兖州市水资源承载力多情景评价研究

吕建树，刘煜杰，倪腾南

（山东师范大学人口·资源与环境学院，济南 250014）

兖州市水资源承载力多情景评价研究

吕建树，刘煜杰，倪腾南

（山东师范大学人口·资源与环境学院，济南 250014）

采用改进的TOPSIS法和模糊综合评价法，选取人均供水量、水资源利用率、生活用水定额、万元工业产值需水量、供水模数、需水模数、生态环境用水率7项评价指标，对兖州市2007－2030年3种不同情景下的水资源承载能力进行了分析、评价和预测。结果表明：兖州市现状年（2007年）水资源已经有相当程度的开发利用，但仍有一定的开发潜力；在未来20多年中，随着经济社会的进一步发展，兖州市的水资源承载能力将不断变弱，但仍然可以维持在可承载的范围内，水资源将逐渐成为制约兖州市经济社会发展的主要因素之一；大力开源、建设节水型社会及合理配置水资源将是提高水资源承载力的主要措施。

水资源承载力；改进TOPSIS法；模糊综合评价；兖州市

水资源承载力是各种自然资源承载力的重要组成部分［1］，直接关系到一个地区的经济社会发展状况。我国学者自上世纪80年代就开始对水资源承载力进行研究，但至今对水资源承载力没有一个通用的定义，我们将水资源承载力定义为“在一定的社会经济水平和社会生产条件下，水资源可最大供给工农业生产、人民生活和生态环境保护等用水的能力。即现有条件下水资源的最大开发容量，在此容量下水资源可自然循环和更新，不会造成环境恶化”。近年来，许多学者［1－3］利用多情景分析对水资源承载力进行研究，取得了较好的效果，本文采用改进的TOPSIS法和模糊综合评价法对兖州市水资源承载力进行多情景评价研究。

1 兖州市水资源概况

兖州市地处鲁中南山地丘陵西麓汶泗冲积平原，隶属于山东省济宁市，位于东经116°35′21″～116°53′36″，北纬35°23′31″～35°43′17″之间，总面积约648 km2；属于淮河流域、南四湖水系；主要过境河流有泗河、洸府河、杨家河等，均向西汇入南四湖。

兖州市属于暖温带大陆性季风气候，多年平均气温为14.3℃，降水量年际及年内分布不均匀，多年平均降水量为696.3 mm；多年平均水资源总量为2.92×108m3，水资源构成以地下水为主，人均水资源量约483 m3／人，仅占全国水平的的22%、世界水平的4.5%。兖州市是全国经济实力百强县，工农业发达，近年来随着经济的不断发展，对水资源的压力不断增大，水资源对全市社会经济发展的制约作用已明显体现出来，因此研究水资源承载力、实现对水资源的合理配置对全市的经济社会发展显得尤为重要。

2 研究方法和资料来源

2.1 研究方法

目前区域水资源承载力的研究方法很多，主要有常规趋势法、主成分分析法、模糊综合评价法、系统动力学、模糊物元模型、TOPSIS法、人工神经网络、投影寻踪法等。本文对兖州市水资源承载力评价研究采用的是改进的TOPSIS法和模糊综合评价两种方法。模糊综合评价法是在水资源承载力研究中应用较广且比较成熟的一种方法，其实质就是对主观产生的“离散”过程进行综合处理［4］，但此方法不能充分利用有效信息；TOPSIS法是一种常用的多目标决策分析法，是近年来才引入水资源承载力研究的新方法，通过逼近理想解来对各评价对象进行排序，从而对各评价对象进行综合评价［5］，可以充分利用有效信息。因此，这两种方法可以取长补短，相互验证，最终可以得出科学、客观、合理的评价结果。2.1.1 改进的TOPSIS法

传统TOPSIS法采用欧氏距离对各评价对象与理想解（最优解）和负理想解（最劣解）之间进行距离的计算，但存在评价对象可能同时逼近理想解和负理想解的缺点，而垂直距离可以解决这个缺点。改进的TOPSIS法［5，6］的基本思想是：首先对原始数据进行标准化，然后利用熵权法和层次分析法确定各项评价指标的权重，构造加权矩阵，并且确定理想解和负理想解，最后计算各评价对象与理想解之间的垂直距离，距离越小，说明评价对象越优；反之，则越差。具体步骤如下：

（1）构造原始数据矩阵。设有m个评价对象，n个评价指标，组成原始数据矩阵X＝（xij）m×n，并对X进行极差标准化，得到标准化矩阵Y：

（2）评价指标权重的确定。各评价指标权重的确定采用层次分析法与熵权法［7］相结合的方法，将主观方法和客观方法相统一；既体现了数据本身的数理特征，又体现了人的主观意愿，所得出的权重将比单一方法更加合理。层次分析法（AHP）的权重为W′＝（w′1，w′2，…，w′m），熵权法的权重为W″＝（w″1，w″2，…，w″m）。求出综合权重为W＝（w1，w2，…，wm），其中wi＝θ1w′i＋θ2w″i，θ1＝θ2＝0.5，即熵权法和层次分析法对综合权重的影响是相同的。在此基础上，得到加权矩阵。

式中：rij＝yijwj，i＝1，2，…，m，j＝1，2，…，n

（3）理想解及负理想解的确定。理想解：K＋＝｛maix（rij）｜i＝1，2，…，m｝＝

（4）距离的计算。根据各种文献［5，6，8］对垂直距离的计算方法，得出第i个评价对象与理想解之间的垂直距离

2.1.2 模糊综合评价法

模糊综合评价的基本思想是在原始数据的基础上，利用隶属函数进行单因素评价，进而得出评价矩阵，最后将评价矩阵与权重矩阵进行模糊变换，从而得出对各级评价标准的隶属度。具体步骤如下：

（1）建立因素集U＝（u1，u2，…，um）和V＝（v1，v2，…，vn）评判集。

（2）确定评判矩阵。即根据隶属函数［9］，确定各指标的实际值对不同级别的隶属度，得到单因素评价集，进而得出评判矩阵A：

（3）评价指标权重的确定。为了保证与改进TOPSIS法的可比性，同样利用层次分析法和熵权法确定，W＝（w1，w2，…，wm）。

（4）模糊变换。模糊变换的公式为B＝W。A，通常退化为普通矩阵的计算。B为综合评价的结果，B＝（b1，b2，…，bn），可用最大隶属度原则和综合指数法来确定水资源承载力的级别。

2.2 资料来源

现状年（2007年）有关水资源的资料主要取自《济宁市水资源公报》（2000－2007年）；人口、经济社会资料主要取自《兖州市统计年鉴》（2007年）、《济宁市统计年鉴》（2007年）。对于兖州市各预测年（2010－2030年）的数据，人口数量采用灰色预测GM（1，1）模型，并结合《兖州市国民经济和社会发展第十一个五年总体规划纲要》进行预测；工农业、第三产业、生态及生活用水量，采用定额法进行预测，需水定额则参考《兖州市节水型社会建设实施方案》和山东省其他地区的需水定额来确定。

3 兖州市水资源承载力评价

3.1 评价指标体系及评价标准的确定

根据兖州市社会经济发展状况和水资源的实际利用情况，通过分析其水资源承载能力的各个影响因素，又参照了全国水资源供需分析中的指标体系，借鉴了山东省其他地区水资源评价指标体系，选取人均供水量、水资源利用率、生活用水定额、万元工业产值需水量、需水模数、供水模数、生态环境用水率7个主要指标，构成兖州市水资源承载力综合评价的指标体系。按照上述7个评价指标对区域水资源承载力的影响程度，根据研究区的实际条件，将评价指标对水资源承载能力影响程度划分为V1，V2，V3共3个等级［9］，评价标准见表1。V1表示仍有较强的水资源承载能力，进一步开发利用潜力较大；V3表示接近水资源承载力的阈值，几乎已无进一步开发的潜力；V2则介于V1和V3之间，为二者的中间状态，表示水资源已经有相当程度的开发利用，但仍有进一步开发的潜力。

表1 水资源承载力评价标准Table 1 Assessment standard of water resource carrying capacity

3.2 兖州市水资源承载力计算

结合兖州市社会经济发展速度、需水总量和供水量的预测结果，考虑3种不同情景基础上的水资源供给、利用方案，分别利用改进的TOPSIS法和模糊综合评价法对兖州市的水资源承载力进行评价。方案Ⅰ为最原始的方案，是水资源综合评价的基准状态；既不考虑开源，也不考虑节水以及生态需水中地下水回灌需水，各预测年需水定额以及供水量参照现状年（2007年）。方案Ⅱ介于方案Ⅰ和方案Ⅲ之间，考虑开源和生态需水中地下水回灌需水，但不考虑节水，可作为2种方案的过渡状态。方案Ⅲ为较理想的状态，综合考虑开源与节水，考虑生态需水中地下水回灌需水。

利用综合赋权法方法确定各评价指标的权重，W＝（0.158 2，0.318 5，0.108 1，0.162 5，0.080 8，0.122 6，0.049 2）。限于文章篇幅有限，本文未列出原始数据。利用改进的TOPSIS法和模糊综合评价法对以上3个方案进行综合评价；在改进的TOPSIS法中，将分级临界值也作为评价对象，以确定各年份水资源承载力的等级归属，其评分值越小越好；模糊综合评价级别的确定采用最为常见的最大隶属度原则。2种方法对水资源承载力的评价结果见表2。

3.3 评价结果分析

通过2种方法对兖州市水资源承载力的分析评价，现状年（2007年）的水资源承载力得分处于V2级别，改进的TOPSIS法得分为0.059，对V2的隶属度最大，为0.671，对V3级别也有一定的隶属度。这说明现状年水资源开发利用已达到相当规模，但仍然有一定的开发利用潜力，可以为经济社会发展提供一定程度的支撑。但随着经济社会的不断发展，3种情景的承载力得分（改进的TOPSIS法）不断升高，说明水资源承载状况不断变差。

3.3.1 方案Ⅰ

方案Ⅰ为维持目前的状态，均不采取开源和节水措施，采用2种方法得出的综合评价结果基本一致，表明长此以往水资源承载力逐渐变弱，由基本可承载逐渐变为不可承载，其临界界限大致在2015年。改进的TOPSIS得出的结果表明2007－2020年水资源承载力的级别均为V2，2025－2030年处在V3级别，但2015年之后的评价得分值已非常接近V3；模糊综合评价得出的结果为2007－2015年为V2，2020－2030年为V3，对V3的隶属度不断增加，但对V1，V2仍然有一定的隶属度。由于方法的差异，因此所得的级别有所差异，但是总的趋势都是一样的，水资源承载力都由V2级别变成V3级别，2015年之后水资源承载潜力已基本达到承载力的极限，已无进一步开发潜力，水资源将严重制约兖州市经济社会的发展，对生态环境系统的稳定性构成威胁。

表2 综合评价结果Table 2 Assessed results of water resource carrying capacity

3.3.2 方案Ⅱ

方案Ⅱ为考虑到寻找进一步开源途径、而尚未达到高水平节水效率的状态。改进的TOPSIS法得出的评价结果与方案Ⅰ基本一致，2007－2020年水资源承载力的级别均为V2，2025－2030年为V3，承载力级别并没有变化，但得分值高于方案Ⅰ。模糊综合评价得出的结果与方案Ⅰ相比也没有很大变化，仅仅是在隶属度变化，各水平年和预测年的级别仅有2020年发生变化。可以看出方案Ⅱ比方案Ⅰ要好，总的变化趋势为水资源承载力由V2逐渐变为V3，2020年之后水资源承载潜力同样已接近承载力的极限。这说明仅仅寻找进一步开源途径不能保证2030年以内的可承载状态，仅比基准状态（方案Ⅰ）推迟5年达到承载力极限。

3.3.3 方案Ⅲ

方案Ⅲ是综合考虑充分开源、节水的较理想的状态。改进的TOPSIS法计算结果表明2007－2030年均处在V2级别；模糊综合评价法表明2007－2030年处在V2级别。总的看来，方案Ⅲ的综合评价得分明显好于方案Ⅰ和方案Ⅱ，现状年和预测年基本可承载。但是随着经济和社会的不断发展，方案Ⅲ评分有逐年降低的趋势。可以看出，即使是采取了适当的开源和节水措施，兖州市的水资源供需仍然较为紧张，虽然处于可承载的范围内，但开发潜力不大，主要是由于兖州市的供水潜力已不大，2007－2030年的供水量基本没有变化；目前兖州市的节水效率还不高，万元工业产值需水量较高，农业灌溉粗放，可见兖州市的节水潜力相当大。因此应在现有节水、开源措施上制定更加有效、合理的节水、开源政策。

对比3种方案，方案Ⅰ和方案Ⅱ分别在2015年、2020年将开始出现不可承载的状况；方案Ⅲ在现状年和各预测年基本保持可承载状态，但2030年以后尚难预测。方案Ⅰ和方案Ⅱ评价结果说明兖州市水资源进一步开源的潜力已不大，对整个济宁市区域水资源承载力的提高贡献也会变得十分有限；而方案Ⅲ的水资源承载状况明显比前2种方案有了较大改善，说明节水是提高整个地区水资源承载力的主要途径，是以后重点应发展的方向。

4 结论与讨论

本文利用改进的TOPSIS法和模糊综合评价法对兖州市2007－2030年3种情景的水资源承载力进行了评价；模糊综合评价已得到广泛利用，但有效信息利用率较低；TOPSIS法是近年来引入的新方法，有效信息利用率高。利用这2种方法可以取长补短、相互验证，避免了单一方法的偏差，虽然评价模型计算环节较多，但得出的结论相对客观合理，基本符合兖州市水资源的实际状况，可为兖州市的水资源合理利用和可持续发展提供依据。

现状年（2007年）兖州市水资源承载处在V2级别，已经有相当程度的开发利用，仍有一定的利用潜力；随着兖州市经济社会的不断发展，水资源承载状况将不断下降，但通过采取合理节水、开源措施，完全可以维持在可承载的范围内。通过对2007－2030年3种情景的分析，整个地区当地水资源进一步开源的潜力有限，对水资源承载力的提高贡献不大；而节约用水潜力巨大，故节水是提高兖州市水资源承载力的最明显的措施。

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［3］ 赵亚峰，汪一呜，王永洁.银川市水资源承载力多目标情景分析［J］.宁夏大学学报（自然科学版），2008，29（3）：272－276.（ZHAO Ya-feng，WANG Yi-ming，WANG Yong-jie.Multi-Objective situation analysis of water resources carrying capacity of Yinchuan City［J］.Journal of Ningxia University（Natural Science Edition），2008，29（3）：272－276.（in Chinese））

［4］ 余卫东，闵庆文，李湘阁.水资源承载力研究的进展与展望［J］.干旱区研究，2003，20（1）：60－66.（YUWeidong，MIN Qing-wen，LIXiang-ge.Some progresses and perspectives in study on the carrying capability of water resources［J］.Arid Zone Research，2003，20（1）：60－66.（in Chinese））

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（编辑：赵卫兵）

长江科学院参加2010年度（第八届）国际水利先进技术（产品）推介会

2010年4月16日，水利部“2010年度（第八届）国际水利先进技术（产品）推介会”在北京召开。水利部财务司、农村水利司、国际合作与科技司、财政部农业司、农业部科教司、水利部综合事业局、水利部“948”项目管理办公室等单位有关领导出席了推介会。水利部副部长胡四一同志出席开幕式并作重要讲话。

长江科学院副院长汪在芹带队参加了推介会。为进一步做好长江科学院的水利技术引进和科技推广工作，科研计划处还组织了河流所、水资源所、工程安全所、水力学所、长控所、仪器所、长建公司等单位的9项技术参展，并有领导和专家到会进行技术交流与洽谈，“基于分布式水文模拟的干旱评估和预报软件系统”等技术受到重点关注。

本届推介会由水利部国际合作与科技司、水利部“948”项目管理办公室指导，水利部科技推广中心主办。参加本届推介会的技术和产品总计113余项，参会各方代表共计600余人，均创历届推介会之最。本届推介会通过多媒体展示、现场展览、网上虚拟展厅展示、厂商与用户现场互动交流、专家点评等形式，推介参会技术和产品。主办方还特别邀请主管部门领导和专家，结合水利当前重点工作和科技需求作专题演讲。会后将针对会议推介的先进技术（产品）组织专家进行评议，形成并发布《2010年度国际水利先进技术推介会技术产品推荐目录》，供有关部门与单位引进、选用决策时参考。

（摘自《长江水利科技网》）

M ultip le Scenarios Evaluation of W ater Resources Carrying Capacity in Yanzhou City

LÜJian-shu，LIU Yu-jie，NITeng-nan
（Institute of Population Resource and Environment，Shandong Normal University，Jinan 250014，China）

On the basis of improved TOPSISmodel and fuzzy comprehensive evaluation，per capitawater supply，utilization rate ofwater resource，live use water quota，water requirement per ten thousand yuan output value，water supplymodule，water requirementmodule，and water ratio and utilization rate ofwater resources for ecological environmentwere adopted as the evaluation indices，water resources carrying capacity under three different scenarios was predicted and evaluated from 2007－2030 for Yanzhou City.The evaluated results show as follows：Currently，the water resourse in Yanzhou City has been developed considerably，but still has certain potential for development.In future 20 years，with the further development of economy and society，water resources carrying capacity will be become weaker continuously，but stillwill be in the carrying range，water resourcemay gradually be a factor restricting the development of economy and society.Developing water source vigorously，establishingwater-saving society and allocation water resources rationally are themain measureswhich improve water resources carrying capacity.

water resources carrying capacity；improved TOPSISmodel；fuzzy comprehensive evaluation；Yanzhou City

TV213

：A

1001－5485（2010）05－0024－05

2009-08-28；

2009-11-03

国家自然科学基金（40471122），山东省自然科学基金（Y2008E13）联合资助

吕建树（1986-），男，山东莱芜人，硕士研究生，主要从事水资源评价、土地利用与生态安全等方面的研究，（电话）15054119668，（电子信箱）lvjianshu＠126.com。