基于熵權(quán)-物元的水土資源生態(tài)安全探析

許東陽，任永泰，鄧 朝，成 琨

東北農(nóng)業(yè)大學(xué)a.工程學(xué)院;b.理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030

生態(tài)安全是指國家或地區(qū)的耕地資源、水土資源等安全狀況很少受到外界制約和威脅[1]。出現(xiàn)生態(tài)安全問題的根本原因是水、土等資源的不合理開發(fā)利用[2]，生態(tài)安全問題會嚴重影響社會經(jīng)濟發(fā)展與人民生活水平[3]。

為保障經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展與人民生活水平的提高，需構(gòu)建合理的評價指標體系，選用客觀有效的評價方法，對水土資源生態(tài)安全現(xiàn)狀進行研究。常見的構(gòu)建方法是基于固定模型構(gòu)建指標體系(如ZHANG等[4]基于DPSIR模型對湖泊生態(tài)安全進行評價，WANG等[5]基于DPSIRM 模型對太湖流域水環(huán)境承載力進行評價)。常用的評價方法為物元可拓模型[6-7]，它主要是將元素與集合的關(guān)系運用關(guān)聯(lián)度表示，探究物元變化規(guī)律(如田浪等[8]運用物元可拓模型對灌區(qū)水資源綜合效益進行評價，劉暢等[9]運用物元可拓模型對濟南市郊的水生態(tài)文明進行評價并闡明該地區(qū)生態(tài)文明狀態(tài)及存在問題，張鳳太等[10]基于物元分析對重慶土地生態(tài)問題進行評價及影響因素分析，張秋霞等[11]基于變權(quán)值與物元可拓模型對新鄭市耕地生態(tài)安全進行預(yù)警研究)。但相關(guān)學(xué)者對同一待評對象不同安全等級綜合關(guān)聯(lián)度值的不規(guī)則增加(或降低)進行研究的報道較少。

筆者針對同一待評對象不同安全等級綜合關(guān)聯(lián)度值較為敏感，且易造成待評對象安全等級錯位的問題，引入物元可拓模型并對其進行改進，結(jié)合熵權(quán)法對同一待評對象不同安全等級的綜合關(guān)聯(lián)度值進行量化，用以解決同一待評對象不同安全等級綜合關(guān)聯(lián)度值的不規(guī)則增加(或降低)現(xiàn)象。以黑龍江省水土資源生態(tài)安全現(xiàn)狀為例，對該模型進行驗證。

1 構(gòu)建改進物元可拓模型

1.1 構(gòu)建物元可拓模型

物元可拓模型主要用于研究事物拓展的可能性，并以此解決不相容問題。其基本原理是運用可拓論的邏輯細胞物元來描述事物，并分析和探究其變化規(guī)律。

1)確定經(jīng)典域Rj和節(jié)域Rp物元矩陣，水土資源生態(tài)安全的物元矩陣為

(1)

式中:Mj(j=1,2,…,m)為生態(tài)安全評價標準的第j個等級，Ci(i=1,2,…,n)為生態(tài)安全評價體系中的第i項指標， 區(qū)間Xji=(aji,bji)為Mj關(guān)于Ci所規(guī)定的量值范圍，Mp為評價等級的全體，區(qū)間Xpi=(api,bpi)為Mp關(guān)于Ci所取量值范圍，由定義知Xj?Xp。

2)關(guān)聯(lián)度的確定，由可拓集合論知關(guān)聯(lián)度的計算公式為

(2)

式中:ρ(xi,Xji)表示點xi到經(jīng)典域Xji=(aji,bji)的距離，ρ(xi,Xpi)表示點xi到節(jié)域Xpi=(api,bpi)的距離。

1.2 確定指標權(quán)重

權(quán)重系數(shù)是指在評價過程中，對評價指標的重要程度進行定量分配。步驟如下：

步驟1：指標數(shù)據(jù)的無量綱化處理能夠削弱量綱對評價結(jié)果的影響。

(3)

式中：xij、rij分別為第i個指標第j個年份觀測值與量化值。

步驟2：利用信息熵確定指標客觀權(quán)重。

(4)

式中：ωi表示權(quán)重值。

1.3 確定待評對象生態(tài)安全值

由各指標權(quán)重ωi及其關(guān)聯(lián)度Kj(xi)可得待評對象P0相對各評價等級的綜合關(guān)聯(lián)度，對其進行量化可得待評對象生態(tài)安全值T。公式如下：

(5)

式中：j為安全等級。

2 構(gòu)建評價指標體系

驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)(DPSIR)模型是對PSR模型的修正與發(fā)展，在環(huán)境評價體系中應(yīng)用較多[12]。該模型中驅(qū)動力是描述與人類生活方式相關(guān)的資源環(huán)境和社會經(jīng)濟的改變，壓力是指自然資源的使用現(xiàn)狀，狀態(tài)是指特定區(qū)域自然資源狀況的現(xiàn)象與水平，影響是指由上述因素造成的資源環(huán)境狀態(tài)的改變而呈現(xiàn)出的結(jié)果，響應(yīng)是指個人、社會及有關(guān)部門為適應(yīng)資源環(huán)境狀態(tài)改變所采取的對策。研究結(jié)合黑龍江省的自然經(jīng)濟狀況和資源環(huán)境、社會經(jīng)濟視角選取了具有代表性的28個指標，構(gòu)建DPSIR評價體系(表1)。參考聯(lián)合國糧農(nóng)組織所推薦的綜合評價指南[13]和有關(guān)文獻[14-15]，以及黑龍江省資源平均水平、全國資源平均水平和國際通行指標等，確定各指標安全等級標度范圍并賦予相應(yīng)分值。

表1 水土資源生態(tài)安全評價指標體系Table 1 Water and soil resources ecological safety evaluation index system

3 應(yīng)用實例

3.1 研究區(qū)域概況

黑龍江省是中國重要的商品糧基地，氣候溫和濕潤，土地肥沃，具有良好的農(nóng)作物生長條件，糧食產(chǎn)量對保障中國糧食安全具有重要作用。據(jù)統(tǒng)計，2016年該地區(qū)水資源開發(fā)利用率為41.79%，較2003年增加43.61%，農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生態(tài)用水比例分別為89%、5.84%、0.71%。全國水資源開發(fā)利用率為18.60%，農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生態(tài)用水比例分別為62.38%、21.65%、2.36%。分析得知，該地區(qū)水資源的過度開采和農(nóng)業(yè)水資源的大量使用，與部分地區(qū)過于追求糧食產(chǎn)量密不可分，此舉嚴重阻礙了地區(qū)工業(yè)經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境建設(shè)。2016年黑龍江地下水開采強度(地下水資源開采量/水資源開采總量-地下水資源量/水資源總量)為23.03%(全國為2.03%)，較2003年增加72.90%。地下水的長期過度開采，廢水(單位面積廢水排放量2016年比2003年增加32.24%)及污染物(水資源污染物排放量先增加后降低，2016年比2003年降低43.11%，2008年最高，為0.103 1 t/104m3)的大肆排放對該地區(qū)耕地質(zhì)量、地下水水質(zhì)等生態(tài)環(huán)境造成嚴重損害。為保障該地區(qū)水土資源生態(tài)安全健康可持續(xù)發(fā)展，對其進行水土資源生態(tài)安全評價勢在必行。

3.2 權(quán)重值分析

基于Ci(i=1,2,…,28)的實測值和表1中經(jīng)典域物元區(qū)間以及公式(3)和公式(4)，可得各指標對應(yīng)安全等級及其權(quán)重值(表2)。分析得知，對水土資源生態(tài)安全影響最顯著(權(quán)重最大)的指標有生態(tài)用水比例(0.194 6)、農(nóng)業(yè)用水比例(0.111 5)、農(nóng)業(yè)萬元產(chǎn)值耗水量(0.108 9)、工業(yè)萬元產(chǎn)值耗水量(0.077 3)、地下水開采強度(0.064 7)和農(nóng)林水支出比例(0.561)。其中工、農(nóng)業(yè)萬元產(chǎn)值耗水量、農(nóng)林水支出比例等指標安全等級高且呈現(xiàn)逐年增加趨勢，促進黑龍江水土資源生態(tài)安全等級的提升；生態(tài)用水比例、農(nóng)業(yè)用水比例、地下水開采強度等指標安全等級低且呈現(xiàn)逐年下降趨勢，阻礙黑龍江水土資源生態(tài)安全等級的提升。

表2 水土資源生態(tài)安全評價指標隸屬等級及權(quán)重Table 2 Classification criteria and weights of ecological security assessment indicators for water and soil resources

由表2可得出準則層、因素層各系統(tǒng)所占比重(圖1)。準則層中狀態(tài)系統(tǒng)(0.343 6)和因素層中資源環(huán)境系統(tǒng)(0.623 0)對水土資源生態(tài)安全影響最顯著。結(jié)合表2數(shù)據(jù)分析得知，生態(tài)、農(nóng)業(yè)用水比例對狀態(tài)系統(tǒng)影響最顯著；生態(tài)、農(nóng)業(yè)用水比例和地下水開采強度對資源環(huán)境系統(tǒng)影響最顯著。

圖1 準則層和因素層各系統(tǒng)所占比重Fig.1 The proportion of each system in the criterion layer and factor layer

3.3 生態(tài)安全值分析

將Ci(i=1,2,…,28)的實測值代入公式(1)～公式(5)，可得黑龍江省傳統(tǒng)物元可拓模型的生態(tài)安全等級、改進物元可拓模型的水土資源生態(tài)安全值及安全等級(表3)。同理，由經(jīng)典域物元闕值可得改進物元可拓模型的水土資源生態(tài)安全值隸屬安全等級：1≤T<1.87為Ⅰ級安全(惡劣級)，1.87≤T<2.61為Ⅱ級安全(危險級)，2.61≤T<3.41為Ⅲ級安全(敏感級)，3.41≤T<4.13為IV級安全(良好級)，4.13≤T<5為V級安全(安全級)。

表3 傳統(tǒng)與改進物元可拓模型的水土資源生態(tài)安全等級Table 3 The level of ecological security of soil and water resources in the traditional and improved matter-element extension model

由表3分析得知，傳統(tǒng)物元可拓模型的安全等級與改進后物元可拓模型的安全等級在2003、2007、2008、2010、2012年相一致。2004年傳統(tǒng)物元可拓模型安全等級為Ⅰ級，且Ⅲ級隸屬度高于Ⅱ級，改進物元可拓模型安全等級為Ⅱ級，與此類似的年份有2006、2009、2014年。2005年傳統(tǒng)物元可拓模型安全等級為Ⅲ級(弱)，更易向Ⅱ級轉(zhuǎn)化，改進物元可拓模型安全等級為Ⅱ級(強)，與此類似的年份有2011、2013、2015、2016年。綜上所述，改進后的物元可拓模型有效解決了傳統(tǒng)物元可拓模型中針對同一待評對象不同安全等級綜合關(guān)聯(lián)度值敏感且易造成待評對象安全等級錯位的問題。

圖2體現(xiàn)了2003—2016年水土資源生態(tài)安全值與歷年變化情況 。由圖2可知， 2003—2016年生態(tài)安全發(fā)展不均衡，增長潛力大，整體呈先上升后下降的趨勢，2009、2011、2012年處于Ⅲ級安全(敏感級)狀態(tài)，其余年份為Ⅱ級安全(危險級)狀態(tài)。

整體可劃分為2003—2008年、2009—2012年、2013—2016年3個相對穩(wěn)定階段。第一階段生態(tài)安全值最小(均值為2.313 9)，第二階段生態(tài)安全值最大(均值為2.664 5)。生態(tài)安全值增加的主因是負向指標農(nóng)、工業(yè)萬元產(chǎn)值耗水量不斷減小(2016年較2003年分別降低63.13%、81.41%)。第三階段生態(tài)安全值(均值為2.382 2)小于第二階段的主因是正向指標生態(tài)用水比例較上階段平均降低49.56%。2004年生態(tài)安全值(2.137 1)最小，主因是正向指標生態(tài)用水比例較前一年降低69.08%。2012年生態(tài)安全值(2.876 0)最大，主因是負向指標工業(yè)萬元產(chǎn)值耗水量較前一年降低22.59%。2011年生態(tài)安全值增幅(0.512 7)最大，主因是正向指標生態(tài)用水比例較前一年增加186.92%，引起狀態(tài)系統(tǒng)與資源環(huán)境系統(tǒng)安全值的增加。2013年生態(tài)安全值增幅(-0.488 5)最小，主因是負向指標地下水開采強度、正向指標生態(tài)用水比例較前一年分別增加40.75%、降低50.47%，分別引起壓力系統(tǒng)與狀態(tài)系統(tǒng)安全值的降低，共同導(dǎo)致資源環(huán)境系統(tǒng)安全值的降低。

圖2 2003—2016年水土資源生態(tài)安全值與歷年增幅Fig.2 Ecological security value of water and soil resources and annual growth from 2003 to 2016

準則層和因素層各系統(tǒng)歷年安全值變化情況見圖3和圖4。

準則層中(圖3)，2003—2016年狀態(tài)系統(tǒng)與水土資源生態(tài)安全波動狀況相一致。驅(qū)動力系統(tǒng)安全值高于水土資源生態(tài)安全，發(fā)展相對穩(wěn)定，主因是正向指標GDP增長率、負向指標人口自然增長率與水資源開發(fā)利用率分別降低40.20%、124.14%與增加43.61%。壓力系統(tǒng)安全值高于水土資源生態(tài)安全，2016年較2003年下降27.27%，主因是負向指標地下水開采強度2016年較2003年增加72.90%。狀態(tài)系統(tǒng)安全值低于水土資源生態(tài)安全，2016年較2003年下降34.92%，主因是負向指標農(nóng)業(yè)用水比例、正向指標生態(tài)用水比例2016年較2003年分別增加33.08%、降低43.13%。2003—2009年影響系統(tǒng)安全值低于水土資源生態(tài)安全， 2012—2016年高于水土資源生態(tài)安全，2016年較2003年上升111.00%，主因是負向指標農(nóng)、工業(yè)萬元產(chǎn)值耗水量2016年較2003年分別降低63.13%、81.41%。2003—2006年響應(yīng)系統(tǒng)安全值低于水土資源生態(tài)安全，2007—2016年高于水土資源生態(tài)安全，2016年較2003年上升90.67%，主因是正向指標農(nóng)林水支出比例2016年較2003年增加158.51%。

因素層中(圖4)，2003—2016年資源環(huán)境系統(tǒng)與水土資源生態(tài)安全波動狀況相一致。2003—2009年資源環(huán)境系統(tǒng)安全值高于水土資源生態(tài)安全，2010—2016年低于水土資源生態(tài)安全，2016年較2003年下降31.07%，主因是農(nóng)業(yè)用水比例過高。社會經(jīng)濟系統(tǒng)安全值2016年較2003年增長82.24%，主因是農(nóng)、工業(yè)萬元產(chǎn)值耗水量的不斷降低與農(nóng)林水支出比例的不斷提高。

綜上所述，當前，黑龍江省經(jīng)濟發(fā)展水平相對較低，資源環(huán)境壓力較大，其根本原因是對資源的不合理配置及利用。因此政府與相關(guān)部門應(yīng)制定科學(xué)合理的水資源開發(fā)及配置方案，提高工農(nóng)業(yè)水資源利用效率，降低農(nóng)業(yè)用水、提高工業(yè)與生態(tài)環(huán)境用水，緩解由水資源短缺對工業(yè)社會經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境建設(shè)造成的影響。在生態(tài)環(huán)境方面，積極采取降低地下水開采強度、加強廢水治理和控制污水排放等有益生態(tài)安全建設(shè)的措施。

圖3 準則層各系統(tǒng)歷年安全值Fig.3 Safety values of each system in the criterion layer

圖4 因素層各系統(tǒng)歷年安全值Fig.4 Safety values of each system in the factor layer

4 結(jié)論

研究從資源環(huán)境和社會經(jīng)濟的角度構(gòu)建DPSIR評價體系，以熵權(quán)法與改進物元可拓模型對黑龍江省2003—2016年水土資源生態(tài)安全狀況進行評價。得出以下結(jié)論：

1) 所采用的權(quán)重確定方法具有較強的客觀性，有效避免了評價過程中目標權(quán)重值具有人為偏好的問題。改進物元可拓模型能夠有效判定待評價對象所處安全狀態(tài)及等級，有效克服了關(guān)于傳統(tǒng)物元可拓模型同一待評對象不同安全等級綜合關(guān)聯(lián)度值之間差異小且易造成誤差大的問題。

2) 2003—2016年黑龍江省水土資源生態(tài)安全水平整體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，增長潛力大，整體處于Ⅱ級安全水平(危險級)。各系統(tǒng)中狀態(tài)系統(tǒng)與資源環(huán)境系統(tǒng)對水土資源生態(tài)安全影響最顯著。對水土資源生態(tài)安全影響最顯著的指標有生態(tài)用水比例、農(nóng)業(yè)用水比例、農(nóng)業(yè)萬元產(chǎn)值耗水量、工業(yè)萬元產(chǎn)值耗水量、地下水開采強度和農(nóng)林水支出比例。分析得知，降低農(nóng)業(yè)用水比例、提高水資源利用效率、降低地下水開采強度、加強生態(tài)環(huán)境治理仍是黑龍江生態(tài)安全工作的重點。

3) 水土資源生態(tài)安全涉及評價指標較多，在指標的選擇方面尚不能全部將其納入考慮范圍。不同地區(qū)的自然條件存在差異，經(jīng)典域與指標評價標準的良好匹配還需進一步研究。