基于DPSIR模型的水土資源承載力評價

李天霄，付 強*，彭勝民

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與建筑學(xué)院，哈爾濱 150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生學(xué)院，哈爾濱 150030）

水土資源是人類賴以生存、發(fā)展的基本資料，對區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。在全國糧食生產(chǎn)重心“北進東移”的格局背景下，黑龍江省齊齊哈爾市在黑龍江省“千億斤糧食產(chǎn)能工程”中占有舉足輕重的地位。研究齊齊哈爾地區(qū)水土資源承載能力，提高水土資源綜合生產(chǎn)潛力，既是推進振興東北“老工業(yè)”基地戰(zhàn)略的重要途徑，也是保障國家食物安全的必然要求。

基于DSPIR模型建立齊齊哈爾市水土資源承載力評價指標(biāo)體系，采用基于實數(shù)編碼加速遺傳算法優(yōu)化的投影尋蹤評價模型對齊齊哈爾市水土資源承載力進行評價，以期為齊齊哈爾市水土資源可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 水土資源承載力的內(nèi)涵

目前關(guān)于水土資源承載力（Water resources carrying capacity，WRCC）的內(nèi)涵，研究大多側(cè)重于單項資源承載力[1-3]，而將水、土資源承載力融合在一起研究的較少。其中：水資源承載力研究具有代表性的是惠泱河等[2]提出，認(rèn)為水資源承載力是指在某一具體的歷史發(fā)展階段下，以可預(yù)見的技術(shù)、經(jīng)濟和社會發(fā)展水平為依據(jù)，以可持續(xù)發(fā)展為原則，以維護生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展為條件，經(jīng)過合理的優(yōu)化配置后，水資源對該地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展的最大支撐能力；土地資源承載力研究具代表性是藍(lán)丁丁等[3]提出，認(rèn)為土地資源承載力是指在一定時期，一定空間區(qū)域，一定的社會、經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境條件下，區(qū)域土地資源所能承載的人們各種活動的規(guī)模和強度的閾值。綜合上述兩個概念，本文認(rèn)為水土資源承載力是指在一定的時間和空間范圍內(nèi)，以可預(yù)見的技術(shù)和社會經(jīng)濟發(fā)展水平為依據(jù)，以可持續(xù)發(fā)展為原則，以維持生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)為條件，通過水土資源的合理化配置，區(qū)域水土資源所能承載的社會主體各種活動的規(guī)模和強度閾值。

2 基于DPSIR模型的水土資源承載力評價指標(biāo)體系構(gòu)建

在區(qū)域水土資源承載力評價研究中，學(xué)者設(shè)計了許多概念模型或研究框架，如PSR壓力-狀態(tài)-響應(yīng)框架（Pressure-State-Response Framework）[4]等，用于區(qū)域水土資源監(jiān)測與分析、資源管理與政策制定。這些概念模型一般都提供了明確的思路、原則、方法和框架，幫助選擇相關(guān)要素和指標(biāo)、組織數(shù)據(jù)或信息，能夠保證重要的要素和信息不被忽略，以全面分析、解決環(huán)境或可持續(xù)發(fā)展問題。雖然PSR概念模型能清晰的表征一個系統(tǒng)中的因果鏈，但是它不能把握系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和決策過程。而且，模型中的三個指數(shù)特別是響應(yīng)指數(shù)依賴于研究人員的直覺以及建立的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，不適于處理復(fù)雜的反饋系統(tǒng)。因此，學(xué)者又提出了DPSIR模型（Driving Force-Pressure-State-Impact-Response Framework，驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)框架），該模型很好的彌補了PSR模型的不足和缺陷，在資源、人口、環(huán)境與農(nóng)業(yè)發(fā)展研究中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[5]。

2.1 DPSIR模型

DPSIR模型是一種在環(huán)境系統(tǒng)中廣泛使用的評價指標(biāo)體系概念模型，它將表征一個自然系統(tǒng)的評價指標(biāo)分成驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、影響和響應(yīng)五種類型，每種類型中，又分成若干種指標(biāo)[6]。

在DPSIR模型中，“驅(qū)動力”是指造成環(huán)境變化的潛在原因；“壓力”是指人類活動對其緊鄰的環(huán)境以及自然環(huán)境的影響，是環(huán)境的直接壓力因子，例如：廢物排放、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等；“狀態(tài)”是指環(huán)境在上述壓力下所處的狀況，如污染水平、土地退化程度等；“影響”是指系統(tǒng)所處的狀態(tài)反過來對人類健康和社會經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的影響；“響應(yīng)”過程表明人類在促進可持續(xù)發(fā)展進程中所采取的對策，如提高資源利用效率、減少污染、增加投資等措施[7]。

2.2 評價指標(biāo)體系構(gòu)建

根據(jù)前述DPSIR模型的理論，同時結(jié)合區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展特點，建立齊齊哈爾市水土資源承載力評價指標(biāo)體系。為了有效的評價齊齊哈爾市水土資源承載力狀況，本文構(gòu)建了具有三個層次的齊齊哈爾市水土資源承載力評價指標(biāo)體系。該指標(biāo)體系第一層是目標(biāo)層，即齊齊哈爾市水土資源承載力水平；第二層是影響因素層，包含驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、影響和響應(yīng)五個影響因素；第三層是指標(biāo)層，包含5個影響因素中的24個細(xì)分因子。各指標(biāo)的定義見表1所示。

2.3 評價指標(biāo)體系信度分析

信度分析（Reliability analysis）就是用于評價統(tǒng)計指標(biāo)體系作為測量工具的穩(wěn)定性或可靠性。具體來說就是運用統(tǒng)計指標(biāo)體系對事物進行測量時，所得到結(jié)果的一致性程度。它一般用信度系數(shù)來評價，信度系數(shù)越大，表明測量的可信程度越大。學(xué)者DeVellis認(rèn)為，0.60～0.65（最好不要）；0.65～0.70（最小可接受值）；0.70～0.80（相當(dāng)好）；0.80～0.90（非常好）。本文將采用目前最為常用的克倫巴赫a信度系數(shù)法（Cronbach's Alpha）對該指標(biāo)體系進行信度分析[8]其計算公式為：

表1 齊齊哈爾市水土資源承載力評價指標(biāo)定義Table 1 Evaluation index definition of soil and water resources carrying capacity in Qiqihar

表2 齊齊哈爾市水土資源承載力評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值（2007）Table 2 Evaluation index standardization values of soil and water resources carrying capacity in Qiqihar(2007)

表3 齊齊哈爾市水土資源承載力評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值（2008）Table 3 Evaluation index standardization values of soil and water resources carrying capacity in Qiqihar(2008)

表4 齊齊哈爾市水土資源承載力評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值（2009）Table 4 Evaluation index standardization values of soil and water resources carrying capacity in Qiqihar(2009)

表5 齊齊哈爾市水土資源承載力評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值（2010）Table 5 Evaluation index standardization values of soil and water resources carrying capacity in Qiqihar(2010)

表6 指標(biāo)可信度分析結(jié)果Table 6 Reliability index results

表7 Hoteling's T2檢驗結(jié)果Table 7 Hoteling's T2 test results

由表6可知，各年度未標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)項的Cronbach's Alpha值僅在0.01～0.03之間波動，指標(biāo)的可信度較差，但是各年度標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)項的Cronbach's Alpha最小值已達(dá)到0.912，各年度指標(biāo)的可信度較高，指標(biāo)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化對指標(biāo)可信度的影響較大，在客觀評價中發(fā)揮重要的作用。從表7看出，各年度24項指標(biāo)的數(shù)據(jù)均通過Hotelling的T2檢驗，指標(biāo)項目間平均得分的相等性成立。因此所構(gòu)建的齊齊哈爾市水土資源承載力評價指標(biāo)體系，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理后，可信度高，項目間平均得分的相等性好，能夠客觀的評價齊齊哈爾市水土資源承載力。

3 齊齊哈爾市水土資源承載力評價

3.1 基于RAGA的PPE模型建模思路

近幾年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，投影尋蹤技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于環(huán)境、農(nóng)業(yè)、生命及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中的評價、聚類、預(yù)測問題的求解。因此，為了加強齊齊哈爾市水土資源科學(xué)管理的力度，本文嘗試采用基于RAGA的PPE模型對齊齊哈爾市水土資源承載力進行評價，其主要建模思路如下：

步驟1：樣本評價指標(biāo)集的歸一化處理。

步驟2：構(gòu)造投影指標(biāo)函數(shù)。

步驟3：優(yōu)化投影指標(biāo)函數(shù)。

步驟4：優(yōu)序排列。

基于RAGA的PPE模型具體的建模過程參見文獻[9]。

3.2 齊齊哈爾市水土資源承載力評價模型構(gòu)建

根據(jù)前述理論，將表2～5數(shù)據(jù)作為模型的輸入，構(gòu)造投影指標(biāo)函數(shù)，采用模擬生物優(yōu)勝劣汰與群體內(nèi)部染色體信息交換機制的基于實數(shù)編碼的加速遺傳算法（RAGA）來解決此高維全局尋優(yōu)問題。用MATLAB2009a編程求解，在RAGA求解過程中，選定父代初始種群規(guī)模為n=400，交叉概率為pc=0.8，變異概率pm=0.8優(yōu)秀個體數(shù)目選定為20個，α=0.05，最大加速次數(shù)為20。由于遺傳算法子程序中隨機數(shù)函數(shù)的存在，導(dǎo)致每次的運行結(jié)果不盡相同，為了最大限度獲取投影指標(biāo)函數(shù)最大值，設(shè)定程序運行50次，取50次中的最大值作為投影指標(biāo)函數(shù)的最大值，對應(yīng)的投影方向為最佳投影方向。投影指標(biāo)函數(shù)值變化曲線見圖1。

圖1 投影指標(biāo)函數(shù)值變化曲線Fig.1 Projection index function value curve

由圖1可知，程序運行第17次結(jié)果為投影指標(biāo)函數(shù)最大值，對應(yīng)的最佳投影方向為：

對應(yīng)的齊齊哈爾市各年度各行政區(qū)水土資源承載力評價樣本的投影值（評分值）為：

3.3 齊齊哈爾市水土資源承載力評價

將投影值從大到小進行排序，即可得到各年度齊齊哈爾市各行政區(qū)水土資源承載力排序。具體評價結(jié)果為：

2007：市區(qū)＞甘南縣＞龍江縣＞富?？h＞克東縣＞泰來縣＞依安縣＞訥河市＞克山縣＞拜泉縣

2008：市區(qū)＞泰來縣＞甘南縣＞龍江縣＞富?？h＞依安縣＞訥河市＞克東縣＞拜泉縣＞克山縣

2009：市區(qū)＞依安縣＞泰來縣＞甘南縣＞龍江縣＞訥河市＞富?？h＞克東縣＞克山縣＞拜泉縣

2010：市區(qū)＞訥河市＞泰來縣＞依安縣＞甘南縣＞富?？h＞克山縣＞拜泉縣＞克東縣＞龍江縣

由于本文對齊齊哈爾市各行政區(qū)水土資源承載力進行評價時所選指標(biāo)較多，所以未對水土資源承載力各評價指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值進行設(shè)定，即水土資源承載力評價標(biāo)準(zhǔn)等級。本文所評價的齊齊哈爾市各行政區(qū)水土資源承載力是一個相對等級，即在齊齊哈爾市行政區(qū)范圍內(nèi)，某一市縣相對于其他市縣的水土資源承載力較高或較低。

由上述評價結(jié)果可知：齊齊哈爾市市區(qū)各年度的水土資源承載力均為最高，而拜泉縣2007和2009年的水土資源承載力最低、2008年克山縣水土資源承載力最低、龍江縣2010年水土資源承載力最低，其他各市縣各年度承載力等級均有一定幅度的變化。這與各市縣采取不同的水土資源利用措施以及政策傾向等因素有關(guān)。因此，從2010年的評價結(jié)果來看，齊齊哈爾市市區(qū)的水土資源開發(fā)潛力要比其他各市縣大，其中龍江縣的水土資源開發(fā)潛力最小。為了進一步提高區(qū)域水土資源承載力，應(yīng)該加大科技投入，特別是農(nóng)業(yè)，應(yīng)該進行種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，以促進水土資源的最優(yōu)化配置。

4 結(jié)論

本文在總結(jié)以往水資源承載力和土地資源承載力內(nèi)涵研究的基礎(chǔ)上，提出了水土資源承載力的概念。同時，基于DPSIR概念框架構(gòu)建了齊齊哈爾市水土資源承載力評價指標(biāo)體系，通過克倫巴赫a信度系數(shù)分析，標(biāo)準(zhǔn)化后的各年度指標(biāo)體系具有較高的信度，進而為齊齊哈爾市水土資源承載力評價奠定基礎(chǔ)。采用基于RAGA的PPE模型對2007～2010年齊齊哈爾市區(qū)及所屬9個市縣水土資源承載力進行了評價，得出齊齊哈爾市水土資源承載力相對等級排序。結(jié)果表明，2007～2010年齊齊哈爾市市區(qū)的水土資源開發(fā)潛力要比其他各市縣大，其他各市縣的承載力等級具有一定幅度的波動。研究成果不僅可以為齊齊哈爾市水土資源可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)，同時也可為政府相關(guān)部門進行水土資源規(guī)劃提供借鑒。

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