邓全成，平建华，梅雪梅，吕 鹏，苗长汀
(1.郑州大学 水利科学与工程学院，河南 郑州 450001；
2.郑州大学 地热与生态地质研究中心，河南 郑州 450001；
3.郑州大学 生态与环境学院，河南 郑州 450001；
4.新乡市水利局，河南 新乡 453000)
水资源是支撑经济社会与生态环境协调发展的物质基础和首要条件[1-2]。随着城市化进程的加快，水资源短缺及供需矛盾引发了一系列的水资源安全问题[3-4]，对经济社会的发展形成障碍，对人类生存环境造成威胁，从而制约着区域的可持续发展[5]。
黄河流域生态保护和高质量发展已被提升为国家重大战略，对黄河流域的水资源规划管理和水安全保障体系的建设也有了新的要求[6]。新乡市作为沿黄地区的重要农业城市，农业是第一用水大户，引黄水是供水系统中的重要组成部分。进入新发展阶段，人们对生活水平有了新要求，生活和工业用水比例增大，各行业的水量分配矛盾愈加突出。如何协调新乡市各行业间的用水矛盾、优化地区的产业结构以实现人水和谐，是促进新乡市高质量发展亟待解决的问题。
水资源承载力是可持续发展理论在水资源领域的具体应用，也是度量区域社会经济发展受水资源制约的阈值[7-8]。水资源承载力的概念是指某一地区可被利用的水资源在某一具体的历史发展阶段，在保障生态环境绿色健康运行的前提下，水资源系统对社会经济所能承受的最大发展规模[9-11]。常用的水资源承载力指标体系是基于水资源-经济-社会-生态系统而构建的，如王正选等[12]建立了水资源-社会经济-生态环境子系统的指标体系；
屈小娥[13]建立了水资源、社会、经济、生态子系统的指标体系。在评价方法方面，融合了情景分析的TOPSIS(technique for order preference by similarity to an ideal solution)模型不仅可以融入决策者的思想[14]，还能充分利用原始数据的信息，客观充分地反映各方案之间的差距，且应用简便、思路清晰，比较适用于复杂系统的综合评价[15]。孙国营等[16]利用改进的TOPSIS-灰色关联方法研究了芜湖市的水资源承载力；
何刚等[17]采用TOPSIS模型测算了长江经济带11个省(市)的水资源承载力动态变化及区域差异；
傅春等[18]采用熵权-TOPSIS模型对江西省的水资源承载力进行了评价；
李少朋等[19]基于改进的AHP-TOPSIS模型评价了江苏省的水资源承载力状况。指标权重对评价结果的影响较大，为了综合主、客观权重法的优点，对指标合理赋权，不少学者用主、客观相结合的组合权重来进行指标赋权。左其亭等[20]采用AHP-熵权组合权重的TOPSIS模型从空间和时间维度上评价了黄河流域九省(自治区)的水资源承载力，并识别了障碍因子；
叶飞等[21]利用博弈论确定组合权重的TOPSIS模型研究了安徽省的水资源承载力。近年来，组合权重的TOPSIS模型已经应用于水资源承载力评价[22]、水资源配置[23]、水资源风险评估[24-25]等多个方面。对于新乡市水资源承载力的研究主要有宰松梅等[26]用支持向量机法对新乡市水资源承载力进行了整体性评价，但是缺乏考虑农业用水和外来水对新乡市水资源承载力的影响。
本文充分考虑地区农业用水量大和外调水占比高的独特性，以社会、经济、水资源和生态4个子系统为评价基础，构建新乡市水资源承载力评价指标体系，通过基于组合权重的TOPSIS模型分析新乡市2006-2018年水资源承载力的变化特征，运用障碍度模型对社会、经济、水资源和生态子系统内的指标进行障碍度计算，识别出了主要障碍因子，可为新乡市产业结构的调整以及节水政策和水资源中长期开发利用规划的制定提供科学依据。
2.1 研究区概况
新乡市地处河南省北部，总面积为7 198 km2(长垣市除外)，多年平均降水量为597.90 mm，多年平均水资源量为12.834 3×108m3。新乡市地处海河、黄河两大流域，其中黄河流域面积占比为48.3%。新乡市北部主要为山地和丘陵岗地，南部为平原区，地形平坦，约占全市面积的77%。新乡市概况如图1所示。研究区内大部分为农业灌区，除市区外，其他地区的农田灌溉用水量占比历年均在49%以上，引黄工程的供水量逐渐成为新乡市城市供水的重要水源，多年平均供水量占比约为40%。
图1 研究区新乡市概况(不包括长垣市)
2.2 数据来源及评价指标体系构建
本文所采用的数据资料来源于历年《新乡市水资源公报》以及新乡市统计年鉴。综合考虑研究区的实际情况以及评价指标的有效性，参照全国水资源供需分析中的指标，根据水资源承载力的定义和内涵，本研究将水资源承载力作为目标层，以水资源、社会、经济和生态作为准则层对新乡市的水资源承载力进行综合评价研究，准则层之间既独立，又相互影响，共同反映出区域水资源承载力的综合状况[27-28]。各准则层共选取20个具体评价指标作为指标层反映新乡市水资源承载力的特征信息，建立的新乡市水资源承载力评价指标体系见表1。
表1 新乡市水资源承载力评价指标体系
对表1中各评价指标的选取及意义说明如下。
水资源子系统：水资源子系统是水资源承载力综合评价的载体，选取指标时考虑水资源的自然禀赋条件的同时也要考虑研究区水资源开发利用的实际情况。人均水资源量和产水模数可以体现区域自然地理条件与水资源的协调程度；
供水模数指标反映了区域的供水状况；
引黄水量和引调水工程供水量占比等指标能够反映出区域内的供水结构及水资源的开发利用情况。
社会子系统：城镇化率则体现了社会发展水平与城乡结构；
人口密度反映了人口分布的疏密程度；
人口自然增长率反映的是区域内人口自然增长的趋势和速度；
人均日生活用水量则表征出社会-人口系统对水资源的需求数量；
城镇居民恩格尔系数能反映出城镇居民的消费水平。
经济子系统：指标选取要综合考虑发展规模和用水效率等。万元GDP用水量和万吨粮用水量等指标可以体现出水资源的经济效益；
第三产业产值占比可以体现出区域经济结构的优化程度；
农业灌溉耗水率和万元工业增加值用水量可以体现各产业的用水效率及各产业对水资源的依赖程度。
生态子系统：良好的生态系统可以促进水资源与经济社会的健康发展，而生态环境的恶化会使它们发展失衡。生态环境用水率可以体现该地区生态环境对水资源的依赖度；
污水排放量反映了水体和环境的受污染情况；
城市污水处理率在一定程度上可以反映出地区处理生态环境污染问题的能力；
而人均绿地面积和建成区绿化覆盖面积反映了地区的生态环境保护能力。
2.3 研究方法
(1)TOPSIS法。TOPSIS法是通过计算评价方案与正理想解和负理想解的加权欧氏距离来得到评价方案与最佳方案的接近程度，然后对众多评价对象整体排序进而确定相对优劣的评价方法。TOPSIS法在水资源承载力评价中的应用主要分为两种：一是直接用TOPSIS法进行水资源承载力评价[17]；
二是先用指标赋权法(如熵权法[27]、组合权重法[20]等)进行赋权，而后再用加权的TOPSIS法进行水资源承载力评价。
(2)权重方法。主观赋权法的随机性和权重偏差较大，而客观赋权法的客观性强，容易忽视决策者对指标的重视程度。为了弥补主、客观赋权法的缺点及不足，不少专家学者提出了组合权重方法进行指标权重计算。例如，将熵权法和改进的AHP(analytic hierarchy process)法结合[29]、改进的AHP法与变异系数法组合[30]、改进的熵权法与变异系数法组合[31]等。本文应用AHP法计算指标主观权重，用熵权法计算指标客观权重，然后用加法合成法和乘法合成法分别合成组合权重，最后再对两个组合权重进行均值化，得到最终的组合权重。
3.1 水资源承载力变化趋势及原因
3.1.1 评价指标权重及水资源承载力得分值计算 参考前人主观赋权时的成果和经验[12,15,20,32]和地区水资源管理部门在水资源管理与规划中对不同指标的重视程度，用层次分析法对各指标主观赋权，并进行一致性检验，用熵值法对指标客观赋权，并将两者进行组合得到指标权重，一致性检验结果及各指标权重分别见表2和3。本文采用组合权重值和评价指标来共同构造标准化决策矩阵，计算出2006-2018年新乡市水资源承载力各准则层及综合得分值，如表4所示。
表2 指标主观赋权一致性检验结果
表3 水资源承载力各评价指标权重计算结果
3.1.2 水资源承载力综合评价值变化趋势 根据表4绘制2006-2018年新乡市水资源承载力综合评价值变化曲线，如图2所示。综合表4、图2以及相关参数的计算结果，对新乡市水资源承载力综合评价值的变化趋势分析如下。
(1)2006-2018年新乡市水资源承载力综合评价值整体呈波动上升的态势，综合评价值从2006年的0.169 5提升到了2018年的0.746 5，仅在2012和2017年有小幅度的下降。其中2017年为枯水年，新乡市的人均水资源量和产水模数为研究期间最低值，分别为182.38 m3和12.67×104m3/km2，但农业灌溉耗水率达到了95.85%，为研究期间的最大值，第三产业产值占比也小于2016和2018年，导致该年份水资源承载力综合评价值有所降低。
(2)2006-2010年为“十一五”规划期，工业化和城镇化发展迅速，社会经济规模不断扩大，水资源短缺以及用水水平对经济社会发展的限制作用逐渐凸显，该阶段新乡市的水资源承载力综合评价值相对较低；
2011-2015年为“十二五”规划期，我国经济高速发展，城镇化进程继续加快，水资源用水水平和生态环境状况制约了经济社会的发展，使得这一期间新乡市水资源承载力综合评价值提升速度较为缓慢；
2016-2018年在“十三五”规划期间，我国提出经济新常态发展思路和经济高质量发展理念，水资源用水水平不断提高，生态环境保护也得到了改善，新乡市水资源承载力综合评价值总体提升速度明显加快，只是由于前述原因，2017年评价值略有降低。
表4 2006-2018年新乡市水资源承载力各准则层及综合评价值
图2 2006-2018年新乡市水资源承载力综合评价值变化曲线
3.1.3 各子系统水资源承载力评价值变化趋势 图3为2006-2018年新乡市各子系统水资源承载力评价值变化曲线。结合相关参数的计算结果对图3分析如下。
(1)2006-2018年新乡市水资源子系统承载力的评价值波动较大，基本呈“W”型变化趋势。其中2006-2007、2011-2013、2014-2015和2016-2018年评价值下降，2007年降低至0.189 2，为研究期间的最低值；
2007-2011、2013-2014和2015-2016年评价值提升，2016年增长至0.656 6，为研究期间最高值。导致2007年水资源承载力下降的主要原因是该年份供水模数减小至19.62×104m3/km2，为研究期间最低值；
2013年水资源承载力下降的主要原因是人均水资源量和产水模数较低，产水模数为研究期间最低值11.91×104m3/km2；
2017和2018年水资源承载力下降的主要原因是虽然这两年的供水模数有所增加，但人均水资源量和产水模数较低，2017年人均水资源量和产水模数为研究期间最低值，分别为182.38 m3和12.67×104m3/km2。评价指标的变化导致了水资源子系统承载力评价值出现波动。
图3 2006-2018年新乡市各子系统水资源承载力评价值变化曲线
(2)2006-2018年新乡市社会子系统承载力的评价值趋于稳定，基本保持在0.4～0.6之间。这主要是因为城镇化虽带动了社会整体发展，提高了生活水平，但同样也带来了人口压力和用水压力。城镇化率从2006年的36.3%增长到54.3%；
人口密度在2018年时增加到了697人/km2，比2006年的645人/km2增加了8.1%；
2018年人均日生活用水量为184.3 m3，比2006年的110.0 m3增加了67.5%。因此，导致社会子系统承载力的评价值稳定在一定的范围里。
(3)研究期间，新乡市经济子系统承载力评价值呈增大趋势，2006年其值最低，为0.241 0；
2018年达到最高值，为0.940 4。这是由于万元GDP用水量等用水效率指标得到明显提高，同时，产业结构的调整与优化使第三产业产值占比由2006年的36%增加到了2018年的51%，农田灌溉亩均用水量在2018年减少至244.05 m3，比2006年的283.65 m3减少了14.0%。因此，经济子系统承载力提升程度大。
(4)2006-2018年新乡市生态子系统的承载力呈上升趋势。2006年其值最低，为0.112 6；
2018年达到最高值，为0.906 4。这主要是由于近年来人们的环保意识不断加强，生态环境用水量明显增加，生态环境用水率从2006年的0增加到了2018年的6.81%；
2018年建成区绿化覆盖面积增加到了5 005 hm2，比2006年的3 535 hm2增加了41.6%，绿地涵养能力明显提高。同时，城市污水处理能力也得到提升，2018年的污水处理率相比于2006年提升了32.09%，水生态治理方面的投资逐渐增加，生态承载力得到提升。但是，由于新乡市生态系统的脆弱性，生态保护工作仍须高度重视，持之以恒。
3.2 水资源承载力障碍度分析
为了辨识出新乡市水资源承载力的主要影响因素，引入了障碍度诊断模型，因子的障碍度值越大，说明该因子对水资源承载力的阻碍作用越强。通过计算选出障碍度较高的12个评价指标作为障碍因子进行识别分析，2006-2018年新乡市水资源承载力主要障碍因子障碍度变化曲线见图4。在图4所示的12个障碍因子中，人均水资源量、产水模数、供水模数、引黄水量、引调水工程供水量占比等指标属于水资源维度；
生态环境用水率、城市污水处理率、建成区绿化覆盖面积和污水排放量等指标属于生态环境维度；
万元GDP用水量、第三产业产值占比和城镇化率等指标属于社会、经济维度。由图4可知，阻碍新乡市水资源承载力发展的主要因子集中在水资源和生态环境维度，其中，生态环境用水率为阻碍水资源承载力提升的第一障碍因子；
产水模数为第二障碍因子；
供水模数、引黄水量和城市污水处理率为第三障碍因子。
图4 2006-2018年新乡市水资源承载力主要障碍因子障碍度变化曲线
在水资源维度方面，新乡市需要积极进行引黄调蓄工程的续建及改造工作，提高引黄水量的利用率，以增加新乡市的可利用水量，减少地下水用量，缓解地下水超采压力。同时，需要进行节水型城市建设，提高水资源的利用率；
在生态环境维度方面，应控制生态环境用水量，提高城市污水处理能力，提高中水回用率；
在社会、经济维度方面，应积极调整优化产业结构，提高用水效率。
(1)指标选取方面：林龙圳等[27]选择了水土保持综合治理面积、人工造林面积等能反映沙漠地区特征的指标；
田相俊等[33]选择了矿区氟化物超标、矿区地下水位变化等能反映矿区特征的指标。本文选取了引黄水量、引调水工程供水量占比、农业灌溉耗水率和人均绿地面积等指标，这些指标能反映出研究区引黄灌区和农业发展城市等特征。一是因为新乡市临近黄河，区内引黄灌区较多，是农业发展大市。同时，引黄供水量的占比也在38%～51%，引黄水量的利用直接影响新乡市的供水能力以及农业的发展。同时，引黄水利用率的提升和农业灌溉耗水率的降低，可以用引黄水量置换当地超采的地下水，缓解当地的水资源压力；
二是因为新乡市作为农业大市，耕地面积约占总面积的40%，绿化覆盖面积和绿地面积较少，增加绿化面积能减弱生态脆弱性。所以，水资源承载力评价时选取的指标符合新乡市当前水资源开发利用的现状以及社会经济发展的要求。
(2)指标权重方面：李少朋等[19]认为影响水资源承载力的影响因素主要集中在水资源和生态环境子系统；
左其亭等[20]认为产水模数是影响黄河流域水资源承载力发展的首要障碍因子。本文中生态环境用水率和产水模数的指标权重分别为0.25和0.11，相比其他指标的权重值偏大。通过指标回溯可知，最近几年新乡市进行水生态文明城市建设试点工程，生态环境用水量逐年增加，生态环境用水率从2006年的0增加到了2018年的6.81%；
新乡市属于资源型缺水，社会经济发展对水资源的依赖性仍然很强，水资源承载力在丰、枯水年的变化波动依然很大。在面对极端缺水的情况时，应急水源的保障能力仍需提高，供水结构还需要优化调整。同时，引黄水量的分控管理措施不够，引黄水量占总供水的比例虽大，但对于新乡市的水资源承载力的提升没有发挥到应有的作用，引黄水量指标权重对于水资源承载力提升的贡献率相对较小。
(1)采用组合权重的TOPSIS模型对新乡市水资源承载力进行综合评价的结果表明，新乡市水资源承载力评价值从2006年的0.169 5提升至2018年的0.746 5，水资源承载力整体上逐渐增强。
(2)障碍度模型分析结果显示，阻碍新乡市水资源承载力发展的障碍因子主要集中在水资源和生态环境系统。生态环境用水率为阻碍水资源承载力提升的第一障碍因子；
产水模数为第二障碍因子；
供水模数、引黄水量和城市污水处理率为第三障碍因子。
(3)新乡市要加强水资源管理，优化各产业用水结构，大力推进全社会节水，精准施策，精细化用水过程，提升引黄水的利用率，继续推进建设引黄设施的安全保障体系，科学开展生态保护与修复工程，合理进行生态补水，逐步消除环境风险，以进一步提升地区的水资源承载能力。
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