丹东市水资源承载力综合评价_宁作鹏.pdf

193 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）丹东市水资源承载力综合评价宁作鹏（辽宁省丹东水文局，辽宁 丹东 118001）摘 要：从水资源、经济、社会和水环境的角度选择 15 个典型指标，采用 CRITIC-GR-TOPSIS 法综合评价丹东市 2005-2020 年水资源承载力，利用障碍度模型量化各参评因子的影响程度。结果表明：丹东市水资源承载力综合评价值从 2005 年的 0.4585 波动增大到2020 年的 0.5872，水资源承载力呈波动上升趋势，但变化幅度较小，未来的提升空间广阔；2005-2020 年之间水资源承载力受水环境和社会子系统的影响逐渐提高，而受经济子系统的影响逐渐减弱，水资源子系统的影响较高且变化稳定，可为促进丹东市水资源优化配置和可持续利用提供一定支持。关键词：水资源承载力；CRITIC-GR-TOPSIS 法；障碍度模型；丹东市中图分类号：TV213.4文献标识码：B水资源是维持经济社会发展和人类生存的基础性自然资源，经济的迅速发展使得各行业对水资源需求量急剧增大，从而导致水资源供需不平衡、水资源短缺等一系列问题1。水资源承载力评价是生态、经济和资源的综合体现，也是合理配制和宏观调控水资源的重要依据，对合理开发及高效利用区域水资源意义重大2。目前，在具体表述水资源承载力时许多学者虽未达成一致意见，但本质上都突出了以区域水资源可以最大支撑的经济系统发展规模作为水资源承载力的核心。所以，可以从水环境、经济、社会、水资源等角度综合评价水资源承载力，当前比较常用的方法有逼近理想解法（TOPSIS）、妥协解排序法（VIKOR）、模糊综合法（PCE）和主成分分析法（PCA）等3-5。由于 TOPSIS 法可以提供可靠直观的结果，其计算原理简单，在水资源评价领域得到广泛的应用。然而，在实际应用时 TOPSIS 法也存在一些不足，它是以理想方案与决策方案间的欧式距离作为差异程度的判断依据，其计算结果是一个刚性数值，忽略了形状相似的情况，且未考虑不同指标的偏好程度，不同赋权方法所带来的评价结果可能存在明显差异6-8。同时，整体水平的发展趋势主要是利用TOPSIS法计算的相对贴近度来描述，难以更深层次的分析评价对象。有学者认为，引入障碍度模型、CRITIC 法和灰色关联度（GR）可以解决 TOPSIS 法存在的以上问题9-10。在 TOPSIS 法求解欧式距离的情况下灰色关联度可引入形状相似程度计算，对各参评指标利用CRITIC法进行赋权，能够有效保证评价结果的真实合理性。障碍度模型可以精准识别主要障碍因素，明确水资源承载力受各指标影响程度，为实现水资源高效利用提供参考依据11。在水资源领域已有障碍度模型、灰色关联度和 CRITIC 法的研究应用，而综合利用以上方法评价水资源承载力的还鲜有报道。鉴于此，文章以丹东市为例，从水资源、经济、社会和水环境的角度选择指标构建评价体系，将 CRITIC 法、灰色关联度法（GR）与 TOPSIS 法相耦合综合评价丹东市2005-2020 年水资源承载力，以障碍度模型为依托进一步识别关键障碍因子，并提出有效保护和科学文章编号:1007-7596（2023）05-0001-04收稿日期2022-01-13作者简介宁作鹏（1 9 8 6-），女，辽宁丹东人，高级工程师，研究方向为水情、水文测报、水资源、水生态等。DOI:10.14122/ki.hskj.2023.05.031 194 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）规划丹东市水资源的合理建议12-14。1 研究方法1.1 评价指标体系水资源承载力影响因素多而复杂，一般涉及生态环境、经济、社会、资源等诸多方面，应遵循协调性、精准性、综合性、可获取性和动态性等原则合理选择指标。文章参考现有研究成果和以上原则，从水环境、水资源、经济和水的角度选择 15 项代表性指标，并按照指标性质划分成效益型和成本型两种类型，具体如表 1 所示。表 1 水资源承载力评价体系目标层系统层因素层属性计算方法水资源承载力O水资源 P1产水模数 Q11效益型水资源总量与区域面积之比供水模数 Q12成本型供水量与区域面积之比人均水资源量 Q13效益型水资源总量与人口总量之比水资源开发用率 Q14成本型供水量与水资源总量之比社会P2人口密度 Q21成本型统计数据城镇恩格尔系数 Q22成本型统计数据城镇化率 Q23效益型统计数据生活用水量 Q24成本型统计数据经济P3生产总值 Q31效益型统计数据万元生产总值用水量 Q32成本型总用水量与国内生产总值之比万元工业增加值用水量 Q33成本型 工业用水量与工业总增加值之比第三产业占比 Q34效益型第三产业与国内生产总值之比水环境 P4污水排放量 Q41成本型统计数据污水处理率 Q42效益型统计数据城市绿化覆盖率 Q43效益型统计数据1.2 综合评价方法1）权重计算。CRITIC 法是利用各参评指标的冲突性与变异性计算结果来判定其客观权重，能够充分利用各指标初始数据信息。一般利用标准差表示变异性，但有学者提出用标准差可能会降低准确度，使评价结果出现较大误差，而利用平均差反映变异性可以有效解决以上问题，更好地保证结果的客观合理性。因此，文章将 CRITIC 法中的标准差用平均差来替代，并利用下式计算指标权重15-16：（1）=mijjjEE1 （2）式中：Ej、ADj、i为参评指标 j 所含有的信息量、平均差及其权重系数；pij为参评指标 i、j 的相关系数。2）数据标准化。为消除各参评指标之间因量纲或数量级不同而存在的不可通透性，对各指标的初始数据做标准化处理：（3）式中：aij、rij为指标标准化前、后的数值，rij取值区间 01；其中，i=1，2，m；j=1，2，n。3）加权决策矩阵。将各指标标准化后的数值与其权重相乘构造加权决策矩阵R，计算方法如下：（4）式中：i、f(i，j)为权重矩阵和无量钢化矩阵。4）正负理想解。考虑各指标属性，采用最大-最小值法和加权决策矩阵计算正、负理想解，其表达式为：max211+=mi jmirrrRR，（5）min211+=mi jmirrrRR，（6）式中：R+、R-为正、负理想解。5）欧式距离。采用公式（7）（8）计算正、负理想解与各指标值之间的欧式距离，即：=+=miii jjrrd12)(（7）=miii jjrrd12)(（8）式中：dj+、dj-为正、负理想解与指标值之间的欧式距离。195 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）6）灰色关联度（GR）。灰色关联度法主要是按照实际数列与理想数列几何形状的相似程度来反映两者的关联性，该方法可以在有限数据的条件下量化处理实际序列的动态变化过程，对分析动态过程具有较好的适用性。所以，文章利用灰色关联度来反映正、负理想解与参评指标实际值之间相对变化的接近程度，具体公式如下17：（9）（10）式中：vj+、vj-为正、负理想解与各指标间的灰色关联度；为分辨系数，参考已有研究成果及经验 取 0.5。7）相对贴近度。为反映形状上的非线性关系，在 TOPSIS 法中引入灰色关联度，通过计算正、负理想解与各指标实际值的欧式距离及其灰色关联度，并按设定的偏重系数相组合，从而计算出改进的相对贴近度，保证结果的科学合理性。采用公式（11）（12）无量纲化处理已计算出的灰色关联度和欧式距离，即：+=jjjjjjddDddDmaxmax；（11）+=jjjjjjvvUvvUmaxmax；（12）然后计算参评指标相对贴近度 Cj，具体如下：)()()(212121+=jjjjjjjUUUUUUC（13）式中：1、2为偏重系数，体现了决策者对形状与距离的偏重情况，文中 1=2=0.5。1.3 障碍度模型鉴于 TOPSIS 法难以反映水资源承载力受各个指标的影响程度，故利用障碍度模型精准识别各因素对水资源承载力的影响作用，为合理规划区域水资源提供参考依据。指标偏离度和因子贡献度是障碍度模型常用的衡量指标，其中指标偏离度反映了目标最优值与单项指标实际值之间的差异程度，可利用标准化后的指标数据与 1 的差值来衡量，而因子贡献度反映了整个指标体系受单一指标的影响程度，可以利用指标权重值来衡量。因此，丹东市水资源承载力障碍度计算公式如下18：=miiiiiijIFIFQ1 （14）式中：Fi、Ii为因子贡献度和指标偏离度；Qij为障碍度，即各参评指标对第 j 年水资源承载力的影响程度，Qij值越大则产生的不利影响越大。2 实例应用2.1 区域概况丹东市地处辽宁省东南部，总面积 15222km2。境内属温暖带亚湿润季风型气候，南部平均气温89，北部 67，为东北地区最湿润最温暖的地方，年均降水量 881.31087.5mm，其中夏季占2/3，7-8 月为暴雨集中期。丹东水源充足，主要有大洋河、鸭绿江和沿海水系，较大河流有叆河、浑江、大洋河、鸭绿江等，其它大小河流 944 条。虽然丹东市降水量较多，但特殊的气候条件和地形地貌，使得降水时空分布极不均衡，北部、东北部降水偏少，蒸散发较高，水资源存在可利用总量少、边际效益低、开采成本高、开发难度大等特点，局部地区依然面临着地下水超采、水环境污染、春季干旱、用水效率低等问题。因此，有必要利用合适的方法评价区域水资源承载力，通过精准识别关键障碍因子，为区域水资源管理规划和开发保护提供决策依据。2.2 数据来源文章所用到的相关数据来源于 2005-2020 年丹东市统计年鉴、水资源公报、国民经济与社会发展公报及政府网站等统计资料，各类数据直接从统计资料中获取，或利用灰色预测、线性内插法对原始数据推算获取。2.3 数据计算将 CRITIC 法中的标准差用平均差来替代，利用公式（1）（2）计算各参评指标的客观权重，结果如表 2 所示。196 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）表 2 参评指标权重计算值指标Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8权重0.06140.08010.06150.04970.09410.04810.06100.0801指标Q9Q10Q11Q12Q13Q14Q15/权重0.06320.05300.04570.07520.11280.05950.0546然后结合权重计算结果，应用公式（3）（13）计算丹东市 2005-2020 年水资源、水环境、社会、经济子系统和综合承载力，如表 3 所示。表 3 2005-2020 年丹东市水资源承载力年份子系统综合承载力水资源社会经济水环境20050.68610.47860.19200.64320.458520060.49260.47860.32460.64670.445020070.56370.50610.44510.66120.510620080.35300.50220.47360.65370.453720090.79020.50530.52680.62210.605120100.69100.44700.57350.62580.591220110.56170.45370.60010.55710.553720120.65250.53500.64240.58200.607520130.63480.43670.66310.45860.584120140.56200.48620.68460.42300.566220150.66150.50260.70850.40810.604120160.52470.60150.73860.35580.568120170.49680.62710.75820.36200.560220180.24570.60020.78500.56420.506020190.57710.56680.80040.41370.606720200.48200.48730.81760.55380.58722.4 水资源承载力丹东市 2005-2020 年水资源承载力变化，如图1 所示。图 1 丹东市 2005-2020 年水资源承载力变化由图 1 可知，丹东市 2005-2020 年水资源承载力整体呈波动上升趋势，综合承载力从 2005 年的0.4585 波动增大到 2020 年的 0.5872。总体上，可以将变化过程划分成低水平波动(2005-2008 年)和高水平震荡（2009-2020 年）两个阶段。其中，第一阶段的水资源承载力较低，基本围绕 0.45 变化波动；第二阶段水资源承载力从 2008 年的 0.4537先增大到 2009 年的 0.6051，随后出现小幅波动，但该阶段的水资源承载力与上一阶段相比有明显提升。另外，在第二阶段丹东市水资源承载力出现低谷期，2016-2018 年连续三年下降，2018 年的承载力达到最低值 0.5060。丹东市 2005-2020 年各子系统承载力变化，如图 2 所示。00.20.40.60.812005200620072008200920102011201220132014201520162017201820192020年份水资源社会经济水环境子系统承载力图 2 丹东市 2005-2020 年各子系统承载力变化 197 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）由图 2 可知，水环境、水资源、经济和水子系统承载力变化趋势存在明显差异。其中，水资源子系统承载力于 2009 年达到最高值 0.7902，于 2018年达到最低值 0.2457，这主要与丹东市水资源禀赋条件和易受特殊灾害天气影响等因素有关。受2009 年热带风暴影响全市普降大雨，水资源总量提高 2.6 倍，这在不同程度上提高了区域产水模数、供水模数、人均水资源量等指标值，故 2009 年水资源承载力明显较高，而 2016-2018 年受厄尔尼诺影响又遭遇了比较严重的旱灾，2016 年降水量和水资源总量相较于 2015 年均明显减少，受此影响丹东市水资源承载力大幅减小。在 2005-2020 年经济子系统承载力整体呈不断上升趋势，从 2005 年的 0.1920 不断增大到 2020年的 0.8176，这是因为丹东市于 2005 年就开始优化调整产业结构，在大力发展经济的同时不断优化用水结构，通过引入高新节水结束不断提高用水效率，使得经济发展带来的自然环境压力逐渐减少，虽然经济的发展会消耗大量的自然资源，但对修复与保护自然环境也会提供更多的经济资源，产生一定的反哺作用。在 2005-2020 年社会子系统承载力总体平稳，在此期间丹东市城镇恩格尔系数持续减小，城镇化率也从 2005 年的 33.80%逐渐提高到 2020 年的70.12%，表明居民物质生活水平得到极大地提升。但 2005-2020 年丹东市生活用水总量并未表现出显著上升趋势，这主要与积极推进节水型社会建设及制定严格的水资源管理制度等有关，使得社会子系统总体变化平稳。在 2005-2020 年水环境子系统承载力整体表现出下降趋势，2016 年承载力达到最低值 0.3558，随后虽有小幅度的回升但仍小于初期水平。综上分析，虽然 2005-2020 年丹东市水资源承载力呈波动上升趋势，但在不同阶段受各子系统影响会出现一定程度的波动。在整个阶段丹东市水资源承载力受社会、经济子系统的积极影响表现出上升趋势，但由于水资源总量的不确定性使得丹东市水资源承载力易受旱情或洪涝影响，从而出现短期内突降或突升的情况。2.5 障碍因素分析采用障碍度模型计算丹东市 2005-2020 年水资源承载力障碍度，如图 3 所示。从图 3(a)可以看出，除水资源开发利用率外其它指标的障碍度波动区间均比较稳定，并且相较于其它指标处于较高的水平，说明水资源承载力受水资源障碍因子的制约最为显著。从图 3(b)可以看出，经济子系统中各项指标的障碍度均呈持续下降趋势，特别是万元工业增加值用水量、万元生产总值用水量从 2005 年的 20.6%和 17.0%逐渐减少到 2020 年的 3.3%和2.4%，与其它指标及研究初期相比降幅最大，这说明丹东市的经济发展对于提升和稳固水资源承载力具有积极作用。从图 3(c)可以看出，社会子系统中城镇恩格尔系数和城镇化率的障碍度呈下降趋势，而生活用水总量的障碍度从 2005 年的 4.94%不断增大到 2020 年的 7.85%，说明丹东市居民生活质量的提升以及城市人口的增加使得水资源需求量不断增大，水资源承载力受生活用水总量的影响日趋显著。从图 3(d)可以看出，水环境子系统中污水排放量的障碍度从 2005 年的 4.42%波动增大到 2020年的6.12%，并且2013-2017年期间达到了7%以上，与其它指标相比处于较高水平。因此，要实现水资源承载力的进一步提升，既要提高用水效率和节水量，还要提升污水处理率和回用率，对污水厂加强改造。246810121416182005200620072008200920102011201220132014201520162017201820192020年份产水模数供水模数人均水资源量水资源开发利用率各指标障碍度26101418222005200620072008200920102011201220132014201520162017201820192020年份生产总值万元生产总值用水量万元工业增加值用水量各指标障碍度(a)水资源子系统(b)经济子系统 198 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）4567820052006 20072008 20092010 2011201220132014201520162017201820192020年份人口密度城镇恩格尔系数城镇化率生活用水总量各指标障碍度4567892005200620072008200920102011201220132014201520162017201820192020年份污水排放量污水处理率城市绿化覆盖率各指标障碍度(c)社会子系统(d)水环境子系统图 3 丹东市 2005-2020 年水资源承载力各指标障碍度为保证关键障碍因子的时效性，进一步提升丹东市水资源承载力，以 2005-2009 年障碍度数据为基准，对比分析了 2016-2020 年障碍度数据的变化特征，如表 4 所示。表 4 前 5 位障碍因子分析排序123452005-2009 年障碍因素万元生产总值用水量万元工业增加值用水量生产总值城镇恩格尔系数城镇化率障碍度值11.1811.157.166.586.522016-2020 年障碍因素水资源开发利用率污水排放量产水模数人均水资源量生活用水总量障碍度值8.417.406.926.926.60结果表明，2005-2009 年排名前 5 位的障碍因子有城镇化率、城镇恩格尔系数、生产总值、万元工业增加值用水量和万元生产总值用水量，以上障碍因子主要分布于社会、经济子系统中，这是由于2005-2009 年正处于经济快速发展期，与用水效率较低、用水结构不协调以及水资源需求较大等有关；2016-2020 年排名前 5 位的障碍因子出现明显变化，主要包括生活用水总量、人均水资源量、产水模数、污水排放量和水资源开发利用率，以上障碍因子主要分布于社会、水环境和水资源子系统中，未涉及经济子系统。结合实际数据，丹东市万元工业增加值和万元生产总值用水量的 5a 均值相较于初期明显下降，降幅达到 300%左右，而增产总值的五年均值较初期显著提升，增幅达到 320%左右，这种变化说明经济因素不再是制约丹东市水资源承载力提升的关键障碍因子，未来应重点考虑社会因素与水资源供给、开发利用等水资源因素，并且要注重污水排放量的控制、水环境保护和改善等。3 结 论1）丹东市 2005-2020 年水资源承载力整体呈波动上升趋势，综合承载力从 2005 年的 0.4585 波动增大到 2020 年的 0.5872，但增幅相对较小，未来仍具有一定的提升空间。经济因素不再是制约丹东市水资源承载力提升的关键障碍因子，而水环境、社会和水资源已成为关键制约因子，应重点考虑水资源供给、开发利用等水资源因素，注重污水排放量的控制、水环境保护和改善等。2）为了增加水资源可利用量，建议加强雨水等非常规水源的利用，提升再生水会用率和引进客水等；通过建设节水型社会、完善污水收集系统和提标改造污水厂等，逐步实现水资源的高效集约利用和污水的快速处理3）研究表明，CRITIC-GR-TOPSIS 法可协调水资源承载力与生态、经济、社会、资源之间的关系，更好地保证结果的科学合理性，具有一定的推广使用价值。参考文献：1 何贝贝，李绍飞，朱习爱天津市水环境安全评价及其指标体系研究 J水资源保护，2016，32(01)：125-1292 李娟芳，王文川，薛建民基于水质水量水生态社会经济指标体系的洛阳市水资源承载力分析 J.水利规划与设计，2019(01)：34-39 199 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）3 李云玲，郭旭宁，郭东阳，等水资源承载能力评价方法研究及应用 J.地理科学进展，2017，36(03)：342-3494 夏欢，陈菁，许杨，等基于改进 TOPSIS 模型的连云港市水资源承载力研究 J节水灌溉，2019，282(02)：86-90，955 刘晓君，付汉良基于变权信息熵改进 TOPSIS 法的水资源承载力评价：以陕西省地级城市为例 J水土保持通报，2015，35(06)：187-1916 王砚羽，张卓，王正新基于灰色关联系数改进的加权 TOPSIS 法及其应用 J华东经济管理，2011，25(10)：139-1447 孙雅茹，董增川，刘淼基于改进 TOPSIS 法的盐城市水资源承载力评价及障碍因子诊断 J中国农村水利水电，2018，434(12)：101-1058 鲁佳慧，唐德善基于 PSR 和物元可拓模型的水资源承载力预警研究 J水利水电技术，2019，50(01)：58-649 热孜娅阿曼，方创琳，赵瑞东新疆水资源承载力评价与时空演变特征分析 J长江流域资源与环境，2020，29(07)：1576-158510 杨海燕，孙晓博，程小文，等基于 VIKOR 法的潍坊市水资源承载力综合评价 J环境科学学报，2020，40(02)：716-72311 刘君，赵立进，黄良，等基于 TOPSIS 和灰色关联分析的变压器状态评价方法 J电力科学与技术学报，2019，34(04)：63-6812 张阳，张橙基于 TOPSIS 灰色关联度分析的水资源配置方案综合评价 J统计与决策，2017(18)：64-6713 李治军，董智，陈末，等基于模糊分析法的合肥市水资源承载力评价 J水电能源科学，2020，38(02)：44-46，4314 李少朋，赵衡，王富强，等基于 AHP-TOPSIS 模型的江苏省水资源承载力评价 J水资源保护2018，37(03)：20-2515 汪顺生，黄天元，陈豪，等基于 CRITIC 赋权的模糊综合评判模型在水质评价中的应用J 水电能源科学，2018，36(06)：48-5116 雷勋平，邱广华基于熵权 TOPSIS 模型的区域资源环境承载力评价实证研究 J环境科学学报，2016，36(01)：314-32317 张黎鸣，赵岩，王红瑞，等基于信息熵与灰关联的西安市城市经济与用水结构的耦合度研究 J南水北调与水利科技，2017，15(04):187-192，20218 鲍庆煜，周强，陈霞，等基于协调发展的南京市水资源承载状态评价与障碍因子诊断 J江苏水利，2020(11)：9-14面时，水位就会降低。图 3 佳木斯站 2018 年（7 月 1 日-8 月 20 日）洪水验证5 结 语文章基于河网水动力模型,应用于松花江依兰-佳木斯段洪水过程模拟，并对模型进行了率定和验证，结果表明，模型模拟得到的水位流量过程与实测资料符合较好，说明该水动力模型用于依兰-佳木斯段的洪水过程模拟是比较可靠的，可用于该区域的洪水预报，进而为松花江佳木斯段的水旱灾害防御提供技术支撑，具有较大的推广应用价值。参考文献：1 袁杰，李弘义，李胜军.松花江流域径流变化特征及趋势分析 J河海水利，2013(02)：32-34.2 陆志华，夏自强，于岚岚松花江佳木斯站径流变化规律及演变趋势分析 J水电能源科学,2011(05)：20-21.3 陆志华，夏自强，于岚岚等,松花江干流中游段年内分配变化规律 J河海大学学报：自然科学版，2012(03)：15-16.（上接第 137 页）