基于改进TOPSIS模型的连云港市水资源承载力研究

夏 欢，陈 菁,2，许 杨，张馨元，时振振

(1.河海大学农业工程学院，南京 210098；2.南方地区高效灌排与农业水土环境教育部重点实验室，南京 210098；3.中交水利水电建设有限公司，浙江 宁波 315200)

水是生命之源，是影响人类生存发展不可替代的公共的自然资源[1]。随着社会经济的发展和城镇化率的提高，许多地方水资源问题日益突出。水资源承载力是水资源安全战略和可持续利用研究中的一个重要内容，水资源承载力的研究对该区域水资源的开发和配置具有一定的指导意义[2]。水资源承载力是指在一定时期内，以可预见的技术水平为条件，以水资源的可持续性为原则，以维护社会经济和生态环境良性发展为目的，通过对区域水资源进行合理开发和配置，使该区域上的水资源可支撑最大的人口数量规模[3]。

我国对水资源承载力的研究始于1985年，迄今为止，已由起初的萌芽阶段发展到深化发展阶段[4]，且在此研究领域取得了颇为丰富的成果[5-9]。常见的水资源承载力的研究方法有模糊综合评价法[6]、主成分分析法[7]、集对分析法[8]、和系统动力学法[9]等，这些方法在应用过程中各有其特点。TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution)法是用于求解多属性决策问题的一种新方法，其原理是根据有限个评价对象与理想值的接近程度进行排序，然后根据排序的结果对现有的评价对象进行相对优劣的评价[10]。TOPSIS法的计算基础来源于客观数据，具有较好的客观性[11]。加权TOPSIS法在区域水资源承载力评价中具有一定的可行性与准确性[12]，其方法简便实用[13]。在水资源短缺地区的水资源承载力研究中，TOPSIS方法比模糊综合评判法更能反映区域水资源的利用现状与紧缺程度[14]。基于此，本文结合连云港市水资源和社会经济发展现状，采用主客观权重确定法相结合的AHP-熵权法对原TOPSIS法进行改进，并使用改进的TOPSIS模型对连云港水资源承载力进行评价。

1 研究区域概况及数据来源

连云港市地处江苏省的东北部，其地理坐标为东经118°24′～119°48′、北纬34°12′～35°07′。连云港市属于温带湿润性季风气候，气候温和，四季分明。连云港市2016年GDP总量达2 376.48 亿元，人均GDP为52 852.95元。据2008-2016年资料统计，连云港市多年平均降雨量为840.20 mm ，平均水资源总量为22.65 亿m3，平均水资源利用量为28.14 亿m3，本地水资源总量供不应求。平均人均水资源量为510.79 m3，远低于国际公认的人均1 000 m3的下限。随着连云港市社会经济的快速发展和城镇化率的大幅度提高，该地区原本紧张的水资源更加紧缺。因此，通过评价连云港市近年来水资源承载力的大小和变化趋势，分析影响水资源承载力的主要因素并提出提升水资源承载力的措施，将有利于缓解该地区水资源紧缺状况，从而更好地促进连云港市社会经济及生态环境之间的可持续协调发展。

文中所用的数据资源均来自于《江苏统计年鉴》(2008-2016年)、《连云港统计年鉴》(2008-2016年)、《连云港水资源公报》(2008-2016年)，经过计算整理获得。

2 研究方法

2.1 水资源承载力评价指标体系构建

水资源承载力综合评价指标体系的选取是水资源承载力研究的关键环节。本文依据科学性、层次性和可操作性等原则，参考大量相关研究成果中综合评价指标的选取，结合连云港市水资源特点、社会经济和生态环境状况，选取了20个评价指标以构建连云港市水资源承载力综合评价指标体系(表1)。文中所选取的指标不仅包含了连云港市水资源的情况，更是考虑到连云港市的社会、经济和生态等因素。因此，该指标体系能综合反映出连云港市水资源承载力的动态变化。

表1 连云港市水资源承载力评价指标体系

2.2 评价方法

2.2.1 AHP-熵权法确定指标权重

评价指标权重的确定方法大体可分为主观权重确定法和客观权重确定法两大类[15]。主观权重确定方法的优点在于能反应研究者的意向，但缺乏对实际数据的真实反映；客观权重确定方法虽然避免了主观权重确定方法的缺点，但它易受离散值的影响[16]。综合分析两类方法的优缺点，结合各自具有代表性的权重确定方法，得到一种主观和客观相结合的权重确定方法：AHP-熵权法。该方法不仅可以弥补主观和客观权重确定法的不足，还可以充分发挥彼此的优势，使得最终所确定的权重更具有科学性和准确性。

(1)层次分析法(AHP)。

① 构造AHP判断矩阵。

② 计算权向量。

(1)

式中：αi为指标权重。

(2)

(3)

(4)

③判断矩阵的一致性检验。

(5)

式中：n和λmax分别为判断矩阵的阶数和A的最大特征根。

若CR=CI/RI<0.10，则判断矩阵满意一致性检验。

(2)熵权法。

①列出原始评价指标矩阵。

X=(xij)m×n(i=1,2,…m;j=1,2,…,n)

(6)

式中：m为评价指标；n为评价对象；xij为第i个评价指标在第j个评价对象上所对应数值。

② 原始矩阵归一化处理。

Y=(yij)m×n(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

(7)

(8)

(9)

③ 确定第i个评价指标的熵权。

(10)

(11)

(12)

(13)

式中：βi为指标权重。

(3)综合权重。由AHP法和熵权法计算所得的权重计算第i个评价指标的综合权重ωi[17]：

(14)

2.2.2 改进的TOPSIS方法

与传统的TOPSIS相比，改进的TOPSIS法主要是在决策矩阵中考虑了由AHP-熵权法所计算的综合权重。具体步骤如下。

(1)数据标准化处理。

(2)构建加权决策矩阵。

B=(bij)m×n=ωiyij

(15)

(3)确定正、负理想解。

令B+表示最优方案(正理想解)，B-表示最劣方案(负理想解)，有：

(16)

(17)

(4)计算距离。

(18)

(19)

(5)计算相对贴近度Kj：

(20)

根据计算所得的Kj(0≤Kj≤1)值的大小进行排序，Kj的值越大，表明评价对象越接近理想状态，评价结果越好，反之越差。根据已有的研究成果[12]，可将相对贴近度划分为5个等级标准(表2)，分别表示不同程度的水资源承载力。

3 结果分析

3.1 水资源承载力评价指标影响分析

由公式(10)计算得到水资源承载力各评价指标的综合权重(表3)。由表3知，水资源子系统、社会子系统、经济子系统和生态子系统的综合指标权重分别为0.262 7、0.214 0、0.285 8、0.237 5。各子系统中权重最大的指标分别为人均水资源量(X1)、人口密度(X11)、万元农业增加值用水量(X12)和污水日处理能力(X17)。人均水资源量在研究时段内平均值为510.79 m3。连云港市年平均降雨量少，且时空分布不均。因此，注重水利建设投资，有利于缓解连云港市水资源紧缺问题。连云港市2008年万元农业增加值用水量为1 451.86 m3，到2016年降低到690.08 m3，降低了52.47%。这说明农业节水潜力大，故可以通过优化农业结构，提高农业用水效率来达到节约水资源的目的。

3.2 水资源承载力综合评价值分析

根据2.2计算得到连云港市2008-2016年水资源承载力综合评价相对贴近度的具体数值，结合表2得到表4。

表2 水资源承载力等级及含义

表3 连云港市水资源承载力各指标权重

表4 2008-2016年连云港市水资源承载力评价结果

3.2.1 从水资源承载力结果分析

由表4知，2008-2016年，连云港市年均水资源承载力综合评价值(K综合)为0.494 3，平均承载力处于Ⅲ级。综合评价值在2012年达到最大值0.650 6，最小值为2010年的0.283 4，承载力分别处于Ⅲ级和Ⅳ级。研究时段内仅2009年和2010年承载力处于Ⅳ级水平，其他年份均为Ⅲ级。图1为2008-2016年连云港市水资源承载力综合评价值的具体情况和变化趋势。

图1 2008-2016年连云港市水资源承载力综合评价结果

从图1可以看出，2008-2016年，连云港市水资源承载力综合评价值整体呈现出上升的趋势，由2008年的0.416 2增长至2016年的0.613 0。其具体变化过程可划分为3个阶段：2008-2010年，综合评价值由0.416 2下降到0.283 4，下降了31.9%，承载力由Ⅲ级降低到Ⅳ级；2010-2012年，综合评价值平均以每年0.183 6的幅度上升，在2012年达到研究时段最大值，承载力由Ⅳ级上升至Ⅲ级；2012-2016年，综合评价值基本趋于稳定，在均值0.599 9左右略有波动，但承载力始终处于Ⅲ级中等水平。2008年以来，降雨持续偏少，河库蓄水量严重不足，连云港市长期处于缺水状态。2010年9-11月，连云港市平均降水量仅6.10mm，长期无雨，水资源极其紧张。这直接导致连云港市水资源承载力由2008年的Ⅲ级水平降低到2010年的Ⅳ级最低水平。2011年中央一号文件提到各级人民政府要实施最严格水资源管理制度，2012年连云港市年降雨量为945.10mm，为少见的丰水年，人均水资源量达到835.96m3，远高于研究时段平均人均水资源量510.79m3。这是影响2010-2012年水资源承载力综合评价值平均以0.183 6的速率上升且在2012年达到最大值的主要原因。随着最严格水资源管理制度的实施，连云港市注重两型社会和生态文明建设，不断提高水资源管理和保护水平。因此2013-2016年连云港整体水资源承载力处于一个较为稳定的状态。

3.2.2 从准则层评价结果分析

由表4可见，2008-2016年，连云港市年均水资源子系统、社会子系统、经济子系统和生态子系统的水资源承载力综合评价值分别为0.491 8、0.542 9、0.491 5、0.432 7，其中社会子系统的综合评价值最大，生态子系统的最小。从构成社会子系统的具体指标看，城镇化率和人口密度对其影响较大，连云港市城镇化率由2008年的42%增长到2016年的60.2%，城镇化进程较快。研究时段内水资源承载力准则层的综合评价结果及趋势见图2。

图2 2008-2016年连云港市水资源承载力目标层评价结果

由图2知，水资源子系统的评价值处于波动起伏的不稳定状态，其主要原因是水资源总量在时间上分布不均。而社会子系统、经济子系统和生态子系统的综合评价值整体上均为上升的趋势，各子系统的承载能力表现为提高的趋势。其中，经济子系统的增长幅度最大，其次为生态子系统。经济子系统主要受人均GDP、万元GDP用水量和万元农业增加值用水量等指标的影响。近年来，连云港市经济发展迅速，2016年的人均GDP较2008年增长近2倍。与此同时，万元GDP用水量降低了66.53%，万元农业增加值用水量降低了52.47%。这些指标的提升直接影响经济子系统评价值的增长。污水日处理能力是影响生态子系统最主要的因素。该指标由2008年的19.5 万m3提高到2016年的40.6 万m3。连云港市是沂沭泗洪水入海口，水污染问题尤为严重，城市污水处理能力逐年提高，污水处理设施进一步完善，对区域水资源承载力的上升做出了较大的贡献。

4 结 语

(1)在水资源承载力的评价指标体系中，人均水资源量(X1)、人口密度(X11)、万元农业增加值用水量(X12)和污水日处理能力(X17)对水资源承载力影响较大。

(2)2008-2010年，连云港市水资源承载力综合评价值由0.416 2下降到0.283 4，下降31.9%；2010-2012年，综合评价值平均以每年0.183 6的幅度上升，在2012年达到研究时段最大值0.650 6；2012-2016年，综合评价值基本趋于稳定，在均值0.599 9左右略有波动。

(3)2008-2016年，连云港市水资源承载力整体呈现出上升的趋势。2008-2010年连云港水资源承载力由Ⅲ级降低到Ⅳ级，2011年起提升至Ⅲ级，且在2012年达到承载力最大，2012-2016年，水资源承载力基本稳定在Ⅲ级中等水平。

(4)截止2016年，连云港市水资源承载力为Ⅲ级，即连云港市水资源承载力仍具有一定的开发利用潜力。对此，本文提出以下建议提高连云港市水资源承载力。

农业节水是首要途径。连云港市是农业大市，农业是连云港的主要供水对象。据2008-2016年用水资料统计分析，9年间年平均用水28.14 亿m3。其中，农业用水22.22 亿m3，占总用水量的79%。农业节水潜力大，可以通过优化农业种植结构，提高农业用水效率来达到节水的目的。

雨洪资源利用是有效方法。连云港市2008-2016年多年平均降雨量为840.2mm，但大部分集中在6-9月汛期，多年平均过境水量高达59.42 亿m3，多为汛期过境洪水直排入海。因此，加快对现有水利工程设施的加固、改造，以提升拦蓄雨洪能力，使连云港市雨洪资源得到充分利用。

海水淡化是重要手段。连云港市因其优越的地理位置，在发展海水利用方面具有一定的优势。《海水淡化产业发展“十二五”规划》中提出要建设一批海水淡化工程，以满足沿海工业园区建设对淡水资源的需求。随着海水淡化技术的完善和成本的降低，连云港市可通过海水淡化的方法来缓解水资源短缺问题。