基于組合賦權TOPSIS 模型的宿州市水資源承載力評價及障礙因子研究

摘要：研究區(qū)域水資源承載力是發(fā)現(xiàn)和解決區(qū)域水資源問題的重要途徑。針對皖北平原水資源短缺和水環(huán)境污染等問題，以宿州市為例，基于主體框架法構(gòu)建評價指標體系，采用組合賦權的優(yōu)劣解距離法對宿州市2012—2021年水資源承載力進行了評價，并引入障礙度模型識別全市水資源承載力提升的障礙因素。結(jié)果表明：2012—2021年，宿州市水資源承載力狀況呈現(xiàn)波動變化的趨勢（臨界超載—輕度超載—臨界超載），全市水資源供需處于緊平衡狀態(tài)；人均供水量、萬元 GPD排放 COD 量、城市污水處理廠日處理能力是阻礙宿州市水資源承載力提升的主要障礙因子。該評價結(jié)果及評價方法合理可靠，可為其他城市水資源承載力評價提供有益參考。

關鍵詞：水資源承載力；組合賦權；TOPSIS模型；障礙因子；宿州市

中圖分類號：TV212.4文獻標識碼：A文章編號：1001-9235（2024）06-0100-07

Evaluation of Water Resource Carrying Capacity Based on TOPSIS Model with Combination Weighting and Diagnosis of Obstacle Factors in Suzhou City

LIU Jiankui1， ZHANG Zhen2*， LIU Xianghong3， WEI Lu1

（1. Anhui Institute of Geo-Environment/Technical Guidance Center for Emergency Response to Geological Hazards in Anhui Province，Heifei 230001， China;2. College of Spatial Information and Surveying Engineering， Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001， China;3. College of Resources and Civil Engineering， Suzhou University， Suzhou 234000， China）

Abstract： Studying the carrying capacity of regional water resources is an important way to discover and solve regional water resource problems. In view of issues such as water resource shortage and water environment pollution in the northern Anhui Plain， an evaluation index system was constructed based on the main body frame method with Suzhou City as an example. The water resource carrying capacity of Suzhou City from 2012 to 2021 was evaluated by technique for order preference by similarity to ideal solution （TOPSIS） with combination weighting， and the obstacle degree model was introduced to obtain the obstacles to the improvement of the water resource carrying capacity in Suzhou City. The results indicate that the water resource carrying capacity in Suzhou City fluctuated （critical overload – mild overload – critical overload） from 2012 to 2021. The supply and demand of water resources in the city are in a tight balance. The amount of water supply per capita， the COD emissions per 10000 GPD， and the daily treatment capacity of urban sewage treatment plants are the main obstacles hindering the improvement of water resource carrying capacity in Suzhou City. The evaluation results and methods are reasonable and reliable and can be used as a reference for evaluating water resource carrying capacity in other cities.

Keywords： water resource carrying capacity; combination weighting; TOPSIS model; obstacle factors; Suzhou City

水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基，是人類生活和社會生產(chǎn)所必需的基本資源［1］。然而，隨著中國人口快速聚集式增長、新型城鎮(zhèn)加快推進，水資源供需矛盾愈發(fā)突出，水資源短缺與水生態(tài)惡化等問題因超載而逐漸出現(xiàn)［2］。水資源對社會經(jīng)濟發(fā)展具有約束和支撐雙重作用，水資源承載力是衡量區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要度量指標［3］。水資源承載力是指在一定的經(jīng)濟社會發(fā)展水平下，滿足以生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展與社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的區(qū)域水資源能夠支撐經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的合理規(guī)模［4］，皖北平原地處淮河流域北部，人口眾多，水資源短缺已成為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展瓶頸問題之一，因此，水資源承載力的研究對于區(qū)域可持續(xù)發(fā)展和水安全具有重要現(xiàn)實意義。

國外水資源承載力研究主要集中于水資源管理與安全［5-6］、可持續(xù)利用［7］等領域；國內(nèi)水資源承載力研究首次由新疆水資源研究小組提出［8］。到目前為止，水資源承載力評價的方法眾多，例如主成分分析法［9］、層次分析法［10］、模糊綜合評判法［11］、綜合指數(shù)法［12］等，上述方法具有一定指導意義，但這些方法多偏重于水資源承載的靜態(tài)研究，存在數(shù)據(jù)需求量大、評判標準較難量化、易遺失信息、影響結(jié)果精度等問題。

TOPSIS模型（又稱優(yōu)劣解距離法）是一種多指標綜合分析法，該方法優(yōu)點是能充分利用原始數(shù)據(jù)信息，信息損失較少，能夠精確實現(xiàn)評價目標的優(yōu)劣排序［13］。該模型由 Hwang 等［14］于1981年首先提出，國內(nèi)方面王江等［15］于2008年首次將該模型引入到水資源領域。目前學者對皖北平原生態(tài)脆弱區(qū)域水資源承載力及障礙因子定量研究內(nèi)容較少，因此，本研究基于組合賦權 TOPSIS 模型評價宿州市水資源承載力，并探討對水資源承載力產(chǎn)生負面影響的主要障礙因子，以期為區(qū)域水資源合理開發(fā)利用及保護提供參考。

1研究區(qū)概況

宿州市位于安徽省北部，蘇魯豫皖四省交界處，該市多年平均降水量約850.0 mm，降雨年內(nèi)分配不均，全年70%的雨量集中在汛期。宿州是全國著名的糧食、棉花、水果生產(chǎn)區(qū)，是全國“兩橫三縱”城市化戰(zhàn)略格局中陸橋通道與京廣通道交匯地區(qū)。水是宿州市經(jīng)濟社會發(fā)展的命脈，全市人均水資源占有量只有509 m3，僅為全國人均水資源量的 25.4%，全省人均水資源量的43.7%。宿州屬于資源性和工程性缺水地區(qū)，水資源成為制約宿州未來發(fā)展的最重要因素之一，因此，有必要對宿州市水資源承載力狀況進行評價并探討影響承載力提升的障礙因子，以期推動解決區(qū)域水資源利用突出問題，為區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展提供支撐。

2研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1水資源承載力綜合評價指標體系構(gòu)建

水資源承載力與水資源子系統(tǒng)、人類社會子系統(tǒng)、經(jīng)濟子系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)等密切相關，為此，參考相關研究文獻［16-17］，并結(jié)合宿州市實際，構(gòu)建區(qū)域水資源承載力評價指標體系（表1）。該指標體系既能體現(xiàn)區(qū)域糧食主產(chǎn)區(qū)的主體功能定位，具有較好的針對性和代表性；又可反映區(qū)域水資源開發(fā)利用狀況及經(jīng)濟社會發(fā)展特點，可對區(qū)域水資源承載力做出科學合理的評價。

2.2權重確定

各指標權重分別采用層次分析法（AHP）和熵權法（EWM）進行計算，并根據(jù)組合賦權法［16］的思想，綜合2種方法的結(jié)果求得最終權重，以此弱化層次分析法的主觀影響和熵權法的客觀影響，提高計算結(jié)果的可靠性和科學性。

2.3 TOPSIS模型

TOPSIS 算法基本思想是把各備選方案與正理想解和負理想解之間的歐氏距離進行比較，評價方案越靠近正理想解同時越遠離負理想解，即貼近度越接近1，則表明評價對象越接近理想狀態(tài)［17］，水資源承載力越優(yōu)，反之越差。其計算步驟如下。

步驟一建立初始計算矩陣：X =（xaj ）m × n；

步驟二把初始計算矩陣無量綱化處理：

B =（baj ）m × n（1）

步驟三構(gòu)建加權矩陣：

W =（ω co1，ω co2，…，ω con ）T

通過 Z = B × W 構(gòu)造加權規(guī)范化決策矩陣：Z =（zaj ）m × n，其中zaj =ωcoi×baj。

步驟四計算樣本歐氏距離 Da（+）（Da（-））：

Da（+）=（2）

Da（+）=（3）

式中：z 、z 分別為樣本對象正（負）理想點。

步驟五計算各備選方案與正負理想點的貼近度（評價指數(shù)）：

Ca =（4）

其中，Ca ∈[0，1]。該值越接近1，表明評價對象越接近理想狀態(tài)，水資源承載力越優(yōu)，反之越差。通過貼近度的計算與排序，給出各評價方案評價所屬等級。

2.4評價等級劃定

參考已有研究文獻［3，18-19］，并結(jié)合宿州市實際狀況，按照指標等級范圍將最優(yōu)解的相對貼近度劃分5個等級，依次為“可承載（I）”“臨界承載（II）”“臨界超載（III）”“輕度超載（Ⅳ）”和“嚴重超載（V）”。指標評價與承載分級見表2。

2.5障礙度函數(shù)模型

引入障礙度函數(shù)是為了識別診斷宿州市水資源承載力提升的主要障礙因子，目前該方法在障礙診斷模型中已被廣泛應用，該函數(shù)主要采用因子貢獻度、指標偏離度和障礙度來進行分析判斷［3，20］。其計算公式為：

Hij = G K（jKij）（5）

j =1

U = ij（6）

式中：Gj為因子貢獻度；Kij 為指標偏離度，指標實際值與最優(yōu)目標值之間的差距；Hij 為障礙度大小，Hij越大表示該因素的制約作用越大；U 為計算準則層，U 值越大即意味著其“障礙”越大，即影響程度越大。

2.6數(shù)據(jù)來源

評價數(shù)據(jù)主要來源于2012—2021年的《宿州市水資源公報》《宿州市統(tǒng)計年鑒》《宿州市環(huán)境狀況公報》《宿州市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》等。為提高評價結(jié)果可靠性，評價時對不同指標量綱進行無量綱化處理。

3結(jié)果與討論

3.1權重結(jié)果

依據(jù)前文分別計算主客觀權重，然后采用組合賦權法求得綜合權重。由表3可以看出，水資源子系統(tǒng)所占權重最高，是影響水資源承載力的主要影響層面，其次是經(jīng)濟層面和社會層面，生態(tài)環(huán)境層面所占比重最低。從權重視角看，權重較大的4個指標分別為人均供水量（C3）、城市污水處理廠日處理能力（C15）、人均水資源量（C2）、產(chǎn)水模數(shù)（C1），尤其人均供水量對宿州市水資源承載力影響較大，這與宿州市近年來城鎮(zhèn)人口不斷增加、用水需求量逐年增大的現(xiàn)實相符。

3.2全市水資源承載力水平演化分析

通過式（1）—（4）分別計算得出宿州市2012—2021年水資源綜合系統(tǒng)及各子系統(tǒng)貼近度指數(shù)，并對綜合貼近度進行排序。根據(jù)表4可知，2012—2021年宿州市水資源承載力呈波動變化的趨勢（即臨界超載—輕度超載—臨界超載），研究時段內(nèi)全市水資源供需凸顯“緊平衡”局面。研究時段內(nèi)2020年后宿州市水資源承載力增長較為明顯，究其原因，主要是2020年宿州市淮水北調(diào)工程正式調(diào)水，加上各類節(jié)水措施共同作用下，宿州市水資源承載力得到增長。黨的十八大以來，隨著習近平生態(tài)文明思想不斷深入人心，宿州市堅決貫徹落實“水十條”，堅持用最嚴格的管理制度保障與促進水生態(tài)文明建設，近年來區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善成效顯著，水資源承載力總體有所好轉(zhuǎn)。

3.3各子系統(tǒng)評價分析

圖1表明，2012—2021年宿州市水資源4個子系統(tǒng)的承載力平均評價指數(shù)貼近度總體呈現(xiàn)波動變化趨勢。其中，水資源子系統(tǒng)波動較大，2012—2021年表現(xiàn)為“先升后降再升”趨勢，究其原因，主要是人均水資源量和產(chǎn)水模數(shù)對該子系統(tǒng)的影響較大；社會子系統(tǒng)總體呈現(xiàn)上升態(tài)勢，可見人口等因素對綜合系統(tǒng)表現(xiàn)出強需求動能作用；經(jīng)濟子系統(tǒng)承載力呈“先降后升”趨勢，波動較大，究其原因，主要是區(qū)域用水效率偏低，即萬元 GDP 用水量、萬元工業(yè)增加值用水量指標相對較低所致；生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)表現(xiàn)為“先升后降再升”趨勢，由2012年0.4646增長到2014年0.4737，2016年又降低到0.3150，2016—2021年整體呈緩慢上升趨勢，波動較大。整體來看，宿州市屬于水資源嚴重短缺的城市，河湖上游來水較少，缺水帶來的河湖水面面積較小、水體自凈能力較差、水生態(tài)修復難度大等問題，由此可見，持續(xù)加強水資源子系統(tǒng)保障能力與生態(tài)環(huán)境治理能力水平將是宿州市水資源承載力不斷提升的關鍵所在。

3.4障礙因子診斷

根據(jù)式（5）、（6）計算得到宿州市2012—2021年水資源承載力主要障礙因子排序，以出現(xiàn)頻率5為基準選取障礙度排名前六的指標對其進行分析統(tǒng)計（表5、6）。由表5、6可知，2012—2021年各障礙因子中，人均供水量（C3）、產(chǎn)水模數(shù)（C1）、人均水資源量（C2）、人均 GDP（C8）、城市污水處理廠日處理能力（C15）、萬元 GDP 排放 COD 量（C13）的出現(xiàn)頻次分別為8、7、7、6、6、5，由此可見，上述6個指標是影響宿州市水資源承載力提升的主要障礙因子。

為了更加直觀，對上述6個主要障礙因子進一步進行趨勢變化分析（圖2）。由圖可知，人均供水量（C3）、萬元 GPD 排放 COD 量（C13）、城市污水處理廠日處理能力（C15）這3項指標的障礙度數(shù)值呈波動增長趨勢，表明這3項指標是制約宿州市水資源承載力水平的主要因素；同時，人均 GDP（C8）、人均水資源量（C2）、產(chǎn)水模數(shù)（C1）呈波動下降趨勢，說明它們對全市水資源承載力阻礙作用逐年有所下降，將來未必是承載力水平提升的關鍵限制因素，但仍需持續(xù)關注上述因素的有關工作。

3.5討論

從評價結(jié)果來看，研究時段內(nèi)宿州市水資源承載力水平呈波動變化趨勢，承載力年度差異顯著，這與淮河生態(tài)經(jīng)濟帶安徽段［21］、安徽?。?2］研究結(jié)果一致，說明持續(xù)加強水資源子系統(tǒng)保障能力與生態(tài)環(huán)境治理能力仍是宿州市水資源承載力提升的關鍵所在。

宿州市水資源承載力障礙因子診斷發(fā)現(xiàn)，人均供水量、萬元 GDP 排放 COD 量、城市污水處理廠日處理能力是阻礙宿州市水資源承載力提升的主要因子，未來亟需多舉措、多渠道完善水資源供給和水安全保障能力，以期緩解宿州市中長期水資源短缺矛盾。人均 GDP、人均水資源量、產(chǎn)水模數(shù)對全市水資源承載力阻礙作用呈波動下降態(tài)勢，但仍不能忽視上述因素的相關工作。

4結(jié)論與建議

宿州市2012—2021年水資源承載力評價結(jié)果顯示，研究時段內(nèi)宿州市水資源承載力大多處于 III 級，屬于臨界超載；總體呈現(xiàn)波動變化趨勢，即臨界超載—輕度超載—臨界超載；研究時段內(nèi)，2020年后宿州市水資源承載力增長較為明顯。

通過水資源承載力障礙因子診斷，人均供水量、萬元 GPD 排放 COD 量、城市污水處理廠日處理能力是阻礙宿州市水資源承載力提升的關鍵因素，因此，宿州市應扎實推動城市地下地表跨區(qū)調(diào)水等多水源建設，推進污水處理提質(zhì)增效和循環(huán)利用，推廣節(jié)約用水新技術新方法，大力建設節(jié)水型社會，以期緩解全市水資源供需緊張局面。

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（責任編輯：向飛）