基于D數(shù)理論的衡水市水生態(tài)安全評(píng)價(jià)

(河北省衡水水文水資源勘測(cè)局 河北 衡水 053000)

水生態(tài)系統(tǒng)是聯(lián)結(jié)地球土壤圈、巖石圈、大氣圈、生物圈四大圈層的紐帶，作為最具生物活性和景觀多樣性的生境之一，水生態(tài)安全是區(qū)域生態(tài)安全的基礎(chǔ)，對(duì)維系區(qū)域生態(tài)要素?cái)?shù)質(zhì)量穩(wěn)定演進(jìn)乃至人地可持續(xù)發(fā)展起著重大作用[1～2]。源于人口增加、城鎮(zhèn)化、工業(yè)化等社會(huì)發(fā)展進(jìn)程，加之氣候暖干化的演變，一方面水資源穩(wěn)定性供應(yīng)源不斷萎縮，另一方面需水缺口逐漸增大，再者水污染、浪費(fèi)等現(xiàn)象無疑為本就脆弱的水環(huán)境系統(tǒng)加劇了隱患。時(shí)至今日，水生態(tài)安全問題在全球和局部地區(qū)日益凸顯，例如江河斷流、河湖退化、濕地消失、地下水下降、地表干化、水生物多樣性銳減等[3]。鑒于我國(guó)巨大的人口壓力以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展壓力，我國(guó)面臨的水生態(tài)危機(jī)前所未有，并成為限制可持續(xù)發(fā)的主要因素之一[4]。為更好地認(rèn)識(shí)區(qū)域水生態(tài)安全格局，學(xué)者們從水資源承載力、水環(huán)境健康、水生態(tài)安全的角度進(jìn)行了系列研究，通過構(gòu)建水生態(tài)評(píng)價(jià)框架對(duì)水生態(tài)安全質(zhì)量進(jìn)行量化，并指出水資源本底環(huán)境是水生態(tài)安全的主體，人為活動(dòng)則是水生態(tài)安全隱患的重大隨機(jī)因素[5～6]。衡水市地處我國(guó)華北半干旱地帶，水資源匱乏難以滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展、居民生活需要，籍此探討2005—2015年衡水市水生態(tài)安全演化趨勢(shì)，以期為水資源保護(hù)和規(guī)劃提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

衡水市地處黃淮海平原腹地、河北省東南，東臨齊魯、西界燕趙、北望京津、南連邢臺(tái)，區(qū)域面積8 815 km2。源于沖擊而成的平原，形成了緩崗、洼地、平地等地貌形態(tài)，全局地勢(shì)和緩，海拔高度介于18～40m，地勢(shì)自西南向東北緩慢傾斜，地形坡度介于1/4 000～1/10 000之間。區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，全年冷暖干濕差異明顯，冬夏稍長(zhǎng)、春秋短處而舒爽，雨熱同期，冬季受西伯利亞冷高壓控制，干燥而寒冷；夏季受太平洋副熱帶高氣壓帶影響，潮溫悶熱，多年平均降水量524.8 mm，年平均氣溫12.6℃，年均蒸發(fā)量1 557 mm，無霜期200 d，大于10℃的有效積溫在2 400℃～3 500℃之間，平均日照時(shí)數(shù)高達(dá)2 600 h。區(qū)域自然災(zāi)害以干旱為主，常有低溫、大風(fēng)、冰雹、洪澇等災(zāi)害發(fā)生。區(qū)域水系較為稀疏，發(fā)育有潴龍河、南運(yùn)河等9條較大河流，均屬于海河水系。土壤類型以潮土為典型土壤，富含有機(jī)質(zhì)和氮素，為華北地區(qū)重要棉糧生產(chǎn)地，土地利用以耕地為主，占總面積64.6%，林草僅為2%。

1.2 研究數(shù)據(jù)來源

本文研究時(shí)域?yàn)?005—2015年，鑒于時(shí)間序列和相關(guān)指標(biāo)需要，基本數(shù)據(jù)處理、熵權(quán)計(jì)算、D數(shù)融合在Excel 2016和Matlab2016R中進(jìn)行。

1.3 基于D數(shù)的水生態(tài)評(píng)價(jià)方法

1.3.1 D數(shù)理論

基于目標(biāo)變量的多維復(fù)雜性與決策者對(duì)其認(rèn)知的不確定性，Dempster-Shafer(D-S)模型[20]以維數(shù)互不相容為準(zhǔn)則建立起目標(biāo)識(shí)別框架，從而運(yùn)用模糊數(shù)解決各維度元素關(guān)聯(lián)與信息不完全的多準(zhǔn)則問題。在DS理論基礎(chǔ)上，上海交通大學(xué)鄧勇[7]教授提出了一種新的處理不確定信息的決策方法D數(shù)，概念如下[8]：

非空集合Θ=F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)n滿足i，j=∈[1，2，…，n]其中，i≠j，F(xiàn)i≠Fj則存在D數(shù)的映射關(guān)系：D～F2→Θ[0，1]，滿足

(1)

式中：D為Θ的一子集，信息完全度用Q表示，若Q值為1，則表明D數(shù)表達(dá)的信息是完全的，反之信息不完全。

D數(shù)具有置換不變性，設(shè)D1={(b1，v1)，(b2，v2)，…，(bn，vn}和D2={(bn，vn)，(bn-1，vn-1)，…，(b1，v1}，則有D1=D2

D數(shù)融合法則如下，D=D1⊕D2，則D(b)=v，其中

(2)

(3)

C=

(4)

1.3.2 D數(shù)理論融合處理指標(biāo)屬性

對(duì)各維度評(píng)估的級(jí)別分為：{I安全，II較安全，III一般安全，IV較不安全，V不安全}，其對(duì)應(yīng)的函數(shù)值為{5，4，3，2，1}在考慮各維指標(biāo)原始屬性值大小的基礎(chǔ)上，請(qǐng)k個(gè)專家進(jìn)行D數(shù)評(píng)估，得到如下D數(shù)矩陣[9]：

(5)

例如：對(duì)2005年衡水市的年降水量這一維度，專家40%認(rèn)為其屬于V級(jí)，50%認(rèn)為屬IV級(jí)，尚有10%不確定；對(duì)于其堤防里程，專家100%認(rèn)為其處于I級(jí)，以此類推。通過D數(shù)融合規(guī)則，對(duì)k個(gè)專家意見進(jìn)行綜合，得到綜合評(píng)價(jià)矩陣D，并經(jīng)過信任度R排序之后從小到大依據(jù)規(guī)則進(jìn)行D數(shù)融合。

(6)

其中

(7)

不同專家信任度排序依次為：R1

1.3.3 基于熵權(quán)-D數(shù)模型的水生態(tài)安全評(píng)價(jià)

經(jīng)上述熵權(quán)計(jì)算和D數(shù)矩陣構(gòu)建后，依據(jù)熵權(quán)信息確定指標(biāo)重要性程度，進(jìn)而規(guī)范D數(shù)融合順序，故而基于熵權(quán)—D數(shù)模型的融合規(guī)則如下[10]：

Di=(wλ1，Diλ1)⊕(wλ2，Diλ2)⊕…⊕(wλk，Diλk)

(8)

式中：wλk，Diλk分別表示從小到大排序的第k個(gè)權(quán)重值以及對(duì)應(yīng)的D數(shù)值。據(jù)此得到：

D=[D1⊕D2⊕…⊕Dk]T

(9)

在此基礎(chǔ)上，將各維指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果所得D數(shù)Di利用式(4)進(jìn)行集成，得到集成值I(Di)，即為該年度水生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果。

1.3.4 熵權(quán)法

熵權(quán)法(Entropy-weight Method)根據(jù)目標(biāo)對(duì)象各維屬性值的變異程度計(jì)算出各維的信息熵，再通過熵權(quán)進(jìn)行客觀賦權(quán)。相比于層次分析法、因子分析法、模糊隸屬度等，熵權(quán)法以屬性值信息熵的大小度量維度重要性，權(quán)值精度更高，對(duì)變量維度的解釋更具科學(xué)性[11]。其計(jì)算公式如下：

(10)

(11)

根據(jù)上式計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重，如表1所示。

1.3.5 衡水市水生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)框架與權(quán)重

水生態(tài)安全是對(duì)人-水之間關(guān)系的能動(dòng)反映，其表征了水生態(tài)系統(tǒng)自身涵養(yǎng)能力和社會(huì)服務(wù)能力，以及人類社會(huì)對(duì)水環(huán)境的響應(yīng)。從這各角度出發(fā)，我們將影響水生態(tài)安全的因素劃分為3個(gè)層次：經(jīng)濟(jì)社會(huì)、水資源然環(huán)境、人類活動(dòng)。經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展進(jìn)程給水資源環(huán)境帶來嚴(yán)峻壓力，斜坡水環(huán)境遭受退化從而影響人類生存發(fā)展，為改善這一不利局面，人類則采取積極行動(dòng)維護(hù)水資源安全、改善自然環(huán)境。據(jù)此建立的指標(biāo)框架可以深刻地解析人類社會(huì)對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的依賴性與脅迫性，以及水資源承載力受自身恢復(fù)能力與外界干擾的影響，直觀闡明了多維影響因素間作用機(jī)理，指標(biāo)體系如表所示。

表1 衡水市生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

注：正指標(biāo)即指標(biāo)數(shù)值越大，生態(tài)越安全，負(fù)指標(biāo)則相反。

2 衡水市水生態(tài)安全分析

2.1 水生態(tài)安全評(píng)價(jià)綜合指數(shù)與各指標(biāo)之間的關(guān)系

如圖1所示，雷達(dá)圖能夠直觀反映衡水市水生態(tài)安全與各指標(biāo)維度之間的關(guān)系。從貢獻(xiàn)比來看，人均用水量、森林覆蓋率均超過6%，是影響水生態(tài)安全的首要因素，人口壓力是水生態(tài)安全面臨嚴(yán)峻格局的本因，龐大的用水需要一旦超過了水資源承載力，則會(huì)引發(fā)水生態(tài)系統(tǒng)退化；而森林具有涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候的作用，對(duì)區(qū)域水資源起著保蓄功能。人口密度、農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)比、水資源總量、保護(hù)區(qū)面積率、水土保持治理率的貢獻(xiàn)率介于4%～6%之間，它們對(duì)區(qū)域水生態(tài)安全具有重要意義。

圖1 衡水市水生態(tài)安全評(píng)價(jià)綜合指數(shù)與各指標(biāo)之間的關(guān)系

2.2 衡水市水生態(tài)安全指標(biāo)層解析

水資源承載力取決于區(qū)域水生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力與人口社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的脅迫性，良性的外部援助等也具有一定積極作用。經(jīng)濟(jì)社會(huì)-自然環(huán)境-人為活動(dòng)層次模型將水生態(tài)安全的產(chǎn)生因素、環(huán)境呈現(xiàn)狀態(tài)、及其對(duì)人類活動(dòng)響應(yīng)的這種因果循環(huán)關(guān)系直觀展現(xiàn)。擬合分析可知(見圖2)，狀態(tài)、響應(yīng)系統(tǒng)與生態(tài)安全指數(shù)演變趨勢(shì)一致，擬合度較好，而壓力系統(tǒng)變化方向與其相反，且擬合較差；表明衡水市水生態(tài)自然環(huán)境系統(tǒng)與人為響應(yīng)對(duì)水生態(tài)安全良性發(fā)展起著主導(dǎo)作用，經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)則是其制約因素。各維度權(quán)值中經(jīng)濟(jì)社會(huì)維度權(quán)值最高，達(dá)到0.3558，表明其是水資源安全關(guān)鍵影響因素；自然環(huán)境維度的影響程度次之，為0.326 1；人為活動(dòng)為0.319 1，其反映外部干預(yù)的影響。

圖2 水生態(tài)安全與各子系統(tǒng)安全擬合分析

由熵值信息可知(見表1)，子系統(tǒng)各占權(quán)重依次為:壓力(0.318 7)<響應(yīng)(0.333 3)<狀態(tài)(0.340 0)，雖然壓力系統(tǒng)對(duì)生態(tài)安全貢獻(xiàn)度最低，但是其逐步退化趨勢(shì)不容忽視，應(yīng)是今后重點(diǎn)調(diào)控對(duì)象。具體指標(biāo)而言，人均耕地面積(0.070 3)和人口密度(0.057 8)等指標(biāo)負(fù)向發(fā)展是導(dǎo)致壓力系統(tǒng)形勢(shì)嚴(yán)峻重要根源，而森林覆蓋率(0.068 7)與保護(hù)區(qū)面積率(0.059 6)的不斷提升分別是狀態(tài)與響應(yīng)系統(tǒng)安全得以改善的基礎(chǔ)，這些是影響區(qū)域生態(tài)安全的關(guān)鍵因子。

圖3 水生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果

2.3 水生態(tài)各維度安全動(dòng)態(tài)解析

依據(jù)前述熵權(quán)-D數(shù)據(jù)方法，得到衡水市2005-2015年水生態(tài)安全各維度指數(shù)，如圖3。圖中可知，2005-2015年衡水市水生態(tài)經(jīng)濟(jì)社會(huì)維指數(shù)呈現(xiàn)波動(dòng)特征，數(shù)值介于0.30～0.55之間，處于一般安全、較不安全等級(jí)，演變趨勢(shì)不容樂觀。衡水市地處華北地區(qū)，地表水源涵養(yǎng)能力一般，區(qū)域人口密集，農(nóng)牧業(yè)、工礦業(yè)耗水量，水資源承載壓力嚴(yán)峻。

其自然環(huán)境維指數(shù)由2005年的0.398.增高至2015年的0.482，相應(yīng)地，其安全級(jí)別也從較不安全升高到一般安全級(jí)，表明水生態(tài)承載狀態(tài)逐漸好轉(zhuǎn)。其中2010年有明顯的回落，主要由于該年度全區(qū)比較干旱，地表水資源量達(dá)到較低水平。研究時(shí)域內(nèi)，全市水資源承載狀態(tài)指數(shù)總體趨勢(shì)良好，得益于新世紀(jì)以來全省林草恢復(fù)效果明顯，森林覆蓋面積擴(kuò)展。衡水市的水資源保護(hù)力度嚴(yán)謹(jǐn)，2005-2015年的人為響應(yīng)指數(shù)由0.458呈起伏升高至0.539，雖然略有波動(dòng)，但發(fā)展趨勢(shì)較好，處于一般安全水平。近十幾年來，衡水市對(duì)水生態(tài)環(huán)境建設(shè)投入巨大，并取得矚目成就，加強(qiáng)了工業(yè)廢水的排放管控，建立起水資源保護(hù)區(qū)，人為響應(yīng)指數(shù)有了一定提升。

2.4 水生態(tài)安全分析

研究時(shí)域內(nèi)衡水市水生態(tài)安全面臨的經(jīng)濟(jì)社會(huì)壓力、自然環(huán)境狀態(tài)、人為活動(dòng)響應(yīng)等特征均不相同，其水生態(tài)安全指數(shù)時(shí)間也表現(xiàn)出波動(dòng)特征(見圖3)。圖3直觀表明，2005年承載力指數(shù)最低，僅為達(dá)0.392 8，出于較不安全水平，自2006年之后其處于一般安全水平，承載力等級(jí)上升，10余年間承載力指數(shù)由0.392 8升高至0.476 8，雖然仍然處于一般安全水平，但總體而言其發(fā)展趨勢(shì)良好。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文從經(jīng)濟(jì)社會(huì)壓力、自然環(huán)境狀態(tài)、人為活動(dòng)響應(yīng)三個(gè)維度建立起衡水市水生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并將D數(shù)理論引入對(duì)水生態(tài)安全評(píng)價(jià)研究中，該方法良好地處理了不確定性知識(shí)，既保留了專家評(píng)估的科學(xué)性，又兼顧了熵值信息的客觀性，具有良好的應(yīng)用前景，在實(shí)際操作中具有易于維數(shù)擴(kuò)充、可操作的特點(diǎn)。研究表明，衡水市水生態(tài)安全指數(shù)平穩(wěn)，整個(gè)格局一般，加強(qiáng)水資源保護(hù)與生態(tài)環(huán)境治理，是促進(jìn)區(qū)域人-水和諧發(fā)展的應(yīng)有之義。

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