基于熵权—TOPSIS原理的济南市资源环境承载力评价研究

周景阳，常莎莎

（山东建筑大学 管理工程学院，山东济南 250101）

0 引言

随着城市人口和人类活动的无限扩张，城市面临着交通堵塞、环境污染、生态恶化等问题，给城市的可持续发展带来巨大挑战[1，2]。济南市作为山东省省会城市，在2018 年城镇化率达到72.1%，且随着区域协调发展等国家战略的实施，济南市成为省会经济圈的核心龙头城市，并且支持建设成为国家中心城市，对资源环境的需求进一步增加。因此，对济南市资源环境承载力进行科学评价，使经济社会发展与资源消耗、环境保护相协调，有利于促进济南市持续、健康发展。

通过对国内外资源环境承载力相关文献进行研究，研究成果主要集中在资源环境承载力相关理论探讨[3，4]、指标体系研究[5，6]与评价方法应用[7，8]等方面。在资源环境承载力研究理论方面，学者们从不同角度对承载力研究进展进行了总结，如王丽萍等[9]对资源环境承载力内涵的演化发展进行综述，认为资源环境承载力的评价对象应该突破单一要素向更综合性的方向拓展；Wang 等[10]则认为城市资源环境承载力研究内容应关注资源环境系统和人类活动的相互关系。资源环境承载力指标体系构建与评价方面，学者们基于不同区域或理论构建有所差别的指标系统进行评价研究，如苏伟洲等[11]从用水量投入与经济产出角度构建水资源承载力指标体系，利用数据包络模型测量了四川省水资源承载力；蓝希等[12]从水污染控制、水资源环境和社会经济三个层面建立水环境承载力指标系统，采用均方差决策法对武汉市水环境承载力进行研究；罗名海等[13]基于武汉市地理国情，采用三大产业经济增加值等指标和地理加权回归分析法，评估该区域土地资源承载能力。评价方法创新应用上，学者们基于新的视角或提出新的框架进行实践，如Zhu 等[14]回归承载力本源，提出了一种负荷—载体的新视角，从水、土地、大气层面对中国30 个省份的生态承载力进行评估；Magri等[15]提出了一种新型可持续城市规划决策辅助工具，确定阿尔及利亚地区按照现有生活水平所能维持的水资源承载能力。纵观以往文献，国内外学者进行了富有成效的研究，为资源环境承载力评价提供了参考。但现有研究多集中在水资源、水环境、土地资源或生态环境承载力的评价，对经济社会系统的考虑各有差别，且指标权重确定时主观性较强，不利于资源环境承载力的客观评价。因此，由于资源环境系统具有复杂性和丰富性，本文在以往研究的基础上，综合经济社会、资源承载、环境承载三个维度构建指标体系，并考虑了支持资源环境系统的正向指标以及对资源环境产生压力的负向指标，选取济南市作为研究区域，利用熵权—TOPSIS原理对该地区资源环境承载力水平进行综合评价研究，分析资源环境承载力近年来的动态演变。

1 指标体系构建与数据来源

1.1 资源环境承载力评价指标体系构建

资源环境承载力是资源环境系统在不造成严重衰退和损害的情况下，对人口数量和经济规模的支持能力[16]，它是由人类社会、经济系统与资源环境等系统相互作用形成的[17]，在一定程度上反映了资源环境与人类活动是否协调。根据资源环境与经济社会系统之间的关系，指标设计应考虑支持资源环境系统的正向指标，即反映资源环境可获得性对经济发展上的支撑力，以及对资源环境承载力起约束作用的负向指标，即反映资源环境需求量的经济发展对资源环境向下的压力[14]。本文根据济南市资源环境以及作为山东省会的特点，结合以往的研究成果[5，6，18，19]，遵循指标选取的综合性、科学性、代表性、数据可获性等原则[20，21]，从经济社会、资源承载、环境承载维度选择21 项指标，建立济南市资源环境承载力评价指标系统，如表1所示。

表1 济南市资源环境承载力评价指标体系

1.2 数据来源

本文研究数据来源于《 济南统计年鉴》（2007-2018 年）、《济南市国民经济和社会发展统计公报》（2007-2018 年）、《 济 南 市 环 境 质 量 简 报》（2007-2018 年）、《山东省统计年鉴》（2007-2018 年）、《山东省生态环境状况公报》（2007-2018 年），具体通过登录济南市统计局、济南市生态环境局、山东省统计局、山东省生态环境厅官方网站进行下载、查询和整理评价指标数据。对于年份缺失的数据，通过登录国家统计局和中国知网年鉴数据库，查询主要城市年度数据库以及济南市国民经济和社会发展统计公报进行补充。

2 研究方法

2.1 评价矩阵构建及标准化

设济南市资源环境承载力指标体系原始评价矩阵为S=(sij)m×n，sij为指标i 在第j 年的初始值；i=1,2,3,…,m，m 为评价指标数；j=1,2,3,…,n，n 为评价年份数。

为了消除资源环境承载力评价各指标间量纲以及物理量等属性的影响，需对收集到的指标数据进行标准化。评价矩阵标准化方法如下。

对于正向指标，在一定范围内数值越大，所反映的资源环境承载力越大，公式为：

负向指标所代表的含义则与正向指标相反，公式为：

为使数据处理和运算有意义，需进一步消除零值的影响，对无量纲后的数据整体平移α 单位，即指标i在第j 年的标准化值为：rij=+α，为避免破坏原始数据规律，最大限度保留原始数据，α 取值遵循最小化原则，本文α 取值为0.000 1。平移后得到标准化矩阵R。

2.2 基于熵权法确定权重

熵权法能够根据各项指标提供的信息量，分析指标之间的关联度，更加客观地确定指标权重[22，23]。因此，为了避免权重确定时有较强的主观性，本文采用信息熵值法来确定资源环境承载力各项指标的权重。

第一步，计算指标i 下第j 年的特征比重或贡献度：

第二步，计算指标i 的信息熵：

第三步，确定各项指标的权重：

进而建立基于熵值ωi的加权规范化评价矩阵Z，以增强评价矩阵的客观性，如公式（8）所示：

2.3 TOPSIS 模型建立

TOPSIS 法也称为“逼近理想解排序法”，其原理是通过检测目标方案与最优方案、最劣方案的距离进行排序，主要用于有限方案的多目标决策问题[24，25]。通过对比评价矩阵内各指标量化值与正负理想解的靠近或偏离程度，可以研究济南市历年资源环境承载力情况及动态变化趋势。

首先，确定正、负理想解。设正理想解Z+，即可以选择的最优方案；负理想解为Z-，即最劣方案，计算公式为：

其次，计算指标到正负理想解的距离。采用欧式计算法，分别计算每个年份对应的指标功能值到正负理想解的距离，设在第j 年第i 个指标到的距离为，第i 个指标到的距离为，公式如下：

最后，计算济南市历年资源环境承载力的贴近度Tj，以Tj表示历年承载力水平。设第j 年资源环境承载力指标功能值与理想解的靠近程度为Tj，公式如下：

Tj取值范围为[0,1]，Tj越大表明该年度资源环境承载力指数比较靠近最优承载力，当Tj=1 时，承载力最优；Tj越靠近于0，则该年度资源环境承载力越低，当Tj=0 时，该年度资源环境承载力达到最低水平。通过对比贴近度Tj的大小，可以对济南市近年来的资源环境承载力优劣进行排序。

3 实证研究

3.1 济南市资源环境承载力评价结果

对原始指标数据按照公式（1）至公式（4）进行处理，根据熵权法公式（5） 至公式（7） 计算得到济南市2007-2018 年资源环境承载力各指标权重，如表2 所示。

表2 济南市资源环境承载力各指标权重计算结果

进而根据TOPSIS 原理，将加权规范化评价矩阵Z按照公式（9）至公式（13）计算得出济南市资源环境承载力2007-2018 年资源环境承载力与正负理想解的距离以及贴近度，如表3 所示。

表3 济南市2007-2018 年资源环境承载力测度结果

通过以上计算得出济南市在2007-2018 年资源环境承载力的总体发展及变化情况，为了更深入地研究济南市资源环境承载力各子系统情况，本文进一步计算了济南市资源环境承载力三个维度承载力的评价数值，并绘制其动态变化趋势，如图1 所示。

图1 济南市资源环境承载力变化趋势

3.2 结果分析

3.2.1 资源环境承载力总体情况。从资源环境承载力总体水平及变化情况来看，2007-2018 年济南市资源环境承载力水平整体表现为线性上升趋势，承载力指数介于0.210 6～0.816 9。在2007-2017 年，资源环境承载力增速较快，年平均增速为13.11%，此阶段各维度的承载力平均增速从高到低分别为经济社会维度、环境维度、资源维度，可以看出经济社会维度承载力的稳固提升是维持济南市资源环境承载力增长的有利因素，环境维度与资源维度上的轻微波动对济南市资源环境承载力有促进或阻碍作用，但在该时间段内整体产生的影响较小。当然，2017-2018 年济南市资源环境承载力增幅并不大，承载力指数由0.814 3 变化为0.816 9，究其原因，可能是受到资源承载力下降趋势的影响，但由于该时间段内环境维度与经济社会维度的承载力仍保持增长的趋势，因此济南市资源环境承载力整体上所受影响较小。

3.2.2 经济社会系统承载力情况。从经济社会维度来看，2007-2018 年济南市经济社会承载力呈现出逐年增长的趋势，承载力指数介于0.163 3～0.834 6，年平均增长速度为15.98%，在各维度中居第一位。济南市经济运行质量不断提升，主要原因包括：拥有山东省省会、我国重要的工业城市以及重要交通枢纽、区域性金融中心等职能，规划方向明确；近年来经济结构的不断调整等发展战略取得效果显著，尤其是第三产业产值在GDP 中的比例逐年增加，2018 年第三产业在GDP 中的比例达60.52%；该市城镇化水平逐年提高，在2018 年城镇化水平达到72.1%，大量人口涌入城镇，劳动力素质提高；人均可支配收入不断提高，2007-2018 年城镇人均可支配收入从18 005.1 元增加到50 146 元。从图中可以看出2012-2013 年承载力指数增幅较小，2013 年较2012 年发展速度仅为1.04，而其中负向指标人口自然增长率变化最大，2013 年人口自然增长率为4.53‰，到2014 年增长到11.11‰，主要由于2013 年11 月国家实施单独二胎政策，刺激了人口自然增长率的提升；到了2015-2018 年人口自然增长率出现回落，但也维持在5‰以上，此阶段经济社会承载力增长速度较之前缓慢。

3.2.3 资源系统承载力情况。从资源维度的承载力来看，2007-2018 年济南市资源承载力指数介于0.246 8～0.789 4，年平均增长速度为10.22%，在各维度中最低。2013 年之前呈线性增长趋势，2013-2015年呈抛物线缓慢上升趋势，并且在2015 年达到峰值，之后出现缓慢下降趋势。2013 年之前，随着道路规划的不断完善，济南市人均拥有道路面积增幅较大，人均拥有道路面积已经从2007 年的15.06 m2增长到2013 年的人均23.87 m2；济南市住房保障工作的开展使得农村、城镇人均住宅建筑面积也有所增长，住房质量得到改善；有赖于生产技术的进步与创新，济南市万元工业增加值用水量、万元GDP 能耗明显下降，与2007年相比，2013 年济南市万元工业增加值用水量、万元GDP 能耗分别下降了38.99%、57.52%；而在2007-2013年济南市人口密度并未出现大幅度增长，由此发现，以上可能是此阶段济南市资源承载力维度线性增长的原因。到了2013-2015 年，受人口增长率大幅上升影响，济南市人均拥有道路面积、人均耕地面积、农村以及城镇人均住宅建筑面积增速较慢，尤其是人均耕地面积此阶段始终保持在人均0.87 亩左右；济南市万元工业增加值用水量、万元GDP 能耗在此期间也未见明显下降，因此2013-2015 年济南市资源承载力虽然保持增长趋势，但是增速放缓。2015-2018 年，济南市人均拥有道路面积、人均耕地面积以及城镇人均住宅建筑面积出现波动下降，而人口密度在2017 年首次突破800人/km2，以上可能是导致济南市资源维度承载力开始出现下滑趋势的原因。

3.2.4 环境系统承载力变化情况。从环境维度来看，2007-2018 年济南市环境承载力指数介于0.278 5～0.955 6，年平均增长速度为11.86%。2010 年以前呈现增长趋势，2010-2013 年出现短暂下降趋势并在之后处于平稳阶段，2013 年之后呈线性增长趋势。2007-2010年，济南市生态环境总体逐年向好，人均公园绿地面积在该时间段内增幅最大，从2007 年的人均9.5 m2增长到2010 年的11.3 m2；工业污染物排放得到有效控制，其中2010 年亿元GDP 工业二氧化硫排放量较2007 年下降了40.14%。2010-2013 年，济南市生态环境压力增加，尤其是在2011 年环境承载力出现了下降趋势，污水集中处理率较2010 年下降了3.05%，亿元GDP 工业二氧化硫排放量较2010 年增长了37.99%，万元GDP 工业废水排放量也有所上升，此外，尽管2011-2013 年济南市环境系统状况总体稳定，但在2013 年环境空气可吸入颗粒物浓度年均值到达0.191 mg/m3，超过国家环境空气质量（GB3095-2012） 年度二级标准的1.7 倍，环境空气污染仍较严重。2013 年以来，部分指标有所好转，废水污水得到有效治理，万元GDP 工业废水排放量从2013 年的1.64 吨下降到2018 年的0.76 吨，污水集中处理率在2018 年达到96.59%；空气质量相比前一阶段有所改善，亿元GDP 工业二氧化硫排放量从2013 年的15.51 吨下降到2018 年的2.11 吨，2018 年环境空气可吸入颗粒物浓度年度平均值为0.112 mg/m3，尽管较2013 年得到改善，但仍超过环境空气质量（GB3095-2012）二级标准0.6 倍；生态绿化取得积极成果，建成区绿化覆盖率保持平稳增长，2016 年济南市建成区绿化覆盖率首次超过40%，并在之后两年保持在40%以上。从各维度来看，2013 年以来济南市环境承载力指数增幅最为显著，环境承载力指数从2013 年的0.479 5 到2018 年达到0.955 6，整体环境质量取得了积极成果，主要在于近年来济南市加大污水排放监管力度，强化水资源保护，实施污染减排项目，实时监控空气质量，注重绿化管理等，尽管济南市整体环境质量有所改善，但济南市大气环境治理尤其是降低空气污染物浓度任务仍面临严峻形势。

4 总结

4.1 结论

4.1.1 从资源环境承载力综合水平来看，2007-2018年济南市资源环境承载力总体上呈现平稳上升趋势，可以发现济南市整体资源环境承载力对经济社会维度的承载力依赖特征明显，经济社会发展水平的稳固提升是促进济南市整体资源环境承载力增长的重要因素，而资源和环境维度承载力的波动变化对整体资源环境承载力有促进或阻碍作用。说明近年来济南市通过调整产业发展结构，促进产业优化升级、保障社会民生事业等促进了经济社会的快速持续发展，同时也应意识到济南市资源、环境维度承载力发展趋势的波动变化，即经济社会的发展也给资源环境带来较大的压力。

4.1.2 从资源环境各维度来看，2007-2018 年济南市经济社会、资源维度、环境维度承载力指数均有不同程度的增长，其中经济社会承载力指数呈现持续增长趋势，且年均增速最高，资源维度、环境维度的承载力指数呈现波动上升的趋势。济南市近年来的经济社会建设成效显著，使得经济社会承载力稳步上升；尽管济南市在资源投入方面取得较大进展，也应认识到由于济南市作为山东省省会，对省内人口吸引力较大，人口密度的增加使得资源消耗增大，进而导致资源承载力出现轻微下降趋势；在肯定济南市近年来环保工作的同时，仍需注意到大气污染物浓度尤其是环境空气可吸入颗粒物浓度是环境承载力的阻碍因素。

4.1.3 经济社会的发展为人类生活提供了重要物质基础，资源的持续利用与环境保护是经济社会长期健康发展的保障，同样，资源环境承载力的提升也需要经济社会发展与资源利用、环境保护相协调。因此，一方面要抓住当前新旧动能转换机遇，以科技创新为引领，积极发挥济南市区位条件发展新经济，创造经济优势；另一方面，大力发展绿色经济，构建低碳循环发展的经济体系，实现资源可再生利用，同时壮大环保产业，重视大气污染防治工作，改善空气质量，进一步提升资源环境承载力，促进济南市可持续发展。

4.2 展望

当前，济南市正处于新旧动能转换先行区、自贸试验区等国家战略交汇的战略机遇期和发展黄金期，资源环境的可持续性对经济社会发展起到关键作用，而局部地区仍存在资源短缺、环境污染等问题，与群众期待还有差距，经济社会发展给资源环境带来双重压力，亟需开展资源环境承载力评价研究。本文综合济南市经济社会、资源、环境情况对其资源环境承载力进行了综合评价研究，为避免主观因素影响，采用熵权法进行赋权，并利用TOPSIS 原理研究了2007-2018 年济南市资源环境承载力时间上的演变，有利于济南市经济社会与资源环境协调推进，为其他类似城市的资源环境承载力评价提供参考。由于城市作为一个开放的复杂巨系统，其内部资源环境承载力呈现出动态性特点，下一步可以选取济南市不同区域进行横向对比研究，分析各区域的空间演变，为促进城市持续健康发展提出更多参考建议。