丹东市水资源承载力综合评价_宁作鹏.pdf
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1、 193 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 (第 51 卷)H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y (T o t a l N o.51)丹东市水资源承载力综合评价宁作鹏(辽宁省丹东水文局,辽宁 丹东 118001)摘 要:从水资源、经济、社会和水环境的角度选择 15 个典型指标,采用 CRITIC-GR-TOPSIS 法综合评价丹东市 2005-2020 年水资源承载力,利用障碍度模型量化各参评因子的影响程度。结果表明:丹东市水资
2、源承载力综合评价值从 2005 年的 0.4585 波动增大到2020 年的 0.5872,水资源承载力呈波动上升趋势,但变化幅度较小,未来的提升空间广阔;2005-2020 年之间水资源承载力受水环境和社会子系统的影响逐渐提高,而受经济子系统的影响逐渐减弱,水资源子系统的影响较高且变化稳定,可为促进丹东市水资源优化配置和可持续利用提供一定支持。关键词:水资源承载力;CRITIC-GR-TOPSIS 法;障碍度模型;丹东市中图分类号:TV213.4文献标识码:B水资源是维持经济社会发展和人类生存的基础性自然资源,经济的迅速发展使得各行业对水资源需求量急剧增大,从而导致水资源供需不平衡、水资源短
3、缺等一系列问题1。水资源承载力评价是生态、经济和资源的综合体现,也是合理配制和宏观调控水资源的重要依据,对合理开发及高效利用区域水资源意义重大2。目前,在具体表述水资源承载力时许多学者虽未达成一致意见,但本质上都突出了以区域水资源可以最大支撑的经济系统发展规模作为水资源承载力的核心。所以,可以从水环境、经济、社会、水资源等角度综合评价水资源承载力,当前比较常用的方法有逼近理想解法(TOPSIS)、妥协解排序法(VIKOR)、模糊综合法(PCE)和主成分分析法(PCA)等3-5。由于 TOPSIS 法可以提供可靠直观的结果,其计算原理简单,在水资源评价领域得到广泛的应用。然而,在实际应用时 TO
4、PSIS 法也存在一些不足,它是以理想方案与决策方案间的欧式距离作为差异程度的判断依据,其计算结果是一个刚性数值,忽略了形状相似的情况,且未考虑不同指标的偏好程度,不同赋权方法所带来的评价结果可能存在明显差异6-8。同时,整体水平的发展趋势主要是利用TOPSIS法计算的相对贴近度来描述,难以更深层次的分析评价对象。有学者认为,引入障碍度模型、CRITIC 法和灰色关联度(GR)可以解决 TOPSIS 法存在的以上问题9-10。在 TOPSIS 法求解欧式距离的情况下灰色关联度可引入形状相似程度计算,对各参评指标利用CRITIC法进行赋权,能够有效保证评价结果的真实合理性。障碍度模型可以精准识别
5、主要障碍因素,明确水资源承载力受各指标影响程度,为实现水资源高效利用提供参考依据11。在水资源领域已有障碍度模型、灰色关联度和 CRITIC 法的研究应用,而综合利用以上方法评价水资源承载力的还鲜有报道。鉴于此,文章以丹东市为例,从水资源、经济、社会和水环境的角度选择指标构建评价体系,将 CRITIC 法、灰色关联度法(GR)与 TOPSIS 法相耦合综合评价丹东市2005-2020 年水资源承载力,以障碍度模型为依托进一步识别关键障碍因子,并提出有效保护和科学文章编号:1007-7596(2023)05-0001-04收稿日期2022-01-13作者简介宁作鹏(1 9 8 6-),女,辽宁丹
6、东人,高级工程师,研究方向为水情、水文测报、水资源、水生态等。DOI:10.14122/ki.hskj.2023.05.031 194 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 (第 51 卷)H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y (T o t a l N o.51)规划丹东市水资源的合理建议12-14。1 研究方法1.1 评价指标体系水资源承载力影响因素多而复杂,一般涉及生态环境、经济、社会、资源等诸多方面,应遵循协调性、精准性、综合
7、性、可获取性和动态性等原则合理选择指标。文章参考现有研究成果和以上原则,从水环境、水资源、经济和水的角度选择 15 项代表性指标,并按照指标性质划分成效益型和成本型两种类型,具体如表 1 所示。表 1 水资源承载力评价体系目标层系统层因素层属性计算方法水资源承载力O水资源 P1产水模数 Q11效益型水资源总量与区域面积之比供水模数 Q12成本型供水量与区域面积之比人均水资源量 Q13效益型水资源总量与人口总量之比水资源开发用率 Q14成本型供水量与水资源总量之比社会P2人口密度 Q21成本型统计数据城镇恩格尔系数 Q22成本型统计数据城镇化率 Q23效益型统计数据生活用水量 Q24成本型统计数
8、据经济P3生产总值 Q31效益型统计数据万元生产总值用水量 Q32成本型总用水量与国内生产总值之比万元工业增加值用水量 Q33成本型 工业用水量与工业总增加值之比第三产业占比 Q34效益型第三产业与国内生产总值之比水环境 P4污水排放量 Q41成本型统计数据污水处理率 Q42效益型统计数据城市绿化覆盖率 Q43效益型统计数据1.2 综合评价方法1)权重计算。CRITIC 法是利用各参评指标的冲突性与变异性计算结果来判定其客观权重,能够充分利用各指标初始数据信息。一般利用标准差表示变异性,但有学者提出用标准差可能会降低准确度,使评价结果出现较大误差,而利用平均差反映变异性可以有效解决以上问题,更
9、好地保证结果的客观合理性。因此,文章将 CRITIC 法中的标准差用平均差来替代,并利用下式计算指标权重15-16:(1)=mijjjEE1 (2)式中:Ej、ADj、i为参评指标 j 所含有的信息量、平均差及其权重系数;pij为参评指标 i、j 的相关系数。2)数据标准化。为消除各参评指标之间因量纲或数量级不同而存在的不可通透性,对各指标的初始数据做标准化处理:(3)式中:aij、rij为指标标准化前、后的数值,rij取值区间 01;其中,i=1,2,m;j=1,2,n。3)加权决策矩阵。将各指标标准化后的数值与其权重相乘构造加权决策矩阵R,计算方法如下:(4)式中:i、f(i,j)为权重矩
10、阵和无量钢化矩阵。4)正负理想解。考虑各指标属性,采用最大-最小值法和加权决策矩阵计算正、负理想解,其表达式为:max211+=mi jmirrrRR,(5)min211+=mi jmirrrRR,(6)式中:R+、R-为正、负理想解。5)欧式距离。采用公式(7)(8)计算正、负理想解与各指标值之间的欧式距离,即:=+=miii jjrrd12)((7)=miii jjrrd12)((8)式中:dj+、dj-为正、负理想解与指标值之间的欧式距离。195 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 (第 51 卷)H e i l o n g j i a n g H
11、 y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y (T o t a l N o.51)6)灰色关联度(GR)。灰色关联度法主要是按照实际数列与理想数列几何形状的相似程度来反映两者的关联性,该方法可以在有限数据的条件下量化处理实际序列的动态变化过程,对分析动态过程具有较好的适用性。所以,文章利用灰色关联度来反映正、负理想解与参评指标实际值之间相对变化的接近程度,具体公式如下17:(9)(10)式中:vj+、vj-为正、负理想解与各指标间的灰色关联度;为分辨系数,参考已有研究成果及经验 取 0.5。7)相对贴近度。为反映形状上的非线性
12、关系,在 TOPSIS 法中引入灰色关联度,通过计算正、负理想解与各指标实际值的欧式距离及其灰色关联度,并按设定的偏重系数相组合,从而计算出改进的相对贴近度,保证结果的科学合理性。采用公式(11)(12)无量纲化处理已计算出的灰色关联度和欧式距离,即:+=jjjjjjddDddDmaxmax;(11)+=jjjjjjvvUvvUmaxmax;(12)然后计算参评指标相对贴近度 Cj,具体如下:)()()(212121+=jjjjjjjUUUUUUC(13)式中:1、2为偏重系数,体现了决策者对形状与距离的偏重情况,文中 1=2=0.5。1.3 障碍度模型鉴于 TOPSIS 法难以反映水资源承载
13、力受各个指标的影响程度,故利用障碍度模型精准识别各因素对水资源承载力的影响作用,为合理规划区域水资源提供参考依据。指标偏离度和因子贡献度是障碍度模型常用的衡量指标,其中指标偏离度反映了目标最优值与单项指标实际值之间的差异程度,可利用标准化后的指标数据与 1 的差值来衡量,而因子贡献度反映了整个指标体系受单一指标的影响程度,可以利用指标权重值来衡量。因此,丹东市水资源承载力障碍度计算公式如下18:=miiiiiijIFIFQ1 (14)式中:Fi、Ii为因子贡献度和指标偏离度;Qij为障碍度,即各参评指标对第 j 年水资源承载力的影响程度,Qij值越大则产生的不利影响越大。2 实例应用2.1 区
14、域概况丹东市地处辽宁省东南部,总面积 15222km2。境内属温暖带亚湿润季风型气候,南部平均气温89,北部 67,为东北地区最湿润最温暖的地方,年均降水量 881.31087.5mm,其中夏季占2/3,7-8 月为暴雨集中期。丹东水源充足,主要有大洋河、鸭绿江和沿海水系,较大河流有叆河、浑江、大洋河、鸭绿江等,其它大小河流 944 条。虽然丹东市降水量较多,但特殊的气候条件和地形地貌,使得降水时空分布极不均衡,北部、东北部降水偏少,蒸散发较高,水资源存在可利用总量少、边际效益低、开采成本高、开发难度大等特点,局部地区依然面临着地下水超采、水环境污染、春季干旱、用水效率低等问题。因此,有必要利
15、用合适的方法评价区域水资源承载力,通过精准识别关键障碍因子,为区域水资源管理规划和开发保护提供决策依据。2.2 数据来源文章所用到的相关数据来源于 2005-2020 年丹东市统计年鉴、水资源公报、国民经济与社会发展公报及政府网站等统计资料,各类数据直接从统计资料中获取,或利用灰色预测、线性内插法对原始数据推算获取。2.3 数据计算将 CRITIC 法中的标准差用平均差来替代,利用公式(1)(2)计算各参评指标的客观权重,结果如表 2 所示。196 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 (第 51 卷)H e i l o n g j i a n g H y
16、 d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y (T o t a l N o.51)表 2 参评指标权重计算值指标Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8权重0.06140.08010.06150.04970.09410.04810.06100.0801指标Q9Q10Q11Q12Q13Q14Q15/权重0.06320.05300.04570.07520.11280.05950.0546然后结合权重计算结果,应用公式(3)(13)计算丹东市 2005-2020 年水资源、水环境、社会、经济子系统和综合承载力,如表 3 所示。表 3 2005-
17、2020 年丹东市水资源承载力年份子系统综合承载力水资源社会经济水环境20050.68610.47860.19200.64320.458520060.49260.47860.32460.64670.445020070.56370.50610.44510.66120.510620080.35300.50220.47360.65370.453720090.79020.50530.52680.62210.605120100.69100.44700.57350.62580.591220110.56170.45370.60010.55710.553720120.65250.53500.64240.582
18、00.607520130.63480.43670.66310.45860.584120140.56200.48620.68460.42300.566220150.66150.50260.70850.40810.604120160.52470.60150.73860.35580.568120170.49680.62710.75820.36200.560220180.24570.60020.78500.56420.506020190.57710.56680.80040.41370.606720200.48200.48730.81760.55380.58722.4 水资源承载力丹东市 2005-20
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