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水资源承载能力动态评估与驱动机制研究 based on time-weighted-varying VIKOR method and obstacle diagnosis model, revealing ecological water consumption and urbanization rate as key factors in Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration.
徐文涛|金俊良|张建云|舒张康|刘艳丽|朱柳军|关铁生|袁山水
中国河海大学国家水灾害防治重点实验室，南京，210098
摘要
研究和优化水资源承载能力（WRCC）是保障区域水资源安全和可持续发展的必然要求。现有的评估方法忽略了WRCC的时间动态性，而关于WRCC驱动机制的研究还不够全面，这限制了研究结果的参考价值。本研究构建了一种新的时间加权变分VIKOR方法来动态评估WRCC，并基于障碍诊断模型和最优参数地理检测器，揭示了WRCC的障碍因素和驱动因素。在京津冀城市群（BTH）进行了案例研究，以验证该方法的合理性和可靠性。研究结果表明：（1）熵-CRITIC方法可以更合理地分配权重，避免过于平均或极端的权重分布；（2）时间加权变分VIKOR能够准确捕捉BTH各城市WRCC的动态变化方向和速度，其中保定市的改善速度最快，天津市的多年变化范围最大；（3）“驱动-障碍”之间的二元耦合效应得到了全面解析。限制WRCC并导致BTH驱动力空间差异的最显著指标是生态用水量，其次是城市化率、人均GDP和次级生产比例。这些研究结果有助于决策者了解BTH地区WRCC的长期变化趋势，为优化区域水资源配置和水利用结构、改善生态环境、调整产业结构以及优化城市人口空间布局提供参考。
引言
水资源是人类生存的基础，也是国家可持续发展的生命线（Babaeian等人，2023年；Lu等人，2025年）。近几十年来，随着人口持续增长和经济的快速发展，全球水资源日益紧张（Salehi，2022年；Najafi等人，2023年）。水资源短缺已成为21世纪的主要挑战之一（Rosa和Sangiorgio，2025年）。据估计，约80%的世界人口在不同程度上面临水资源安全问题（Huang等人，2015年）。在中国，以经济增长为优先目标的传统粗放型发展模式导致了水资源供需矛盾、水质污染和地下水资源破坏等日益严重的问题。此外，长期缺乏节水意识、节水措施薄弱以及工业用水再利用率低等多种因素导致某些地区的水资源承载能力严重超负荷（Wang等人，2022b）。WRCC是指在保持良好生态环境和一定生活技术条件的情况下，区域水资源对社会经济发展的最大承载能力。2020年中国科学技术协会提出的十大前沿科学问题中，“如何在变化的环境中优化中国的WRCC以实现健康的区域水资源平衡”被列入其中（Zuo等人，2025年）。因此，研究和优化WRCC是国家水资源安全的必然要求，可以为区域水资源配置和可持续发展提供有益的参考（Yang和Chen，2024年）。
鉴于WRCC反映了区域水资源在社会、经济和生态多重压力下的韧性，其量化本质上是一个多标准决策（MCDM）问题（Duan等人，2025年）。许多研究使用了基于复杂指标系统的各种MCDM模型来评估WRCC（Yang等人，2019年；Zuo等人，2021年）。Dai等人（2024年）使用topsis方法评估了河南省的资源与环境承载能力，结果表明该方法能够有效反映研究期间的承载能力变化情况。Zhou等人（2025年）结合AHP和topsis方法研究了安徽省WRCC的时空变化规律，并验证了该方法的有效性和适用性。Yang和Chen（2024年）使用CRITIC和VIKOR方法评估了珠江三角洲的WRCC，并揭示了其阻碍因素。Xu等人（2024b）基于模糊综合评估方法评估了京津冀地区的WRCC并预测了其未来变化趋势。Liu等人（2022年）使用EFAST-cloud模型对河南省的WRCC进行了全面评估，证实该方法能够反映WRCC的随机性和模糊性。上述研究表明，MCDM模型在WRCC评估中取得了良好的应用效果。然而，MCDM模型得到的结果通常是研究期间WRCC的相对水平。因此，决策者通常需要对评估结果进行排序以获得各地区的相应排名。此外，上述方法常用于静态的月度或年度评估，无法反映WRCC的长期趋势和变化（Li等人，2025b）。因此，一些学者使用其他模型进行WRCC的动态评估。Chen等人（2022年）通过MCDM模型评估了山东省的资源承载能力，并利用马尔可夫链探讨了其时空动态特征。Wu等人（2025年）结合topsis和SWAT模型对秦淮河流域的WRCC进行了动态评估，并量化了人类活动对WRCC的影响。Wang等人（2021年）结合DSPERM和投影跟踪模型对滇池流域的WRCC进行了动态评估。Zhang等人（2025a）基于系统动态分析了柴达木盐湖的资源环境承载能力发展趋势。尽管上述研究涉及动态评估，但它们大多旨在预测未来的WRCC，未能反映区域WRCC的历史趋势和变化率。因此，有必要从MCDM模型本身出发，寻找一种分析评估值时间动态的方法，以便更清晰地了解WRCC的整体趋势和范围。
随着对WRCC的深入研究，仅评估WRCC已无法满足实际需求。因此，一些研究开始探索区域WRCC的驱动机制。Zhang和Dong（2022年）首次将WRCC与地理和时间加权回归（GTWR）相结合，分析了影响WRCC的主要因素。Chen等人（2023年）使用对数平均Divisia指数（LMDI）模型识别了黄河流域促进和削弱WRCC的因素。Li等人（2024年）和Xu等人（2024a）分别使用障碍诊断模型揭示了研究区域的WRCC障碍因素。Wang等人（2023b）使用地理检测器（GD）揭示了对WRCC有显著驱动作用的因素。上述研究采用了多种方法来探究区域WRCC的驱动因素，但大多数仅考虑了驱动或障碍效应的一个方面。此外，尽管GTWR模型可以显示每个因素在时间和空间上的驱动作用，但它本质上是一个回归模型。过多的自变量不仅会导致模型不稳定，还会掩盖某些因素的影响（Li等人，2025a）。对于LMDI，虽然它可以同时显示每个因素对WRCC的促进和抑制作用，但无法识别驱动因素的空间异质性（Chen等人，2025年）。障碍诊断模型仅关注每个因素对WRCC的障碍程度，未能显示每个因素的驱动作用（Kong等人，2025a）。对于GD，可以同时考虑单个因素和双因素交互的作用。然而，在处理连续变量时，GD的离散区间设置较为主观，导致结果无法准确反映每个因素的驱动作用大小（Shi等人，2025年）。因此，为了为实际工作提供更有价值的指导，有必要从驱动和障碍两个方面深入揭示区域WRCC的驱动机制。
总之，本研究旨在克服区域WRCC静态评估和驱动机制探索的局限性。研究框架如图1所示。建立了评估指标体系，并通过熵-CRITIC方法计算了指标权重。基于时间加权变分VIKOR模型动态评估了区域WRCC，以量化多年来的变化方向和速度。其次，基于障碍诊断模型和最优参数地理检测器（OPGD）探讨了WRCC的障碍因素和驱动因素。以京津冀地区为研究对象，验证了该方法框架的适用性。研究结果有助于决策者把握该地区WRCC的长期变化趋势，并制定有针对性的改进措施。这些结果还为优化区域水资源配置和水利用结构、改善生态环境、调整产业结构以及优化城市人口空间布局提供了参考。
研究区域和数据来源
京津冀地区由北京、天津及河北省其他11个城市组成（图2）。该地区是中国重要的经济引擎，也是全国主要的农业和工业区之一。其水资源状况对第一产业和第二产业的发展有显著影响（Chen等人，2022年）。然而，该地区的人均水资源远低于国际公认的“极端缺水线”（低于500立方米/人）
权重计算结果
权重通过熵-CRITIC方法、熵权重方法和传统CRITIC方法计算得出（图3）。结果显示，熵权重方法计算出的权重存在显著差异，尤其是X16的权重几乎是X19的35倍。这是因为在京津冀地区的13个城市中，X16的差异极为明显。特别是北京的X16值显著高于其他城市，从而导致熵权重的差异
合理性验证
为了验证本文提出的时间加权变分VIKOR方法的合理性，将其与Yang和Chen（2024年）提出的类似方法进行了比较（表7）。结果显示，这两种方法在该研究案例中存在显著差异。首先，该方法计算的WRCC变化趋势表明，京津冀地区所有城市的WRCC均呈改善趋势，而比较方法的结果则显示了改善和下降两种情况
结论
WRCC的研究是区域水资源安全和可持续发展的核心前提。然而，当前的研究未能考虑评估的时间动态性，且缺乏对驱动机制的全面研究，这严重限制了研究结果的实用参考价值。为了解决这些问题，本研究创新性地开发了一种时间加权变分VIKOR动态评估方法，并将障碍诊断模型与OPGD相结合
CRediT作者贡献声明
徐文涛：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件，方法论，概念化。金俊良：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源，项目管理，资金获取，概念化。张建云：验证，资源，资金获取。舒张康：可视化，软件，方法论。刘艳丽：可视化，方法论。朱柳军：软件。关铁生：可视化。袁山水：软件。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
我们衷心感谢以下机构的资助：国家自然科学基金（52525902、52279018、52121006）、中国工程院咨询研究项目（2025-PP-13）、中央高校基本科研业务费（B240201060、B210204014）、国家水灾害防治重点实验室（524015252、5240152M2）、国家水资源高效利用工程技术研究中心开放研究基金
