基于组合权重TOPSIS模...引黄受水区水资源承载力研究_张修宇.pdf

收稿日期:20230320基金项目:河南省重大公益科技专项(201300311500);河南省科技攻 关 项 目(212102311156);河 南 省 水 利 科 技 攻 关 项 目(GG202042);水利部黄河泥沙重点实验室开放课题基金项目(HHNS202005);河南省自然科学基金面上项目(222300420492)作者简介:张修宇(1978)，男，河南长垣人，教授，博士，硕士生导师，研究方向为水文水资源E-mail:zhangxiuyu ncwueducn【水资源】基于组合权重 TOPSIS 模型的河南省引黄受水区水资源承载力研究张修宇1，曹彦坤1，包添豪1，王贻森2，石峰3(1华北水利水电大学 水资源学院，河南 郑州 450046;2河南省人民胜利渠保障中心，河南 新乡 453003;3河南省豫东水利保障中心，河南 开封 475000)摘要:为确定河南省引黄受水区水资源承载力状况，构建了包括水资源、生态环境和经济社会 3 个准则的指标体系，采用基于AHP 法和 EWM 法组合权重的 TOPSIS 模型，对该区 20102021 年水资源承载力进行评价。结果表明:20102021 年河南省引黄受水区水资源承载力呈现上升态势，但水资源承载力等级整体偏低，大多数为级(临界)，均未达到级(可承载)水平;2021 年河南省引黄受水区水资源承载力障碍因子中供水模数影响最大，城市污水处理率影响最小;从水资源和生态环境准则来看，该地区水资源承载力还有很大提升空间，可以从加大水资源管理力度、加强节水宣传等方面加以改善。关键词:水资源承载力;TOPSIS 模型;组合权重;河南省引黄受水区中图分类号:TV2134文献标志码:Adoi:103969/jissn10001379202307014引用格式:张修宇，曹彦坤，包添豪，等基于组合权重TOPSIS 模型的河南省引黄受水区水资源承载力研究 J 人民黄河，2022，45(7):7378Assessment of Water esources Carrying Capacity of the Yellow iver Diversion Area in HenanProvince Based on TOPSIS Model with Combined WeightsZHANG Xiuyu1，CAO Yankun1，BAO Tianhao1，WANG Yisen2，SHI Feng3(1College of Water esources，North China University of Water esources and Electric Power，Zhengzhou 450046，China;2Henan Province People s Victory Canal Support Center，Xinxiang 453003，China;3Henan East Water Conservancy Security Center，Kaifeng 475000，China)Abstract:In order to determine the water resources carrying capacity of the Yellow iver diversion area in Henan Province，three criterialayers of water resources，ecological environment and economic society were built A TOPSIS model based on the combination of AHP andEWM weights was used to evaluate the comprehensive water resources carrying capacity of the area from 2010 to 2021 The results show thatfrom 2010 to 2021，the water resources carrying capacity of the Yellow iver diversion area in Henan Province shows an upward trend，butthe overall level of water resources carrying capacity is relatively lower，most of them are level III(critical)，but they have not reached levelI(bearable);In 2021，the water supply modulus has the greatest impact on the carrying capacity of water resources in the water diversion ar-eas of Henan Province，while the urban sewage treatment rate has the smallest impact;From the perspective of water resources and ecologicalenvironment standards，there is still a lot of room for improvement in the water resources carrying capacity of the region，which can be im-proved by increasing water resources management efforts and strengthening water-saving publicityKey words:water resources carrying capacity;TOPSIS model;combined weight;Yellow iver diversion area0引言水资源是一个地区不可或缺的重要自然资源。习近平总书记在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上强调“促进南北方协调发展，需要水资源的有力支撑”。全面落实“三新一高”(新发展阶段、新发展理念、新发展格局和高质量发展)战略要求，是现代化发展的必要条件，是治国安邦的大事1。因此，水资源短缺是迫切需要解决的问题。从 20 世纪 90 年代开始，国内外很多专家对水资源评价方法、评价模型进行了广泛的研究，例如:Kumar 等2 分析了气候变化条件下当前和未来的水资源供应情况，并确定水资源承载能力为尼泊尔卡斯基区可支持的最大社会经济规模;Wang Huadong 等3 采用主成分分析法，从水资源、水管理、工业发展、农业发展、社会发展、环境保护等方面构建了河北省水资源承载力评价指标体系;Hu Mengqi 等4 提出了一种结合水资源供需分析和 S 形曲线阈值分析计算区域水资源承载力的改进方法;Ji Juntao 等5 基于河南省水资源的实际状况，采用系统动力学方法，研究了河南省经37第 45 卷第 7 期人民黄河Vol45，No72023 年 7 月YELLOWIVEJul，2023济、人口、水资源、水环境 4 个子系统之间的关系;SunXiubo 等6 在构建水资源承载力研究评价指标体系的基础上，利用主客观赋权法将权重引入 TOPSIS 模型的欧氏距离计算中;左其亭7 在对研究方法对比分析的基础上，把水资源承载力计算方法分为经验公式法、综合评价法、系统分析法 3 大类，并重点介绍了基于模拟和优化的控制目标反推模型(COIM)方法及应用情况;张修宇等89 在全面剖析生态灌区复合系统的基础上，构建了基于生态的灌区水资源承载力计算模型。本文从水资源、生态环境和社会经济 3 个准则出发对河南省引黄受水区水资源承载力进行研究，以期为今后该地区水资源管理与可持续利用提供参考。1研究方法11指标体系的构建水资源承载力评价不仅要考虑地区水资源量，还要综合分析生态环境和经济社会两个方面。河南省引黄受水区人均水资源量远低于全国平均水平，且空间分布差异明显。结合引黄受水区水资源自然条件、生态环境状况、经济社会用水现状综合分析，参考相关研究10，最终选取 12 个指标(正向指标值越大越好，负向指标值越小越好)，构建水资源承载力评价指标体系(见表 1)。其中:水资源准则处于核心地位，反映区域水资源禀赋和发展水平，选择人均用水量、年降水量、人均水资源量、产水系数和供水模数 5 个指标;生态环境准则反映区域环境污染对水资源的影响，选择城市污水处理率、人均 COD 排放量和归一化植被指数 3 个指标;经济社会准则反映社会经济发展对水资源的影响，选择人均生活用水量、每公顷农田灌溉用水量、万元GDP 用水量、万元工业增加值用水量 4 个指标。表 1水资源承载力评价指标体系目标层准则层指标层指标属性水资源承载力水资源生态环境经济社会人均水资源量 A1/m3正向年降水量 A2/mm正向人均用水量 A3/m3负向产水系数 A4/%正向供水模数 A5正向城市污水处理率 B1/%正向人均 COD 排放量 B2/kg负向归一化植被指数 B3正向人均生活用水量 C1/m3负向每公顷农田灌溉用水量 C2/m3负向万元 GDP 用水量 C3/m3负向万元工业增加值用水量 C4/m3负向12指标权重确定121层次分析法层次分析(AHP)法是通过定性与定量相结合来确定指标权重的方法，适用于难以定量描述的决策问题1113。主要计算步骤如下。1)构造判断矩阵。采用 19 分标度法对指标进行判断，并确定判断矩阵 A=(akj)nn，其中:akj为第 k个指标与第 j 个指标的重要性对比值，范围一般在 1，9 之间，数字越大则该指标越重要;n 为指标个数。2)权重计算。计算判断矩阵的特征向量 w 和最大特征值max。指标权重计算公式为k=nnj=1akjnk=1nnj=1akj(1)max=1nnk=1(Aw)kwk(2)式中:k为 AHP 法指标权重，max为矩阵最大特征值，wk为特征向量 w 中的值。3)一致性检验分析。若一致性比率 C01，则说明判断矩阵通过一致性检验，反之则没有通过，需要调节判断矩阵 A 再次计算。122熵权法熵权法是一种客观赋权方法，不受主观因素的影响，但需要有大量数据。该方法利用熵值计算各指标间的相对离散程度，根据离散程度确定权重 1415，计算步骤如下。1)对数据归一化处理。先将负向指标进行正趋势化处理，然后再对各指标进行归一化处理:pij=xijmin xjmax xjmin xj(3)式中:pij为第 i 个样本第 j 个指标标准化后的值，xij为第 i 个样本第 j 个指标值，xj为第 j 个指标值。2)计算第 j 个指标的熵值 Ej。计算公式为Ej=1ln nni=1pijln pij(4)3)计算第 j 个指标权重 j。计算公式为j=1 Ejnj=1(1 Ej)(5)式中:j为熵权法指标权重。123组合权重AHP 法为主观赋权法，单独使用 AHP 法会有主观因素干扰，单独使用熵权法会忽略研究者对于指标的重视程度，因此采用 AHP 法和熵权法组合权重。组合权重 j计算公式为j=jjnj=1jj(6)47人 民 黄 河2023 年第 7 期13TOPSIS 评价模型TOPSIS 模型是根据评价对象与理想化目标的接近程度进行排序的一种评价方法。该方法利用原始数据求出最优解和最劣解，并求出样本与最优解和最劣解的加权欧氏距离，最终计算出样本与理想解的贴近度1618。主要步骤如下。1)对数据进行标准化处理，消除量纲影响，处理后得到无量纲决策矩阵P=(pij)mn(m 为样本个数)。2)确定最优解 T+和最劣解 T:T+j=max(p1j，p2j，pij)Tj=min(p1j，p2j，pij)(7)3)计算样本与最优解和最劣