某城市水资源承载力研究

宋树成

（河北省张家口水文勘测研究中心，河北 张家口 075000）

0 引言

对城市经济发展来说，水资源十分重要，水资源的匮乏会给人们的生活和工作造成严重的影响，所以对城市水资源情况进行评估，同时参考评估数据来制定水资源调配措施和采取对应的水资源保护方案是十分重要的[1-3]。一般通过分析一个地区的水资源承载力来判断其水资源是否充沛，分配是否合理。在国内，众多学者也从各个方面对水资源承载力的评价方法进行研究，其评价体系也更科学合理[4]。门宝辉等[5]通过生态足迹法，对地区水资源承载力进行动态分析，给当地的水资源的调配提出合理的建议。杜雪芳等[6]根据TOPSIS 模型，对郑州市水资源承载力的发展趋势进行分析。曹丽娟等[7]利用主成分分析法，从多个方面对地区水资源承载力进行评价。但是在评价水资源的承载力时，使用传统赋权法计算权重时，通常会因主观局限性而导致计算结果出现偏差。

基于此，为了解当地区域水资源承载力的实际情况，并掌握其发展规律，通过组合赋权法计算指标权重，并使用TOPSIS模型对当地水资源承载力进行计算，为制定相关当地水资源管理方案提供理论支撑。

1 研究区概况

某城市地势平坦，西北走向略低于东西走向，平洼地为其主要地貌类型，另外存在部分山地与丘陵，出现洪涝灾害的概率较高。城市内四季分明，多年降雨量均值为572 mm，且具有南多北少、时空不均的特点。这几年，城市规模逐渐扩大，城市污水排放量也大幅增加，给水环境造成严重污染，水资源供给面临较大的困难，该现象已成为限制当地经济发展的重要因素，对该城市2012—2020 年的水资源相关数据进行研究。

2 研究方法

2.1 建立评价指标体系

很多因素都会对水资源的承载力造成影响，要想准确地评价城市水资源承载力，采用合理科学的评价指标体系必不可少。通过结合当地水资源相关数据和水资源现状，从生态系统、水资源以及经济社会的角度出发，从上述3 个子系统中挑选处指标11 项，以此来建立该城市的水资源承载力评价体系，具体评价指标见表1。在表1 中，当评价指标属于负向时，承载力随着数值增大而减少，当评价指标属于正向时，承载力随着数值增大而增大。

表1 水资源评价指标体系

2.2 确定指标权重

变异系数法的赋权是通过判断指标的变异程度完成的，属于客观赋权法，在计算权重的过程中，能够将各个指标之间的差异有效地反映出来。在评价水资源承载力时熵权法应用得较多，该方法在计算指标权重时是根据数据的离散程度完成的，科学客观，有较高的准确度。当使用主观赋权法时，会因为人为评判的影响而导致权重计算结果可能出现误差，而客观赋权法能够很好的避免这种问题，不过单一的计算方法也有一些缺点。为了保证计算结果有较高的准确性，根据组合赋权法的形式，结合熵权法权与变异系数法的权重计算结果，以此来计算相关指标的组合权重。

可根据公式（1）对各指标变异系数进行计算，如公式（1）所示。

在公式里，第i项指标的均值和标准差为和σi。

对各指标的权重进行归一化计算，如公式（2）所示。

归一化处理各指标数据，取评价年限n个，同时在每个年限里包括评价指标m个，可形成初始矩阵R=（rij）m×n并且将全部数据进行标准化处理。

计算第i个指标的信息熵的表达式如公式（3）所示。

式中：fij为评价因子在指标中的权重；ei为第i项的信息熵。

2.3 建立TOPSIS 模型

通过负理想解与正理想解来建立TOPSIS 模型，依次得出正负理想解与样本对象的距离。以此为基础采用水资源承载力综合评价指数的定量评价方法，能够应用在多指标多方案的系统评价中，如公式（4）所示。

第一步：构建标准化矩阵。

式中：wi为组合赋权得出的权重；m×n为n个评价年限，且在每个年限中存在m个评价指标，Y代表样本对象理想解。

第二步：对正负理想解进行确定。

在上式中，Y+与Y-分别表示正、负理想解，即第j年中第i指标的最大值和最小值。

第三步：距离计算。

第四步：水资源承载力综合评价指数的计算。

式中：Cj为水资源承载力综合评价指数在第j年的值，[0，1]为其取值范围，当Cj的值越靠近1 时，当地承载力就越高。

3 分析结果

3.1 分析指标权重

以熵权法和变异系数法对该区域的指标权重进行计算，以组合赋权对该区域的组合权重进行计算，具体计算结果见表2。根据从小到大的顺序将变异系数法计算的权重进行排序，能够计算8.64 为REn（差异系数）的值，0.47 和0.53 分别为组合赋权待定系数β和α的值。图1 为3 种权重的对比结果。

图1 指标权重计算结果对比

表2 指标权重计算结果

从图1 和表2 能够看出，通过3 种方法计算的指标权重间差异较大，但经过综合对比，发现部分高权重指标较为相近。其中，0.321 和0.194 分别为通过变异系数法和熵权法计算出的生态环境用水率指标权重，生态环境用水率指标通过组合赋权法计算的权重为0.261。该指标在3 种计算方法中权重值均为最大，这表示提高生态环境用水率能够很大程度地提高水资源承载力。

人均水资源在组合权重里占比较大，其值为0.128，这说明当地水资源承载力会受人均水资源量较大的影响。同时能够发现权重较高的还有产水模数，其值为0.127，这说明水资源承载力的恢复速度会因产水模数的增大而增大。权重略低的为水资源开发利用率，其值为0.108，这说明当地水资源开发利用过多会在一定程度上削弱水资源承载力，阻碍了水资源的长期发展。

3.2 分析水资源承载力

结合当地的实际情况，根据综合评价指数可以将2012—2020 年的水资源承载力分成5 个等级，依次为0.8~1，理想承载力（I 级）；0.6~0.8，良好承载力（Ⅱ级）；0.4~0.6，可承载（Ⅲ级）；0.2~0.4，弱可承载（IV 级）；0~0.2，不可承载（V 级）。通过以上方法和模型，对该地区水资源承载评价值进行计算，表3 为具体计算结果。为了将该地区2012—2020 年的水资源承载力更直观地表现出来，按照综合评价结果和承载力等级将其变化趋势绘制成图，如图2 和图3 所示。

图2 该地区2012 年至2020 年水资源承载力评价值变化趋势

图3 该地区2012—2020 年水资源承载力等级变化趋势

表3 该地区2012—2020 年水资源承载力评价值

从图2 和表3 中能够看出，在2012—2020 年，该地区水资源承载力评价值逐渐提高，从0.65 增至0.875，提高了近4 倍，这表示该地区水资源承载力发展情况较好。但是在2012—2013 年，虽然水资源评价值同样为增长情况，不过这段时间内的承载力较低，等级为V 级。

水资源承载力评价值在2013—2014 年逐渐降低，降至2014 年的0.205。该现象是因为地区人口总数变多，生活用水量提高，水资源开发利用量逐渐提高，超过当地的水资源承载水平，给水资源形成了较高的压力。

水资源承载力评价值在2014—2016 年逐渐提高，增长至2016 年的Ⅲ级，此时为可承载状态。这是因为在当地2015 执行了比较严格的水资源管理制度，提高节约用水和水资源保护力度，水资源的开发利用得到合理控制，提高了人均水资源量和当地产水模数，水资源承载力慢慢增大，并于2020 年增至0.87，为最近几年的最高值。同时根据当地水资源公报能够发现，区域生态环境用水从2017—2020 年一直处于上升状态，这期间从1.4%提高至6.36%，对部分区域的水资源过度开发利用进行补充，提高额污染源防控、水环境整治力度，并引入前沿水环境治理理念和技术，采取多项生态修复措施，大大改善了水生态环境。

4 结论

为了解当地区域水资源承载力的实际情况，并掌握其发展规律，这次研究通过组合赋权法计算指标权重，并使用TOPSIS模型对当地水资源承载力进行计算，主要得出以下2个结论：1）生态环境用水率、人均水资源指标权重以及产水模数指标权重较大，均能在一定程度上对当地水资源承载力起到积极的作用，而水资源开发利用率权重值较低，这表示当地水资源开发利用过多会在一定程度上削弱水资源承载力，阻碍水资源的长期发展。2）在2012—2020 年，该地区水资源承载力评价值逐渐提高，从0.65 增至0.875，提高近4 倍，这表示该地区水资源承载力发展情况较好，当地颁布和执行的水资源管理制度能够使水资源的开发利用得到合理控制，人均水资源量和当地产水模数得到提高。