基于組合賦權和GRA-TOPSIS 法的湖南省水資源承載力綜合評價

沈 凱 陳 末 梅嘉恒

（1.黑龍江大學寒區地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江大學水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080）

水資源是人類賴以生存和發展的基礎性自然資源和保障可持續發展的戰略性經濟資源，同時也是生態環境保護和建設的重要控制要素。水資源承載力是衡量區域可持續發展的重要參考指標，2020 年自然資源部印發的《資源環境承載能力和國土空間開發適宜性評價指南（試行）》中明確指出，水資源是確定人口經濟、社會發展承載規模的主要約束之一，水資源平衡在缺水地區更應重點考慮。作為資源環境承載力的主要組成部分，水資源承載力對區域未來經濟社會走勢、生態環境建設及水資源可持續開發具有重要影響和深遠意義。

近年來，國內外學者對湖南省水資源承載力進行了定性和定量分析。研究區域主要集中在全省范圍[1]或者人口密度較大的湘中地區[2]以及具有典型湖泊平原地貌的洞庭湖流域[3]和湘江流域[4]。結果表明，湖南省水資源相對豐富，水資源承載力年際變化大，地區差異明顯[5-6]。學者們積極探索了湖南省各種水資源承載力模型的應用，但針對水資源承載力制約因素的研究相對較少，且評價方法較為單一?；诖?，本研究在構建水資源-經濟社會-生態環境綜合指標體系的基礎上，采用權重-GRA-TOPSIS 模型對湖南省水資源承載力進行測算，并結合耦合協調模型和障礙度模型分析湖南省水資源-經濟社會-生態環境系統的演化特征，并診斷障礙因子。與傳統方法相比，權重-GRA-TOPSIS 模型更為系統，可保證評價結果的科學性和綜合性。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

湖南省地處中國中南部，土地面積211829km2，占全國總面積的2.2%，轄14 個市（州）。屬于亞熱帶季風區，年平均氣溫在15～18℃之間，水資源總量相對豐富，多年平均（1956—2016 年）年降水量為1454mm，氣候濕潤，降水較多，但季節分布不均勻，年際變化大，水旱災害頻繁。湖南省三面環山，北亙洞庭，吞吐長江，四水縱貫全境，水資源稟賦優良，但是資源性缺水和結構性缺水長期并存，同時也面臨供水風險較高、優水未優用、局部地區水資源短缺、集約利用程度不高、工程調配能力不強等問題，解決好水資源配置與經濟社會發展需求不相適應的矛盾是新階段發展面臨的重大戰略問題。

1.2 數據來源

本文數據主要來源于2006—2020 年的《湖南省統計年鑒》《湖南省水資源公報》《湖南省環境狀況公報》《中國統計年鑒》以及《中國環境統計年鑒》。為了減少指標量綱對研究可靠性的影響，對缺失數據用加權均值法進行補充，然后對指標進行無量綱化處理。具體數據見表1。

表1 評價指標體系及權重

2 研究方法

為科學判斷湖南省2006—2020 年水資源承載力演變特征，本研究采用標準化、熵權-CRITIC 法組合賦權、GRA-TOPSIS 模型、耦合協調度、障礙度模型等方法進行研究，具體見表2。

表2 研究方法

3 結果與分析

3.1 評價指標體系的構建

該指標體系由目標層、系統層和指標層構成。其中，目標層為水資源承載力；系統層為水資源、經濟社會和生態環境三大系統；指標層為各項評價指標。采用熵權-CRITIC 法組合賦權對各項指標進行權重分配，結果見表1。

3.2 湖南省水資源承載力評價

3.2.1 綜合水資源承載力變化分析

運用GRA-TOPSIS 評價模型分析測算湖南省2006—2020 年綜合水資源承載力及其各子系統承載力，結果見圖1。

圖1 2006—2020 年湖南省水資源承載力及其各子系統承載力綜合評價結果

由圖1 可知，2006—2020 年，湖南省綜合水資源承載力整體呈上升趨勢，僅個別年份出現了下降情況。綜合評價值結果由2006 年的0.4551 提高到2020 年的0.5735，年均增長率為1.858%。根據其變化趨勢，研究時段內可大致分為2 個階段：第一階段為2006—2011 年，水資源承載力呈波動下降趨勢，降至近15 年最小值。主要原因是湖南省受亞熱帶季風氣候影響，全省降水量、水資源總量年際變化大，加之2011 年降水量為近15 年最小值，進而影響了水資源總量，再加上當年經濟支柱產業結構單一，第三產業占比為近15年最低，造成了嚴重的水污染問題，使流域和地下水等功能顯著降低，可用水資源持續減少。第二階段為2011—2020 年，除2018 年有輕微波動外，其余年份水資源承載力均穩步上升。其原因是湖南省在推進“兩型社會”建設的同時，組織實施了《第二個“三年行動計劃”（2016—2018 年）》《〈水污染防治行動計劃〉實施方案（2016—2020 年）》等政策，統籌推進了湖南省的生態環境保護和經濟發展，有效控制和降低了水環境的污染，使水資源-社會經濟-生態環境協調發展程度明顯提升。

3.2.2 子系統承載力變化分析

由圖1 可知，近15 年來，湖南省社會經濟發展迅速，人均GDP 由2006 年的11733 元增長到2020 年的62537元，第三產業比例由2006 年的42.00%上升至2020 年的51.71%，全省社會經濟承載力提升顯著。其綜合評價值由2006 年的0.3804 增長到2020 年的0.6668，為湖南省水資源保護及其承載力的提升提供了重要保障。

近15 年來，湖南省生態環境質量總體在波動中呈上升趨勢，生態環境綜合評價值由0.3951 提升到0.5848，同比上漲48.01%。全省重點污染物排放總量和能耗持續降低，水環境質量持續改善，生態質量逐步向好，為社會經濟發展和生態環境建設提供了重要保障。

近15 年來，湖南省水資源系統綜合評價值振蕩顯著，呈波動上升趨勢，由0.3961 上升至0.5934，同比上漲49.81%。2011—2012 年、2016—2020 年湖南省水資源系統綜合評價值波動較大，其余時段趨向平穩。其原因是湖南省降水量年際變化大，水資源時間分布不均勻，產生了豐枯交替、連豐連枯交替頻繁的現象。

3.3 耦合協調度分析

耦合協調度D的取值范圍介于0～1 之間，取值越大，說明三系統協調度越高，反之協調度越低。具體劃分標準見表3。

表3 耦合協調度等級劃分標準

采用耦合協調度模型測算湖南省2006—2020 年水資源-經濟社會-生態環境系統耦合協調度，結果見圖2。由圖2 可知，2006—2020 年湖南省三大系統主要處于中級協調狀態，且總體呈上升趨勢。

圖2 2006—2020 年湖南省水資源-經濟社會-生態環境耦合度及耦合協調度

2006—2011 年湖南省耦合協調度呈波動上升趨勢，但振蕩顯著、波動頻繁；2011—2016 年耦合協調度呈波動上升趨勢；2016—2018 年耦合協調度有輕微下降趨勢；2018—2020 年耦合協調度上升趨勢最為明顯。

3.4 障礙因子診斷

根據障礙度模型，對影響湖南省2006—2020 年水資源承載力發展的因素進行診斷分析，篩選出障礙度Pij≥5.0%的指標，然后按頻率進行降序排列，見表4。

表4 湖南省水資源承載力主要障礙因子頻率

針對表4 中的指標，繪制2006—2020 年障礙因子熱點圖，見圖3。

圖3 2006—2020 年湖南省水資源承載力主要障礙因子熱點圖

由圖3 可以看出，生活用水總量（Q9）、人口自然增長率（Q14）、廢水排放總量（Q18）及除澇面積（Q27）在2006—2020 年的障礙度占比較大，由此可見，如何控制生活用水總量、人口自然增長率、廢水排放總量及排水防澇是提高湖南省水資源承載能力的關鍵。

從圖4 可以看出，湖南省2006—2020 年生態環境子系統障礙度占比始終較大，且總體呈波動上升態勢，以2010 年為分水嶺，2010 年以前生態環境子系統障礙度始終處于相對穩定狀態，波動幅度不大；2010 年以后生態環境子系統障礙度振蕩顯著、波動頻繁，最大振蕩幅度達44.18%。水資源子系統以2011 年為分水嶺，與生態環境子系統不同的是，水資源子系統總體呈下降趨勢。而社會經濟子系統則以2015 年為分水嶺，在2015 年以前，社會經濟子系統障礙度始終處于相對穩定狀態，波動幅度不大；2015 年以后，社會經濟子系統障礙度振蕩顯著、波動頻繁，且在2016 年以后障礙度急劇下降，由2016 年的35.51%下降到2020 年的10.33%。說明未來要提升湖南省水資源承載力，必須給予水資源及生態環境子系統更多關注，協調平衡各子系統，確保湖南省水資源的可持續發展。

圖4 2006—2020 年湖南省水資源承載力各子系統障礙度變化趨勢

4 結 語

面對水資源短缺和水污染導致的水危機，評價湖南省水資源承載力，診斷障礙因子，可為湖南省合理開發利用水資源提供理論依據。本文基于GRA-TOPSIS模型構建水資源-經濟-生態三維指標體系，通過CRITIC-熵權進行組合賦權，并結合耦合協調度模型和障礙度模型對水資源承載力進行綜合評價。結果表明，2006—2020 年湖南省水資源承載力與耦合協調發展總體呈上升趨勢，但年際變化顯著，不同子系統增長幅度差異較大；影響水資源承載力提升的主要障礙因子為生活用水總量、人口自然增長率、廢水排放總量和除澇面積。

隨著湖南省水資源承載力的提升，水資源利用效率和效益明顯提高，但生態保護與生態建設的總體形勢依然嚴峻，生態環境保護面臨的任務十分艱巨，在水污染治理、生態紅線控制、土地資源退化治理等方面均有較大提升空間。與此同時，人口的增加也給水資源承載力的提升帶來了較大壓力，在今后的發展中，要做到水資源的合理配置、空間均衡。在促進社會和經濟發展的同時，也要注意保護生態環境，降低水環境污染，實現水資源與人口、經濟與生態的協調發展。