基于熵权TOPSIS模型的自贡市水资源承载力评价

卢建秋 曹 越

（1.黑龙江大学水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080；2.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，黑龙江 哈尔滨 150080）

引言

水资源是人类生存的基础和经济发展的保障，是一项十分重要的基础性资源。随着经济的发展和城市化进程，水资源的供需问题已经成为了人类发展迫切需要解决的问题[1]。水资源承载力是在一定的历史发展条件下当地水资源对当地经济、社会发展和生态环境良性循环的最大支撑力[2]。水资源承载力评价是进行水资源宏观调控和合理配置的主要依据，是对水资源、社会、经济和生态环境的综合反应，对区域水资源的合理开发利用具有指导意义[3]。

水资源承载力评价主要的评价方法有模糊综合评价法，层次分析法，灰色关联度法，主成分分析法等。但这些方法具有较强的主观性或对原始数据有一定的限制要求。如层次分析法分析时研究对象不宜太多；主成分分析法分析时主成分因子符号有正负会导致评价结果意义不明确等。本文采用结合熵权法的TOPSIS模型，通过熵权法来确定评价指标权重避免了专家意见得分带来的主观因素的影响。TOPSIS模型对样本数据没有限制，简便易行，能较为精准的评价目标间的优劣程度，近年来得到广泛的运用。如王晗[4]等郑州市水资源承载力综合评价对郑州市水资源可持续发展具有重要意义。李勤[5]等基于改进TOPSIS法的民用建筑再生利用方案，为民用建筑再生利用方案的选择提供了新思路。孙滢悦[6]等基于TOPSIS评价法的城市应急避难所选址适宜性评价研究，为城市避难所的选址和适宜性提供了参考。本文采用此方法对自贡市2016—2020年的水资源承载力进行评价分析，以期为自贡市水资源可持续发展提供参考。

1 研究区概况和数据来源

1.1 研究区概况

自贡市地处四川盆地南部，位于东经104°02′57″—105°16′11″，北纬28°55′37″—29°38′25″，幅员面积为4 381km2。常住人口249万人，地区生产总值1 458.43亿元。自贡市为亚热带温润季风气候，全年雨量丰沛，集中在夏季，多年平均降雨量为1 003.18mm，全市人均占有水资源量880 m3，仅占全省人均水资源量的22.7%，属水资源严重缺乏地区。全市河流分属二个水资源三级区，西部越溪河、沙溪河属青衣江和岷江干流水资源三级区，其余河流属沱江水资源三级区。

1.2 数据来源

本文所用数据均来自2016—2020年《自贡市水资源公报》和《自贡市统计年鉴》。

2 研究方法

2.1 评价指标体系的构建

表1自贡市水资源承载力评价指标体系

水资源承载力评价是研究水资源与社会经济和生态环境之间协调发展的关系，在选取承载力子系统时以水资源供给、水资源消耗、社会经济和生态环境为水资源承载力的子系统构建评价指标体系。结合自贡市当地特征挑选15个具有代表性、科学性和可操作性的指标进行评价见表1。为了充分分析水资源的供需问题将水资源分为消耗和供给两个方面去评价承载力。水资源消耗子系统为从各个方面分析水量消耗，选取了人均用水量、万元GDP用水量、农业用水率等指标；水资源供给子系统为了解自贡市水资源量和水资源的开发程度，选取产水模数、人均水资源量和水资源开发利用率为评价指标；社会经济子系统为了解在水资源变化中社会经济的发展状况，选取第一产业GDP占比、城镇化率和人均GDP为评价指标；生态环境子系统为了解水资源对环境的影响和维护生态环境的用水状况，选取污水处理率、生态用水率等评价指标。根据评价指标与目标呈线性正相关或负相关确定指标类别。

为准确对水资源承载力评价和分级结合国内已有研究文献[7-8]先对评价指标进行分级见表2。其中Ⅰ级为可承载，Ⅱ级为弱可承载，Ⅲ级为临界可承载，Ⅳ级为超载，Ⅴ级为严重超载[8]。

2.2 熵权TOPSIS模型基本原理

表2评价指标分级标准

熵权TOPSIS模型是先用熵权法确定各指标层的权重，再用TOPSIS模型找到方案的最优解和最劣解，通过计算出指标与最优解与最劣解之间的欧式距离来评价指标。具体步骤如下：

（1）构建原始矩阵。根据需要决策的目标和评价指标构造出多目标决策矩阵。

（2）决策矩阵无量纲化处理。

对决策矩阵中与分析结果正相关的指标采用公式：

对决策矩阵中与分析结果负相关的指标采用公式：

式中min（xj），max（xj）为第j列中xij的中的最小值和最大值。

（3）计算出指标权重。

1）计算第i年第j项的比重。

2）计算信息熵。

其中n为年份数。

3）计算权重

其中m为指标数。

（4）构建TOPSIS模型

1）加权决策矩阵。对数据进行正向化和标准化处理：

其中wj为各指标权重。

2）确定最优理想解和最劣理想解

最优理想解为：

最劣理想解为：

3）运用计算欧式距离法计算评价指标与最优理想解与最劣理想解之间的距离

4）计算评价指标与最优解与最劣解的贴近度

Si越接近1说明评价指标越接近最优理想解，则水资源承载力水平越高。Si越接近0说明评价指标越接近最劣理想解，则水资源承载力水平越低。

3 自贡市水资源承载力综合分析

3.1 计算结果

（1）由熵权法确定的各指标系数结果见表3。

（2）由TOPSIS法计算出的自贡市2016—2020年的各指标的贴近度结果见表4。

表3评价指标比重

表4自贡市2016-2020年水资源承载力结果

3.2 水资源承载力结果综合分析

从图1自贡市水资源承载力评价结果图中可以看出从2016年到2020年水资源承载力水平总体为上升趋势，在2016—2017年水资源承载力为Ⅳ级到2018年水资源承载力增长到了Ⅲ级且直到2020年水资源承载力都在稳定的增长。子系统中，水资源消耗子系统的水资源承载力保持在Ⅲ级且总体呈上升趋势；水资源供给子系统水资源承载力水平呈V字型上升趋势，2016年水资源供给子系统水资源承载力为Ⅳ级到2017年水资源承载力降至V级，经过政府一系列工程措施，水资源供给子系统水资源承载力稳定增长到2020年达到Ⅲ级；社会经济子系统水资源承载力2016—2020年均为Ⅲ级总体处于平稳发展状态；生态环境子系统水资源承载力水平总体发展呈倒V型，2016年为Ⅲ级到2017—2019年达到Ⅱ级至2020年降至Ⅲ级。

图1 自贡市水资源承载力评价结果

从资料上分析，从2016年到2017年降雨量比上一年减少21.6%，水资源总量为68 216万m3，比多年平均减少53.9%，是造成水资源供给子系统水资源承载力大幅降低主要原因。2018年降雨量比多年平均增加5.1%；小井沟水库建成，累计向旭水河、釜溪河生态补水2 318万m3，向双溪水库补充生活生产用水1 225万m3，使水资源供给子系统水资源承载力得到提升；2020年降水量再次增加比多年平均增加10.2%，通过《小井沟水库和双溪水库联合调度方案》通过合理配置、优化调度措施，使2020年水资源供给子系统水资源承载力再次得到提升。

水资源消耗子系统水资源承载力2016—2020年均为Ⅲ级，其中农业用水率C3和耗水率C4均为阻碍水资源承载力的因素。农业用水在2020年达到66.4%为Ⅴ级严重超载水平，总耗水率在2020为59.8%为Ⅳ超载水平。

生态环境子系统中污水处理率C11和城市绿地面积C12水资源承载力水平均达到Ⅱ级、森林覆盖率C13水资源承载力水平均达到Ⅲ级且均呈缓慢上升趋势；生态用水率C14从2016年的2.0%到2018年降到了1.2%，再从2018年升到了2020年1.9%，生态用水率是引起生态环境承载力变化的主要原因。生态环境的改善离不开水资源，生态用水对自贡市水资源承载力的提升有迟缓性。

社会经济子系统中人均GDPC102016—2020年水资源承载力水平为Ⅲ级且持续增长至2020年接近Ⅱ级。城镇化率C9和第一产业GDP占比C8为水资源承载力增长的阻碍因素。城镇化率C9从48.5%增至55.4%，使用水空间分布更集中，不利于水资源承载力提升；第一产业GDP占比C82020年水资源承载力增长到15.8%达到超载水平。

4 结论与建议

4.1 结论

本文采用熵权TOPSIS法从水资源供给、水资源消耗、社会经济、生态环境四个方面分析自贡市2016—2020年水资源承载力，结果表明自贡市水资源承载力大多数为Ⅲ级临界可承载状态。水资源供给除了2020年为Ⅲ级其他年份均为Ⅳ级超载状态，自贡市属于资源型缺水城市。

（1）2016—2020年自贡市水资源承载力从Ⅳ级提升到Ⅲ级，贴近度在稳定增长，表明自贡市的水资源承载力水平正在逐步的提升。但水资源承载力总体处于临界可承载状态，水资源压力依旧严峻。

（2）农业用水率、耗水率、第一产业GDP占比、城镇化率、生态用水率是阻碍水资源承载力提升的障碍因素。其中农业用水率、耗水率和第一产业GDP占比是阻碍水资源承载力提升的主要因素。

4.2 建议

从农业用水率和第一产业GDP占比是阻碍水资源承载力提升的主要障碍因素来看，自贡市的农业经济占比较高，为了减轻水压力应该合理优化产业结构，应该减轻农业经济占比、大力发展低水耗的新型产业；同时农业方面研发新型灌溉技术如采用滴灌等方法减少水资源的浪费。从源头了解生态环境用水机理，确保生态用水发挥最大作用，以减少生态用水量。自贡市为亚热带温润季风气候夏季降雨量丰沛，可以通过工程措施较少汛情的发生并提高水资源供给能力。