基于熵权-TOPSIS模型的广东省水资源承载力评价

张义敏，陈 畅，陈友林

(1.珠江水文水资源勘测中心，广州 510610；2.广东中水勘测规划设计研究有限公司，广州 510507)

1 概述

水资源是人类生存和发展的基础，是支撑地区经济社会可持续发展的重要战略资源。在新时代背景下我国水安全面临着水资源短缺，供需矛盾突出，水资源利用效率低和水环境污染严重等问题[1]。而水资源安全涉及水资源的统一管理、保护和合理利用等方面，其与社会经济、自然生态系统相互作用，共同影响区域可持续发展[2]。水资源承载力是衡量地区可持续发展的重要指标之一，是基于可持续发展理念在一定科学技术水平条件下区域水资源对社会经济的最大支撑能力[3]。分析研究社会经济发展规模与水资源承载力匹配状况，通过社会经济系统与水资源合理配置，使得区域水资源与城市发展和谐共生[4]。

目前，关于水资源承载力评价的主要方法有系统动力学法、模糊综合评价法和主成分分析法等[5]，国内学者基于这些评价方法构建不同的评价指标体系对各地区水资源承载力进行评价。例如闭祖良[6]、许杰玉[7]、石厚波[8]、王菲等[9]学者基于最严格水资源管理制度目标，构建水量、水质评价指标体系，采用经验公式法分别对广西左江流域、和静县、涝河流域和玉林市等地区进行评价研究。石晓昕等[10]以年降水量、人均水资源量等作为状态层指标，构建驱动力、压力、状态、影响和响应的评价指标体系，采用障碍度模型和熵权TOPSIS模型对湖北省水资源承载力进行评价。吴明艳[11]、刘玒玒[12]等以人均水资源量、地表水资源量占比等作为水资源子系统指标，构建水资源子系统、社会子系统、经济子系统和生态环境子系统指标体系分别对西北五省区和长江经济带进行水资源承载力评价。针对广东省水资源承载力研究成果中，赵壁奎等[13]把水资源承载力模型分为人口、经济、水环境、供水等4个子系统，采用系统动力学法对研究区域进行评价。武翡翡利用系统动力学模型预测不同降雨频率下广东省水资源承载力[14]。宋松围绕SDGs结合广东省水资源情况，构建降水量、人均水资源量和水资源总量等本土化水资源可持续利用评价指标体系，并进行水资源可持续利用评价[15]。综上所述，目前大多研究是以本地水资源量作为水资源系统的评价指标，鲜少见关于考虑入境水量情况下的水资源承载力研究成果。

广东省位于我国南部沿海地区，经济规模连续多年位列全国第一，2021年经济总量占全国10.9%，常住人口占全国9.0%，用水量占全国6.9%，而水资源总量仅占全国4.1%。由于特殊地理位置造成本地水资源有限，入境水量丰富，2021年广东省入境水量是本地水资源总量的1.3倍，考虑入境水量指标更符合广东省水资源特点。本文基于熵权-TOPSIS模型构建考虑入境水量后的水资源承载力评价指标体系，对广东省水资源承载力进行评价分析，为高质量发展提供基础数据支撑。

2 研究区域概况

广东省陆地面积约为17.98万km2，岛屿面积约为1 592.7 km2。地势大体呈北高南低，地貌类型有平原、丘陵、山地、台地等，境内河流众多，西江、北江、东江在境内汇流后注入南海。多年平均降雨量为1 771 mm，水资源总量丰富，但时空分布不均。人均本地水资源为1 458 m3，远低于全国的平均水平，此外东深供水工程进一步增大广东省水资源压力[16]。

2021年广东省本地水资源量为1 221.1亿m3，入境水量为1 567.1亿m3，按照本地水资源量的统计口径全省水资源开发利用率为33.5%，按照包括上游入境水量的统计口径全省水资源开发利用率为10.0%。在用水方面，全省用水总量为407.0亿m3，其中农业用水占50.17%、工业用水占19.21%、城镇公共用水占9.53%、生活用水占19.43%、生态补水占1.65%，农业仍是主要用水大户，用水压力大。在用水效率方面，2021年人均综合用水量为322 m3、万元地区生产总值用水量为32.7 m3、万元工业增加值用水量为17.3 m3、耕地实际灌溉亩均用水量为711 m3、人均生活用水为2 561 L/d，其中人均综合用水量、万元地区生产总值用水量和万元工业增加值用水量等指标均低于全国平均水平，用水效率较高。因此，广东省用水总量大，用水效率整体较高，而本地水资源量有限，对过境水依赖程度较高。可见，加入入境水量指标对研究广东省水资源承载力具有重要意义。

3 研究方法

3.1 熵权法基本原理

熵权法是一种较为客观计算权重的方法，该方法以信息论为基础，根据各项评价指标变异程度大小反映指标数据隐含的信息量，进而确定指标权重，避免主观因素干扰[17-18]。其主要原理是各项指标经过标准化处理后计算其信息熵的大小，信息熵值与离散程度成反比关系，而指标权重与离散程度成正比关系，即指标的信息熵数值越小，离散程度越大，指标权重越大，对评价系统影响越大。计算步骤如下。

1) 构建水资源承载力评价矩阵

V=(χij)m×n

(1)

式中：

n——评价年数；

m——评价指标个数；

xij——第i年第j个指标的数值。

2) 矩阵标准化：对各项指标数据进行标准化处理，消除不同计量单位的影响。

R=(rij)m×n

(2)

3) 计算各指标信息熵

(3)

4) 计算指标权重

(4)

3.2 TOPSIS模型基本原理

TOPSIS模型又称“逼近理想解排序法”，是计算指标与理想解的相对贴近程度大小，然后判断其优劣[18-20]。该方法的基本思路是正向理想解是各评价指标的最优解，负向理想解是各评价指标的最劣解，计算指标与理想解的相对距离并进行比较，与正理想解最接近，同时离负理想解最远，则为最优方案，即水资源承载力越大。模型计算步骤如下。

1) 构建基于熵权法的评价矩阵Y

Y=(yij)m×n=(wj×rij)m×n

(5)

2) 求解正、负向评价指标的理想解

(6)

(7)

3) 计算评价指标与理想解的距离

(8)

式中：

4) 贴近度的计算

(9)

式中：

Ti越接近1，评价结果越优，水资源承载力越大。

3.3 评价等级划分

参考国内有关研究成果[18-19]，根据贴近度大小将水资源承载能力划分为严重超载、超载、临界超载、弱承载、可承载等五个等级，贴近度大小与水资源承载力评价等级关系见表1。

表1 水资源承载能力评价等级

4 广东省水资源承载力评价

4.1 评价指标的选取

结合广东省水资源特点和相关研究成果[18-22]，从水资源系统、社会经济系统和生态系统三方面选取18个评价指标，构建考虑入境水资源量的广东省水资源承载力评价指标体系(见表2)。

表2 广东省水资源承载力评价指标体系

由2012—2021年《广东省水资源公报》和《广东省统计年鉴》的相关数据，形成广东省水资源承载力评价矩阵(见表3)。

表3 2012—2021年广东省水资源承载力评价指标数据

4.2 指标权重计算

根据熵权法模型的公式(1)～(4)，计算评价指标的权重，计算结果见表4。

表4 广东省水资源承载力评价指标权重

4.3 水资源承载力评价

根据TOPSIS模型的公式(5)～(9)，计算2012—2021年评价指标的贴近度，并根据表1的评价等级对其水资源承载状况进行评价，评价结果见表5。

表5 广东省水资源承载力评价

4.4 结果分析

4.4.1指标权重结果

由表4可知，熵权法计算的水资源系统权重为0.242 6、社会经济系统为0.472 3、生态环境系统为0.285 1。其中，权重较大的指标是城镇化率、建成区绿化覆盖率和人均综合用水量，权重分别为0.089 0、0.086 4和0.079 1；权重较小的指标是耗水率、城市污水排放量和产水模数等，权重分别为0.026 5、0.032 4和0.034 7。入境水量、人均水资源量和水资源开发利用程度的权重分别为0.034 2、0.035 7和0.076 6。表明考虑入境水量指标后，水资源系统除水资源开发利用程度指标有较大影响外，其他的影响程度均较小，水资源系统整体对水资源承载力影响较小，社会经济系统影响较大。

4.4.2水资源承载力评价结果

由表5可知，2012—2021年广东省水资源承载力贴近度的平均值为0.356，承载力评价属于超载状态(Ⅳ级)，其中2014年贴近度最低，属于严重超载状态(Ⅴ)，2021年贴近度最高，属于弱承载状态(Ⅲ级)，评价期间整体呈现先下降后上升的趋势，地区水资源承载力得到提升。以2014年为时间分界点研究其变化趋势(第一阶段是2012—2014年，第二阶段是2015—2021年)。第一阶段贴近度呈现下降趋势，2014年为最低值，表明期间广东省水资源不能满足社会经济发展需求，水资源与社会经济发展不协调。第二阶段贴近度呈现上升趋势，2021年达到最高值，表明广东省加强水资源管理，社会经济发展规模与地区水资源逐步适应，水资源承载力显著提升。

4.4.3原因分析

由图1分析2012—2021年全省用水情况，2012年用水总量为451.00亿m3，2021年下降至407.00亿m3，用水总量整体呈下降趋势。由图2分析全省用水效率情况，2012年耕地实际灌溉亩均用水量、人均综合用水量、万元地区生产总值用水量和万元工业增加值用水量分别为771 m3、428 m3、75 m3和46 m3，至2021年分别下降至711 m3、322 m3、32.7 m3和17.3 m3，指标呈下降趋势，用水效率逐步提高。表明广东省在实施最严格水资源管理制度和新时期水资源刚性约束管理制度后，加强水资源管理，提高全省水资源利用效率，有效控制用水总量，重视水资源合理利用和保护，社会经济发展规模与水资源条件相互协调，水资源承载力逐步提升。

图1 2012—2021年广东省用水总量趋势示意

图2 2012—2021年广东省主要用水指标趋势示意

5 结语

1) 结合广东省水资源特点构建考虑入境水量指标后的水资源承载力评价指标体系，选取水资源、社会经济、生态环境三大系统共计18个指标，采用基于熵权-TOPSIS模型的方法进行水资源承载力评价分析，评价指标体系和结果更接近地区实际情况。

2) 熵权法计算结果表明，水资源系统权重最小，社会经济系统权重最大，说明入境水资源量占比较大的地区水资源系统对水资源承载力影响较小，社会经济系统对其影响较大。

3) 通过熵权-TOPSIS模型计算的广东省水资源承载力变化呈先下降后上升的趋势。在第一阶段(2012—2014年)水资源承载力呈下降趋势，2014年贴近度最小，处于严重超载状态(Ⅴ)；到第二阶段(2015—2021年)水资源承载力呈上升趋势，水资源承载力等级从超载逐渐提升至弱承载状态。全省加强水资源管理，用水效率逐步提高，水资源承载力显著提升。