基于组合赋权和GRA-TOPSIS 法的湖南省水资源承载力综合评价

沈 凯 陈 末 梅嘉恒

（1.黑龙江大学寒区地下水研究所，黑龙江 哈尔滨 150080；2.黑龙江大学水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080）

水资源是人类赖以生存和发展的基础性自然资源和保障可持续发展的战略性经济资源，同时也是生态环境保护和建设的重要控制要素。水资源承载力是衡量区域可持续发展的重要参考指标，2020 年自然资源部印发的《资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价指南（试行）》中明确指出，水资源是确定人口经济、社会发展承载规模的主要约束之一，水资源平衡在缺水地区更应重点考虑。作为资源环境承载力的主要组成部分，水资源承载力对区域未来经济社会走势、生态环境建设及水资源可持续开发具有重要影响和深远意义。

近年来，国内外学者对湖南省水资源承载力进行了定性和定量分析。研究区域主要集中在全省范围[1]或者人口密度较大的湘中地区[2]以及具有典型湖泊平原地貌的洞庭湖流域[3]和湘江流域[4]。结果表明，湖南省水资源相对丰富，水资源承载力年际变化大，地区差异明显[5-6]。学者们积极探索了湖南省各种水资源承载力模型的应用，但针对水资源承载力制约因素的研究相对较少，且评价方法较为单一。基于此，本研究在构建水资源-经济社会-生态环境综合指标体系的基础上，采用权重-GRA-TOPSIS 模型对湖南省水资源承载力进行测算，并结合耦合协调模型和障碍度模型分析湖南省水资源-经济社会-生态环境系统的演化特征，并诊断障碍因子。与传统方法相比，权重-GRA-TOPSIS 模型更为系统，可保证评价结果的科学性和综合性。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

湖南省地处中国中南部，土地面积211829km2，占全国总面积的2.2%，辖14 个市（州）。属于亚热带季风区，年平均气温在15～18℃之间，水资源总量相对丰富，多年平均（1956—2016 年）年降水量为1454mm，气候湿润，降水较多，但季节分布不均匀，年际变化大，水旱灾害频繁。湖南省三面环山，北亘洞庭，吞吐长江，四水纵贯全境，水资源禀赋优良，但是资源性缺水和结构性缺水长期并存，同时也面临供水风险较高、优水未优用、局部地区水资源短缺、集约利用程度不高、工程调配能力不强等问题，解决好水资源配置与经济社会发展需求不相适应的矛盾是新阶段发展面临的重大战略问题。

1.2 数据来源

本文数据主要来源于2006—2020 年的《湖南省统计年鉴》《湖南省水资源公报》《湖南省环境状况公报》《中国统计年鉴》以及《中国环境统计年鉴》。为了减少指标量纲对研究可靠性的影响，对缺失数据用加权均值法进行补充，然后对指标进行无量纲化处理。具体数据见表1。

表1 评价指标体系及权重

2 研究方法

为科学判断湖南省2006—2020 年水资源承载力演变特征，本研究采用标准化、熵权-CRITIC 法组合赋权、GRA-TOPSIS 模型、耦合协调度、障碍度模型等方法进行研究，具体见表2。

表2 研究方法

3 结果与分析

3.1 评价指标体系的构建

该指标体系由目标层、系统层和指标层构成。其中，目标层为水资源承载力；系统层为水资源、经济社会和生态环境三大系统；指标层为各项评价指标。采用熵权-CRITIC 法组合赋权对各项指标进行权重分配，结果见表1。

3.2 湖南省水资源承载力评价

3.2.1 综合水资源承载力变化分析

运用GRA-TOPSIS 评价模型分析测算湖南省2006—2020 年综合水资源承载力及其各子系统承载力，结果见图1。

图1 2006—2020 年湖南省水资源承载力及其各子系统承载力综合评价结果

由图1 可知，2006—2020 年，湖南省综合水资源承载力整体呈上升趋势，仅个别年份出现了下降情况。综合评价值结果由2006 年的0.4551 提高到2020 年的0.5735，年均增长率为1.858%。根据其变化趋势，研究时段内可大致分为2 个阶段：第一阶段为2006—2011 年，水资源承载力呈波动下降趋势，降至近15 年最小值。主要原因是湖南省受亚热带季风气候影响，全省降水量、水资源总量年际变化大，加之2011 年降水量为近15 年最小值，进而影响了水资源总量，再加上当年经济支柱产业结构单一，第三产业占比为近15年最低，造成了严重的水污染问题，使流域和地下水等功能显著降低，可用水资源持续减少。第二阶段为2011—2020 年，除2018 年有轻微波动外，其余年份水资源承载力均稳步上升。其原因是湖南省在推进“两型社会”建设的同时，组织实施了《第二个“三年行动计划”（2016—2018 年）》《〈水污染防治行动计划〉实施方案（2016—2020 年）》等政策，统筹推进了湖南省的生态环境保护和经济发展，有效控制和降低了水环境的污染，使水资源-社会经济-生态环境协调发展程度明显提升。

3.2.2 子系统承载力变化分析

由图1 可知，近15 年来，湖南省社会经济发展迅速，人均GDP 由2006 年的11733 元增长到2020 年的62537元，第三产业比例由2006 年的42.00%上升至2020 年的51.71%，全省社会经济承载力提升显著。其综合评价值由2006 年的0.3804 增长到2020 年的0.6668，为湖南省水资源保护及其承载力的提升提供了重要保障。

近15 年来，湖南省生态环境质量总体在波动中呈上升趋势，生态环境综合评价值由0.3951 提升到0.5848，同比上涨48.01%。全省重点污染物排放总量和能耗持续降低，水环境质量持续改善，生态质量逐步向好，为社会经济发展和生态环境建设提供了重要保障。

近15 年来，湖南省水资源系统综合评价值振荡显著，呈波动上升趋势，由0.3961 上升至0.5934，同比上涨49.81%。2011—2012 年、2016—2020 年湖南省水资源系统综合评价值波动较大，其余时段趋向平稳。其原因是湖南省降水量年际变化大，水资源时间分布不均匀，产生了丰枯交替、连丰连枯交替频繁的现象。

3.3 耦合协调度分析

耦合协调度D的取值范围介于0～1 之间，取值越大，说明三系统协调度越高，反之协调度越低。具体划分标准见表3。

表3 耦合协调度等级划分标准

采用耦合协调度模型测算湖南省2006—2020 年水资源-经济社会-生态环境系统耦合协调度，结果见图2。由图2 可知，2006—2020 年湖南省三大系统主要处于中级协调状态，且总体呈上升趋势。

图2 2006—2020 年湖南省水资源-经济社会-生态环境耦合度及耦合协调度

2006—2011 年湖南省耦合协调度呈波动上升趋势，但振荡显著、波动频繁；2011—2016 年耦合协调度呈波动上升趋势；2016—2018 年耦合协调度有轻微下降趋势；2018—2020 年耦合协调度上升趋势最为明显。

3.4 障碍因子诊断

根据障碍度模型，对影响湖南省2006—2020 年水资源承载力发展的因素进行诊断分析，筛选出障碍度Pij≥5.0%的指标，然后按频率进行降序排列，见表4。

表4 湖南省水资源承载力主要障碍因子频率

针对表4 中的指标，绘制2006—2020 年障碍因子热点图，见图3。

图3 2006—2020 年湖南省水资源承载力主要障碍因子热点图

由图3 可以看出，生活用水总量（Q9）、人口自然增长率（Q14）、废水排放总量（Q18）及除涝面积（Q27）在2006—2020 年的障碍度占比较大，由此可见，如何控制生活用水总量、人口自然增长率、废水排放总量及排水防涝是提高湖南省水资源承载能力的关键。

从图4 可以看出，湖南省2006—2020 年生态环境子系统障碍度占比始终较大，且总体呈波动上升态势，以2010 年为分水岭，2010 年以前生态环境子系统障碍度始终处于相对稳定状态，波动幅度不大；2010 年以后生态环境子系统障碍度振荡显著、波动频繁，最大振荡幅度达44.18%。水资源子系统以2011 年为分水岭，与生态环境子系统不同的是，水资源子系统总体呈下降趋势。而社会经济子系统则以2015 年为分水岭，在2015 年以前，社会经济子系统障碍度始终处于相对稳定状态，波动幅度不大；2015 年以后，社会经济子系统障碍度振荡显著、波动频繁，且在2016 年以后障碍度急剧下降，由2016 年的35.51%下降到2020 年的10.33%。说明未来要提升湖南省水资源承载力，必须给予水资源及生态环境子系统更多关注，协调平衡各子系统，确保湖南省水资源的可持续发展。

图4 2006—2020 年湖南省水资源承载力各子系统障碍度变化趋势

4 结 语

面对水资源短缺和水污染导致的水危机，评价湖南省水资源承载力，诊断障碍因子，可为湖南省合理开发利用水资源提供理论依据。本文基于GRA-TOPSIS模型构建水资源-经济-生态三维指标体系，通过CRITIC-熵权进行组合赋权，并结合耦合协调度模型和障碍度模型对水资源承载力进行综合评价。结果表明，2006—2020 年湖南省水资源承载力与耦合协调发展总体呈上升趋势，但年际变化显著，不同子系统增长幅度差异较大；影响水资源承载力提升的主要障碍因子为生活用水总量、人口自然增长率、废水排放总量和除涝面积。

随着湖南省水资源承载力的提升，水资源利用效率和效益明显提高，但生态保护与生态建设的总体形势依然严峻，生态环境保护面临的任务十分艰巨，在水污染治理、生态红线控制、土地资源退化治理等方面均有较大提升空间。与此同时，人口的增加也给水资源承载力的提升带来了较大压力，在今后的发展中，要做到水资源的合理配置、空间均衡。在促进社会和经济发展的同时，也要注意保护生态环境，降低水环境污染，实现水资源与人口、经济与生态的协调发展。