基于CRITIC-VIKOR法的云南省水資源承載力綜合評價

譚 豪, 脫云飛, 王 倩, 鄭 陽, 王 飛, 王昭儀, 劉香凝, 石小蘭, 丁明凈, 馬繼敏

(1.西南林業大學 生態與環境學院, 云南 昆明 650224; 2.云南省地質工程勘察有限公司, 云南 昆明 650051)

1 研究背景

水資源是人類賴以生存和發展的重要自然資源之一,對自然環境、社會環境、生態環境具有重要意義。通過對水資源進行合理評估和對其承載力進行優化研究,可減輕或克服水系統問題給生態環境與經濟社會帶來的負面影響[1]。

國外關于水資源管理和評價的研究比較廣泛,Gittins等[2]將RL-GL(red-loop green-loop)模型應用于水資源管理研究,分析了2017—2018年開普敦(Cape Town)水危機的原因,發現當地水資源幾乎完全依賴于單一的、非生態系統形式的基礎設施。Hering等[3]在水體、流域、歐洲3個空間尺度上分析了壓力源與水資源、水生態狀況之間的關系,制定了有效流域管理計劃。Naimi Ait-Aoudia等[4]針對阿爾及利亞首都城市阿爾及爾水資源短缺情況,基于水資源承載力的概念評估了阿爾及爾在幾種供水條件下人均生活用水的承載能力,并考慮了供給和需求兩個方面的決定因素,認為對于淡水資源有限的國家,對水的需求和供應的管理是至關重要的。Wade等[5]采用相對風險模型和貝葉斯網絡方法(relative risk model-Bayesian network, BRM-BN)對南非蘇卡拉河的水質、流量和其他壓力因素進行了風險評估,確定了最低水質和流量要求,以保持生態系統的可持續性發展。Mcclain[6]討論了氣候與農業和水電與生態完整性同水資源利用的關系,以指導非洲未來水資源保護工作。Helbling[7]通過研究近幾年低濃度農藥在各種環境情景下發生生物降解的過程,提出了開發生物技術對農藥污染的水資源進行修復的建議。Wan Mohtar等[8]利用時間和空間風險熵(risk quotient,RQ )對克朗河流域支流的現狀進行了準確評估,使用風險矩陣(risk matrix approach, RMA)方法評估了克朗河的健康狀況,所開發的風險危害圖對河流恢復和重建具有重要作用。Karimov等[9]通過各種水利和管理措施加強對水資源的合理利用。

國內對水資源承載力研究較為深入,研究內容主要包括水資源承載力的定義、內涵以及研究方法等。段春青等[10]認為水資源承載力的定義主要概括為3類,即水資源最大支撐能力、水資源最大支撐規模、水資源最大開發能力。許有鵬[11]用水資源最大開發能力定義水資源承載能力,綜合評價了新疆和田河流域的水資源承載能力。

目前,評價水資源承載力的方法有多種,如系統動力學法[12]、模糊綜合評價法[13]、主成分析法[14]、TOPSIS法(technique for order preference by similarity to an ideal solution)[15]、CRITIC-VIKOR法[16]等。陳雨晴等[17]應用改進TOPSIS法對甘肅省農村應用水安全進行了評價,可為農村飲用水安全建設提供參考。但TOPSIS法也存在一定不足,它沒有考慮與理想解距離的相對重要性,其結果客觀性很強且僅得到唯一最優解[18]。CRITIC-VIKOR法可對多個方案進行比較分析,被廣泛應用于水資源綜合評價領域,其中CRITIC(criteria importance through intercriteria correlation)法是由Diakoulaki提出的一種客觀權重賦權法,具有加強權重關聯性和變異性的特點。Opricovic于1998年提出了多準則妥協解排序法(in Serbian: Visekriterijumska Optimizacija I Kompromisno Resenje, VIKOR),它通過考慮群體效益值和個體遺憾值并加入主觀偏好,得到帶優先級折中解,可有效解決TOPSIS法接近理想解的解并不是最優解的問題。VIKOR法在農業[19]和水資源領域的研究中均有廣泛的應用,如趙文舉等[20]應用VIKOR法解決了灌溉排水項目方案選擇的多屬性決策難題;楊亞鋒等[21]通過構建可變勾股模糊VIKOR法多準則決策模型,對水資源系統的韌性進行了評價和調控分析。

本文通過CRITIC-VIKOR法對2004—2018年云南省水資源承載力和2018年云南省各地級市(自治州)水資源承載力進行綜合評價,分析云南省水資源承載能力狀況及改進方向,對于實現云南省生態環境與經濟社會協調發展具有重要的現實意義。

2 數據來源與研究方法

2.1 研究區概況

云南省位于中國西南地區,介于21°08′N～29°15′N、97°31′E～106°11′E之間,與四川省、廣西省、貴州省毗鄰。云南省國土總面積為39.41×104km2,截止2021年,全省下轄8個地級市、8個自治州,云南省行政區劃圖見圖1。

2021年末云南省常住人口4 690萬,全年GDP產值為2.715×1012元,同比增長7.3%,其中農業產值為3 441.47×108元,工業增加值為6 555.76×108元,第一、第二、第三產業之比為14.3∶35.3∶50.4。山區和壩區分別占全省國土面積的94%和6%,壩區集中了全省2/3的人口和1/3的耕地,但水資源量只有全省總量的5%。云南省屬于亞熱帶高原季風型氣候,干濕季節分明,雨季為5—10月,集中了全年85%的降水量,旱季為11月—次年4月,降水量占全年的15%,全省降水在季節上和地域上分配不均勻[22],給水資源開發利用帶來極大挑戰。

2.2 數據來源

本文采用數據來源于2004—2018年云南省統計年鑒、水資源公報和環境狀況公報等。

2.3 研究方法

2.3.1 云南省水資源承載力評價指標體系構建 崔巖等[23]認為區域水資源承載力是在可持續發展原則下,從當前至以后水資源開發利用對生態環境、經濟社會的最大支撐能力;王友貞等[24]從系統關系分析認為,區域水資源承載力綜合評價指標體系的構建應從水資源、社會、經濟、生態環境等方面入手。因此,本研究將水資源承載力評價指標體系的構建分為目標層、準則層和指標層3個層次:目標層為水資源承載力;準則層為區域水資源承載力評價主要因素,細分為3個子系統,即水資源子系統、生態環境子系統和經濟社會子系統;指標層為各準則層的具體體現,是整個綜合評價指標體系的基礎[25]。水資源承載力評價指標體系種類繁多且復雜[26],基于云南省水資源現狀,文本選取20個指標構成指標層對云南省水資源承載力進行測算評價,根據各評價指標的效應,將評價指標分為成本型指標和效益型指標兩類。云南省水資源承載力綜合評價指標體系見表1(表中“+”表示效益型指標,“-”表示成本型指標)。

表1 云南省水資源承載力綜合評價指標體系

2.3.2 云南省各市(州)水資源承載力評價指標體系構建 在已構建的云南省水資源承載力綜合評價指標體系的基礎上,考慮到指標的可獲得性以及當地水資源狀況,各市(州)水資源承載力評價指標體系的構成分別從水資源、生態環境、經濟社會子系統中選取12個指標。各市(州)水資源承載力評價指標體系見表2。

2.3.3 CRITIC-VIKOR法測算水資源承載力 VIKOR法為一種多屬性決策方法,首先分析正理想解和負理想解,再計算各備選方案折中解,根據理想方案對備選方案進行排序比選。Yu等[27]對海底管道的風險評估和Liang等[28]對共享單車的服務評價中,驗證了VIKOR法在方案比選、多屬性決策等問題上更加合理有效。CRITIC-VIKOR法主要按照標準化數據、確定權重、確定理想解、確定群體效益值和個體遺憾值以及確定利益比率5個步驟依次對數據進行處理。

(1)數據標準化處理。以VIKOR法標準化公式對各指標原始數據進行無量綱處理,標準化公式如下:

①效益型指標:

(1)

②成本型指標:

(2)

式中:bij為第i組中第j個指標的原數據;Aij為第i組中第j個指標標準化的數據。

(2)CRITIC法確定權重。CRITIC法是以指標間對比強度和沖突性為基礎確定客觀權重的,兼顧了權重的關聯性和變異性[29],采用平均差改進CRITIC法能夠客觀、全面地提高權重的準確性。權重計算公式如下:

(3)

(4)

式中:Fj為第j個指標的信息量;Cdj為第j個指標的平均差;Qij為第i個指標與第j個指標之間的相關系數;wj為第j個指標的權重。

(3)確定理想解。正理想解是最大化效益型指標,負理想解是最大化成本型指標。為使評價結果更穩定,理想解采用絕對值方法計算。計算公式如下:

(5)

(6)

(4)確定群體效益值和個體遺憾值。群體效益值反映決策者對事物的主觀看法和傾向,個體遺憾值反映決策者誤判所造成的損失。VIKOR法通常采用正理想解,但負理想解也具有特有信息[30],正理想解與負理想解有很大關系。本文以正理想解和負理想解為依據,計算群體效益值和個體遺憾值,計算方法見公式(7)～(12)。

①以正理想解為參照:

(7)

(8)

②以負理想解為參照:

(9)

(10)

③群體效益值和個體遺憾值:

(11)

(12)

(5)確定利益比率。通過群體效益值和個體遺憾值計算利益比率,VIKOR法中運用決策機制系數實現群體效益最大化和個體遺憾最小化。決策機制系數y越大,則越傾向于最大群體效益,而不傾向于個體遺憾[31],y>0.5表示決策者采用大多數人的觀點,y<0.5表示反對情況,為了同時最大化群體效用值和最小化個體遺憾值,本文決策機制系數取y=0.5[32]。以利益比率作為水資源承載力評價值,利益比率數值越小,表明水資源承載力越大。利益比率計算公式如下:

(13)

式中:Ri為利益比率;y為決策機制系數。

3 結果與分析

3.1 評價指標權重

應用VIKOR法對各指標原始數據進行整理和計算后,以改進平均差CRITIC法分別計算云南省及各市(州)水資源承載力評各價指標權重,計算結果分別見表3和4。

表3 云南省水資源承載力各評價指標權重

由表3可知,云南省水資源承載力評價指標權重前4位分別為人口密度X17、化學需氧量排放量X10、廢水排放總量X9、水資源開發利用率X3。由表4可知,云南省各市(州)水資源承載力評價指標權重大于0.08的為產水模數Y1、人均水資源量Y2、其他水源供水量占比Y3、水功能區水質達標率Y4、水資源開發利用率Y5、人均COD排放量Y7、萬元工業增加值用水量Y12。

表4 各市(州)水資源承載力各評價指標權重

3.2 2004—2018年云南省水資源承載力

圖2為2004—2018年云南省水資源承載力評價結果。由圖2可以看出,研究時段內云南省綜合水資源承載力的變化大致可以分為3階段:第1階段為2004—2010年,該階段末年利益比率相比第1年減幅達62.2%,2005年以后云南省依靠資源優勢發展重工業,產業結構較為單一,水資源承載力略有下降,隨后政府部門逐漸意識到生態建設的重要性,同時也加大了產業結構調整力度。云南省水土流失治理面積、生態用水比例、城市污水處理率、第三產業占GDP比重分別由2005年的3 983.23 hm2、0.59%、59.30%、35.20%增加到2010年的5 555.64 hm2、2.63%、93.40%、40.04%,水資源承載力大幅度提升,但2008年基礎設施建設不能滿足環境需要,造成2008—2009年水資源承載力有所下降;第2階段為2010—2011年,利益比率大幅度上升,因2010年云南省遭受百年一遇嚴重旱災,年平均降水量由1 185.1 mm減少至985.2 mm,水資源開發利用率達到6.70%,維持高水平開發利用,致使水資源承載力大幅度降低;第3階段為2011—2018年,水資源承載力呈上升趨勢,該階段云南省在發展經濟的同時,不斷加強生態保護,在生態建設和產業結構調整上取得了優異成績,森林覆蓋率達到55.04%,萬元國內生產總值用水量從165 m3減少到87 m3,第三產業占GDP比重達到47.10%。

圖2 2004—2018年云南省水資源承載力評價結果

從2004—2018年各子系統的水資源承載力變化來看,水資源子系統利益比率從0.416 2減小至0.100 0,水資源承載力呈波動上升趨勢。水資源開發利用率、其他水資源供水占比、年平均降水量對水資源子系統的影響較大,2006—2008年其他水源供水量占比從0.41%增大至1.90%,水資源承載力大幅度增大,而2008—2011年其他水源供水占比、年平均降水量分別從1.90%、1 333.8 mm下降到0.68%、985.2 mm,水資源承載力隨之大幅度減小。生態環境子系統的利益比率在2010—2011年和2011年之后發生了大幅變化,2011年與2010年相比,COD排放量增加了107%、生態用水占比減少了71%,造成2011年生態環境子系統水資源承載力大幅度下降,2011年后云南省生態建設力度不斷加大,生態環境子系統水資源承載力得以持續提高。經濟社會子系統的水資源承載力呈現基本穩定狀態,在人口密度緩慢增長、產業結構優化調整、城鎮化進程加快的影響下,經濟社會子系統的利益比率波動程度較小。

3.3 2018年云南省各市(州)水資源承載力

根據《云南省2018年國民經濟和社會發展統計公報》和《2018年云南省環境狀況公報》,云南省響應國家政策號召,在生態環境和社會經濟等方面做出了巨大努力,使生態環境保持穩定,社會經濟呈良好發展態勢。對2018年云南省各市(州)水資源承載力進行評價,可及時發現漏洞、完善不足,以實現水資源可持續發展。

2018年云南省各市(州)水資源承載力評價結果見表5和圖3。

表5 2018年云南省各市(州)水資源承載力評價結果

圖3 2018年云南省各市(州)水資源承載力評價結果

由表5和圖3可知,紅河哈尼族彝族自治州(簡稱紅河州)、普洱市、麗江市、玉溪市、大理白族自治州(簡稱大理州)綜合水資源承載力位于前5位,綜合水資源承載力評價值分別為0.057 5、0.101 9、0.113 3、0.207 6和0.281 5,文山壯族苗族自治州(簡稱文山州)、德宏傣族景頗族自治州(簡稱德宏州)、昆明市、楚雄彝族自治州(簡稱楚雄州)綜合水資源承載力也處于較高水平。怒江傈僳族自治州(簡稱怒江州)、臨滄市、昭通市和保山市綜合水資源承載力位于后4位,綜合水資源承載力評價值分別為0.634 5、0.814 4、0.908 1和0.918 2。

將原始數據結合表4、5數據和圖3對各市(州)的各子系統水資源承載力進行分析可知,在水資源子系統中,西雙版納傣族自治州(簡稱西雙版納州)水資源豐富,但其水資源承載力僅為0.838 1,楚雄州、昭通市、曲靖市水資源相對匱乏,但楚雄州水資源再利用程度較高,其水資源承載力達0.307 3;在生態環境子系統中,麗江市、昆明市和玉溪市由于重視生態環境,其生態用水比例占6%以上、人均COD排放量少于15 kg,生態狀況良好,其水資源承載力位于全省前3位,而其余市(州)生態用水量少于3%,人均COD排放量達到了75 kg以上;在經濟社會子系統中,昭通市萬元工業增加值用水量最高,達到83 m3,其水資源承載力評價值為0.812 9,與其他市(州)的水資源承載力差別較大,其他大部分市(州)的水資源承載力較好。

以云南省各市(州)綜合水資源承載力平均值0.43為參照值,云南省56.3%的市(州)水資源承載力值在0.43以下(較好水平)。水資源子系統中,各市(州)人均水資源量差異很大,最高與最低相差35 684 m3;經濟社會子系統中,昭通市萬元工業增加值用水量達83 m3、人均GDP為28 168元、城鎮化率為36.86%、人口密度為242.82人/km2,該4個指標值均處于不利水平,導致水資源承載力與其他市(州)差別很大,昆明市由于人口密度最大,達到317.64人/km2,城鎮化率也最高,為72.85%,水資源承載力大于昭通市。

綜合以上分析認為,云南省西雙版納州、保山市、臨滄市和怒江州對水資源科學利用和再利用重視程度不夠,曲靖市、保山市、普洱市、臨滄市、楚雄州、紅河州、文山州、西雙版納州、大理州、德宏州、怒江州和迪慶州對生態環境重視程度還需加強,昭通市水資源條件與產業結構不匹配。

4 討 論

雷艷嬌等[33]選用水資源、生態環境、經濟社會3個子系統共11個指標構建了2013年云南省各市(州)水資源承載力評價指標體系,從空間分布上評價2013年云南省各市(州)水資源承載力,而本文分別從3個子系統中選取20個、12個指標分別構建云南省水資源承載力評價指標體系和2018年云南省各市(州)水資源承載力評價指標體系,水資源承載力評價指標更完善,并從時間系列和空間分布上分別評價了2004—2018年云南省水資源承載力和2018年云南省各市(州)水資源承載力。

馬繼敏等[15]對云南省水資源承載力的評價結果表明,2005—2018年云南省綜合水資源承載力總體呈上升趨勢,且有很大上升空間,不同子系統變化趨勢和增長幅度差異較大,這與本文評價結果相一致。若以熵權法和CRITIC組合賦權法計算各評價指標權重,權重大小前4位依次為COD排放量、人口密度、生態用水比例、其他水源供水量占比,本文以平均差改進CRITIC法計算各評價指標權重,得到 2004—2018年云南省水資源承載力評價指標權重大小前4位分別為人口密度、化學需氧量排放量、廢水排放總量、水資源開發利用率?？梢娨圆煌姆椒ㄓ嬎阍u價指標權重所得結果有所差異。

5 結 論

(1)在前人研究基礎上,針對云南省水資源綜合開發利用程度,結合當地實際情況分別從水資源、生態環境、經濟社會3個子系統中選取20個指標構建了2014—2018年云南省水資源承載力評價指標體系,又從20個指標中選取12個指標構建了2018年云南省各市(州)水資源承載力評價指標體系,采用CRITIC-VIKOR法評價了云南省水資源承載力,評價結果更符合實際情況。

(2)云南省綜合水資源承載力評價值由2004年的0.562 5減小至2018年的0.500 0,水資源承載力增幅為11.1%,具有明顯改善潛力。在研究時段內,水資源子系統和生態環境子系統的水資源承載力總體呈增大趨勢,但兩者變化存在差異;經濟子系統水資源承載力雖有波動,但較其他子系統最為穩定且具有較大提升空間。云南省應合理利用和最大發揮水利設施功能,通過種植低耗水作物、雨季蓄水、旱季放水等措施,保障正常生產生活用水,解決干旱年用水問題。

(3)2018年云南省各市(州)中,紅河州、普洱市、麗江市、玉溪市、大理州的綜合水資源承載力位于前5位,綜合水資源承載力評價值分別為0.057 5、0.101 9、0.113 3、0.207 6和0.281 5;怒江州、臨滄市、昭通市和保山市的綜合水資源承載力位于后4位,綜合水資源承載力評價值分別為0.634 5、0.814 4、0.908 1和0.918 2。依據2018年云南省各市(州)水資源承載力評價結果,政府部門應采取適當措施和完善法律法規,使水資源開發利用維持較低水平;穩步優化產業結構,增加生態用水量;推行節水和再利用水資源技術,努力構建節水型城市;穩步加快城鎮化進程;修建引輸水工程解決水資源地域分配不均的問題;在發展經濟中將生態環境保護放在首位,落實污水治理,提高水質,爭取生態環境和社會經濟最大化協調。