．００８＜０．１，說明滿足一致性要求，根據(jù)式（３） ～ 式（５）確定不同評(píng)價(jià)年的客觀權(quán)重；最后根據(jù)式（６）求出組合權(quán)重，各指標(biāo)組合權(quán)重見表２。從權(quán)重大小來看，供水模數(shù)、人均用水量和產(chǎn)水系數(shù)對(duì)河南省引黃受水區(qū)水資源承載力影響較大，年降水量和城市污水處理率的影響較小。

２）貼近度Ｃｉ 。計(jì)算出組合權(quán)重后，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)，用ＴＯＰＳＩＳ 模型計(jì)算各地級(jí)市貼近度Ｃｉ ，結(jié)果見表３。以２０２１ 年為例，參考前人研究，根據(jù)貼近度將水資源承載力分為５ 個(gè)等級(jí)［２１］ ：貼近度Ｃｉ 在（０，０．１６５］、（０．１６５，０．３６０］、（０．３６０，０．５９２］、（０．５９２，０．７７２］、（０．７７２，１．０００］ 區(qū)間分別為Ⅴ級(jí)（強(qiáng)超載）、Ⅳ級(jí)（超載）、Ⅲ級(jí)（臨界）、Ⅱ級(jí)（弱可承載）、Ⅰ級(jí)（可承載）。

３）障礙度Ｐｊ 。根據(jù)式（１０） ～（１１）分別計(jì)算２０２１年各地級(jí)市評(píng)價(jià)指標(biāo)的障礙度，結(jié)果見表４。由表４可知：人均用水量、產(chǎn)水系數(shù)、供水模數(shù)障礙度較大，而城市污水處理率、人均ＣＯＤ 排放量和歸一化植被指數(shù)障礙度較??；從準(zhǔn)則層來看，水資源準(zhǔn)則障礙度最大，生態(tài)環(huán)境準(zhǔn)則障礙度最小。

２．３ 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

由表３ 可以看出，２０１０ 年和２０１１ 年河南省引黃受水區(qū)水資源貼近度Ｃｉ 普遍較低，說明這兩年水資源承載力普遍較小，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，這兩年人均ＣＯＤ排放量和萬元ＧＤＰ 用水量較多。２０１２ 年開始該區(qū)各地級(jí)市水資源承載力呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，２０１４ 年南水北調(diào)中線工程正式通水之后，鄭州、新鄉(xiāng)、焦作、安陽、鶴壁等地級(jí)市水資源承載力均有明顯提升。２０１７—２０１８年引黃受水區(qū)水資源承載力達(dá)到較高水平，２０１９ 年之后有所下降，說明這幾年該地區(qū)發(fā)展速度有所減緩，這與２０１９ 年降水量減小、產(chǎn)水量降低有直接關(guān)系，但是生態(tài)環(huán)境方面有明顯提升，說明黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施取得一定成效。河南省引黃受水區(qū)水資源承載力等級(jí)整體偏低，２０１０—２０２１ 年均未出現(xiàn)Ⅰ級(jí)，但也沒有超過Ⅳ級(jí)。鄭州、鶴壁、三門峽等地級(jí)市達(dá)到過Ⅱ級(jí)，安陽、新鄉(xiāng)、周口、濮陽等地級(jí)市出現(xiàn)過Ⅳ級(jí)，２０１２ 年之后開封、焦作、許昌、商丘、濟(jì)源等地級(jí)市均保持在Ⅲ級(jí)，差異性不大。濟(jì)源、鶴壁、許昌、洛陽４ 個(gè)地級(jí)市水資源承載力隨時(shí)間呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，周口、安陽、濮陽等地級(jí)市水資源承載力在Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)之間波動(dòng)。

典型年的水資源承載力劃分等級(jí)見圖２。由圖２可以看出，鶴壁、濮陽、安陽、周口等地級(jí)市水資源承載力較小，原因是這些地區(qū)人口眾多，水資源短缺，經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)落后；三門峽水資源承載力較好，原因是其人口較少，水資源較為充足。２０１０ 年河南省引黃受水區(qū)水資源承載力整體較差，只有洛陽和平頂山為Ⅲ級(jí)，其他各地級(jí)市均為Ⅳ級(jí)；２０１５ 年河南省引黃受水區(qū)水資源承載力有明顯提升，其中三門峽達(dá)到了Ⅱ級(jí)，大多數(shù)地級(jí)市由Ⅳ級(jí)轉(zhuǎn)變?yōu)棰蠹?jí)；２０１８ 年該地區(qū)水資源承載力達(dá)到較高水平，除了周口為Ⅳ級(jí)，其他各市均達(dá)到Ⅲ級(jí)；２０２０ 年河南省引黃受水區(qū)水資源承載力相對(duì)于２０１５ 年沒有太大變化，主要原因是該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)出現(xiàn)了環(huán)境污染等問題，導(dǎo)致水資源承載力提升緩慢。

２０１０—２０２１ 年河南省引黃受水區(qū)的城市污水處理率、歸一化植被指數(shù)等指標(biāo)沒有明顯變化，而萬元ＧＤＰ 用水量、萬元工業(yè)增加值用水量等指標(biāo)明顯提升，說明該地區(qū)水資源承載力變化主要與經(jīng)濟(jì)社會(huì)準(zhǔn)則有關(guān)，水資源和生態(tài)環(huán)境準(zhǔn)則對(duì)水資源承載力變化影響不大。從評(píng)價(jià)等級(jí)來看，濟(jì)源和三門峽人均水資源量較多，其評(píng)價(jià)等級(jí)大多為Ⅱ級(jí)，說明水資源承載力較強(qiáng)；洛陽、鄭州等地級(jí)市水資源承載力評(píng)價(jià)等級(jí)偏低，原因是其人均水資源量少，水資源嚴(yán)重缺乏；濮陽市水資源承載力等級(jí)大多為Ⅳ級(jí)，原因是其城市污水處理率相對(duì)較低，人均水資源量偏少。濮陽、安陽、新鄉(xiāng)等地級(jí)市水資源承載力等級(jí)偏低，原因是其人均水資源量偏少。

２．４ 障礙因子分析

由表４ 可知，２０２１ 年河南省引黃受水區(qū)人均用水量、產(chǎn)水系數(shù)、供水模數(shù)障礙度較大，其中供水模數(shù)是影響最大的障礙因子，原因是當(dāng)?shù)厮Y源匱乏，需要引黃河水來維持生活生產(chǎn)，因此供水能力尤為重要；城市污水處理率、人均ＣＯＤ 排放量、歸一化植被指數(shù)較小，其中生態(tài)環(huán)境準(zhǔn)則中的城市污水處理率是影響最小的障礙因子，原因是２０２１ 年該地區(qū)各地級(jí)市的城市污水處理率均達(dá)到較高水平，提升潛力不大。鄭州的最大障礙因子是產(chǎn)水系數(shù)，濟(jì)源、焦作、新鄉(xiāng)、鶴壁、平頂山的最大障礙因子是人均用水量，安陽的最大障礙因子是萬元ＧＤＰ 用水量，其他各地級(jí)市的最大障礙因子均為供水模數(shù)；最小障礙因子開封是年降水量，平頂山是歸一化植被指數(shù)，新鄉(xiāng)是人均ＣＯＤ 排放量，焦作是產(chǎn)水系數(shù)，許昌是萬元工業(yè)增加值用水量，三門峽是人均生活用水量，商丘是人均用水量，其他地級(jí)市均為城市污水處理率。

根據(jù)對(duì)河南省引黃受水區(qū)水資源承載力障礙因子的分析，提出增強(qiáng)水資源承載力的建議：１）水資源準(zhǔn)則方面，因地制宜合理配置水資源，加大水資源管理力度，加強(qiáng)節(jié)水宣傳，減少水資源浪費(fèi)；２）生態(tài)環(huán)境準(zhǔn)則方面，平頂山、濮陽、鶴壁等地級(jí)市提高植被覆蓋率，嚴(yán)格控制污水排放量，將引黃水作為生活和生產(chǎn)的主要水源，盡量減少對(duì)地下水的開采利用；３）經(jīng)濟(jì)社會(huì)準(zhǔn)則方面，提高用水效率，提升水利現(xiàn)代化水平，制定合理水價(jià)，增強(qiáng)公眾節(jié)水意識(shí)。

３ 結(jié)論

本文從水資源、生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)３ 個(gè)準(zhǔn)則出發(fā)，選取１２ 個(gè)指標(biāo)構(gòu)建基于組合權(quán)重的ＴＯＰＳＩＳ 模型，分析河南省引黃受水區(qū)水資源承載力，結(jié)果表明：河南省引黃受水區(qū)水資源承載力在時(shí)間維度上呈現(xiàn)上升態(tài)勢(shì)，２０１８ 年水資源承載力達(dá)到較高水平，但整體處于Ⅲ級(jí)（臨界）水平，存在Ⅳ級(jí)（超載）的地級(jí)市，且沒有達(dá)到Ⅰ級(jí)（可承載）的地級(jí)市，水資源承載力需進(jìn)一步提升。近年來隨著河南省引黃受水區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，水資源承載力在經(jīng)濟(jì)社會(huì)準(zhǔn)則方面的提升尤為明顯，但伴隨產(chǎn)生農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水量增加、水污染嚴(yán)重等問題，從水資源和生態(tài)環(huán)境準(zhǔn)則來看水資源承載力沒有明顯提升，應(yīng)采取有力措施進(jìn)一步改善。

分析２０２１ 年河南省引黃受水區(qū)障礙因子發(fā)現(xiàn)，水資源準(zhǔn)則的供水模數(shù)和產(chǎn)水模數(shù)是第一和第二障礙因子，應(yīng)大力進(jìn)行節(jié)水宣傳，合理配置水資源，提高水資源利用效率，提升水利現(xiàn)代化水平。本研究只選?。保?個(gè)指標(biāo)，下一步要收集更多的數(shù)據(jù)，增加評(píng)價(jià)指標(biāo)，完善水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，使評(píng)價(jià)結(jié)果更加客觀準(zhǔn)確。

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［１７］ 王江，李靖，魏紅義，等．基于ＴＯＰＳＩＳ 法的區(qū)域水資源承載力預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)：以陜西省關(guān)中地區(qū)為例［Ｊ］．水土保持研究，２００８，１５（３）：１６１－１６３．

［１８］ 莊偉，廖和平，潘卓，等．基于變權(quán)ＴＯＰＳＩＳ 模型的三峽庫區(qū)土地生態(tài)安全評(píng)估：以巫山縣為例［Ｊ］．西南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），２０１４，３６（８）：１０６－１１２．

［１９］ 張修宇，周瑩，楊淇翔，等．河南省引黃受水區(qū)水資源利用效率綜合評(píng)價(jià)［Ｊ］．人民黃河，２０２１，４３（１０）：８１－８５．

［２０］ 張修宇，王李良，楊淇翔．河南省引黃受水區(qū)水資源安全綜合評(píng)價(jià)［Ｊ］．人民黃河，２０２１，４３（９）：９０－９３．

［２１］ 劉建廳，劉芮妍，續(xù)衍雪．河南省各地級(jí)市水資源承載力評(píng)價(jià)研究［Ｊ］．人民黃河，２０２２，４４（３）：５３－５８．

【責(zé)任編輯 張華興】