基于TOPSIS模型的郑州市水资源承载力研究

杜雪芳 李彦彬 张修宇

摘 要：郑州市作为中原城市群核心城市，其水资源的变化与城市经济、社会等方面的发展密切相关。为科学分析郑州市水资源承载力现状，从水量、水质、水域和水流四维角度出发，在分析郑州市水资源现状的基础上，构建“量-质-域-流”水资源承载力评价指标体系，采用主客观赋权法和TOPSIS模型对郑州市2010—2019年水资源承载力进行评价。结果表明：研究期内郑州市水资源承载力呈现波动增长趋势，2015年之后水资源承载力持续增长，2018年水资源承载力等级达到Ⅰ级。分析各维度水资源承载力发现，郑州市属资源型缺水城市，应进一步提升城市节水水平，优化水资源配置。

关键词：水资源承载力;评价;主客观赋权法;TOPSIS模型;郑州市

中图分类号：TV213.4

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.02.017

引用格式：杜雪芳，李彦彬，张修宇.基于TOPSIS模型的郑州市水资源承载力研究[J].人民黄河，2022，44（2）：84-88.

Abstract： As the core city of the central plains urban agglomeration， the change of water resources in Zhengzhou is closely related to the development of urban economy and society. In order to scientifically analyze the current situation of water resources carrying capacity in Zhengzhou， based on the analysis of the current situation of water resources in Zhengzhou， this paper constructed a quantity-quality-domain-flow water resources carrying capacity index system， and used the subjective and objective weighting method and TOPSIS model to evaluate the water resources carrying capacity of Zhengzhou from 2010 to 2019. The results show that the water resources carrying capacity of Zhengzhou has fluctuated and increased in research period. After 2015， the water resources carrying capacity has continued to increase， and the water resources carrying capacity reached to grade I in 2018. Through further analysis of water resources carrying capacity in all dimensions， it is found that Zhengzhou belongs to the resources-type water shortage. Next， it should further improve the urban water-saving level and optimize the allocation of water resources.

Key words： carrying capacity of water resources;evaluation;subjective and objective weighting method;TOPSIS model;Zhengzhou City

1 引 言

水資源是人类生存和经济社会发展不可或缺的重要基础性自然资源，与粮食、石油并列为三大战略资源。《2019年全球风险报告》和《2020年全球风险报告》把水资源危机列为影响全球的十大风险因素之一，《2021年全球风险报告》把自然资源危机（包含水资源危机）列为全球第五大风险因素。由此可见，水资源安全影响人类生存、社会稳定及经济发展，是治国安邦的大事。

我国经济社会进入新发展时期，城乡人口的变化和经济社会的高质量发展，对水资源的开发利用提出了更高要求。科学有效地评价水资源承载力，对保障区域水资源安全利用，维持经济社会的高质量发展，促进城市发展、提高人民生活质量以及合理规划未来发展模式有重要意义。近几年来，许多专家学者从评价模型、评价方法、动态预测预警及诊断方面对水资源承载力开展了许多研究，如徐凯莉等[1]采用系统动力学模型模拟水资源承载能力，门宝辉等[2]基于云理论评价了北京市水环境承载力，叶海焯等[3]利用协调发展度评价了南京市水资源承载状态，余灏哲等[4]基于量-质-域-流评价了京津冀水资源承载力，左其亭等[5]基于组合权重和TOPSIS模型评价了黄河流域九省（区）水资源承载力，许杨等[6]基于DPSR-改进TOPSIS模型评价了淮安市水资源承载力。杜雪芳等[7-8]曾针对黄河下游生态型灌区水资源承载力进行研究，发现影响水资源承载力的因素有很多，如人口、经济社会发展指标、水量、水质、气候变化等。过去对水资源承载力的研究多从供需水和水污染的角度开展，而水资源开发利用中也存在水域空间侵占、水资源过度开发等问题[9-10]。为提升水资源承载力评价结果的准确性，本文基于上述研究，从量-质-域-流层面对郑州市水资源承载力进行研究，以期为开展郑州市水资源调配和提升水资源承载力提供参考。

2 研究区概况与数据来源

2.1 研究区概況

郑州市是中原城市群的核心城市，位于河南省中部，近年来发展迅猛，2016年被纳入国家中心城市建设行列。《郑州建设国家中心城市行动纲要（2017—2035年）》中提到，预计郑州市2035年人口规模达到1 350万，国内生产总值达到3万亿元、人均GDP达到22万元、城镇人口比例达到90%。2019年郑州市常住人口1 035.2万，城镇人口约772万，城镇化率74.6%，生产总值11 590亿元。

郑州市北靠黄河，南连黄淮平原，地势西南高、东北低，境内河流分属黄河和淮河两大水系，其中流域面积较大的河流29条，2019年水资源总量为6.32亿m3（比2018年减小13.2%），各行政区的地表水资源量均低于多年平均水资源量，人均水资源占有量仅为全国的1/10，属于严重缺水地区。

2.2 数据来源

本文选取12个评价指标对2010—2019年郑州市水资源承载力进行评价，所用数据来源于《河南省水资源公报》《河南统计年鉴》《河南省环境质量状况公报》及国家统计局等。

3 研究方法

3.1 评价指标体系构建

评价指标体系的构建是科学评判一个区域水资源承载力的关键。为了使所选指标充分反映系统特征，选择指标时应遵循系统性、典型性、层次性、综合性、可获得性等原则，结合相应的衡量标准与计算方法，对指标进行分类排序，将相关性小的指标剔除[11-12]。通过文献梳理发现，过去对水资源承载力的研究大多与水量和水质有关，而忽略了水域空间、水动力过程对水资源承载力的影响。因此，本文从水量、水质、水域、水流4个维度，结合经济社会系统、水资源系统、生态环境系统3个系统特征，构建水资源承载力评价指标体系（见表1）。水量维度反映区域的水资源自然禀赋条件、水资源利用程度和社会经济发展过程中的用水水平，指标选取产水模数、人均用水量、每公顷农田灌溉用水量、万元工业增加值用水量;水质维度反映河湖污染物种类、浓度及污水处理水平，指标选取水功能区水质达标率、污水处理率、万元GDP化学需氧量（COD）排放量、万元GDP氨氮排放量;水域维度反映区域或流域的水域面积、植被覆盖度、水网密度、地下水开采状况，指标选取地下水开采率、绿化覆盖率;水流维度主要反映生态环境方面的用水以及生态基流的满足程度，指标选取生态耗水量和生态补水比例。

3.2 指标权重确定

3.2.1 层次分析法

层次分析法（AHP）由美国运筹学家T. L. Saaty提出，该方法采用定性与定量相结合的方法确定指标权重，常被用来解决多准则决策问题[13-15]，其主要步骤如下。

平均随机一致性指标RI取值见表2。

一致性比率CR计算公式为

若CR<0.1或λmax=n，则表明判断矩阵满足一致性要求。

（3）层次总排序及一致性检验。检验各个层次整体排列的一致性，计算各个层次的要素相对系统整体目标的综合权重，最终得到最优决策方案。

3.2.2 熵权法

熵权法（EWM）相比德尔菲法、层次分析法等主观赋权法具有客观性，能够更好地对结果进行解释，其利用信息之间的差异性进行赋权，但采用此方法需要有部分样本量，通过样本确定权值，再根据所确定的权值进行分析[16]，主要步骤如下。

（1）初始数据正趋化与标准化处理。采用减法一致化法对负向指标进行一致性处理，处理后的指标按下式进行标准化：

（2）计算第a个评价样本第j个指标的特征比重。计算公式为

（3）计算各指标的信息熵。计算公式为

当一个系统信息完全无序（即有序度为零）时，其熵值最大（ej=1）。ej越大表明该指标提供的信息量越少，即该指标对评价影响不大，可考虑将其剔除。

（4）计算差异度系数和指标权重。计算公式为

3.3 水资源承载力评价模型

TOPSIS法又称优劣解距离法，它依据评价方案与理想解的欧氏距离来进行评价方案的优劣排序。其基本原理是通过分析样本对象的优劣状态，建立样本对象最优（最劣）方案即正（负）理想点，并确定样本对象与正（负）理想点的距离，进而求得样本对象与理想点的贴近程度[17-19]。主要步骤如下。

4 结果与分析

4.1 结 果

（1）指标权重。根据郑州市2010—2019年水资源现状，构建水资源承载力综合评价指标体系，利用AHP和EWM分别计算主观权重和客观权重，取二者的平均值作为组合权重，结果见表3。由表3可知，AHP与EMW权重计算结果虽然存在差异，但在量-质-域-流四维视角下权重计算整体趋势是一致的。从权重视角看，人均用水量对郑州市水资源承载力影响较大，绿化覆盖率和生态耗水量影响较小，这与郑州市近年来城镇人口不断增加、用水需求量逐年增大的现状相符;从维度视角看，水量和水质对水资源承载力影响显著，用EWM计算的水量和水域权重较大，用AHP计算的水质和水流权重较大。鉴于这两种方法在计算中各有侧重，为保证评价结果的合理性，本文采用代数法将主观和客观权重进行组合，所得组合权重作为最终权重计算值。

（2）贴近度Ca。利用式（10）～式（12）计算2010—2019年郑州市水资源承载力贴近度Ca，并对综合贴近度进行排序，结果见表4。

由表4可知：水量维度的贴近度整体呈减小趋势，说明郑州市2010—2019年水资源数量情势严峻，需要调用客水对各行业供水进行补充，以保证经济社会持续发展;水质维度的贴近度逐渐靠近1，说明水质有较明显改善，与河流控制断面监测结果一致;水域和水流研究期内波动变化，表明过去对生态环境保护、地下水开采、水域空间保护方面重视不够。综合量-质-域-流4个维度，对综合贴近度进行排序后发现，郑州市2010—2019年水资源承载力不断增强，且2014年年底南水北调中线正式通水后，在调水补偿和开展节水宣传等多方面因素的共同促进下，2016年起郑州市水资源承载力明显增大。

4.2 水资源承载力综合分析

将郑州市2010—2019年水資源承载力按贴近度等分为4级：Ⅰ级为可承载（0.75～1.00），Ⅱ级为临界承载（0.50～0.75），Ⅲ级为临界超载（0.25～0.50），Ⅳ级为超载（0～0.25）。评价结果见图1，由图1（a）可知，郑州市水资源承载力呈波动增长的趋势，2015年之后水资源承载力持续增大，原因是2013年开始实行最严格水资源管理制度，通过严格控制用水总量和入河湖排污总量，提高用水效率，提升了水资源承载力。由2010—2019年《郑州市水资源公报》可知，2014年郑州市水功能区水质达标率开始提升，2019年省控断面监测结果达标率为100%，较2010年达标率11.1%提升显著。随着郑州市经济社会的发展，用水需求量不断增大，生态补水比例增长显著，污染物排放量逐渐减少，但人均水资源占有量并无明显提升，且水资源开发利用程度高于国际公认的40%警戒线，需要进一步开展节约用水和引调客水来满足生活生产需要。

鉴于水域和水流维度评价指标权重较小，本文从水量维度和水质维度对郑州市水资源承载力进一步分析，结果见图1（b）和图1（c）。可以看出，2010—2019年郑州市水量承载力总体呈下降趋势，水质承载力增长显著，因此判断郑州市属于资源型缺水城市。郑州市2019年各行政区水资源承载力水量维度评价结果见图2。

由图2可以看出，郑州市2019年水资源承载力临界超载区域主要集中在郑州市区、新密市、上街区及其周围部分区域，荥阳市水资源承载力等级为Ⅰ级，巩义市、登封市、新郑市、中牟县水资源承载力等级均为Ⅱ级。以郑州市区为例，其生活用水量占全市生活用水量的90.37%，河湖补水量占全市生态环境用水量的65.23%，工业用水量占全市工业用水量的28.37%，相较于其他地区占比较大，水资源需求量大，因此需开展节约用水工作和引外调水源来补足城市发展所需水量。郑州市近些年来水资源问题改善明显，但市区及用水量较大的其他区域在节水方面仍有较大的提升空间，如通过增加先进的水处理设施、优化城市产业布局、合理规划建设城市水系、大力推广节水技术与设施、提高雨洪水和中水利用率等措施，减小城市用水压力、解决水资源空间分布不均衡等问题。

5 结 语

以郑州市为研究区，通过分析其水资源现状，结合水量、水质、水域、水流特点，构建“量-质-域-流”水资源承载力评价指标体系，采用主客观赋权法与TOPSIS模型对水资源承载力进行分析，结果表明2010—2019年郑州市水资源承载力增长显著，但仍然存在资源型缺水的问题。对2019年郑州市各行政区水量承载力做进一步评价分析，结果与其水资源现状一致。本次评价由于水质、水域和水流相关数据较难获取，因此指标选择受限，下一步需运用遥感、大数据等技术，完善水资源承载力评价指标体系。

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【责任编辑 张华兴】