基于TOPSIS和PSR的承德市水资源承载力动态评价

刘常林

(河北省承德水文水资源勘测局，河北 承德 067000)

水是生命之源，水资源供给平衡与人类社会的生存和发展密切相关。在全球变化的背景下，水资源数量、质量的时空分布不确定性增加，水资源安全战略趋紧并凸显重要地位。为增强对水资源防护和利用水平，联合国发展研究中心于2000 年提出了建立国家和社区的水资源安全行动计划，因地制宜制定水资源利用策略、宏观评价水资源平衡，将水安全提升至可持续发展的核心内容之一[1]。中国作为一个水资源贫乏且又亟待发展经济的人口大国，水质状况的研究和监测具有重要的现实意义。

随着人口增长及人类对自然资源开发利用程度加深，区域自然环境本体对水资源涵养能力趋降，出于确保可持续发展不会增加社会对水源供应脆弱性的理念，不少政府部门和灾害管理机构将水资源平衡视作环境管理的重心工作。平衡原属物理学范畴，20世纪70年代Holling[2]将其引入生态学领域，Timmerman，Handmer等[3]将其应用于水资源安全评价，一般定义为水生态系统为区域经济社会发展、人类生存提供必要支持并且维持其自身结构性和功能性的能力。关于水资源承载力的研究尚无定论，学者们的视角各有不同。如Pimm[4]以系统论观点将承载力看作水生态系统恢复平衡状态的能力；联合国国际减灾战略机构强调客体自身状态与外部援助的影响[5]；也有学者专注于经济社会弹性系数[6]、生态弹性恢复的测度。虽然考虑的重点存在差异，但无疑暴露了水资源平衡受多维因素制约。据此，量化水资源平衡的工作多从建立相关指标体系入手，参考的模型有支出-产出模型[7]、自然-经济-组织-社会模型[8]、过程模型[9]、DPSIR模型[10]等。需指出的是，传统指标模型不能很好地嵌合水生态系统与自然、经济社会、人口等维度的关系，在量化过程中易受单一因子的数据噪声或者臆断影响，因而评估效果难免失真。

鉴于此，本文提出了基于PSR(Pressure-State-Response)概念框架下应用TOPSIS的水资源平衡诊断模型，采用TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution )评价方法，并以承德市为案例区，旨在探讨该方法的适用性，并为制定防灾策略提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

承德市地处我国华北平原向内蒙古草原带与东北过渡区，南望京津、北靠蒙辽，地理坐标为N40°12′～N42°37′，E115°54′～E119°15′，总面积达3.97×104km2。全市有平原、台地等类型，位于燕山腹地，地势由西北向东南倾斜，海拔介于200～2 118 m，平均海拔350 m。属暖温带向寒温带过渡地带，以温带季风气候为主，夏季高温而降水集中，冬季低温而干燥，多年平均降水量在402～882 mm之间，年均温度9℃，无霜期160 d，日照时数达2 900 h，>10℃的积温2 600℃～3 500℃，气候资源呈东南-西北递减分布。全市土地利用以耕地、林地、草地为主，森林覆盖率达48%。全市水资源总量达37.34×108m3，有滦河、潮河、辽河、大凌河四大水系，河网较为稀疏，为华北地区重要水源地。

1.2 承德市水资源承载力评价指标体系

水资源承载力反映的是水生态系统自身涵养能力以及生态支持能力，其包含了自身生态结构、功能，以及经济社会、人口之间等错综复杂的联系，因此建立的水资源承载力评价指标体系应该立足于区域背景环境。从现有的研究来看，学者们主要从水生态系统与人类社会两方面考虑，将区域自然环境条件、人口经济条件、基础设施工程、政策投入力度等纳入指标体系范畴。本研究从承德市情出发，应用PSR模型将影响水资源承载力逐层分解为压力层，状态层、响应层(表1)，从这3个方面确立承载力评价指标体系，可以深刻地解析人类社会对水生态系统的依赖性与胁迫性，以及水资源承载力受自身恢复能力与外界干扰的影响，直观阐明多维影响因素间作用机理。表1中的正向指标属性值越大或负向指标属性值越小，则水资源承载力指数越高。

1.3 基于TOPSIS的水资源承载力诊断模型

本文中水资源平衡指数为其指标体系中各指标D数融合的综合值。TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution )是Hwang和Yoon[22]提出的一种多目标决策分析，通过检测评价对象与最优解、最劣解之间的距离，对目标变量单调性排序。本研究中目标变量数n个为承德市县区数，水资源平衡m维属性为其18项指标，则矩阵D=[xij]n×m：

其中i=1,2,…,n，j=1,2,…,m。变量各维指标分属不同量纲，采用极差法进行归一化处理。同时，为增强数据平滑度，特运用如下公式：

式中：xmaxj和xminj分别为矩阵各维中最大值和最小值，由此得到标准化矩阵y=[yij]n×m。在标准化矩阵中可找出每项指标中的最大值ymaxj和最小值yminj，分别代表各维的最理想值和最差值，则承德市水资源平衡指数I度量如下：

式中：w为目标变量各维属性的权重，其计算过程参考文献[11]，权重列表见表1。为了便于直观评价，依据等分法原理，将其分为5级：[0,0.2)为I级，[0.2,0.4)为II级，[0.4,0.6)为III级，[0.6,0.8)为IV级，[0.8,1]为V级，指数越大、级别越高，表明承载力越好。

表1 承德市水资源承载评价指标体系及权重系数

1.4 研究数据源与处理平台

本研究数据来源于《中国统计年鉴》(2006～2016年)、《承德市统计年鉴》(2006～2016年)，以2010～2014年5年中各项指标数据的平均值为基础数据，基本数据处理、归一化、TOPSIS计算在Excel 2016中。

2 结果与分析

2.1 基于PSR的承德市洪水资源承载力指标体系分析

水资源承载力取决于区域水生态系统水源涵养能力与人口社会经济系统的胁迫性，良性的外部援助等也具有一定积极作用。PSR模型将水资源安全的产生因素、环境呈现状态及对人类活动响应的这种因果循环关系直观展现[12]，明确了水资源安全评价指标框架下各维度、指标间的联系；再者，PSR维度下的指标能够根据区域自然、人文背景环境特点进行扩充，确保评价的全面性和系统性，显示了水资源的多元结构与功能差异。承德市水资源承载力评价指标体系由18项因子组成，PSR维度权值中压力层权值最高，达到0.397，表明其是水资源安全关键影响因素；状态层的影响程度次之，为0.347；响应层为0.258，其反映外部干预的影响

2.2 水资源承载压力分析

依据前述TOPSIS方法，得到承德市2005～2015年水资源承载压力指数，见图1。由图1可知，2005-2015年承德市水资源安全压力指数呈现波动特征，数值介于0.35～0.45之间，处第II、III等级。其中，2008年的承载力压力指数偏高，总体而言并无明显的趋势特征。承德市地处华北地区，地表水源涵养能力一般，区域人口密集，农牧业、工矿业耗水量大，水资源承载压力严峻。

图1 承德市洪水资源承载力压力指数分布

2.3 水资源承载状态分析

图2直观反映了承德市水资源承载力状态指数呈逐渐升高的趋势特征，其状态指数由2005年的0.398增至2015年的0.482。相应地，其安全级别也从第II级升高到第III级，表明水资源承载状态逐渐好转。其中2010年有明显的回落，主要由于该年度全区比较干旱，地表水资源量处于较低水平。研究时域内，全市水资源承载状态指数总体趋势良好，得益于新世纪以来全市林草恢复效果明显，森林覆盖面积扩展。

图2 承德市洪水资源承载力状态指数分布

2.4 水资源承载响应分析

作为华北地区的水源地，承德市的水资源保护力度严谨，见图3。2005～2015年的承德市水资源响应指数由0.458呈起伏升高至0.539，虽然略有波动，但发展趋势较好，处于III级水平。其中2007年响应指数最低，为0.432。这是因为当年的污水处理率远低于其他年份，2012年以后响应指数稳定于0.5以上，表明人为良性干预步入正轨。近十几年来，承德市对水生态环境建设投入巨大，并取得瞩目成就，加强了工业废水的排放管控，建立起水资源保护区，人水资源安全响应指数有了一定提升。

图3 承德市洪水资源承载力响应指数分布

2.5 水资源承载力分析

由于研究时域内承德市水资源承载力面临的压力、状态、响应等特征均不相同，其水资源承载力指数时间也表现出波动特征，见图4。

图4 承德市洪水资源承载力指数分布

结果表明，2005年承载力指数最低，仅为0.392 8，处于II级水平。自2006年之后其处于III级水平，承载力等级上升，10余年间承载力指数由0.392 8升高至0.452 1。虽然仍处于III级水平，但总体而言其发展趋势良好。

3 结 论

关本文从压力、状态、响应三个层面建立的承德市水资源承载力评价指标体系阐释了区域水资源平衡与自然环境条件、社会经济、水源涵养保护之间因果反馈关联，突出了水资源平衡的多元结构与功能差异。基于TOPSIS和PSR的诊断模型，具有易于维数扩充、可操作的特点，在评估过程中，优劣距离法既保留了专家评估的科学性，又兼顾了熵值信息的客观性，具有良好的应用前景。