基于DPSIR模型的西北地區(qū)水生態(tài)安全評(píng)價(jià)研究

曹源圓

(陜西師范大學(xué)西北歷史環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展研究院，陜西 西安 710119)

水生態(tài)安全問題關(guān)乎我國的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和國家安全[1-2]。隨著西部大開發(fā)的有序推進(jìn)，我國西北形成以生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃格局的西部地理分區(qū)，2013年習(xí)近平總書記提出的“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”已經(jīng)劃定陜西省、甘肅省、青海省、寧夏回族自治區(qū)、新疆維吾爾自治區(qū)以及內(nèi)蒙古自治區(qū)6省(區(qū))為西北重點(diǎn)區(qū)域[3-4]。我國西北地區(qū)大部分屬于經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，惡劣的水生態(tài)環(huán)境制約了其經(jīng)濟(jì)發(fā)展，使其處于發(fā)展緩慢的貧困集中地。作為我國重要的生態(tài)屏障和“水塔”，西北地區(qū)水生態(tài)安全問題的研究和解決迫在眉睫[5]。水資源條件、水生態(tài)安全及其生態(tài)條件也成為西部大開發(fā)新格局的重要支撐。

在水生態(tài)安全的研究中，國內(nèi)專家學(xué)者們首先從水生態(tài)安全的定義、現(xiàn)狀及保護(hù)對(duì)策等方面作了分析和探討[6-8]。隨著專家學(xué)者對(duì)水生態(tài)安全理論基礎(chǔ)探討的不斷更新，大量學(xué)者從水生態(tài)安全指標(biāo)體系的建立方面對(duì)水生態(tài)安全進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)，本文從綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系角度考量，采用PSR、DPSIR模型、均方差-TOPSIS模型等對(duì)省份、城市以及流域水生態(tài)安全進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[9-13]。多數(shù)學(xué)者的評(píng)價(jià)都是基于單一省份、單一城市的水生態(tài)安全評(píng)價(jià)，鮮有對(duì)區(qū)域水生態(tài)安全的評(píng)價(jià)。在對(duì)西北地區(qū)水生態(tài)安全的評(píng)價(jià)方面更是沒有把水生態(tài)安全與西北地區(qū)的整體生態(tài)安全進(jìn)行統(tǒng)一，進(jìn)而支撐西部大開發(fā)新格局的穩(wěn)步推進(jìn)。因此，本文依據(jù)西北地區(qū)水生態(tài)安全現(xiàn)狀，構(gòu)建DPSIR指標(biāo)體系分析影響水生態(tài)安全的因子，評(píng)價(jià)其水生態(tài)安全的時(shí)空特征，并在此基礎(chǔ)上提出西北地區(qū)水生態(tài)安全的評(píng)價(jià)結(jié)論及建議。

1 研究方法及指標(biāo)體系的構(gòu)建

本文選取西北地區(qū)2007—2017年的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，數(shù)據(jù)來源于中國統(tǒng)計(jì)年鑒、中國環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒、西北地區(qū)各省份統(tǒng)計(jì)年鑒、水資源公報(bào)以及環(huán)境公報(bào)。

1.1 研究方法

1.1.1 熵值法

本文采用熵值法確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重[14]：

a.數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化：

(1)

(2)

式中：xjmax和xjmin分別為指標(biāo)xij的最大值和最小值，i=1，2…n；j=1，2…m。

b.數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)非負(fù)化處理：將標(biāo)準(zhǔn)化后的每一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)非負(fù)化處理。

c.進(jìn)行歸一化處理：

(3)

式中：Xij為原始數(shù)據(jù)矩陣標(biāo)準(zhǔn)化處理、非負(fù)化處理后的數(shù)據(jù)矩陣;Pij為第j項(xiàng)指標(biāo)第i年的歸一化值在整個(gè)評(píng)價(jià)年份序列中的比重。

d.計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值：

(4)

其中,

式中：ej為第j項(xiàng)指標(biāo)的熵；k為玻爾茲曼常量。

e.計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的差異系數(shù)：

(5)

f.求權(quán)重：

(6)

式中：wj為第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重值，且 0≤wj≤1。

g.計(jì)算子系統(tǒng)綜合得分：

(7)

1.1.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)

參考吳舜澤等編著的《國家環(huán)境安全評(píng)估報(bào)告》，結(jié)合西北地區(qū)目前自然條件和社會(huì)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，劃分水生態(tài)安全狀態(tài)等級(jí)，見表1。

表1 水生態(tài)安全狀態(tài)等級(jí)

1.2 DPSIR指標(biāo)體系構(gòu)建

為評(píng)價(jià)西北地區(qū)水生態(tài)安全，采用DPSIR框架，選取能夠體現(xiàn)其特有地理環(huán)境、水生態(tài)安全等指標(biāo)[15-16]。在指標(biāo)的選取中，通過咨詢相關(guān)專家、查看相關(guān)權(quán)威性文獻(xiàn)，選取了能夠反映水生態(tài)安全系統(tǒng)狀態(tài)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，共計(jì)27項(xiàng)。

a.驅(qū)動(dòng)力子系統(tǒng)(Drive force)：選取人口增長(zhǎng)率和年末常住人口總數(shù)來反映地區(qū)人口增長(zhǎng)速度，采用地區(qū)生產(chǎn)總值、人均GDP和GDP增長(zhǎng)率指標(biāo)反映地區(qū)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)以及人民生活水平和地區(qū)經(jīng)濟(jì)年際發(fā)展?fàn)顩r。

對(duì)照組患者入院后進(jìn)行常規(guī)的檢查和護(hù)理，叮囑患者在進(jìn)行治療前停用其他的鎮(zhèn)痛藥物以及治療偏頭痛的藥物。對(duì)照組患者給予氟桂利嗪進(jìn)行治療，藥物采用口服的方式進(jìn)行服用，每天服用一次，服用劑量為5 mg，連續(xù)服用八周。

b.壓力子系統(tǒng)(Pressure)：采用地區(qū)用水總量、人均用水量、生態(tài)用水和萬元GDP用水量來反映地區(qū)水資源消耗現(xiàn)狀，表現(xiàn)經(jīng)濟(jì)用水和生態(tài)用水的發(fā)展?fàn)顩r。使用廢水排放量、COD排放量和NH3-N排放量指標(biāo)反映社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的直接影響以及水環(huán)境污染現(xiàn)狀。

c.狀態(tài)子系統(tǒng)(State)：選取水資源總量、人均水資源占有量反映地區(qū)水資源稟賦總量以及人均擁有水資源量。地表水和地下水資源量指標(biāo)能夠反映區(qū)域水資源存儲(chǔ)能力，年平均降水量指標(biāo)是衡量地區(qū)多年降水量的平均指標(biāo)，被用于反映地區(qū)降水狀況。

d.影響子系統(tǒng)(Impact)：本文選取西北地區(qū)森林覆蓋率、沙化土地面積反映生態(tài)系統(tǒng)脆弱程度，采用劣Ⅴ類以下河段比例和城市水功能區(qū)個(gè)數(shù)達(dá)標(biāo)率來反映地區(qū)河流水質(zhì)和水功能區(qū)達(dá)標(biāo)比例。

e.響應(yīng)子系統(tǒng)(Response)：采用城市污水處理率反映地區(qū)污水處理技術(shù)水平以及開展力度。采用工業(yè)廢水治理投資額、污水處理投資額反映地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)對(duì)水生態(tài)安全的保護(hù)和支持力度，使用各省(區(qū))累計(jì)水土流失治理面積來反映地區(qū)水土、水災(zāi)害以及節(jié)水能力的應(yīng)對(duì)效果。

2 西北地區(qū)水生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

2007—2017年西北地區(qū)的各指標(biāo)權(quán)重見表2，在27項(xiàng)指標(biāo)中，COD排放量與城市水功能區(qū)個(gè)數(shù)達(dá)標(biāo)率兩項(xiàng)指標(biāo)所占權(quán)重較大，分別為0.0673和0.0643。其余指標(biāo)中，沙化土地面積和生態(tài)用水所占權(quán)重比全國其他地區(qū)大，這也體現(xiàn)了其地理環(huán)境以及水資源利用的自身特點(diǎn)。

表2 水生態(tài)安全評(píng)價(jià)綜合權(quán)重

西北地區(qū)水生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的關(guān)系見圖1。由圖1可知，COD排放量、城市水功能區(qū)個(gè)數(shù)達(dá)標(biāo)率、生態(tài)用水等指標(biāo)影響較大，這反映出解決西北地區(qū)水質(zhì)、用水以及水功能區(qū)問題的重大意義。地區(qū)生產(chǎn)總值、人均GDP對(duì)水生態(tài)安全綜合得分影響也較大，這說明其水生態(tài)安全受人類社會(huì)活動(dòng)影響較大，因而依賴經(jīng)濟(jì)發(fā)展和投資帶動(dòng)西北地區(qū)水生態(tài)安全的提升意義重大。

圖1 西北地區(qū)水生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的關(guān)系

3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

3.1 西北地區(qū)整體水生態(tài)安全評(píng)價(jià)時(shí)間序列分析

本文選取2007—2017年數(shù)據(jù)對(duì)西北地區(qū)水生態(tài)安全進(jìn)行分析，得到水生態(tài)安全評(píng)價(jià)綜合得分，見表3、圖2。

表3 西北地區(qū)整體水生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)得分

圖2 西北地區(qū)整體水生態(tài)安全綜合得分曲線

由表3、圖2可知，2007—2017年水生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)得分呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，分布在0.2376～0.6548之間，2007—2010年間均處于第Ⅱ等級(jí)，為中警狀態(tài)；2014年處于第Ⅳ等級(jí)，為較安全狀態(tài)；在2011—2013年和2015—2017年間處于第Ⅲ等級(jí)，為預(yù)警狀態(tài)，但總體水生態(tài)安全等級(jí)向安全狀態(tài)發(fā)展。由于近年來政策、經(jīng)濟(jì)方面對(duì)水生態(tài)安全的支持，使水生態(tài)安全評(píng)價(jià)得分呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，然而由于西北地區(qū)自身的水生態(tài)環(huán)境問題，導(dǎo)致人口、降水以及土地沙化等不穩(wěn)定情況發(fā)生，進(jìn)而導(dǎo)致在其中幾年綜合得分呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

2007—2017年水生態(tài)安全驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)呈現(xiàn)出波動(dòng)上升的趨勢(shì)，從2007年的0.5054上升到2013年的0.8818(見表3、圖3)。其中，國內(nèi)生產(chǎn)總值、人均GDP以及GDP增長(zhǎng)率的增加對(duì)驅(qū)動(dòng)力子系統(tǒng)得分的提高起到推動(dòng)作用。在此年間，地區(qū)生產(chǎn)總值平均值由3348.2億元上升到10402.6億元。2014—2017年由于地區(qū)常住人口數(shù)量由2014年的2079.4萬人增加到2017年的2119.3萬人，使得驅(qū)動(dòng)力子系統(tǒng)得分下降，但是仍高于2010年以前。壓力子系統(tǒng)得分呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，其得分的變化主要由廢水排放量、COD排放量以及NH3-N排放量所導(dǎo)致。狀態(tài)子系統(tǒng)得分在2012年達(dá)到最大值，為0.8646，其中2012年西北地區(qū)年平均降水量達(dá)到350.983mm，人均水資源占有量達(dá)到10年以來的最高值4007.28m3。2015—2016年之間由于人口的增加，導(dǎo)致在水資源總量不發(fā)生變化的情況下，人均水資源占有量變少。影響子系統(tǒng)在2007年得分最低，為0.0506，2016年達(dá)到最高，為0.3945，最高值和最低值之間差距很大，表現(xiàn)出影響子系統(tǒng)發(fā)展的不穩(wěn)定性。在影響子系統(tǒng)中，西北地區(qū)森林覆蓋率在10年中基本沒有變化，均保持在12%～16%之間，但是水質(zhì)達(dá)標(biāo)監(jiān)測(cè)、水功能區(qū)個(gè)數(shù)達(dá)標(biāo)率以及沙化土地面積的比例有較大波動(dòng)。響應(yīng)子系統(tǒng)得分從2007年的0.1156上升到2014年的0.5983。其中城市污水處理率隨著技術(shù)的進(jìn)步越來越高，2017年城市污水處理率達(dá)到91%。工業(yè)廢水及污水處理投資額逐漸增高，體現(xiàn)出經(jīng)濟(jì)對(duì)于水生態(tài)安全的支持力度。

圖3 西北地區(qū)整體水生態(tài)安全系統(tǒng)得分

3.2 西北地區(qū)水生態(tài)安全評(píng)價(jià)空間分析

為了對(duì)西北地區(qū)2007—2012年間6省(區(qū))的水生態(tài)安全進(jìn)行空間上的分析，特選取2007年、2012年、2017年3個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合得分及子系統(tǒng)得分分析，見表4。

表4 2007年、2012年、2017年西北6省(區(qū))水生態(tài)安全評(píng)價(jià)綜合得分

從表4來看，2007年西北6省(區(qū))的水生態(tài)安全綜合得分處在0.3584～0.5743之間，區(qū)域差異較大。排在第1名的是內(nèi)蒙古自治區(qū)，第2、第3名是陜西省和新疆維吾爾自治區(qū)，其得分分別為0.5743、0.5188和0.4962。2007年內(nèi)蒙古自治區(qū)的驅(qū)動(dòng)力子系統(tǒng)和響應(yīng)子系統(tǒng)得分均為6省最高，其經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平和水生態(tài)安全治理水平使其綜合得分遠(yuǎn)高于其他省區(qū)。內(nèi)蒙古自治區(qū)2007年的污水處理投資額為2.62億元，累計(jì)水土流失治理面積為990.18萬hm2，在6省(區(qū))中排第1。水生態(tài)安全綜合得分最低的是寧夏回族自治區(qū)，由于驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)和狀態(tài)系統(tǒng)得分低導(dǎo)致綜合得分最低。寧夏回族自治區(qū)和甘肅省在現(xiàn)有水資源狀態(tài)上不占優(yōu)勢(shì)，地表水和地下水資源極度短缺。

2012年西北6省(區(qū))的水生態(tài)安全綜合得分處在0.4071～0.5797之間。綜合來看，2012年比2007年各省區(qū)的綜合得分均有所上升。其中響應(yīng)子系統(tǒng)得分均有所增加，尤其是累計(jì)水土流失治理面積、污水處理投資額投入的增加。寧夏的污水處理投資額從2007年的0.40億元下降至0.12億元，投入減少。在累計(jì)除澇面積和節(jié)水灌溉面積上，青海省最低，分別為0.58萬hm2和9.72萬hm2，與陜西省的13.24萬hm2和88.16萬hm2相差甚遠(yuǎn)。

2017年西北6省(區(qū))的水生態(tài)安全綜合得分處在0.3729～0.6069之間。其中排在第1名的是甘肅省，其綜合得分為0.6069。甘肅省的響應(yīng)子系統(tǒng)得分為6省(區(qū))最高，其水生態(tài)安全治理水平使其綜合得分遠(yuǎn)高于其他各省區(qū)。其中累計(jì)治理投資面積為858.05萬hm2，是新疆維吾爾自治區(qū)的8倍左右。2017年甘肅省城市污水處理率、污水處理投資額以及沙化土地面積均達(dá)到6省(區(qū))平均值以上。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

本文通過建立起DPSIR評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)影響2007—2017年間西北地區(qū)水生態(tài)安全的指標(biāo)進(jìn)行綜合得分分析，從時(shí)間維度上分析了西北地區(qū)整體水生態(tài)安全狀況，并對(duì)2007年、2012年以及2017年西北6省(區(qū))的水生態(tài)安全進(jìn)行空間得分分析，得出以下結(jié)論：

a.從綜合評(píng)價(jià)權(quán)重與相關(guān)指標(biāo)分析中發(fā)現(xiàn)，COD排放量、城市水功能區(qū)個(gè)數(shù)達(dá)標(biāo)率、生態(tài)用水量、沙化土地面積、森林覆蓋率對(duì)西北地區(qū)整體水生態(tài)安全綜合得分影響較大。地區(qū)生產(chǎn)總值、人均GDP對(duì)水生態(tài)安全綜合權(quán)重影響也較大，表明水生態(tài)安全受到人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的影響也比較大，因而依賴經(jīng)濟(jì)發(fā)展和投資帶動(dòng)西北地區(qū)水生態(tài)安全的提升有重大意義。

b.從2007—2017年西北地區(qū)整體水生態(tài)安全評(píng)價(jià)來看，水生態(tài)安全綜合得分不斷上升，水生態(tài)安全等級(jí)有所提高，說明水生態(tài)安全狀況有所改善，而且國家對(duì)于西北地區(qū)的重視度也在提高。

c.從2007年、2012年以及2017年的評(píng)價(jià)中得到西北6省(區(qū))的水生態(tài)安全綜合趨勢(shì)圖，6省(區(qū))的綜合水平都在逐年上升，但是從空間角度來分析，地區(qū)之間水生態(tài)安全在水資源稟賦、地區(qū)經(jīng)濟(jì)以及治理投入方面存在著較大差異，說明地方政府對(duì)于該地區(qū)治水措施投入額的大小對(duì)水生態(tài)安全的保障有著很大影響。

4.2 建議

結(jié)合評(píng)價(jià)結(jié)果，本文對(duì)西北地區(qū)水生態(tài)安全的保護(hù)與建設(shè)提出以下建議：

a.在保持西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境不受破壞的條件下，加強(qiáng)對(duì)西北地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展建設(shè)。水生態(tài)安全既受到地區(qū)原生資源稟賦的影響，又離不開人類對(duì)水生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，更離不開西部大開發(fā)在經(jīng)濟(jì)和生態(tài)方面的帶動(dòng)。

b.繼續(xù)保持對(duì)西北地區(qū)整體區(qū)域化發(fā)展的重視度。區(qū)域化發(fā)展有利于水資源的保護(hù)和協(xié)調(diào)，從而有利于水生態(tài)安全的改善和提升，進(jìn)而支持西部大開發(fā)新格局的穩(wěn)步發(fā)展。

c.在保持區(qū)域化發(fā)展的同時(shí)，結(jié)合西北6省(區(qū))各自特色，加強(qiáng)對(duì)水生態(tài)安全在政策制度、教育文化以及媒體方面的響應(yīng)和宣傳，將水生態(tài)安全的保護(hù)作為“人水和諧”的水生態(tài)文明城市建設(shè)的一部分。西部大開發(fā)戰(zhàn)略實(shí)施二十年來，西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展得到提升，如今在西部大開發(fā)新格局的建設(shè)號(hào)召下，保證西北地區(qū)的生態(tài)安全有著重要的意義。西北地區(qū)水生態(tài)安全的評(píng)價(jià)研究，可以進(jìn)一步從理論和實(shí)踐方面進(jìn)行豐富。