基于DPSIR模型的許昌市水生態(tài)安全評價(jià)

(1.華北水利水電大學(xué) 測繪與地理信息學(xué)院，河南 鄭州 450046；2.華北水利水電大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450046)

水生態(tài)安全是水生態(tài)資源、水生態(tài)環(huán)境和水生態(tài)災(zāi)害的綜合效應(yīng)，是推進(jìn)城市化進(jìn)程促進(jìn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素[1]。水生態(tài)安全在經(jīng)濟(jì)發(fā)展、農(nóng)業(yè)應(yīng)用、社會(huì)需要等方面起著至關(guān)重要的作用。對一個(gè)區(qū)域進(jìn)行水生態(tài)安全評估，不僅能夠?yàn)樵撗芯繀^(qū)內(nèi)的水生態(tài)安全提出亟需的相應(yīng)對策，更能夠防患于未然，促進(jìn)該地區(qū)的水生態(tài)健康快速持續(xù)的發(fā)展。隨著人們對水生態(tài)危機(jī)的認(rèn)識不斷深入，水生態(tài)安全評估引起了國內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。Angel Borja[2]等以歐洲水框架指令和DPSIR模型為基礎(chǔ)對西班牙北部地區(qū)沿海水域進(jìn)行評估，以確保10年內(nèi)歐洲水資源能夠達(dá)到安全狀態(tài)。Richard Meissner[3]等通過分析南非兩個(gè)城市的利益群體，確定研究區(qū)內(nèi)的水生態(tài)安全狀態(tài)，為政府科學(xué)決策和制定相應(yīng)政策提供參考。在國內(nèi)，有關(guān)水生態(tài)研究的方法較多，如：張繼權(quán)[4]等利用綜合評價(jià)法對吉林省白山市水生態(tài)安全進(jìn)行綜合評價(jià)，并找出了影響該地區(qū)的主要驅(qū)動(dòng)力；陳洋波[5]等通過模糊綜合評價(jià)對深圳市水資源承載能力進(jìn)行評價(jià)，確定該地區(qū)的水資源承載狀態(tài)。

雖然國內(nèi)外有關(guān)水生態(tài)安全評估的方法研究眾多，但隨著時(shí)間尺度的推移，各地生態(tài)環(huán)境都在發(fā)生變化，水生態(tài)安全狀態(tài)也在不斷更新，因此對各個(gè)區(qū)域水生態(tài)安全評估仍是必不可少且防患于未然的工作。許昌市作為河南省首個(gè)“全國水生態(tài)文明城市”試點(diǎn)城市，2018年3月正式通過第一批全國水生態(tài)文明城市建設(shè)試點(diǎn)驗(yàn)收。許昌市的水生態(tài)安全評估，不僅對許昌市加強(qiáng)水生態(tài)文明建設(shè)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境平衡、維護(hù)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的意義重大，而且能夠?yàn)槠渌貐^(qū)的水生態(tài)文明建設(shè)提供現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。本文結(jié)合許昌市2005—2014年水生態(tài)安全實(shí)際情況，采用“驅(qū)動(dòng)力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)”(DPSIR)框架模型建立許昌市的水生態(tài)安全評價(jià)體系，最后通過熵權(quán)法賦權(quán)綜合評價(jià)許昌市的水生態(tài)安全狀況，以期為許昌市水生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與管理提供一定的參考價(jià)值。

1 研究區(qū)域概況

許昌市位于河南省中部地區(qū)，屬北暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)。全市四季氣候總特征是：春季干旱多風(fēng)沙，夏季炎熱雨集中，秋季日照長，冬季寒冷少雨雪。地表水主要來源于天然降水，多年平均降水量671～736mm，降雨由北向南遞增，年際變化大，主要集中在6—9月，占年降水量的65%，年平均水面蒸發(fā)量913.3mm。許昌市屬淮河流域沙潁河水系，境內(nèi)河道流域面積大于1000km2的有北汝河、潁河、雙洎河、清潩河、清泥河等。

2 研究方法

2.1 構(gòu)建基于DPSIR框架模型的許昌市水生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系

DPSIR模型是一種在環(huán)境評價(jià)中用于衡量環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的評價(jià)指標(biāo)體系概念模型，能夠有效地反映系統(tǒng)的因果關(guān)系并整合資源、發(fā)展、環(huán)境與人類健康等要素[6]。該模型是由驅(qū)動(dòng)力、壓力、狀態(tài)、影響、響應(yīng)5個(gè)影響因素組成，其中每個(gè)影響因素又可以分成若干個(gè)細(xì)分因子。對于許昌市的水生態(tài)安全系統(tǒng)來說(見圖1)，以人口的不斷增長、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展作為水生態(tài)安全系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力(D)；而隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的增多所需要的水資源量也是在不斷增大，城市在不斷發(fā)展中所造成的水體污染、水資源的大量浪費(fèi)等水生態(tài)安全矛盾不斷激化，從而產(chǎn)生壓力(P)；在這些壓力作用下，水生態(tài)系統(tǒng)所呈現(xiàn)出的狀態(tài)(S)，如水資源的開發(fā)利用情況、水環(huán)境質(zhì)量的保護(hù)情況等直接對人類社會(huì)和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)影響(I)；在整個(gè)模型構(gòu)架中，響應(yīng)則是人類社會(huì)主觀能動(dòng)性的體現(xiàn)，在不良的環(huán)境中人類需要對驅(qū)動(dòng)力、壓力、狀態(tài)作出應(yīng)對政策產(chǎn)生相關(guān)響應(yīng)(R)，以此來維護(hù)人與自然相對平衡穩(wěn)定的發(fā)展。

圖1 許昌市水生態(tài)安全評價(jià)的DPSIR框架

構(gòu)建符合實(shí)際生態(tài)環(huán)境狀況的生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系是科學(xué)、合理地進(jìn)行評價(jià)的基礎(chǔ)，也是政府進(jìn)行有效管理的前提[7]。以許昌市2005—2014年各指標(biāo)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以DPSIR模型為框架，遵循科學(xué)性原則、可操作性原則、可比性原則、普遍性與區(qū)域性原則，選取了19項(xiàng)適用于許昌市水生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)，見表1。

表1 許昌市水生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)及定義

2.2 基于熵權(quán)法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重

在綜合評價(jià)中，權(quán)重的大小直接反映評價(jià)指標(biāo)的重要程度。指標(biāo)權(quán)重的確定方法主要分為主觀賦權(quán)評價(jià)法和客觀賦權(quán)評價(jià)法。用主觀賦權(quán)法確定指標(biāo)的權(quán)重，通常能夠得到較合理的結(jié)果，但對專家的要求較高，往往需要專家有非常豐富的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)，也難以避免由于個(gè)人的主觀因素作用而存在權(quán)重的不合理性，因此選用客觀賦權(quán)評價(jià)法中的熵權(quán)法，目前，熵權(quán)法在社會(huì)經(jīng)濟(jì)、工程技術(shù)和水質(zhì)評價(jià)中廣泛應(yīng)用，熵權(quán)法是基于各方案評價(jià)指標(biāo)值的客觀數(shù)據(jù)的差異而確定各指標(biāo)的權(quán)重的方法。在許昌市的水生態(tài)安全評價(jià)中，通過對熵的計(jì)算，確定各評級指標(biāo)的權(quán)重，信息熵越小，指標(biāo)的變異程度越大，提供的信息量越多，在綜合評價(jià)中所起的作用越大，權(quán)重也越大。

由于各個(gè)評價(jià)指標(biāo)的量綱各不相同，無法進(jìn)行比較計(jì)算，為了消除各量綱之間的差異，故在評價(jià)之前將各評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行無量綱化處理。本文采用的是離差標(biāo)準(zhǔn)化的方法對許昌市2005—2014年的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。

評價(jià)許昌市水生態(tài)安全的指標(biāo)分為正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)，正向指標(biāo)是指數(shù)值越大對許昌市水生態(tài)安全越好的指標(biāo)，其標(biāo)準(zhǔn)化的方法如式(1)所示：

(1)

負(fù)向指標(biāo)是指數(shù)值越小對許昌市水生態(tài)安全越好的指標(biāo)，其標(biāo)準(zhǔn)化的方法如式(2)所示：

(2)

minXj——第j項(xiàng)指標(biāo)的最小值;

maxXj——第j項(xiàng)指標(biāo)的最大值。

為避免標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)出現(xiàn)0值，故將標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)向右平移1個(gè)單位。

計(jì)算指標(biāo)Xij的比重Rij如式(3)所示:

(3)

計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值ej如式(4)所示:

(4)

其中，k>0，ej>0。

(5)

計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的差異性系數(shù)gj如式(6)所示：

gj=1-ej

(6)

定義第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重Wij如式(7)所示：

(j=1,2,…,n)

(7)

通過上述方法得到的許昌市各指標(biāo)權(quán)重見表1。

2.3 計(jì)算綜合指數(shù)

綜合評價(jià)法是在確定研究對象評價(jià)指標(biāo)體系基礎(chǔ)上，運(yùn)用一定方法對各指標(biāo)在研究領(lǐng)域內(nèi)的重要程度即其權(quán)重進(jìn)行確定，根據(jù)所選擇的評價(jià)模型，利用綜合指數(shù)的計(jì)算形式，定量地對某現(xiàn)象進(jìn)行綜合評價(jià)的方法。綜合評價(jià)法是一種相對簡單高效的評價(jià)方法，該方法在環(huán)境生態(tài)安全、土地利用規(guī)劃等領(lǐng)域廣泛使用。其評價(jià)的模型為：

(8)

式中ESI——綜合評價(jià)指數(shù)；

Wi——第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值；

Xi——其無量綱量化值;

m——評價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

經(jīng)上述方法得到的各指標(biāo)綜合指數(shù)見表2。

表2 各影響因素綜合指數(shù)

由于計(jì)算所得的綜合指數(shù)值往往不符合人們判斷“好”和“差”的習(xí)慣，需要將指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值和綜合數(shù)值轉(zhuǎn)化為等級值，即建立等級評價(jià)與評價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化的概念關(guān)聯(lián)[8]。水生態(tài)安全值介于0～1之間，因此在根據(jù)游文蓀[9]、陸建忠[10]、陳華偉[11]等相關(guān)研究學(xué)者的研究和咨詢專家的基礎(chǔ)上，將水生態(tài)安全狀態(tài)分為5個(gè)等級，見表3。

表3 水生態(tài)安全等級

3 結(jié)果分析

經(jīng)綜合計(jì)算的各影響因素綜合評價(jià)趨勢如圖2所示。通過許昌市2005—2014年各影響因素綜合評價(jià)指標(biāo)趨勢可以看出：?2014—2015年，驅(qū)動(dòng)力、壓力、狀態(tài)、影響等各因素指數(shù)發(fā)展趨勢較為平穩(wěn)，說明驅(qū)動(dòng)力、壓力、狀態(tài)、影響等各因素對許昌市水生態(tài)安全影響相對較小;?響應(yīng)因素指數(shù)在10年之中呈平穩(wěn)上升趨勢，且上升幅度較大，表明響應(yīng)因素對許昌市水生態(tài)安全狀態(tài)的影響較大，能夠直接影響許昌市水生態(tài)安全狀態(tài)的變化，同時(shí)說明許昌市各相關(guān)部門針對水生態(tài)安全積極響應(yīng)的各種措施對水生態(tài)安全的治理行之有效。

圖2 各影響因素綜合評價(jià)指標(biāo)趨勢

經(jīng)綜合評價(jià)法計(jì)算出2005—2014年的許昌市的綜合評價(jià)指數(shù)趨勢，如圖3所示。許昌市2005—2014年的水生態(tài)綜合安全值分別為0.339、0.373、0.416、0.450、0.465、0.471、0.545、0.649、0.648、0.707。其中最大值為2014年水生態(tài)綜合安全值0.707，最小值為2005年水生態(tài)安全綜合安全值0.339。由圖3可見，2005—2014年的許昌市水生態(tài)安全整體呈上升趨勢，但是上升幅度不大。這說明許昌市水生態(tài)安全正在不斷的改善，政府及相關(guān)單位的措施行之有效，但水生態(tài)安全治理是一項(xiàng)需要長期持續(xù)治理的工作，各相關(guān)部門仍需繼續(xù)實(shí)施有效措施來提高許昌市水生態(tài)安全狀態(tài)。

圖3 綜合評價(jià)指數(shù)趨勢

從許昌市的水生態(tài)安全狀態(tài)來看，2005—2006年許昌市的水生態(tài)安全值處于Ⅱ級風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，2007—2011年許昌市水生態(tài)狀態(tài)變化到Ⅲ敏感級， 從2012年以后許昌市水生態(tài)安全則處于Ⅳ級良好級狀態(tài)，這表明了許昌市的水生態(tài)安全狀態(tài)正在呈良好的勢態(tài)逐步上升，但是許昌市水生態(tài)安全要想達(dá)到Ⅴ級安全級別，政府及相關(guān)部門仍需繼續(xù)努力。

4 結(jié) 論

城市水生態(tài)安全是生態(tài)安全的重要組成部分，是維護(hù)人類社會(huì)持續(xù)健康發(fā)展的重要基石。本文通過DPSIR模型，結(jié)合2005—2014年許昌市水資源與水環(huán)境的實(shí)際情況，建立了許昌市水生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系，利用熵權(quán)法對各指標(biāo)體系進(jìn)行賦權(quán)，最后通過綜合評價(jià)法對許昌市水生態(tài)安全進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果表明：?通過對各影響因素和各細(xì)分因子指數(shù)的對比分析得出，對許昌市水生態(tài)安全影響最大的影響因子為壓力因素和響應(yīng)因素，而各細(xì)分因子對許昌市的水生態(tài)安全影響較為平均；?通過詳細(xì)分析許昌市2005—2014年的各影響因素發(fā)展趨勢，揭示出各影響因素在10年之間的發(fā)展變化規(guī)律，為分析許昌市水生態(tài)安全狀態(tài)奠定了重要基礎(chǔ)；?許昌市水生態(tài)安全狀況正在逐年得到改善，且水生態(tài)安全級別已達(dá)到Ⅳ級良好級狀態(tài)。研究結(jié)果不僅能夠?yàn)樵S昌市水生態(tài)安全的健康發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)，更能為當(dāng)?shù)卣ㄔO(shè)“全國水生態(tài)文明城市”提供一定的指導(dǎo)。