基于熵权TOPSIS模型的辽宁省区水资源承载力评价研究

任 博，曹永强，李可欣，杨雪婷，周姝含，赵 慧

(1.辽宁师范大学地理科学学院，辽宁 大连 116029；2.天津师范大学京津冀生态文明发展研究院，天津 300387)

水是人类赖以生存的资源。中国水资源呈现“东多西少，南多北少”的特点，水资源供需矛盾明显，加之气候变暖，淡水资源的短缺成为阻碍人类进步与发展的关键问题[1]。水资源承载力是指在一定的时段内，支撑着区域经济发展，并能维持生态系统正常运转的最大水资源量[2]，提高水资源承载力水平，对于加强辽宁省生态环境保护与地区经济发展具有重要的现实意义。工业发展和人口增长的过程中，水资源消耗量不断增加，水资源短缺问题严重，探明区域水资源承载力成为至关重要的问题。

水资源承载力问题研究作为可持续发展研究和水资源安全战略研究中的一个基础科学问题，长期处于国内外研究前沿。因此，国内外在水资源承载力上做了大量的研究分析[3]，注重节约用水的提高。近些年，国家大力支持多项节水技术创新、新材料的改用、改造节水工艺，推行清洁生产，不断促进水资源的重复利用率，使耗水量逐年减少，以提高水资源承载力，但与国外先进水平相比，仍有极大差距[4]。国外多在工业用水方面对污水处理和循环冷却水部分进行研究，以此增强水资源承载力[5]。目前对水资源承载力的研究重点主要有：一是对水资源承载力评价，从而探究水资源所面临的问题，提出相应的节水措施。例如郑德凤等[6]采用标准差椭圆、协调发展指数等研究方法探究中国水资源承载力和城镇化质量的协调关系。余灏哲等[7]对京津冀水资源承载力进行综合评价，从而发现京津冀水资源所面临的问题。Barrington等[8]对炼油厂用水情况进行评价分析，确定出可行的节水措施，提高整个炼厂的用水水平，为实现污水零排放提供了一定的基础。二是运用不同的预测模型对水资源承载力预警，以保护水资源安全。例如李琦芸等[9]构建了考虑供水与排污约束的南通市水资源-社会经济-生态环境系统动力学模型，对南通市水资源承载状态进行预警分析。李雨欣等[10]等利用ARIMA模型预测中国水资源承载力未来趋势变化，发现在30～40°N部分地区，未来人均水资源生态盈亏有所恶化。三是探究突破水资源承载力上限所产生的影响以及对可持续发展的影响，例如HARRIS等[11]在分析农业承载力的上限时，将水资源可利用量作为影响农作物产量关键变量，并认为水资源可利用量对农业的产量和可持续发展有重要影响。Dai等[12]采用系统动力学方法提出了以人口和GDP为基础的水资源承载力计算方法，为缺水地区寻找经济发展与水安全之间的平衡提供了信息。目前，在水资源承载力评价研究中，多集中对系统评价、预测和影响因素分析，缺少对评价系统的耦合协调性分析，因此，本文探究影响水资源承载力的各子系统是否协调发展，寻找水资源实现可持续发展的突破口，以此为辽宁省水资源管理和理论优化提供依据。

辽宁省由于多年的粗放开采，工业化耗水量大，一直以来存在水资源短缺严重，供需矛盾突出等问题，缺水会阻碍辽宁省社会经济的发展，水资源也成为衡量地区经济和环境是否均衡发展的标准之一[13]。辽宁省立足于自身水资源短缺的情况，在《辽宁省国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标纲要》中提出：深入贯彻“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水思路[14]。辽宁省作为极度缺水地区，水资源特性已成为当前乃至今后影响和制约全省经济、社会可持续发展的一个瓶颈问题。2020年辽宁省水资源总量341.79亿m3，仅为全国水资源总量的(31 605.2亿m3)的1.1%，随着经济发展对水资源承载力提出了更高的要求[15]。在此背景下，应提高辽宁省水资源承载力，为全省水资源安全提供保证。正确评价和判断辽宁省区域发展的水资源承载力，进而相应地制定与水资源相协调的发展战略，对辽宁省水资源与国民经济发展的关系具有重要的现实意义。因此，本文以辽宁省为研究区，在对研究区2010—2020年水资源发展状况探究的基础上，构建评价体系，结合层次分析法和熵权法计算权重，利用理想点法对辽宁省水资源承载力进行评价，并在此基础上，利用耦合协调性评价水资源、社会、经济和生态4个子系统的协调发展水平，为辽宁省水资源可持续发展方向提供科学依据。

1 研究区概况

辽宁省南濒黄海、渤海，南北、东西跨度均约为550 km，总面积14.8万km2(图1)，是东北地区通往关内的交通要道，也是东北地区通向世界、连接欧亚大陆桥的重要门户和前沿地带[16]。受海洋性气候影响显著，自东南向西北由温带的半湿润向半干旱过渡。水资源现状：水资源总量年际变化较大，2021年人均水资源总量930.8 m3/人，远低于全国人均水资源量(2 239.8 m3/人)；万元工业增加值用水量17.7 m3，较2015年降低35.76%；目前辽宁省农业用水效率86.47%，水资源供需矛盾突出，是北方严重缺水的省份之一[17]。《辽宁省“十四五”水安全保障规划》提出到2025年，全省用水总量控制在162亿m3以内，全面推进全省节水行动。

图1 辽宁省行政区划

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

2010—2020年各地市评价指标数据来源于《辽宁省统计年鉴》《辽宁省水资源公报》和《中国城市统计年鉴》等。文中出现的指标数据主要依据《生态县、生态市、生态省建设指标(修订稿)》《生态文明建设考核目标体系》《绿色发展指标体系》等。

2.2 研究方法

2.2.1AHP组合赋权法[18-19]

采用归一化处理公式消除量纲差异性，从而建立标准矩阵y。正向指标归一化计算式为：

(1)

负向归一化计算式为：

(2)

式中xij、yij——辽宁省水资源、社会、经济、生态环境各系统指标j关于样本i的原始值及标准化值；maxxij、minxij——各系统指标j的最大、最小值。

各参数的熵值的表达式为：

(3)

(4)

式中ej——第j个指标的信息熵；k——标准化系数，即k=-lnn；pij——计算第i年份第j个指标占该指标的比重。

确定指标权重，计算见式(5)：

(5)

为了能够避免强烈的主观判断对水资源承载力评价结果产生较大的误差，本文结合层次分析法和熵权法，主客观相结合来修正指标权重，计算方法如下：

(6)

2.2.2基于理想点法的评价模型

修正后的指标权重wi更加准确地反映指标的重要程度，使得评价结果更加可信[19]。利用理想点法评价辽宁省水资源承载力的主要流程如下。

a)正、负理想点[20]。根据各指标对系统的相关关系可将理想目标划分为正、负理想点，计算方法如下：

(7)

(8)

b)测度距离的计算[20]。正、负理想点与评价指标之间的综合测度距离D1、D2考虑选用欧式距离来定义，其表达式为：

(9)

(10)

c)确定贴近度[18]。理想点贴近度U可反映水资源承载力水平，其是在各评价指标的综合影响下形成，理想点贴近度的计算公式如下：

(11)

式中U——贴近正理想点程度的参数，取值区间为0—1，其值越大则越接近于正理想点。

2.2.3耦合协调度模型

水资源承载力是受多个子系统耦合作用形成的动态系统，分析水资源、社会、经济、生态环境4个子系统之间相互影响的程度大小[21]，具体计算公式如下：

(12)

(13)

T=aU1×bU2×cU3×dU4

(14)

式中U1、U2、U3、U4——水资源、社会、经济、生态环境子系统承载力指数；C——耦合度；T——发展度；a、b、c、d——水资源、社会、经济、生态4个准则层权重系数，参照已有研究成果[21-22]，令a=b=c=d=1/4；D——耦合协调度。

根据梁建飞等[22]的相关研究，耦合协调度D划分见表1。

表1 “水资源-社会-经济-生态”系统协调发展水平度量标准

2.3 评价指标体系构建

水资源承载力评价指标体系应反映“水资源-社会-经济-环境”系统的发展规律与质量，水资源承载力受多方面因素影响[23]，确定指标体系要客观地反映区域水资源条件、社会发展状况和生态环境等方面(表2)。以辽宁省为研究对象，在左其亭等[2]、吴明艳等[24]学者研究基础上，结合辽宁省各指标的发展特点和趋势，科学地建立目标层、准则层、指标层。评价指标体系见表2，目标层为辽宁省省区水资源承载力综合评价指数，反映水资源承载力水平；准则层包括水资源、社会、经济、生态环境4个子系统；水资源准则层主要通过降水量和人均水资源量来联系生态环境和经济社会，选取总耗水量等 5 个指标来表征[25]；社会准则层利用人口密度指标反映其对水资源造成的压力，选取城镇化率等 4 个指标表征[26]；经济准则层主要通过人均GDP、GDP年增长率来反映对水资源承载力的影响，经济水平的提高更利于管理水平及技术水平的提升，从而有利于水资源承载力的提升[27]；生态环境准则层主要分析污水处理及生态环境用水，从而反映生态环境系统对水资源的影响[28]。科学地评价指标等级划分显著影响最终评价结果，根据相关研究成果，将评价指标等级分级标准由优到劣分为5个等级：Ⅰ—Ⅴ级，分别代表可承载、弱可承载、临界、超载、严重超载，再结合辽宁省各指标的发展特点和趋势，参考目前比较公认的水资源承载能力评价指标分级标准及国内外相关规范[2,19]，合理设计指标的分级标准值。

表2 水资源承载力评价体系及等级划分

3 结果分析

3.1 权重及各等级综合贴进度的确定

评价指标结合AHP和熵权法进行评价，修改后的权重见表3。可以看出，修正之后降水量权重最大，为0.134，其次是第三产业比重、人均水资源量和污水处理率，权重分别是0.094、0.078、0.078。万元工业增加用水的修正权重最小，为0.019。总体而言，修正后的指标权重更加贴近实际，完善了因2种方法的不足而造成评价结果脱离实际情况的问题[29]。

表3 修正后的权重系数计算结果

3.2 辽宁省水资源承载力评价

评估系统对2010—2020年这16个指标的数据值进行了标准化，并利用水资源承载力评估模型计算了每个指标的理想点接近度。根据评价等级分类标准，得出了2010—2020年的承载力水平。从时间上看，研究期内辽宁省各地市的水资源承载力呈波动特征，总体范围在0.4～0.8，评价指数均值由2010年的0.517增大到2020年的0.662，提高了23.40%，见表4。

表4 2010—2020 年辽宁省各地市水资源承载力水平

辽宁省各地市水资源承载力时间变化趋势见图2，每隔5年监测一次，辽宁省各地区水资源承载力水平均在Ⅱ—Ⅳ级，研究期内评价等级逐渐提高。从空间上看(图2)，2010年，大连市、沈阳市、丹东市和本溪市水资源承载力为Ⅳ级，大连市水资源承载力水平表现最差(0.478)，其余地级市均为Ⅲ级，其中阜新市表现最好，其理想点贴近度值为0.567；2015年，大部分地级市仍为Ⅲ级，其中盘锦市水资源承载力水平呈现最低值为0.504，阜新市、锦州市、鞍山市和葫芦岛市水资源承载力为Ⅱ级，其中锦州市理想点贴近度最高为0.629；2020年所有地级市水资源承载力均为Ⅱ级，一半的地级市承载力水平高于全省平均水平，其中锦州市水资源承载力表现最高为0.716，大连市水资源承载力表现最低为0.631。由此可以看出，中西部地区水资源承载力变化最为明显。

a)2010年

3.3 辽宁省水资源系统耦合协调性分析

通过式(12)—(14)，计算2010—2020年辽宁省水资源、社会、经济、生态环境系统耦合协调性，耦合度一直呈现高度耦合阶段，耦合度指数在0.875 4～0.978 4，呈逐年增长趋势，水资源承载力耦合协调性由2010年的0.643 6增大到2020年的0.825 7，总体呈波动上升，处于初级协调向中级协调过渡。从空间上来看(图3)，2010年除沈阳市以外其他地级市协调水平在0.6～0.7，处于初级协调水平，耦合协调度最低值为铁岭市0.631 7，最高值为沈阳市0.709 4，处于中级协调水平。2015年辽宁省所有地级市协调水平在0.7～0.8，处于中级协调水平。2020年辽宁省所有地级市均表现为良好协调的状态，沈阳市、盘锦市、丹东市耦合协调水平最高，其中沈阳市为0.859 3，朝阳市、阜新市、铁岭市协调性较差，其中铁岭市为0.713 8。从时间上看(图4)，各地市系统间耦合协调度指数均呈波动增长态势，2010—2015年耦合协调性增长幅度比2015—2020年大，沈阳市耦合协调性变化最明显，由2010年0.709 4增长至2020年0.859 3，阜新市变化幅度最小由2010年0.654 1增长至2020年0.731 1。

图3 辽宁省水资源空间耦合协调性

图4 辽宁省水资源时间耦合协调性

3.4 水资源承载力原因变化分析

a)辽宁省水资源承载力稳定性较差。2010—2020年，辽宁省水资源承载力呈现波动特征，水资源承载力随着降水量和人均水资源呈正相关。由表4可知，锦州市相对于其他地级市，水资源承载力发展较好，主要由于该市工业用水量较少；大连市、沈阳市等地区经济水平高，社会发展迅速，工业用水量增加且人口多，人均水资源量低于全省平均水平，水资源可持续性低，用水矛盾问题突出[30]。除2016、2019年外，大连市的水资源承载力为全省最低，与其他城市相比，其水资源质量和数量都相对较差。在营口市、葫芦岛市和丹东市等人均水资源量和年降水量相对丰富的地区，城市居民的生活用水较少，用水效率较高，污水处理率高于全省平均水平[31]，因此水资源承载力水平较高。辽宁省水资源承载力最值差异显著，表明辽宁省水资源时空分布极其不均衡。东部山区水资源丰富，人口稀少，工业不发达，工农业水资源压力小，水资源承载力水平较高；中部和沿海地区人口稠密，是辽宁省重要的工商业谷物基地，经济发展迅速，供用水矛盾日益突出[32]。随着人民生活水平的提高，对水环境的要求也越来越高，人们已经不能忍受主要河流的持续枯竭[33]，加之水资源分布空间差异明显，对化工产业的稳定性和集聚性产生极大不利影响，因此导致水资源承载力出现显著空间差异。

b)行业用水矛盾突出。通过计算辽宁省各地级市2010—2020年水资源承载力可知，行业用水矛盾突出的地区水资源承载力较低，例如大连市的每年水量仅有16.47亿m3，生活用水量约为2.88亿m3，城镇人均占有量仅为450 m3，远低于世界人均水平的标准(1 000 m3)。主要是由于该地区工业发展水平较高，GDP增长率迅速，人口数量和总耗水量急剧增大，使得大连市缺水现象屡屡发生，严重制约经济的发展。此外，生活垃圾和工业污水造成水环境污染严重，破坏水系生态平衡[34]。同时，水资源系统受到破坏，也会进一步加大水资源供需缺口矛盾，加剧阻碍大连市区域发展[35]。

4 结论与讨论

4.1 结论

本文从生态环境、经济、社会与水资源4个子系统构建水资源承载力评价指标体系，利用AHP-熵权法计算权重，并采用理想点法评价方法确定辽宁省各年份水资源承载力等级，评价各子系统耦合协调性。主要结论如下。

a)2010—2020年期间辽宁省各地区承载力总体呈现上升趋势，总体范围在0.4～0.8，水资源承载力评价等级位于Ⅱ—Ⅳ级，区域空间差异明显，其中大连市和沈阳市等地区的水资源承载力较差，锦州市水资源承载力较好,2020年三市水资源承载力分别为0.631、0.614、0.716。

b)辽宁省水资源耦合协调水平在0.6～0.9，处于初级协调向中级协调过渡，最后表现为良好协调的状态，其中沈阳市综合评价最高为0.859 3，铁岭市最低为0.713 8。水资源、社会、经济、生态4个系统耦合协调性从高到低为：经济>社会>生态>水资源。

c)辽宁省水资源承载力主要受降水量、污水处理率、水资源量和第三产业比重的影响，因此应大力宣传绿色发展理念，严格控制水资源使用，加强节约用水管理，提高水资源利用效率，合理设定水资源管理控制指标，实现水资源可持续发展。

4.2 讨论

以往对辽宁省的水资源承载能力分析多停留在评价区域承载力大小上，对于连同水资源承载力系统内部的协同发展研究较少。基于此，借鉴已有学者的研究，构建“水资源-社会-经济-生态环境”系统，一方面剖析了辽宁省水资源承载力水平时空演变特征，另一方面揭示耦合演变趋势，以期为提升辽宁省水资源承载力起到积极作用。

基于研究结论，辽宁省多年水资源承载力呈增加的趋势，水资源承载力空间差异明显。与经济和社会子系统相比，水资源和生态子系统承载力水平相对滞后。影响辽宁省水资源承载力的因素众多，其中受降水量、第三产业比重、人均水资源量和污水处理率的影响较大，除此与自然人口增长率、总耗水量和GDP增长率等因素也是相关的[36]。其中，水资源量、降水量和生态环境与自然资源环境密切相关，在发展经济的同时，需要在现有水资源量和降水量的基础上加强对水资源的利用效率[37]；此外，污水的合理回收循环处理和利用成为需要解决水资源短缺关键，兼顾对生态环境的有效保护，促进生态效益的提升[38]。分析显示辽宁省水资源均衡性问题依然突出，供水安全保障程度不高。当前，随着辽宁省社会经济发展步伐的加快，要合理考虑“水资源-社会-经济-生态”系统性因素在水资源承载力中的占比情况，科学调整水系统内部结构，开展新型水资源技术的研发，针对性地提出促进水资源承载力提高的有效措施，在稳定发展水资源的同时兼顾生态环境和人居环境的适宜性追求经济、社会和生态效益一体化[39]。

由于数据的可获取性，本文指标数据存在一定的局限性，就研究内容和研究对象而言，在今后研究中，将考虑水质等生态环境指标，未来在提高辽宁省水资源承载力方面，完善水治理体系，提升水治理能力，提升涉水事务监管能力和水平，提升用水计量、工程安全、河湖管理等方面自动监测能力，全面整合水利信息系统及各类水利数据资源，提升水利信息化智慧化水平；进一步完善水利工程建设与运行、水资源管理、河湖管理、水灾害防御、水土保持、水库移民、农村供水等重点领域管理标准规范；提高水资源利用率，促进辽宁省水资源向均衡协调方向发展。