引用格式：杜雪芳，李彦彬，张修宇.基于TOPSIS模型的郑州市水资源承载力研究［J］.人民黄河，2022，44（2）：84－88.
作者简介：杜雪芳（1994—），女，河北邯郸人，博士研究生，研究方向为水文水资源
摘要：郑州市作为中原城市群核心城市，其水资源的变化与城市经济、社会等方面的发展密切相关。为科学分析郑州市水资源承载力现状，从水量、水质、水域和水流四维角度出发，在分析郑州市水资源现状的基础上，构建“量－质－域－流”水资源承载力评价指标体系，采用主客观赋权法和TOPSIS模型对郑州市2010—2019年水资源承载力进行评价。结果表明：研究期内郑州市水资源承载力呈现波动增长趋势，2015年之后水资源承载力持续增长，2018年水资源承载力等级达到Ⅰ级。分析各维度水资源承载力发现，郑州市属资源型缺水城市，应进一步提升城市节水水平，优化水资源配置。
关键词：水资源承载力；评价；主客观赋权法；TOPSIS模型；郑州市
1 引 言
水资源是人类生存和经济社会发展不可或缺的重要基础性自然资源，与粮食、石油并列为三大战略资源。《2019年全球风险报告》和《2020年全球风险报告》把水资源危机列为影响全球的十大风险因素之一，《2021年全球风险报告》把自然资源危机（包含水资源危机）列为全球第五大风险因素。由此可见，水资源安全影响人类生存、社会稳定及经济发展，是治国安邦的大事。
我国经济社会进入新发展时期，城乡人口的变化和经济社会的高质量发展，对水资源的开发利用提出了更高要求。科学有效地评价水资源承载力，对保障区域水资源安全利用，维持经济社会的高质量发展，促进城市发展、提高人民生活质量以及合理规划未来发展模式有重要意义。近几年来，许多专家学者从评价模型、评价方法、动态预测预警及诊断方面对水资源承载力开展了许多研究，如徐凯莉等［1］采用系统动力学模型模拟水资源承载能力，门宝辉等［2］基于云理论评价了北京市水环境承载力，叶海焯等［3］利用协调发展度评价了南京市水资源承载状态，余灏哲等［4］基于量－质－域－流评价了京津冀水资源承载力，左其亭等［5］基于组合权重和TOPSIS模型评价了黄河流域九省（区）水资源承载力，许杨等［6］基于DPSR－改进TOPSIS模型评价了淮安市水资源承载力。杜雪芳等［7－8］曾针对黄河下游生态型灌区水资源承载力进行研究，发现影响水资源承载力的因素有很多，如人口、经济社会发展指标、水量、水质、气候变化等。过去对水资源承载力的研究多从供需水和水污染的角度开展，而水资源开发利用中也存在水域空间侵占、水资源过度开发等问题［9－10］。为提升水资源承载力评价结果的准确性，本文基于上述研究，从量－质－域－流层面对郑州市水资源承载力进行研究，以期为开展郑州市水资源调配和提升水资源承载力提供参考。
2 研究区概况与数据来源
郑州市是中原城市群的核心城市，位于河南省中部，近年来发展迅猛，2016年被纳入国家中心城市建设行列。《郑州建设国家中心城市行动纲要（2017—2035年）》中提到，预计郑州市2035年人口规模达到1 350万，国内生产总值达到3万亿元、人均GDP达到22万元、城镇人口比例达到90%。2019年郑州市常住人口1 035.2万，城镇人口约772万，城镇化率74.6%，生产总值11 590亿元。
郑州市北靠黄河，南连黄淮平原，地势西南高、东北低，境内河流分属黄河和淮河两大水系，其中流域面积较大的河流29条，2019年水资源总量为6.32亿m3（比2018年减小13.2%），各行政区的地表水资源量均低于多年平均水资源量，人均水资源占有量仅为全国的1／10，属于严重缺水地区。
本文选取12个评价指标对2010—2019年郑州市水资源承载力进行评价，所用数据来源于《河南省水资源公报》《河南统计年鉴》《河南省环境质量状况公报》及国家统计局等。
3 研究方法
评价指标体系的构建是科学评判一个区域水资源承载力的关键。为了使所选指标充分反映系统特征，选择指标时应遵循系统性、典型性、层次性、综合性、可获得性等原则，结合相应的衡量标准与计算方法，对指标进行分类排序，将相关性小的指标剔除［11－12］。通过文献梳理发现，过去对水资源承载力的研究大多与水量和水质有关，而忽略了水域空间、水动力过程对水资源承载力的影响。因此，本文从水量、水质、水域、水流4个维度，结合经济社会系统、水资源系统、生态环境系统3个系统特征，构建水资源承载力评价指标体系（见表1）。水量维度反映区域的水资源自然禀赋条件、水资源利用程度和社会经济发展过程中的用水水平，指标选取产水模数、人均用水量、每公顷农田灌溉用水量、万元工业增加值用水量；水质维度反映河湖污染物种类、浓度及污水处理水平，指标选取水功能区水质达标率、污水处理率、万元GDP化学需氧量（COD）排放量、万元GDP氨氮排放量；水域维度反映区域或流域的水域面积、植被覆盖度、水网密度、地下水开采状况，指标选取地下水开采率、绿化覆盖率；水流维度主要反映生态环境方面的用水以及生态基流的满足程度，指标选取生态耗水量和生态补水比例。
表1 水资源承载力评价指标体系
3.2.1 层次分析法
层次分析法（AHP）由美国运筹学家T.L.Saaty提出，该方法采用定性与定量相结合的方法确定指标权重，常被用来解决多准则决策问题［13－15］，其主要步骤如下。
（1）构造判断矩阵。采用1－9标度法对指标进行相对重要性判断，确定判断矩阵A＝（aij）n×n。aij为第i个指标相对于第j个指标的比较结果，具有以下性质：①aij＞0（i＝1，2，…，n；j＝1，2，…，n；n为指标个数）；。
（2）层次单排序及一致性检验。计算指标权重，进行层次单排序，并推求最大特征值λmax，计算公式为
式中：wi为单层次结构下的指标权重；λmax为判断矩阵对应的最大特征值；w为评价指标权重向量，w＝（w1，w2，…，wn）T。
通过一致性比率CR来进行一致性检验。一致性指标CI计算公式为
平均随机一致性指标RI取值见表2。
表2 RI取值
一致性比率CR计算公式为
若CR＜0.1或λmax＝n，则表明判断矩阵满足一致性要求。
（3）层次总排序及一致性检验。检验各个层次整体排列的一致性，计算各个层次的要素相对系统整体目标的综合权重，最终得到最优决策方案。
3.2.2 熵权法
熵权法（EWM）相比德尔菲法、层次分析法等主观赋权法具有客观性，能够更好地对结果进行解释，其利用信息之间的差异性进行赋权，但采用此方法需要有部分样本量，通过样本确定权值，再根据所确定的权值进行分析［16］，主要步骤如下。
（1）初始数据正趋化与标准化处理。采用减法一致化法对负向指标进行一致性处理，处理后的指标按下式进行标准化：
式中：xaj为第a个评价样本第j个指标的值；Xaj为标准化后的指标值，0≤Xaj≤1；m为样本个数。
（2）计算第a个评价样本第j个指标的特征比重。计算公式为
（3）计算各指标的信息熵。计算公式为
当一个系统信息完全无序（即有序度为零）时，其熵值最大（ej＝1）。ej越大表明该指标提供的信息量越少，即该指标对评价影响不大，可考虑将其剔除。
（4）计算差异度系数和指标权重。计算公式为
式中：dj为差异度系数；wj为熵权法所得指标权重。
TOPSIS法又称优劣解距离法，它依据评价方案与理想解的欧氏距离来进行评价方案的优劣排序。其基本原理是通过分析样本对象的优劣状态，建立样本对象最优（最劣）方案即正（负）理想点，并确定样本对象与正（负）理想点的距离，进而求得样本对象与理想点的贴近程度［17－19］。主要步骤如下。
（1）建立初始计算矩阵X＝（xaj）m×n。
（2）把初始计算矩阵标准化处理为B＝（baj）m×n。
（3）构建加权矩阵。采用代数法确定组合权重向量W＝（w co1，w co2，…，w co n）T，通过Z＝B×W构造加权规范化决策矩阵Z＝（zaj）m×n，其中zaj＝w co i×baj。
（4）计算样本对象与正（负）理想点的距离和贴近度Ca。Ca∈［0，1］，该值越接近1，样本就越靠近正理想点，计算结果就越优；反之，则越差。计算公式为
式中为样本对象正理想点为样本对象负理想点。
4 结果与分析
（1）指标权重。根据郑州市2010—2019年水资源现状，构建水资源承载力综合评价指标体系，利用AHP和EWM分别计算主观权重和客观权重，取二者的平均值作为组合权重，结果见表3。由表3可知，AHP与EMW权重计算结果虽然存在差异，但在量－质－域－流四维视角下权重计算整体趋势是一致的。从权重视角看，人均用水量对郑州市水资源承载力影响较大，绿化覆盖率和生态耗水量影响较小，这与郑州市近年来城镇人口不断增加、用水需求量逐年增大的现状相符；从维度视角看，水量和水质对水资源承载力影响显著，用EWM计算的水量和水域权重较大，用AHP计算的水质和水流权重较大。鉴于这两种方法在计算中各有侧重，为保证评价结果的合理性，本文采用代数法将主观和客观权重进行组合，所得组合权重作为最终权重计算值。
表3 指标权重计算结果
（2）贴近度Ca。利用式（10）～式（12）计算2010—2019年郑州市水资源承载力贴近度Ca，并对综合贴近度进行排序，结果见表4。
表4 2010—2019年郑州市水资源承载力贴近度Ca计算结果
由表4可知：水量维度的贴近度整体呈减小趋势，说明郑州市2010—2019年水资源数量情势严峻，需要调用客水对各行业供水进行补充，以保证经济社会持续发展；水质维度的贴近度逐渐靠近1，说明水质有较明显改善，与河流控制断面监测结果一致；水域和水流研究期内波动变化，表明过去对生态环境保护、地下水开采、水域空间保护方面重视不够。综合量－质－域－流4个维度，对综合贴近度进行排序后发现，郑州市2010—2019年水资源承载力不断增强，且2014年年底南水北调中线正式通水后，在调水补偿和开展节水宣传等多方面因素的共同促进下，2016年起郑州市水资源承载力明显增大。
将郑州市2010—2019年水资源承载力按贴近度等分为4级：Ⅰ级为可承载（0.75～1.00），Ⅱ级为临界承载（0.50～0.75），Ⅲ级为临界超载（0.25～0.50），Ⅳ级为超载（0～0.25）。评价结果见图1，由图1（a）可知，郑州市水资源承载力呈波动增长的趋势，2015年之后水资源承载力持续增大，原因是2013年开始实行最严格水资源管理制度，通过严格控制用水总量和入河湖排污总量，提高用水效率，提升了水资源承载力。由2010—2019年《郑州市水资源公报》可知，2014年郑州市水功能区水质达标率开始提升，2019年省控断面监测结果达标率为100%，较2010年达标率11.1%提升显著。随着郑州市经济社会的发展，用水需求量不断增大，生态补水比例增长显著，污染物排放量逐渐减少，但人均水资源占有量并无明显提升，且水资源开发利用程度高于国际公认的40%警戒线，需要进一步开展节约用水和引调客水来满足生活生产需要。
图1 2010—2019年郑州市水资源承载力变化趋势
鉴于水域和水流维度评价指标权重较小，本文从水量维度和水质维度对郑州市水资源承载力进一步分析，结果见图1（b）和图1（c）。可以看出，2010—2019年郑州市水量承载力总体呈下降趋势，水质承载力增长显著，因此判断郑州市属于资源型缺水城市。郑州市2019年各行政区水资源承载力水量维度评价结果见图2。
图2 2019年郑州市水资源承载力水量维度评价结果
由图2可以看出，郑州市2019年水资源承载力临界超载区域主要集中在郑州市区、新密市、上街区及其周围部分区域，荥阳市水资源承载力等级为Ⅰ级，巩义市、登封市、新郑市、中牟县水资源承载力等级均为Ⅱ级。以郑州市区为例，其生活用水量占全市生活用水量的90.37%，河湖补水量占全市生态环境用水量的65.23%，工业用水量占全市工业用水量的28.37%，相较于其他地区占比较大，水资源需求量大，因此需开展节约用水工作和引外调水源来补足城市发展所需水量。郑州市近些年来水资源问题改善明显，但市区及用水量较大的其他区域在节水方面仍有较大的提升空间，如通过增加先进的水处理设施、优化城市产业布局、合理规划建设城市水系、大力推广节水技术与设施、提高雨洪水和中水利用率等措施，减小城市用水压力、解决水资源空间分布不均衡等问题。
5 结 语
以郑州市为研究区，通过分析其水资源现状，结合水量、水质、水域、水流特点，构建“量－质－域－流”水资源承载力评价指标体系，采用主客观赋权法与TOPSIS模型对水资源承载力进行分析，结果表明2010—2019年郑州市水资源承载力增长显著，但仍然存在资源型缺水的问题。对2019年郑州市各行政区水量承载力做进一步评价分析，结果与其水资源现状一致。本次评价由于水质、水域和水流相关数据较难获取，因此指标选择受限，下一步需运用遥感、大数据等技术，完善水资源承载力评价指标体系。
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END
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