基于熵權(quán)-Topsis的青島市水資源安全健康研究

摘 要：本研究以青島市為研究對(duì)象，運(yùn)用熵權(quán)-Topsis法對(duì)2018—2022年的水資源安全健康狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示，2019年青島市水資源安全健康狀況受干旱影響降至最低，但隨著水資源管理和采取應(yīng)對(duì)措施，2020—2022年呈持續(xù)上升趨勢(shì)。權(quán)重分析表明，工業(yè)用水量、污水處理量以及廢水處理能力是關(guān)鍵因素。此外，耦合協(xié)調(diào)度與障礙度分析揭示了水資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)程度及GDP增長(zhǎng)對(duì)水資源安全健康的影響?；谘芯拷Y(jié)果，本文提出水資源管理和保護(hù)措施，以促進(jìn)青島市水資源的可持續(xù)利用和協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：水資源安全；熵權(quán)-Topsis；水資源管理

中圖分類號(hào)：TV 213" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在全球氣候變化和人口增長(zhǎng)的雙重壓力下，水資源短缺、水質(zhì)污染以及水生態(tài)系統(tǒng)的退化等現(xiàn)象日益加劇，對(duì)人類的生存環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成嚴(yán)重威脅。

很多學(xué)者從不同角度對(duì)此進(jìn)行深入研究，探索灌區(qū)水資源的優(yōu)化方案。龔孟梨等[1]從水量安全、水效安全和水生態(tài)安全3個(gè)方面構(gòu)建水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用熵值法確定指標(biāo)權(quán)重，并對(duì)2020年山西省11個(gè)地級(jí)市水資源安全進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。同時(shí)，曹敬椿[2]選用基于麻雀搜索算法優(yōu)化支持向量機(jī)評(píng)價(jià)模型（SSA-SVM）和組合賦權(quán)的TOPSIS評(píng)價(jià)模型，分別對(duì)昆明市多年水資源安全狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。郭子勤[3]利用ARIMA（0，1，4）模型對(duì)2021—2025年中國(guó)水資源安全水平進(jìn)行預(yù)測(cè)。李長(zhǎng)春等[4]基于改進(jìn)的層次分析法和熵權(quán)法的組合賦權(quán)法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重，利用云模型綜合評(píng)價(jià)了甘肅省水安全狀況。

本研究以青島市為例，旨在通過構(gòu)建熵權(quán)-Topsis模型，對(duì)青島市水資源安全健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析青島市水資源的現(xiàn)狀和存在的問題，揭示水資源安全的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

1 研究區(qū)概況

青島市位于中國(guó)山東省東部，膠州灣西岸，地處東經(jīng)119°30’～121°00’，北緯35°35’～37°09’。東臨黃海，西接濰坊市，南靠日照市，北與煙臺(tái)市毗鄰。青島市地形以山地、丘陵、平原為主，地勢(shì)東高西低，具有良好的自然環(huán)境和豐富的水資源。青島市屬于暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明、光照充足，年日照時(shí)數(shù)約為2500h～2700h。年降水量約為600～800mm，降水主要集中在夏季，占全年降水量的70%以上。降水量適中，有利于水資源補(bǔ)給。然而，由于季節(jié)性降水分配不均，因此容易導(dǎo)致水資源供需矛盾問題，給水資源管理和利用帶來一定的壓力。青島市地理位置優(yōu)越，氣候條件適宜，降水適中，為水資源的研究提供了良好的自然基礎(chǔ)。然而，由于全球氣候變化和人類活動(dòng)的影響，因此青島市水資源安全面臨著一定的挑戰(zhàn)，需要對(duì)水資源安全進(jìn)行合理評(píng)價(jià)，以保證水資源的可持續(xù)利用。

2 數(shù)據(jù)來源

本研究的數(shù)據(jù)來源于《青島統(tǒng)計(jì)年鑒》和《青島市水資源公報(bào)》，涵蓋2018—2022年的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括青島市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、人口、水資源利用等多方面的詳細(xì)數(shù)據(jù)以及水資源狀況、水資源管理和保護(hù)等方面的信息。通過綜合分析這些數(shù)據(jù)，對(duì)青島市水資源安全健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。具體數(shù)據(jù)見表1。

3 模型配置

3.1 熵權(quán)-Topsis模型

熵權(quán)法-TOPSIS通過熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重，再利用TOPSIS法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

計(jì)算步驟如下。

3.1.1 建立初始決策矩陣

設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系有n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，m個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象，構(gòu)成初始決策矩陣X。這個(gè)步驟為評(píng)價(jià)體系構(gòu)建了一個(gè)基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)框架，如公式（1）所示。

X=[xij]m·n " " （1）

式中：xij為第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象在第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的值。

3.1.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

將初始決策矩陣X進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣R。標(biāo)準(zhǔn)化是為了消除不同指標(biāo)量綱和數(shù)量級(jí)的影響，使數(shù)據(jù)具有可比性。通過公式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化值rij，保證每個(gè)指標(biāo)在不同評(píng)價(jià)對(duì)象間的比較是公平的。計(jì)算過程如公式（2）、公式（3）所示。

R=[rij]m·n " " " "（2）

式中：rij為第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象在第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值。

rij=（xij-min（xj））/max（xj）-min（xj） " （3）

3.1.3 確定指標(biāo)權(quán)重

利用熵權(quán)法確定各指標(biāo)的權(quán)重，計(jì)算步驟如下。

熵值反映了指標(biāo)的變異程度，熵值越小，指標(biāo)的變異程度越大，提供的信息越多。計(jì)算第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值如公式（4）所示。

Hj=-k·sum（pij·ln（pij）） " "（4）

式中：k=1/ln（m）；pij = rij / sum（rij）。

計(jì)算第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的差異性系數(shù)。該系數(shù)用于度量指標(biāo)區(qū)分評(píng)價(jià)對(duì)象的能力，其計(jì)算過程如公式（5）所示。

Dj=1-Hj " "（5）

確定第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。權(quán)重的大小反映了指標(biāo)在評(píng)價(jià)體系中的重要性，計(jì)算過程如公式（6）所示。

wj=Dj/sum（Dj） " "（6）

3.1.4 構(gòu)建加權(quán)決策矩陣

將標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣R與權(quán)重向量W相乘，得到加權(quán)決策矩陣V。加權(quán)決策矩陣中的每個(gè)元素都是原始數(shù)據(jù)與相應(yīng)指標(biāo)權(quán)重的乘積，突出重要指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。計(jì)算過程如公式（7）所示。

V=[vij]m*n " （7）

式中：vij = wj·rij。

3.1.5 確定正理想解和負(fù)理想解

設(shè)正理想解為A*，負(fù)理想解為A-。正理想解是一組在各評(píng)價(jià)指標(biāo)上都是最佳值的虛擬解，而負(fù)理想解則是一組在各評(píng)價(jià)指標(biāo)上都是最差值的虛擬解。這兩個(gè)解為評(píng)價(jià)對(duì)象提供了標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算表達(dá)式，如公式（8）、公式（9）所示。

A*=[max（vi1），max（vi1），...，max（vij）] （8）

A-=[min（vi1），min（vi1），...，min（vij）] （9）

3.1.6 計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象與正理想解和負(fù)理想解的距離

設(shè)評(píng)價(jià)對(duì)象i與正理想解的距離為Si*，與負(fù)理想解的距離為Si-。距離反映了評(píng)價(jià)對(duì)象與理想狀態(tài)的差距，距離越近，表示評(píng)價(jià)對(duì)象在該指標(biāo)上越接近理想狀態(tài)，計(jì)算過程如公式（10）、公式（11）所示。

Si*=sqrt（sum（（vij-max（vj））2））" （10）

Si-=sqrt（sum（（vij-min（vj））2）） （11）

計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象與正理想解的相對(duì)接近度。通過比較其與正理想解和負(fù)理想解的距離來計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象i與正理想解的相對(duì)接近度Ci。Ci的值越接近1，表示評(píng)價(jià)對(duì)象越接近正理想解，即水資源安全健康狀況越好。這個(gè)步驟為評(píng)價(jià)對(duì)象提供了一個(gè)綜合的排序依據(jù)。相對(duì)接近度的計(jì)算過程如公式（12）所示。

Ci=Si-/（Si*+Si-） " "（12）

通過以上步驟，可以計(jì)算各評(píng)價(jià)對(duì)象的水資源安全健康狀況，并對(duì)其進(jìn)行排序和比較。

3.2 耦合協(xié)調(diào)度模型

在水資源安全評(píng)價(jià)中，耦合協(xié)調(diào)度模型可以用來評(píng)估水資源系統(tǒng)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)之間的相互作用和協(xié)調(diào)程度。

確定指標(biāo)權(quán)重：使用熵權(quán)法確定水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

構(gòu)建耦合協(xié)調(diào)度矩陣：根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重和標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)，構(gòu)建耦合協(xié)調(diào)度矩陣。

計(jì)算耦合協(xié)調(diào)度：利用耦合協(xié)調(diào)度公式計(jì)算水資源系統(tǒng)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)之間的耦合協(xié)調(diào)度。耦合協(xié)調(diào)度的值越接近1，表示兩個(gè)系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)程度越高。計(jì)算過程如公式（13）所示。

（13）

式中：C為耦合度，取值為0～1；?、β、δ為相應(yīng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的固定指數(shù)系數(shù)，當(dāng)個(gè)數(shù)為2個(gè)時(shí)，取0.5；f（x）、g（y）、h（z）為各個(gè)子系統(tǒng)的綜合效益。

3.3 障礙度模型

用障礙度計(jì)算識(shí)別影響水資源安全的主要障礙因素。通過計(jì)算每個(gè)指標(biāo)的障礙度，可以確定對(duì)水資源安全影響最大的因素。

計(jì)算障礙度：利用障礙度公式計(jì)算每個(gè)指標(biāo)的障礙度。障礙度的值越大，表示該指標(biāo)對(duì)水資源安全的影響越大。計(jì)算過程如公式（14）所示。

（14）

式中：F為準(zhǔn)則層和指標(biāo)層權(quán)重乘積；I為1-R'標(biāo)準(zhǔn)化值。

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 青島市水資源安全健康綜合評(píng)價(jià)

采用熵權(quán)法求解各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)果見表2。在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，工業(yè)用水量的權(quán)重最高，其次是進(jìn)入城市污水處理廠的量和廢水治理設(shè)施的處理能力。這些指標(biāo)權(quán)重可以反映各因素對(duì)青島市水資源安全健康的影響程度。

利用TOPSIS法對(duì)水資源安全健康進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。根據(jù)熵權(quán)法確定的權(quán)重和標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)，計(jì)算各評(píng)價(jià)對(duì)象與理想解和負(fù)理想解的距離，并計(jì)算相對(duì)接近度。TOPSIS綜合評(píng)價(jià)結(jié)果見表3。

從表3中可以看出，在2019年，青島市的水資源安全健康狀況是最低點(diǎn)。但2019年后，青島市的水資源安全健康狀況呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢(shì)。

將TOPSIS綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比，2019年青島市遭遇干旱災(zāi)情，這對(duì)當(dāng)?shù)氐乃Y源安全健康狀況會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。青島市積極采取一系列有效措施，包括加強(qiáng)水資源管理、提高水資源的利用效率等。采取這些措施后，2022年的青島市水資源安全健康狀況得到明顯改善。

4.2 協(xié)調(diào)度分析

本文耦合協(xié)調(diào)度的取值為1～10，取值越大說明青島市水資源安全健康協(xié)調(diào)程度越好，反之協(xié)調(diào)程度越差。具體劃分標(biāo)準(zhǔn)見表4。

2018—2022年青島市水資源安全健康耦合協(xié)調(diào)度如圖1所示，耦合協(xié)調(diào)度的計(jì)算結(jié)果整體趨勢(shì)與之前的TOPSIS綜合評(píng)價(jià)一致。在2019年青島市遭受干旱災(zāi)情后，水資源系統(tǒng)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)程度呈現(xiàn)瀕臨失調(diào)的狀態(tài)。這個(gè)結(jié)果與實(shí)際情況相符，干旱災(zāi)情對(duì)青島市的水資源安全健康狀況產(chǎn)生了嚴(yán)重的負(fù)面影響，同時(shí)也對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。隨著國(guó)家采取一系列相應(yīng)的措施以及氣候轉(zhuǎn)變，青島市水資源系統(tǒng)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)程度在后續(xù)逐漸改善。截至2022年，耦合協(xié)調(diào)度已達(dá)到良好的程度，表明青島市在水資源管理和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面取得了顯著進(jìn)步。

綜合以上分析，隨著氣候轉(zhuǎn)變，采用相應(yīng)的管理措施，青島市水資源系統(tǒng)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)程度在經(jīng)歷低谷后，有顯著改善。通過綜合考慮水資源系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的相互作用，可以更好地理解和評(píng)估水資源安全健康狀況，并為未來的水資源管理和決策提供科學(xué)依據(jù)。

4.3 障礙度分析

通過計(jì)算得出，在2018—2022年，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的障礙度高達(dá)0.906，這說明在所有考慮的因素中，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值對(duì)青島市水資源安全健康的障礙作用最顯著。表明經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平是影響青島市水資源安全健康的關(guān)鍵因素之一。經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)青島市水資源安全健康具有決定性的影響。為了改善青島市水資源的安全健康狀況，需要協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源保護(hù)間的關(guān)系。通過推動(dòng)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級(jí)、提高水資源利用效率、加強(qiáng)廢水處理和回收利用等措施，可以使經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源保護(hù)產(chǎn)生良性循環(huán)，從而提高青島市水資源安全健康水平。

5 結(jié)論

本研究通過青島市2018—2022年水資源安全健康狀況的熵權(quán)-Topsis綜合評(píng)價(jià)，得出以下結(jié)論。1）青島市在2019年主要受到當(dāng)年干旱災(zāi)情的影響，水資源安全健康狀況為最低點(diǎn)。然而，在2020—2022年間呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢(shì)，說明水資源管理和應(yīng)對(duì)措施具有有效性。2）在評(píng)價(jià)指標(biāo)中，工業(yè)用水量、進(jìn)入城市污水處理廠的量和廢水治理設(shè)施的處理能力是影響水資源安全健康的重要因素，且權(quán)重較高。3）耦合協(xié)調(diào)度分析表明，青島市水資源系統(tǒng)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)程度在2019年后得到改善，并在2022年達(dá)到良好水平。4）障礙度分析顯示，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的增長(zhǎng)對(duì)青島市水資源安全健康有顯著影響。

基于以上結(jié)論，本研究提出以下建議。1）繼續(xù)加強(qiáng)水資源管理，特別是在工業(yè)用水效率和廢水處理方面，應(yīng)推動(dòng)節(jié)水技術(shù)應(yīng)用和廢水處理設(shè)施升級(jí)。2）優(yōu)化經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，鼓勵(lì)發(fā)展節(jié)水型產(chǎn)業(yè)，降低水資源消耗和減少污染。3）加強(qiáng)水資源監(jiān)測(cè)和預(yù)警，提高對(duì)干旱等極端氣候事件的應(yīng)對(duì)能力。4）提高公眾對(duì)水資源保護(hù)的認(rèn)知度和參與感，通過教育和宣傳活動(dòng)提高水資源利用的效率。5）加強(qiáng)跨部門合作，對(duì)水資源管理與城市發(fā)展規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域進(jìn)行協(xié)同。

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