基于組合賦權(quán)和GRA-TOPSIS 法的湖南省水資源承載力綜合評(píng)價(jià)

沈 凱 陳 末 梅嘉恒

（1.黑龍江大學(xué)寒區(qū)地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080）

水資源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)性自然資源和保障可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性經(jīng)濟(jì)資源，同時(shí)也是生態(tài)環(huán)境保護(hù)和建設(shè)的重要控制要素。水資源承載力是衡量區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要參考指標(biāo)，2020 年自然資源部印發(fā)的《資源環(huán)境承載能力和國(guó)土空間開(kāi)發(fā)適宜性評(píng)價(jià)指南（試行）》中明確指出，水資源是確定人口經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展承載規(guī)模的主要約束之一，水資源平衡在缺水地區(qū)更應(yīng)重點(diǎn)考慮。作為資源環(huán)境承載力的主要組成部分，水資源承載力對(duì)區(qū)域未來(lái)經(jīng)濟(jì)社會(huì)走勢(shì)、生態(tài)環(huán)境建設(shè)及水資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)具有重要影響和深遠(yuǎn)意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)湖南省水資源承載力進(jìn)行了定性和定量分析。研究區(qū)域主要集中在全省范圍[1]或者人口密度較大的湘中地區(qū)[2]以及具有典型湖泊平原地貌的洞庭湖流域[3]和湘江流域[4]。結(jié)果表明，湖南省水資源相對(duì)豐富，水資源承載力年際變化大，地區(qū)差異明顯[5-6]。學(xué)者們積極探索了湖南省各種水資源承載力模型的應(yīng)用，但針對(duì)水資源承載力制約因素的研究相對(duì)較少，且評(píng)價(jià)方法較為單一?；诖?，本研究在構(gòu)建水資源-經(jīng)濟(jì)社會(huì)-生態(tài)環(huán)境綜合指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，采用權(quán)重-GRA-TOPSIS 模型對(duì)湖南省水資源承載力進(jìn)行測(cè)算，并結(jié)合耦合協(xié)調(diào)模型和障礙度模型分析湖南省水資源-經(jīng)濟(jì)社會(huì)-生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的演化特征，并診斷障礙因子。與傳統(tǒng)方法相比，權(quán)重-GRA-TOPSIS 模型更為系統(tǒng)，可保證評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性和綜合性。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

湖南省地處中國(guó)中南部，土地面積211829km2，占全國(guó)總面積的2.2%，轄14 個(gè)市（州）。屬于亞熱帶季風(fēng)區(qū)，年平均氣溫在15～18℃之間，水資源總量相對(duì)豐富，多年平均（1956—2016 年）年降水量為1454mm，氣候濕潤(rùn)，降水較多，但季節(jié)分布不均勻，年際變化大，水旱災(zāi)害頻繁。湖南省三面環(huán)山，北亙洞庭，吞吐長(zhǎng)江，四水縱貫全境，水資源稟賦優(yōu)良，但是資源性缺水和結(jié)構(gòu)性缺水長(zhǎng)期并存，同時(shí)也面臨供水風(fēng)險(xiǎn)較高、優(yōu)水未優(yōu)用、局部地區(qū)水資源短缺、集約利用程度不高、工程調(diào)配能力不強(qiáng)等問(wèn)題，解決好水資源配置與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求不相適應(yīng)的矛盾是新階段發(fā)展面臨的重大戰(zhàn)略問(wèn)題。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文數(shù)據(jù)主要來(lái)源于2006—2020 年的《湖南省統(tǒng)計(jì)年鑒》《湖南省水資源公報(bào)》《湖南省環(huán)境狀況公報(bào)》《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》以及《中國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒》。為了減少指標(biāo)量綱對(duì)研究可靠性的影響，對(duì)缺失數(shù)據(jù)用加權(quán)均值法進(jìn)行補(bǔ)充，然后對(duì)指標(biāo)進(jìn)行無(wú)量綱化處理。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及權(quán)重

2 研究方法

為科學(xué)判斷湖南省2006—2020 年水資源承載力演變特征，本研究采用標(biāo)準(zhǔn)化、熵權(quán)-CRITIC 法組合賦權(quán)、GRA-TOPSIS 模型、耦合協(xié)調(diào)度、障礙度模型等方法進(jìn)行研究，具體見(jiàn)表2。

表2 研究方法

3 結(jié)果與分析

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

該指標(biāo)體系由目標(biāo)層、系統(tǒng)層和指標(biāo)層構(gòu)成。其中，目標(biāo)層為水資源承載力；系統(tǒng)層為水資源、經(jīng)濟(jì)社會(huì)和生態(tài)環(huán)境三大系統(tǒng)；指標(biāo)層為各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)。采用熵權(quán)-CRITIC 法組合賦權(quán)對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重分配，結(jié)果見(jiàn)表1。

3.2 湖南省水資源承載力評(píng)價(jià)

3.2.1 綜合水資源承載力變化分析

運(yùn)用GRA-TOPSIS 評(píng)價(jià)模型分析測(cè)算湖南省2006—2020 年綜合水資源承載力及其各子系統(tǒng)承載力，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 2006—2020 年湖南省水資源承載力及其各子系統(tǒng)承載力綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

由圖1 可知，2006—2020 年，湖南省綜合水資源承載力整體呈上升趨勢(shì)，僅個(gè)別年份出現(xiàn)了下降情況。綜合評(píng)價(jià)值結(jié)果由2006 年的0.4551 提高到2020 年的0.5735，年均增長(zhǎng)率為1.858%。根據(jù)其變化趨勢(shì)，研究時(shí)段內(nèi)可大致分為2 個(gè)階段：第一階段為2006—2011 年，水資源承載力呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，降至近15 年最小值。主要原因是湖南省受亞熱帶季風(fēng)氣候影響，全省降水量、水資源總量年際變化大，加之2011 年降水量為近15 年最小值，進(jìn)而影響了水資源總量，再加上當(dāng)年經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)單一，第三產(chǎn)業(yè)占比為近15年最低，造成了嚴(yán)重的水污染問(wèn)題，使流域和地下水等功能顯著降低，可用水資源持續(xù)減少。第二階段為2011—2020 年，除2018 年有輕微波動(dòng)外，其余年份水資源承載力均穩(wěn)步上升。其原因是湖南省在推進(jìn)“兩型社會(huì)”建設(shè)的同時(shí)，組織實(shí)施了《第二個(gè)“三年行動(dòng)計(jì)劃”（2016—2018 年）》《〈水污染防治行動(dòng)計(jì)劃〉實(shí)施方案（2016—2020 年）》等政策，統(tǒng)籌推進(jìn)了湖南省的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，有效控制和降低了水環(huán)境的污染，使水資源-社會(huì)經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展程度明顯提升。

3.2.2 子系統(tǒng)承載力變化分析

由圖1 可知，近15 年來(lái)，湖南省社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，人均GDP 由2006 年的11733 元增長(zhǎng)到2020 年的62537元，第三產(chǎn)業(yè)比例由2006 年的42.00%上升至2020 年的51.71%，全省社會(huì)經(jīng)濟(jì)承載力提升顯著。其綜合評(píng)價(jià)值由2006 年的0.3804 增長(zhǎng)到2020 年的0.6668，為湖南省水資源保護(hù)及其承載力的提升提供了重要保障。

近15 年來(lái)，湖南省生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體在波動(dòng)中呈上升趨勢(shì)，生態(tài)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)值由0.3951 提升到0.5848，同比上漲48.01%。全省重點(diǎn)污染物排放總量和能耗持續(xù)降低，水環(huán)境質(zhì)量持續(xù)改善，生態(tài)質(zhì)量逐步向好，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供了重要保障。

近15 年來(lái)，湖南省水資源系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)值振蕩顯著，呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，由0.3961 上升至0.5934，同比上漲49.81%。2011—2012 年、2016—2020 年湖南省水資源系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)值波動(dòng)較大，其余時(shí)段趨向平穩(wěn)。其原因是湖南省降水量年際變化大，水資源時(shí)間分布不均勻，產(chǎn)生了豐枯交替、連豐連枯交替頻繁的現(xiàn)象。

3.3 耦合協(xié)調(diào)度分析

耦合協(xié)調(diào)度D的取值范圍介于0～1 之間，取值越大，說(shuō)明三系統(tǒng)協(xié)調(diào)度越高，反之協(xié)調(diào)度越低。具體劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

表3 耦合協(xié)調(diào)度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

采用耦合協(xié)調(diào)度模型測(cè)算湖南省2006—2020 年水資源-經(jīng)濟(jì)社會(huì)-生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度，結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2 可知，2006—2020 年湖南省三大系統(tǒng)主要處于中級(jí)協(xié)調(diào)狀態(tài)，且總體呈上升趨勢(shì)。

圖2 2006—2020 年湖南省水資源-經(jīng)濟(jì)社會(huì)-生態(tài)環(huán)境耦合度及耦合協(xié)調(diào)度

2006—2011 年湖南省耦合協(xié)調(diào)度呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，但振蕩顯著、波動(dòng)頻繁；2011—2016 年耦合協(xié)調(diào)度呈波動(dòng)上升趨勢(shì)；2016—2018 年耦合協(xié)調(diào)度有輕微下降趨勢(shì)；2018—2020 年耦合協(xié)調(diào)度上升趨勢(shì)最為明顯。

3.4 障礙因子診斷

根據(jù)障礙度模型，對(duì)影響湖南省2006—2020 年水資源承載力發(fā)展的因素進(jìn)行診斷分析，篩選出障礙度Pij≥5.0%的指標(biāo)，然后按頻率進(jìn)行降序排列，見(jiàn)表4。

表4 湖南省水資源承載力主要障礙因子頻率

針對(duì)表4 中的指標(biāo)，繪制2006—2020 年障礙因子熱點(diǎn)圖，見(jiàn)圖3。

圖3 2006—2020 年湖南省水資源承載力主要障礙因子熱點(diǎn)圖

由圖3 可以看出，生活用水總量（Q9）、人口自然增長(zhǎng)率（Q14）、廢水排放總量（Q18）及除澇面積（Q27）在2006—2020 年的障礙度占比較大，由此可見(jiàn)，如何控制生活用水總量、人口自然增長(zhǎng)率、廢水排放總量及排水防澇是提高湖南省水資源承載能力的關(guān)鍵。

從圖4 可以看出，湖南省2006—2020 年生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)障礙度占比始終較大，且總體呈波動(dòng)上升態(tài)勢(shì)，以2010 年為分水嶺，2010 年以前生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)障礙度始終處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，波動(dòng)幅度不大；2010 年以后生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)障礙度振蕩顯著、波動(dòng)頻繁，最大振蕩幅度達(dá)44.18%。水資源子系統(tǒng)以2011 年為分水嶺，與生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)不同的是，水資源子系統(tǒng)總體呈下降趨勢(shì)。而社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)則以2015 年為分水嶺，在2015 年以前，社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)障礙度始終處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，波動(dòng)幅度不大；2015 年以后，社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)障礙度振蕩顯著、波動(dòng)頻繁，且在2016 年以后障礙度急劇下降，由2016 年的35.51%下降到2020 年的10.33%。說(shuō)明未來(lái)要提升湖南省水資源承載力，必須給予水資源及生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)更多關(guān)注，協(xié)調(diào)平衡各子系統(tǒng)，確保湖南省水資源的可持續(xù)發(fā)展。

圖4 2006—2020 年湖南省水資源承載力各子系統(tǒng)障礙度變化趨勢(shì)

4 結(jié) 語(yǔ)

面對(duì)水資源短缺和水污染導(dǎo)致的水危機(jī)，評(píng)價(jià)湖南省水資源承載力，診斷障礙因子，可為湖南省合理開(kāi)發(fā)利用水資源提供理論依據(jù)。本文基于GRA-TOPSIS模型構(gòu)建水資源-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)三維指標(biāo)體系，通過(guò)CRITIC-熵權(quán)進(jìn)行組合賦權(quán)，并結(jié)合耦合協(xié)調(diào)度模型和障礙度模型對(duì)水資源承載力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，2006—2020 年湖南省水資源承載力與耦合協(xié)調(diào)發(fā)展總體呈上升趨勢(shì)，但年際變化顯著，不同子系統(tǒng)增長(zhǎng)幅度差異較大；影響水資源承載力提升的主要障礙因子為生活用水總量、人口自然增長(zhǎng)率、廢水排放總量和除澇面積。

隨著湖南省水資源承載力的提升，水資源利用效率和效益明顯提高，但生態(tài)保護(hù)與生態(tài)建設(shè)的總體形勢(shì)依然嚴(yán)峻，生態(tài)環(huán)境保護(hù)面臨的任務(wù)十分艱巨，在水污染治理、生態(tài)紅線控制、土地資源退化治理等方面均有較大提升空間。與此同時(shí)，人口的增加也給水資源承載力的提升帶來(lái)了較大壓力，在今后的發(fā)展中，要做到水資源的合理配置、空間均衡。在促進(jìn)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也要注意保護(hù)生態(tài)環(huán)境，降低水環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)水資源與人口、經(jīng)濟(jì)與生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展。