基于组合权重ＴＯＰＳＩＳ 模型的河南省引黄受水区水资源承载力研究

张修宇 曹彦坤 包添豪 王贻森 石峰

摘 要：为确定河南省引黄受水区水资源承载力状况，构建了包括水资源、生态环境和经济社会３ 个准则的指标体系，采用基于ＡＨＰ 法和ＥＷＭ 法组合权重的ＴＯＰＳＩＳ 模型，对该区２０１０—２０２１ 年水资源承载力进行评价。结果表明：２０１０—２０２１ 年河南省引黄受水区水资源承载力呈现上升态势，但水资源承载力等级整体偏低，大多数为Ⅲ级（临界），均未达到Ⅰ级（可承载）水平；２０２１ 年河南省引黄受水区水资源承载力障碍因子中供水模数影响最大，城市污水处理率影响最小；从水资源和生态环境准则来看，该地区水资源承载力还有很大提升空间，可以从加大水资源管理力度、加强节水宣传等方面加以改善。

关键词：水资源承载力；ＴＯＰＳＩＳ 模型；组合权重；河南省引黄受水区中图分类号：ＴＶ２１３．４ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０７．０１４

引用格式：张修宇，曹彦坤，包添豪，等．基于组合权重ＴＯＰＳＩＳ 模型的河南省引黄受水区水资

源承载力研究［Ｊ］．人民黄河，２０２２，４５（７）：７３－７８．

０ 引言

水资源是一个地区不可或缺的重要自然资源。习近平总书记在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上强调“促进南北方协调发展，需要水资源的有力支撑”。全面落实“三新一高”（新发展阶段、新发展理念、新发展格局和高质量发展）战略要求，是现代化发展的必要条件，是治国安邦的大事［１］ 。因此，水资源短缺是迫切需要解决的问题。

从２０ 世纪９０ 年代开始，国内外很多专家对水资源评价方法、评价模型进行了广泛的研究，例如：Ｋｕｍａｒ 等［２］ 分析了气候变化条件下当前和未来的水资源供应情况，并确定水资源承载能力为尼泊尔卡斯基区可支持的最大社会经济规模；Ｗａｎｇ Ｈｕａｄｏｎｇ 等［３］ 采用主成分分析法，从水资源、水管理、工业发展、农业发展、社会发展、环境保护等方面构建了河北省水资源承载力评价指标体系；Ｈｕ Ｍｅｎｇｑｉ 等［４］ 提出了一种结合水资源供需分析和Ｓ 形曲线阈值分析计算区域水资源承载力的改进方法；Ｊｉ Ｊｕｎｔａｏ 等［５］ 基于河南省水资源的实际状况，采用系统动力学方法，研究了河南省经济、人口、水资源、水环境４ 个子系统之间的关系；ＳｕｎＸｉｕｂｏ 等［６］ 在构建水资源承载力研究评价指标体系的基础上，利用主客观赋权法将权重引入ＴＯＰＳＩＳ 模型的欧氏距离计算中；左其亭［７］ 在对研究方法对比分析的基础上，把水资源承载力计算方法分为经验公式法、综合评价法、系统分析法３ 大类，并重点介绍了基于模拟和优化的控制目标反推模型（ＣＯＩＭ）方法及应用情况；张修宇等［８－９］ 在全面剖析生态灌区复合系统的基础上，构建了基于生态的灌区水资源承载力计算模型。

本文从水资源、生态环境和社会经济３ 个准则出发对河南省引黄受水区水资源承载力进行研究，以期为今后该地区水资源管理与可持续利用提供参考。

１ 研究方法

１．１ 指标体系的构建

水资源承载力评价不仅要考虑地区水资源量，还要综合分析生态环境和经济社会两个方面。河南省引黄受水区人均水资源量远低于全国平均水平，且空间分布差异明显。结合引黄受水区水资源自然条件、生态环境状况、经济社会用水现状综合分析，参考相关研究［１０］ ，最终选取１２ 个指标（正向指标值越大越好，负向指标值越小越好），构建水资源承载力评价指标体系（见表１）。其中：水资源准则处于核心地位，反映区域水资源禀赋和发展水平，选择人均用水量、年降水量、人均水资源量、产水系数和供水模数５ 个指标；生态环境准则反映区域环境污染对水资源的影响，选择城市污水处理率、人均ＣＯＤ 排放量和归一化植被指数３ 个指标；经济社会准则反映社会经济发展对水资源的影响，选择人均生活用水量、每公顷农田灌溉用水量、万元ＧＤＰ 用水量、万元工业增加值用水量４ 个指标。

１．２ 指标权重确定

１．２．１ 层次分析法

层次分析（ＡＨＰ）法是通过定性与定量相结合来确定指标权重的方法，适用于难以定量描述的决策问题［１１－１３］ 。主要计算步骤如下。

２ 实例应用

２．１ 研究区概况与数据来源

河南省引黄受水区主要包括洛阳、郑州、济源、开封、平顶山、三门峡、许昌、商丘、濮阳、焦作、鹤壁、周口、安阳和新乡１４ 个地级市（见图１），总面积约１０．２万ｋｍ２，占全省面积的６１％，跨淮河、黄河和海河三大流域。河南省是一个人口众多、水资源缺乏的省份，引黄受水区又属于河南省缺水较为严重的地区，水资源供需矛盾长期存在，引黄工程改善了该地区的水资源状况，对河南省农业生产和社会与经济发展发挥了重要作用［１９－２０］ 。本文选取１２ 个指标对２０１０—２０２１ 年引黄受水区１４ 个地级市水资源承载力进行评价分析，数据来源于《河南统计年鉴》《河南省水资源公报》等。

２．２ 计算结果

１）组合权重ωｊ 。根据式（１） ～式（２）确定主观权重，求得一致性比率ＣＲ ＝０．００８＜０．１，说明满足一致性要求，根据式（３） ～ 式（５）确定不同评价年的客观权重；最后根据式（６）求出组合权重，各指标组合权重见表２。从权重大小来看，供水模数、人均用水量和產水系数对河南省引黄受水区水资源承载力影响较大，年降水量和城市污水处理率的影响较小。

２）贴近度Ｃｉ 。计算出组合权重后，对原始数据进行加权，用ＴＯＰＳＩＳ 模型计算各地级市贴近度Ｃｉ ，结果见表３。以２０２１ 年为例，参考前人研究，根据贴近度将水资源承载力分为５ 个等级［２１］ ：贴近度Ｃｉ 在（０，０．１６５］、（０．１６５，０．３６０］、（０．３６０，０．５９２］、（０．５９２，０．７７２］、（０．７７２，１．０００］ 区间分别为Ⅴ级（强超载）、Ⅳ级（超载）、Ⅲ级（临界）、Ⅱ级（弱可承载）、Ⅰ级（可承载）。

３）障碍度Ｐｊ 。根据式（１０） ～（１１）分别计算２０２１年各地级市评价指标的障碍度，结果见表４。由表４可知：人均用水量、产水系数、供水模数障碍度较大，而城市污水处理率、人均ＣＯＤ 排放量和归一化植被指数障碍度较小；从准则层来看，水资源准则障碍度最大，生态环境准则障碍度最小。

２．３ 评价结果分析

由表３ 可以看出，２０１０ 年和２０１１ 年河南省引黄受水区水资源贴近度Ｃｉ 普遍较低，说明这两年水资源承载力普遍较小，进一步分析发现，这两年人均ＣＯＤ排放量和万元ＧＤＰ 用水量较多。２０１２ 年开始该区各地级市水资源承载力呈现上升趋势，２０１４ 年南水北调中线工程正式通水之后，郑州、新乡、焦作、安阳、鹤壁等地级市水资源承载力均有明显提升。２０１７—２０１８年引黄受水区水资源承载力达到较高水平，２０１９ 年之后有所下降，说明这几年该地区发展速度有所减缓，这与２０１９ 年降水量减小、产水量降低有直接关系，但是生态环境方面有明显提升，说明黄河流域生态保护和高质量发展战略实施取得一定成效。河南省引黄受水区水资源承载力等级整体偏低，２０１０—２０２１ 年均未出现Ⅰ级，但也没有超过Ⅳ级。郑州、鹤壁、三门峡等地级市达到过Ⅱ级，安阳、新乡、周口、濮阳等地级市出现过Ⅳ级，２０１２ 年之后开封、焦作、许昌、商丘、济源等地级市均保持在Ⅲ级，差异性不大。济源、鹤壁、许昌、洛阳４ 个地级市水资源承载力随时间呈现上升趋势，周口、安阳、濮阳等地级市水资源承载力在Ⅲ级和Ⅳ级之间波动。

典型年的水资源承载力划分等级见图２。由图２可以看出，鹤壁、濮阳、安阳、周口等地级市水资源承载力较小，原因是这些地区人口众多，水资源短缺，经济发展相对落后；三门峡水资源承载力较好，原因是其人口较少，水资源较为充足。２０１０ 年河南省引黄受水区水资源承载力整体较差，只有洛阳和平顶山为Ⅲ级，其他各地级市均为Ⅳ级；２０１５ 年河南省引黄受水区水资源承载力有明显提升，其中三门峡达到了Ⅱ级，大多数地级市由Ⅳ级转变为Ⅲ级；２０１８ 年该地区水资源承载力达到较高水平，除了周口为Ⅳ级，其他各市均达到Ⅲ级；２０２０ 年河南省引黄受水区水资源承载力相对于２０１５ 年没有太大变化，主要原因是该地区经济发展的同时出现了环境污染等问题，导致水资源承载力提升缓慢。

２０１０—２０２１ 年河南省引黄受水区的城市污水处理率、归一化植被指数等指标没有明显变化，而万元ＧＤＰ 用水量、万元工业增加值用水量等指标明显提升，说明该地区水资源承载力变化主要与经济社会准则有关，水资源和生态环境准则对水资源承载力变化影响不大。从评价等级来看，济源和三门峡人均水资源量较多，其评价等级大多为Ⅱ级，说明水资源承载力较强；洛阳、郑州等地级市水资源承载力评价等级偏低，原因是其人均水资源量少，水资源严重缺乏；濮阳市水资源承载力等级大多为Ⅳ级，原因是其城市污水处理率相对较低，人均水资源量偏少。濮阳、安阳、新乡等地级市水资源承载力等级偏低，原因是其人均水资源量偏少。

２．４ 障碍因子分析

由表４ 可知，２０２１ 年河南省引黄受水区人均用水量、产水系数、供水模数障碍度较大，其中供水模数是影响最大的障碍因子，原因是当地水资源匮乏，需要引黄河水来维持生活生产，因此供水能力尤为重要；城市污水处理率、人均ＣＯＤ 排放量、归一化植被指数较小，其中生态环境准则中的城市污水处理率是影响最小的障碍因子，原因是２０２１ 年該地区各地级市的城市污水处理率均达到较高水平，提升潜力不大。郑州的最大障碍因子是产水系数，济源、焦作、新乡、鹤壁、平顶山的最大障碍因子是人均用水量，安阳的最大障碍因子是万元ＧＤＰ 用水量，其他各地级市的最大障碍因子均为供水模数；最小障碍因子开封是年降水量，平顶山是归一化植被指数，新乡是人均ＣＯＤ 排放量，焦作是产水系数，许昌是万元工业增加值用水量，三门峡是人均生活用水量，商丘是人均用水量，其他地级市均为城市污水处理率。

根据对河南省引黄受水区水资源承载力障碍因子的分析，提出增强水资源承载力的建议：１）水资源准则方面，因地制宜合理配置水资源，加大水资源管理力度，加强节水宣传，减少水资源浪费；２）生态环境准则方面，平顶山、濮阳、鹤壁等地级市提高植被覆盖率，严格控制污水排放量，将引黄水作为生活和生产的主要水源，尽量减少对地下水的开采利用；３）经济社会准则方面，提高用水效率，提升水利现代化水平，制定合理水价，增强公众节水意识。

３ 结论

本文从水资源、生态环境和经济社会３ 个准则出发，选取１２ 个指标构建基于组合权重的ＴＯＰＳＩＳ 模型，分析河南省引黄受水区水资源承载力，结果表明：河南省引黄受水区水资源承载力在时间维度上呈现上升态势，２０１８ 年水资源承载力达到较高水平，但整体处于Ⅲ级（临界）水平，存在Ⅳ级（超载）的地级市，且没有达到Ⅰ级（可承载）的地级市，水资源承载力需进一步提升。近年来随着河南省引黄受水区经济发展，水资源承载力在经济社会准则方面的提升尤为明显，但伴随产生农业和工业用水量增加、水污染严重等问题，从水资源和生态环境准则来看水资源承载力没有明显提升，应采取有力措施进一步改善。

分析２０２１ 年河南省引黄受水区障碍因子发现，水资源准则的供水模数和产水模数是第一和第二障碍因子，应大力进行节水宣传，合理配置水资源，提高水资源利用效率，提升水利现代化水平。本研究只选取１２ 个指标，下一步要收集更多的数据，增加评价指标，完善水资源承载力评价指标体系，使评价结果更加客观准确。

参考文献：

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【责任编辑 张华兴】