基于改进TOPSIS模型的吉林省水资源承载力时空演变分析

侯 岳，李治军，王华凡,黄佳俊

(黑龙江大学水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150000)

关键字：水资源承载力；时空演变特征；TOPSIS模型；吉林省

水是人类生存发展的重要资源，随着城市化进程加快，城市用水需求不断增加，全球气候变暖，农田灌溉用水量增加，水资源短缺和生态环境恶化日益严重,影响社会经济的可持续发展[1-2]。水资源承载力可探究地区水资源变化趋势和社会协调发展状况，为水资源合理调控和持续利用提供指导，是处理水资源与人类社会经济之间关系的有力工具[3]。近年来，水资源承载力综合研究已得到越来越多的国内外学者重视，并在多个方面取得进展。国外学者Sawunyama等[4]利用地理信息系统计算每个水库的面积和容量，并结合GIS技术对Mzingwane小流域中12个小型水库的调蓄能力进行承载力评估。Eva等[5]等通过“生态足迹”概念，对澳大利亚的生态足迹进行研究分析。从研究角度方面，Adnane等[6]分别从水资源供需关系与可持续发展角度研究水资源的承载能力。Chitakira等[7]则从环境管理机构之间的相互作用方面出发，对环境及水资源质量进行全面评估研究。20世纪80年代末，中国学者首次提出水资源承载力的概念，之后水资源承载力的理论研究不断完善，研究方法不断创新，2002年朱一中等[8]系统地论述了水资源承载力的基本概念，指出可持续发展理论、水-生态-社会经济复合系统理论、二元模式下的水文循环机制和过程是水资源承载力研究的理论基础 ,对水资源承载力研究的基本内容、评价指标体系的建立和评价方法进行了较全面的概括和总结。目前国内具有代表性的研究方法有主成分分析法[9-10]、系统动力学法[11-12]、BP神经网络法[13-14]、云模型[15]等。综合国内外已有的研究成果，关于水资源承载力指标权重的确定方法较为单一，以市为单位针对于省级水资源承载力的时间趋势变化及空间分布研究较少。同时，吉林省是国家级粮食生产基地和重工业生产大省，水资源安全对地区生产生活具有重大意义，但全域降水时空分配极不均匀，旱涝灾害频发，水污染现象严重等问题，其水资源承载力研究至关重要。本文结合吉林省2004—2019年各地级市的水资源-经济-社会-生态基础调研资料，考虑研究区自然地理条件，产业分布类型和水利工程建设等实际情况，强调研究区水资源承载力状态的时空演变，采用博弈论对指标进行综合赋权，运用TOPSIS模型对吉林省各地市进行水资源承载评价，并辅之以耦合协调发展模型分析水资源承载力各子系统的协调度，全面深入了解吉林省各地级市16年间的水资源时间与空间的变化特征及各子系统的协调发展状态，为当地水资源优化配置提供参考，促进区域经济与社会可持续发展。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

吉林省位于东北地区中部，松辽平原腹地，是农业生产大省和老工业基地，全省面积187 400 km2，地势东南高，西北低，接近亚寒带，具有显著的温带大陆性季风特征。区内水系发达，全省多年平均降雨量为608.4 mm，拥有图们江、鸭绿江、辽河、绥芬河和松花江等五大水系，省内流域面积在20 km2以上的河流有1 648条，但水资源时空分布不均，东多西少，南丰北欠，水资源年际与年内变化大，汛期6—9月的降雨量占全年降水量的70%左右，连续丰水年，连续枯水年时有发生。区内水资源开发利用程度不均，中西部河流利用率高，东部利用率低，全省重点河流全年水质优于Ⅲ类的河流约为67%，劣Ⅴ类占12%，地下水水质以Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类水质为主，水环境形式严峻。

1.2 数据来源

各类指标数据来源于2004—2019年《吉林省水资源公报》《吉林省统计年鉴》及《吉林省国民经济与社会发展公报》等资料，所有数据均是资料中的原始数据或通过原始数据推算得出。

2 研究方法

2.1 水资源承载力指标体系构建

构建水资源承载力指标体系是进行相关研究的重要依据和基础环节，遵循代表性、区域性和可操作性等原则，在众多的因素中选取能够反映问题本质的因素。本文参考相关研究成果并征求专家意见[16-17]，基于水资源系统-社会经济系统-自然生态系统耦合机理，对区域内水资源、社会、经济及生态各子系统的影响指标进行综合分析研究，选取18个指标构建水资源承载力指标体系(表1)，通过2004—2019年的相关数据，对吉林省9个地级市的水资源承载力时空演变特征进行分析。

表1 水资源承载力预警指标体系

2.2 博弈论确定指标权重

(1)

表2 吉林省水资源承载力评价指标组合权重

2.3 TOPSIS计算模型

TOPSIS模型是进行多目标分析的有效方法，又称优劣解距离法，通过将各评价方案组成的正、负理想解进行排序，计算各评价方案与正、负理想解的距离，进一步推求贴近度。该方法避免了数据的主观性，应用灵活、方便，适用于多评价单元和多指标的大系统，具体步骤[21-23]如下。

步骤一根据所选取的指标，建立吉林省水资源承载力原始数据矩阵Rmn，其中m表示年份，n表示指标，即原始矩阵表示第m年的n个指标，原始评价矩阵见式(2)。

(2)

(3)

步骤三通过博弈论确定的综合权重ω*计算规范化加权矩阵yij，其中i表示年份，j表示指标，即：

(4)

(5)

(6)

最终计算评价对象的贴近度：

(7)

贴近度Ti表示第i年的该区域水资源承载力与最优的水资源承载力的靠近程度，其取值范围为[0，1]，当Ti越大时，表明评价对象越接近理想状态，水资源承载力越优，反之越差。根据吉林省水资源实际情况，结合先前学者的研究成果[24-25]，将最终的计算结果划分为5个等级，分为严重超载、轻度超载、濒临超载、承载良好、承载盈余，具体水资源承载力等级标准见表3。

表3 吉林省水资源承载力等级标准

2.4 耦合协调度模型

耦合协调度模型是在耦合度模型的基础上构建的模型，可进一步衡量各系统之间相互作用的协调发展关系，判断其耦合协调程度，可定量测算水资源承载力子系统之间的协调发展状态，计算步骤[26]如下：

(8)

T=αU1+βU2+γU3+φU4

(9)

(10)

式中D——耦合度；U1、U2、U3、U4——水资源系统、社会系统、经济系统和生态环境系统的综合评价值；T——四元系统综合发展指数；α、β、γ、φ——待定系数，本研究认为四子系统的贡献度同等重要，故系数α=β=γ=φ=0.25；C——耦合协调度，C∈[0,1] ，其值越大，耦合协调程度越高。

3 研究结果与分析

3.1 计算结果

根据博弈论确定的组合权重(表2)，利用式(2)—(7)计算水资源承载力评价值，将计算结果对应到吉林省水资源承载力等级分级标准(表3)，得到2004—2019年吉林省各地级市的水资源承载力状态，见表4。其计算结果符合吉林省水资源时空分布特征，在区域上呈现“南丰北欠，东多西少”“边缘多，腹地少”的局面。吉林省中西部地区土地资源较为丰富，中西部耕地面积占全省的80%以上，但水资源量只占全省的22%，农业用水量巨大，水资源承载力状态较差；吉林省东南部自然条件优越，人均水资源拥有量相对较高，水利资源和森林资源丰厚，水资源承载力状态较好[27]。

表4 吉林省水资源承载力评价结果

3.2 水资源承载力时间演变分析

由全省各市州多年水资源承载力评价均值，除长春市、白城市和四平市多年水资源承载力为Ⅲ级，处于濒临超载状态，其余6个市州均为Ⅱ级，承载状态良好。根据吉林省各年降水量情况、水利工程建设和相关政策文件的出台时间等因素，将评价年份划分为3个演变阶段。①第一阶段为2004—2010年，该时段水资源承载力较差，其主要原因是该时期内自然条件恶劣多变，降水量常处于偏枯状态，旱灾频发，工业、农业用水较多，水资源开发利用程度较低导致地区水资源污染严重，水环境和生态环境遭到严重破坏，劣Ⅴ类河段长在总评价河段长中常年占比30%左右。由图1可见，2005年，除通化市和延边州处于承载良好状态外，其他地区均处于水资源承载高压状态，吉林市评价值为0.348，处于严重超载状态。②第二阶段为2011—2015年，该时段水资源承载力有所提升，其主要原因是随着经济基础的改善，农业稳步发展，其节水灌溉设备加大投资使用，节水管灌溉率大幅度提升，使得农业用水充分利用；政府大力建设水利工程，严格落实水资源管理制度，各地区水资源承载力显著提高。2011年，吉林省全面落实最严格的资源管理制度，制定各市州水资源管理“三条红线”指标评估体系。 2013年，吉林省继续加大对重点水利项目的建设，累计完成投资82.23亿元。该时期，除长春市外，其他市州的水资源承载力均值处于较高水平，水资源安全得到了保障，地区用水紧张态势得以缓解。③第三阶段为2016—2019年，该时段水资源处于承载盈余状态，承载力评价值达到最大。其主要原因是城镇化水平显著提高，居民生活用水较为集中；工业化水平、产业结构有所改善，其工业重复用水率、第三产业用水率大幅度提升。随着国民环保意识的提高，“节水优先，空间均衡，系统治理，两手发力”治水理念的深入人心，生态环境用水率进一步调整，吉林省水资源承载力进一步提高。在吉林省整个评价年份演变过程中，吉林省坚持朝着全面构筑起科学的水资源开发、利用、治理、配置、节约和保护体系这一方向迈进，大力宣传节约用水的环保理念，大力发展资源水利、效益水利和生态水利，使得吉林省市水资源承载力状态整体上呈向好的态势。

图1 吉林省水资源承载力时空演变

3.3 水资源承载力空间格局分析

由各地市水资源承载力子系统评价结果(图2)，评价年份内吉林省水资源承载力评价值均值为0.467，水资源承载状态良好。结合各市州地理位置、自然条件和产业结构等因素，将评价地区划分为西北部(包括白城市、松原市和四平市)、中部(包括长春市、吉林市和辽源市)和东南部(包括通化市、白山市和延边州)。各区域综合评价值由高到低依次为东南部、中部和西北部。由于该省水资源分布、开发利用程度极不平衡；各地产业结构大不相同，使得研究区水资源承载力空间格局出现较大的差异性。从研究区水资源承载力等级分布来看，西北部位于平原区，是国家重要的商品粮生产基地，由于农业产业比重大，灌溉用水量巨大，评价年份内旱情旱灾严重且时常发生，自然条件相对较差，导致该区域水资源承载能力较差；中部是国家重要的工业和粮食生产基地，多条河流水系流经于此，地理位置优越。但由于中部人口密度大，居民生活用水量大；重工业比重高，废污水排放排放量占比大，水环境污染形势严峻，使得水资源承载常处于高压态势，尤其长春市处于濒临超载状态；东南部地处山区，河流水系众多，地下水资源储量巨大，长白山提供了丰富的水利资源和森林资源，优越的自然条件使得延边州水资源状态常年水资源承载良好状态。为缓解吉林省西北部水资源承载压力，促进地区农业经济可持续发展，保障粮食安全生产，“引嫩入白”、哈达山枢纽和大安灌区等一系列水利工程建设相继规划实施，对农业灌溉、城市供水、湿地补水和人畜饮水具有重大意义。

图2 吉林省各地级市水资源承载力子系统及综合评价值

3.4 水资源承载力各子系统耦合协调发展分析

在对吉林省水资源承载力进行时空特征分析后，辅之以子系统耦合协调程度的分析，能够深入了解评价年份内水资源承载力的发展情况。通过式(8)—(10)计算耦合协调度，结果见图3。通过等距断点法将耦合协调度分为5个等级：极低耦合协调阶段(0.256～0.289)、较低耦合协调阶段(0.289～0.325)、中等耦合协调阶段(0.325～0.361)、较高耦合协调阶段(0.361～0.394)、极高耦合协调阶段(0.394～0.429)。吉林省水资源承载力子系统耦合协调发展大致分为2个阶段，2014年之前，在各地区大型水利和引水工程完全结项之前，水资源协调利用率低，西北部农业灌溉用水量大，常年缺水，东南部水资源丰富，但水资源开发利用率低，中部工业用水量大，污染严重，人均水资源量低，各子系统耦合协调发展水平处于低度状态。2014年之后，在各水利工程保障地区安全用水的基础上，水资源管理法律法规的相继出台并得到贯彻落实，节水保水等理念随着大力宣传深入民心，各子系统耦合发展水平大体处于高度耦合协调阶段。

图3 2004—2019年吉林省水资源承载力子系统耦合协调度

虽然上述研究对吉林省全省水资源承载力4个子系统的耦合协调度进行了时间特征分析，并且把结果划分为5个等级，但很难反映出吉林省各市的耦合协调度的空间格局，因此根据各市耦合度的计算结果，借助GIS技术，分别得到2004年和2018年各市耦合协调度的空间格局(图4)，进而分析吉林省不同时段的空间分布特征。通过图4可以发现，2004—2018年吉林省水资源承载力子系统耦合协调度发生的巨大变化，2004年，除长春市外，其他城市社会经济欠发达，农业生产比重大，其水资源消耗量巨大，协调度较差。随着大型水利工程建设的完成，水资源利用率的提高，产业结构转型的深化推进，2018年，各市州水资源承载力子系统耦合协调度有了很大提升，由此可见社会经济的发展和生态环境的改善对增加水资源利用效益至关重要。

图4 吉林省水资源承载力各子系统耦合协调状态空间格局

4 结语

吉林省水资源承载力发展趋势整体呈逐步上升状态，在2004—2010年评价阶段，吉林省社会经济发展相对缓慢，社会居民环保意识相对薄弱，大水漫灌式的传统灌溉模式较为普遍，西北部城市农业用水量大，中部地区工业污水排放量大，环境污染严重，水资源承载压力大，评价结果明显偏低于自然条件优越的东南部山区。随着水资源“三条红线”管理制度的落实，相关举措缓解了西北部农业灌溉缺水量大、中部城镇居民生活用水紧张和东南部水资源开发利用率低等问题，各水资源承载力子系统的耦合协调度也进一步提高。但从空间维度来看，吉林省水资源承载力空间分布较不均衡，总体呈现“东部优于中西部”的空间格局，各地水资源承载力水平具有一定差异性，其中，长春市、白城市、四平市处于濒临超载状态。以上三地虽处于濒临超载状态，但其水资源承载力各子系统耦合协调度较高，说明具有一定的提升潜力，应合理调整产业结构，提高工业用水重复率和农业灌溉利用率，增加节水灌溉面积，全面推进节水型社会的建设，增强国民用水意识，提高水资源利用效率。