郑州市水资源承载力综合评价

王 晗，余文学，贾亦真

(1.河海大学公共管理学院,江苏 南京 211100;2.河海大学商学院,江苏 南京 211100)

水资源是人们生产生活不可或缺的重要要素，随着我国人口的增长和经济社会的快速发展，对水资源的需求量也持续增长，但是随之而来的水环境污染和水资源短缺问题却愈加严重。为进一步落实生态文明建设，促进水资源和经济社会的和谐发展，2016年水利部印发了《水利部办公厅关于做好建立全国水资源承载能力监测预警机制工作的通知》，明确要求在全国范围内组织开展水资源承载能力监测预警机制工作。

关于水资源承载力的研究最早可追溯到20世纪70年代，国际经合组织和联合国教科文组织共同针对资源短缺国家的森林、土地、水等自然资源开展了一系列的承载力研究，并首次提出了水资源承载力的相关概念[1]。随后，国内外相关学者对水资源承载力展开了理论、方法模型和应用方面的研究。Al-Kalbani等[2]使用DPSIR框架作为综合评估苏丹阿曼地区水资源承载力的工具，对当地水资源的可持续利用进行了综合评价。Swirepik等[3]通过使用伞形环境资产(UEA)评估方法预测了澳大利亚东部地区生态环境用水的总需求，并对当地整个流域水资源的可持续分流管理提供了参考。张辉等[4]、曹丽娟等[5]基于主成分分析法对我国甘肃省部分县市进行了水资源承载力的综合评估和研究。段新光等[6]、杨涛等[7]学者认为区域水资源承载力具有一定的模糊性和不确定性，建议采用模糊数学的方法进行评估，并对我国新疆维吾尔自治区和宁夏回族自治区部分地区进行了相关研究。卢超等[8]运用系统动力学的方法研究了水资源承载力对内蒙古自治区太仆寺旗城市发展的影响，并提出了构建节水型经济发展城市的政策建议。臧正等[9]将多目标函数应用于辽宁省水资源负荷的动态评价研究，为不同时空内资源配置和水资源可持续发展的定量研究提供了新的思路和评价方法。郭倩等[10]通过DPSIRM框架构建水资源承载力评价指标体系，在此基础上,将模拟退火算法用于投影寻踪优化,构建耦合SA-PP模型，并将该模型应用于云南省水资源的承载力综合评价。

综上所述，国内外学者关于区域水资源承载力的研究积累了丰富的研究成果和经验，为进一步的研究提供了参考。但是还存在以下两方面问题：①水资源承载力研究的方法有很多种，这些方法都能直接反映其承载力数值，但缺乏水资源现实承载力和理想值之间差距的计量；②大部分的研究侧重于现状年的分析，忽略了不同年份区域水资源承载力的动态时空变化。由此，笔者选择经济发展速度快、水资源相对短缺的郑州市作为研究区域，运用熵权法确定指标权重，并使用TOPSIS法对郑州市2007—2016年的水资源承载力动态变化趋势进行综合分析，以期能够客观反映其水资源承载力的状况，并为当地水资源可持续发展提供数据支撑和方法参考。

1 研究资料与方法

1.1 研究区域概况

郑州市地处中原腹地，位居黄河下游，华北平原南部，是我国中部地区重要的中心城市和核心城市。总面积0.744 6万km2，介于北纬34°16′～34°58′、东经112°42′～114°14′之间。市地形西南高东北低，以平原和丘陵为主。郑州市下辖12个区市，常住人口972.39万人(2017年)，GDP总量居全国省会城市第7位(2017年)。郑州市属北温带大陆性季风气候，全市多年平均气温15.6 ℃，年平均降水量约为542.15 mm，境内河流分属于黄河和淮河两大水系，水资源总量约为11.24亿m3，人均水资源量约179 m3，水资源相对短缺且时空分布不均，属于典型的缺水地区。

1.2 数据来源

本文中使用的数据来源于2007—2016年郑州市统计年鉴、郑州市水资源公报、郑州市环境公报和郑州市政府工作报告及相关部门的公报和报告等资料。

1.3 研究方法

1.3.1 熵权法

指标权重的确定直接关系到评价结果的准确性和客观性，专家调查法[11]、AHP法[12]和主观加权法[13]等确权方法，简单易用、易于解释，但是却忽略了数据本身的影响，缺乏客观性。熵权法[14]直接利用已获得的指标数据，根据数据本身的离散程度，通过计算指标熵值的大小进而求得权重值，是一种较为客观的赋权方法。因此，笔者选择熵权法作为评价指标的确权工具。

具体计算步骤：

a. 对原始数据进行标准化处理，计算公式为

(1)

b. 计算指标的熵值：

(2)

式中：pij为第j个评价因子第i项评价指标的比重。

(3)

式中：Hj为指标的熵值，且0≤Hj≤1。显然，当Pij=0时lnPij无意义，因此需对Pij加以修正，将其定义为

(4)

c. 计算评价指标的权值Wj：

(5)

设采用熵权法得到的子系统的权重为Wi1，子系统内第i个指标的权重为Wi2，则第i个指标的综合权重计算公式如下：

(6)

1.3.2 TOPSIS模型

基于熵权法改进的TOPSIS模型[15]有利于系统分析水资源承载力现状与理想状态的差距，能够全面客观地反映区域水资源承载力水平的动态变化趋势。具体计算步骤如下：

a. 原始数据预处理。将正指标和逆指标同趋势化，本文选择逆指标正向化，计算公式如下：

(7)

式中：yij为指标初始值，i=1,2,…,n,；j=1,2,…,m。

b. 计算规范化矩阵Z：

(8)

c. 构建加权规范矩阵X：

Xij=WiZij

(9)

(10)

(11)

e. 计算评价对象到正理想解和负理想解的距离：

(12)

(13)

f. 计算评价对象与理想解的贴近程度：

(14)

Tij越大，表明该年水资源承载能力越接近最优水平。当Tij=1时，水资源承载力水平最高；当Tij=0时，水资源承载力水平最低。本文以贴近度表示区域水资源承载力水平的大小，根据每年的贴近度大小可以判断水资源承载力水平的高低，判断优劣。参考相关学者的研究成果[16-18]，结合郑州市实际情况，以非等间距的方式依据贴近度Tij将郑州市水资源可持续利用状况划分为5个评判等级：优(0.9-1]；较好(0.7-0.9]；一般(0.5-0.7]；较差(0.3-0.5]；差(0-0.3]。

2 结果和分析

2.1 水资源承载力评价指标体系的构建

水资源承载力主要是指水资源在满足生态用水的基础上，对人口、经济和社会发展所能承受的最大负荷，其基本前提是水资源的可持续规划和利用。水资源承载力是一个复杂的系统，其水平的高低受到当地经济、社会和环境等诸多方面的影响。从评价指标的科学性、可行性和准确性出发，在参考前人研究的基础上结合郑州市的实际情况，从水资源、经济、社会、生态环境4个方面选取17个指标，构建郑州市水资源承载力评价指标体系，具体见表1。

表1 郑州市水资源承载力评价指标体系

2.2 指标权重的计算

熵权法根据各指标数据本身的变异情况，确定各个指标的权重，能够有效地避免人为主观因素的影响，使指标权重更加的客观准确。将郑州市2007—2016年的原始数据带入式(1)～(6)，计算得出郑州市水资源承载力各子系统权重和评价指标的综合权重，见表2。

表2 郑州市水资源承载力评价指标权重

2.3 水资源承载力综合评价结果和分析

根据式(7)～(8)将原始数据同趋势化处理，得到规范化矩阵Z，再将各指标综合权重W带入式(9)，得到加权的规范化矩阵X，最后根据式(10)～(14)计算得出郑州市2007—2016年的水资源承载力综合评价值。具体数值和时空变化趋势见表3。

表3 郑州市水资源承载力综合评价值

从表3可以看出，2007—2016年郑州市水资源承载力综合评价值由0.333 6上升到0.700 7，虽然部分年份稍许波动，但是总体上升趋势明显，样本期内水资源承载力等级由差提升到较好。D+值由2007年的0.049 7下降到2016年的0.020 7，说明水资源承载力整体逐渐靠近正理想解；D-值由2007年的0.024 9上升到2016年的0.048 4，说明水资源承载力整体逐渐远离负理想解。

样本期内郑州市水资源承载力最差的年份是2008年(0.246 3)，最优的年份是2015年(0.706 2)，其得分相差近2.86倍。水资源承载力等级排行“差”等级的有2个年份，“较差”等级的有5个年份，“一般”等级的有1个年份，“较好”等级的有2个年份，整体布局呈梯形分布，虽然2015—2016年水资源承载力水平位于“较好”等级，但只是处于“一般”等级和“较好”等级的临界水平，总体仍处于“一般”等级。

郑州市近年来加大生态环境治理力度，引进高新技术产业，大力整治境内河流污染，淘汰落后高耗水产能，并逐年加大水利工程项目投资额。大规模的整治力度和有效的改革措施，使郑州市近些年的城市面貌和生态环境质量得到了极大的提升，这在很大程度上提高了郑州市的水资源承载力的水平。

2.4 水资源承载力子系统评价结果和分析

将样本数据带入式(7)～(14)，可以计算出郑州市水资源承载力各子系统的评价值，并据此得出各子系统对整体承载力水平的贡献比(图1)和变化趋势(图2)。

图1 郑州市水资源承载力子系统占比

图2 郑州市水资源承载力子系统变化趋势

由图1～2可以看出，郑州市水资源承载力各子系统的变化趋势和综合承载力的变化趋势基本一致，各子系统对综合承载力的贡献逐年增大，其中社会子系统对整体贡献相对稳定，评价值基本在0.6左右。从社会子系统的构成指标来看，郑州市的人口增长率和农田灌溉用水量指标整体变化不大，社会子系统的变化趋势主要受郑州市人口密度和城镇生活用水量的变动影响。随着郑州市的快速发展，大量的外来人口涌入郑州，为郑州市发展做出巨大贡献的同时，也提高了郑州市的人口密度和城镇生活用水量，对郑州市的水资源承载力产生了一定的影响。

水资源子系统评价值总体呈波动变化趋势，其对综合承载力的贡献在2015年达到最高。从水资源子系统的构成指标来看，年降水量和水资源总量指标是郑州市水资源丰缺程度的数据反映，其贡献力度要远大于其他指标，水资源子系统的变化趋势也基本同这2个指标的变化趋势相一致。郑州市年降水量和水资源总量的时空分布不均正是水资源子系统评价值呈现波动变化的主要原因。

生态环境子系统和经济子系统的变化趋势基本一致，其对综合承载力的贡献相对较大。生态环境子系统评价值的逐年上升，主要是受到污水处理率、水源地和河流水质达标率指标不断提高的影响。这与郑州市近年来不断完善城市污水处理系统，整治污染河流，提高水源地水质达标率等生态环境保护和治理措施的实施密切相关。经济子系统评价值的提升，则主要归功于万元GDP用水量的连续下降和水利项目投资额及第三产业比重的持续增加。

3 结 论

从水资源、经济、社会和生态环境几个方面选取17个指标构建水资源承载力综合评价指标体系，利用熵权法确定指标权重，并使用TOPSIS法对郑州市2007—2016年的水资源承载力水平进行了评价分析，得到以下结论：

a. 2007—2016年郑州市水资源承载力综合评价值由0.333 6上升到0.700 7，总体呈稳步上升态势，样本期内水资源承载力等级由“差”提升到“较好”。水资源承载力评价值最低的年份是2008(0.246 3)年，最好的年份是2015年(0.706 2)，其得分相差近2.86倍。各子系统对综合评价值的贡献逐年提升，生态环境子系统和经济子系统对综合承载力的贡献最大，社会子系统对整体贡献相对稳定，水资源子系统受到郑州市水资源时空分布不均的影响，呈波动变化趋势。

b. 使用熵权法确定指标权重，较好的避免了人为主观因素的影响，通过TOPSIS模型的使用，可直观看到郑州市水资源承载力的现状与理想值的差距，评价结果基本符合郑州市的实际情况。但是受到数据可获得性的影响，只能对郑州市2016年以前的水资源承载力状况进行评价，这也是本文的不足和未来需要完善的地方。

c. 郑州市虽然近几年水资源承载力水平上升明显，但总体仍处于一般或较低水平，水资源可持续利用压力依旧很大。郑州市作为国家中心城市，面临着水资源相对短缺、水生态环境脆弱、人口压力较大和产业结构亟待升级等问题。因此，在大力发展经济和城市建设的同时，应进一步提高郑州市的污水处理率和水质达标率，加大水生态保护和治理措施的实施力度，提高水利工程项目投资额，增加第三产业比重，降低单位GDP水耗，以进一步提高城市水资源承载力，促进水资源的可持续利用。