第八師石河子市水生態(tài)安全評估

張志君

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

當(dāng)今世界很多地區(qū)都面臨著水資源危機問題[1]。我國是淡水資源貧乏的國家之一，人均擁有淡水量僅為全世界的1/4[2]。水資源短缺已成為制約我國社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)的重要瓶頸[3]。我國西北地區(qū)屬于典型的干旱、半干旱氣候區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，水資源嚴(yán)重短缺[4]。目前在西北干旱區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)安全構(gòu)建的過程中，水資源問題已經(jīng)成為重要的制約因素[5-6]。第八師石河子市作為新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團和自治區(qū)最早對外開放的城市，為“穩(wěn)疆興疆，富民固邊”做出了巨大貢獻，是新中國“屯墾戍邊”的成功典范、是中國軍墾事業(yè)的縮影，同時也是全國最宜居城市之一。近年來，第八師石河子市氣候出現(xiàn)變暖趨勢，加劇了冰川消融，冰川和積雪的“固體水庫”調(diào)節(jié)性減弱。區(qū)域水資源發(fā)展存在的主要問題包括：資源性缺水與土地開發(fā)利用之間的沖突引發(fā)的供需矛盾；農(nóng)業(yè)用水比重大，用水結(jié)構(gòu)不合理，用水效益低；水庫淤積日趨嚴(yán)重，水庫調(diào)洪能力逐漸下降；水生態(tài)、水環(huán)境監(jiān)督管控能力不足，水利信息化及水資源統(tǒng)一調(diào)度有待強化。

雖然在指標(biāo)體系的構(gòu)建過程中有很多概念模型，但壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(PSR)模型是應(yīng)用最為廣泛的模型之一。目前PSR模型已廣泛地在城市水資源承載力[7]、綠洲生態(tài)安全評價、水生態(tài)安全評價[8]等領(lǐng)域中應(yīng)用。水生態(tài)安全建設(shè)關(guān)系到城市生態(tài)文明的發(fā)展，其水生態(tài)環(huán)境安全既能反映區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展，又能很好地代表新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團和自治區(qū)發(fā)展現(xiàn)狀。因此，本文運用PSR模型對第八師石河子市水生態(tài)環(huán)境安全進行評價研究，確定第八師石河子市水生態(tài)環(huán)境安全等級，為采取相應(yīng)的措施和策略提供依據(jù)，從而保護水源，減少水體污染，降低水資源利用風(fēng)險。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

第八師石河子市地處天山北麓中段，準(zhǔn)噶爾盆地南緣的瑪納斯河流域，其外東連瑪納斯縣，西接克拉瑪依市、奎屯市，南靠依連哈比爾尕山與和靜縣相隔，屬于天山北坡經(jīng)濟帶。地理坐標(biāo)N43°27′～45°20′、E84°58′～86°30′，東西最寬115km，南北最長202km，總面積6007.29km2。全區(qū)屬于典型大陸性氣候，第八師石河子市位于天山北坡經(jīng)濟帶核心區(qū)域，以農(nóng)業(yè)為依托，工業(yè)為主導(dǎo)，主要種植農(nóng)作物包括棉花、玉米、小麥和西紅柿等，主要生產(chǎn)工業(yè)包括化工原料生產(chǎn)和產(chǎn)品制造業(yè)、食品加工制造業(yè)以及有色金屬冶煉和軋制加工等[9-10]。區(qū)域擁有國家級“石河子經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)” “石河子農(nóng)業(yè)高新科技園區(qū)”，具有堅實的工業(yè)和社會經(jīng)濟基礎(chǔ)，被自治區(qū)定位為天山北坡重要中心城市，作為兵團的排頭兵，在維護邊疆穩(wěn)定、促進區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展及“一帶一路”戰(zhàn)略中具有重要的戰(zhàn)略地位。

本文原始數(shù)據(jù)主要來源于《新疆統(tǒng)計年鑒》(2015—2019年)和《石河子年鑒》(2015—2019年)。

2 構(gòu)建模型

2.1 PSR模型

PSR模型最初由加拿大統(tǒng)計學(xué)家提出，用于分析環(huán)境壓力、現(xiàn)狀與響應(yīng)之間的關(guān)系，后又由經(jīng)濟合作發(fā)展組織對其進行適用性和有效性評價[11]。壓力、狀態(tài)和響應(yīng)，三者之間不同而相互關(guān)聯(lián)的指標(biāo)可以表示水生態(tài)環(huán)境問題，即人類將各種資源從自然環(huán)境中獲取出來，經(jīng)過生產(chǎn)消費等一系列方式后，將其排放到自然環(huán)境，改變了資源數(shù)量和環(huán)境，進而影響人類經(jīng)濟社會活動等，往復(fù)循環(huán)，形成了人類活動與自然環(huán)境的“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”關(guān)系。以此設(shè)計的指標(biāo)可以較好地反映自然、經(jīng)濟、環(huán)境資源之間相互依存、相互制約的關(guān)系[1，12]。

本文將PSR模型引入到水生態(tài)環(huán)境安全評估中來，用PSR模型來確立各種評價指標(biāo)，結(jié)合水生態(tài)環(huán)境安全評價的需要，設(shè)計壓力-狀態(tài)-響應(yīng)概念模型，如圖1所示。

圖1 壓力-狀態(tài)-響應(yīng)概念模型

2.2 指標(biāo)篩選與指標(biāo)體系構(gòu)建

本文基于第八師石河子市水生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，從目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層構(gòu)建PSR模型，其中目標(biāo)層選用13個指標(biāo)，準(zhǔn)則層選用8個指標(biāo)，指標(biāo)層選用4個指標(biāo)，共25個指標(biāo)。具體指標(biāo)體系見表1。

表1 第八師石河子市水生態(tài)環(huán)境安全評價體系、指標(biāo)性質(zhì)及權(quán)重

2.3 權(quán)重確定

確定權(quán)重的方法有很多，如層次分析法(AHP)[8]、專家調(diào)查法(Delphi法)、熵權(quán)法、變異系數(shù)法等[11]。為避免專家賦權(quán)重的偏好性，削弱極值指標(biāo)對評價結(jié)果的影響，較為客觀地反映評價指標(biāo)的相對重要程度，本文采用變異系數(shù)法[1，13-15]確定指標(biāo)權(quán)重。具體步驟如下。

第一步，原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。

為對第八師石河子市水生態(tài)環(huán)境安全評估進行綜合評價，需對不同量綱指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，將所有指標(biāo)的數(shù)值轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的含義[16-17]。采用極差法[11，13，18]進行數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化：

正向指標(biāo)：

(1)

負向指標(biāo)：

(2)

式中，Xij、Yij—第i年第j個指標(biāo)的原始數(shù)值和標(biāo)準(zhǔn)化之后的數(shù)值；Xjmin、Xjmax—第j個指標(biāo)的最小值和最大值[19]。其中正向指標(biāo)值越大，則水生態(tài)環(huán)境越好；而負向指標(biāo)值越大，則水生態(tài)環(huán)境越差[19]。

第二步，變異系數(shù)法確定權(quán)重

(3)

(4)

2.4 綜合指數(shù)法

在指標(biāo)體系建立、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化以及權(quán)重確定的基礎(chǔ)上，還需要一個指標(biāo)來衡量第八師石河子市水生態(tài)環(huán)境安全狀況，即水生態(tài)環(huán)境安全評價的綜合指數(shù)[18]，其計算公式為：

(5)

式中，wi—第i年的綜合評價指數(shù)。

此外，本文采用綜合指數(shù)分級方式，將水生態(tài)環(huán)境安全綜合指數(shù)劃分成5個等級[20]，見表2。

表2 水生態(tài)環(huán)境安全等級標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與分析

3.1 指標(biāo)權(quán)重分析

在準(zhǔn)則層中，壓力、狀態(tài)、響應(yīng)三者權(quán)重比為0.5691∶0.2444∶0.1865，可以看出，在PSR模型中，對水生態(tài)環(huán)境安全影響最大的是壓力層，其次是狀態(tài)，最后是響應(yīng)。

在壓力指標(biāo)層中，SO2排放量、化肥使用量、林木采伐量、廢水中COD排放量、氨氮排放量這5個指標(biāo)的權(quán)重最靠前，由此說明第八師石河子市水生態(tài)環(huán)境安全的主要威脅來自于工業(yè)、農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)，這也反應(yīng)了第八師石河子市工業(yè)和農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展對水生態(tài)環(huán)境安全造成的巨大威脅。

在狀態(tài)指標(biāo)層中，年均降水量、人均糧食產(chǎn)量、水資源開發(fā)利用率和人均GDP的權(quán)重系數(shù)最高，說明當(dāng)前第八師石河子市仍以農(nóng)業(yè)為主，年降水量以及水資源開發(fā)利用率對農(nóng)業(yè)以及對水生態(tài)環(huán)境狀態(tài)具有重要的影響。

在響應(yīng)指標(biāo)層中，環(huán)保投資和造林面積的權(quán)重系數(shù)最高，并且環(huán)保投資在所有權(quán)重系數(shù)中是最高的?？梢钥闯?，目前在水生態(tài)環(huán)境安全上，第八師石河子市政府相關(guān)部門在面對壓力和狀態(tài)時，所做出的響應(yīng)發(fā)揮著重要角色和地位。

3.2 壓力、狀態(tài)、響應(yīng)指數(shù)分析

根據(jù)收集的各指標(biāo)2014—2018年的原始數(shù)據(jù)，采用式(1)—(5)對數(shù)據(jù)進行處理，計算得出各指標(biāo)權(quán)重，見表1。將權(quán)重與標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)代入式(5)計算得出2014—2018年第八師石河子市水生態(tài)安全綜合指數(shù)，見表3。

表3 2014—2018年第八師石河子市水生態(tài)環(huán)境安全綜合評價結(jié)果

由表3可知，PSR模型中，壓力、狀態(tài)、響應(yīng)的各自指標(biāo)變化，壓力指數(shù)波動最大，第八師石河子市水生態(tài)環(huán)境安全綜合評價曲線與其變化趨勢基本一致，呈現(xiàn)出大幅下降后微弱升高，近5a中，2014年壓力指數(shù)最高，2018年壓力指數(shù)最低。其中壓力指數(shù)的變化主要來自于工業(yè)、農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)，其中，SO2排放量、廢水中COD排放量、林木采伐量等數(shù)據(jù)在2016年達到最大。原因主要是第八師石河子市作為兵團和自治區(qū)最早對外開放的城市，“十二五”期間，第八師石河子市大力實施新型城鎮(zhèn)化，加快科技平臺建設(shè)和經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整，推進科技強工戰(zhàn)略，初步建成新型化工和現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)科技園，引領(lǐng)兵團“三化”建設(shè)，新型工業(yè)化效益飛速提升，傳統(tǒng)行業(yè)產(chǎn)值也逐年提升?！笆濉逼陂g社會、經(jīng)濟發(fā)展迅速，但由于工業(yè)粗放增長模式，產(chǎn)業(yè)對資源依賴度高，資源利用率整體較低，工業(yè)污染突出，節(jié)能減排目標(biāo)任務(wù)艱巨等為第八師石河子市水生態(tài)環(huán)境安全帶來巨大壓力。

狀態(tài)指數(shù)在近5a中雖有一定的波動，但沒有顯著變化。其中2018年狀態(tài)指數(shù)值最高。由從表1可看出，位于狀態(tài)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)前3位的年均降水量、人均糧食產(chǎn)量、水資源開發(fā)利用率數(shù)值在近5a中有增長的趨勢，尤其是年降水量。整體來說，2014—2018年數(shù)值基本穩(wěn)定，表明第八師石河子市水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)本身對外界的壓力有一定的調(diào)節(jié)能力，但即便如此，也應(yīng)繼續(xù)加大對水生態(tài)環(huán)境的治理。

響應(yīng)系統(tǒng)表現(xiàn)出穩(wěn)中有升的趨勢，近5a中，2018年相應(yīng)指數(shù)最高，從表1中可以看出，環(huán)保投資的指標(biāo)權(quán)重系數(shù)是所有權(quán)重系數(shù)中最高的。主要是因為2014—2018年環(huán)保投資的持續(xù)增加。同時也說明了第八師石河子市政府已經(jīng)意識到環(huán)境保護的重要性，促進資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會建設(shè)。大力提倡節(jié)能環(huán)保和綠色能源經(jīng)濟，推進工業(yè)節(jié)約用水、循環(huán)用水工作。以上工作對提高第八師石河子市水生態(tài)環(huán)境安全具有重要意義。

3.3 水生態(tài)環(huán)境安全指數(shù)分析

由表3可知，第八師石河子市近5a水生態(tài)環(huán)境安全指數(shù)呈先大幅下降后升高的趨勢，說明第八師石河子市水生態(tài)環(huán)境安全由高到低再到高的趨勢變化，反映了第八師石河子市在“十二五”期間的大開發(fā)戰(zhàn)略以及“十三五”加強環(huán)保治理的成效。

在2014—2018年間綜合指數(shù)評價值中，2014年綜合指數(shù)為0.6510，安全程度較高；2015年綜合指數(shù)為0.5709、2018年綜合指數(shù)為0.4915，安全程度一般；2016年綜合指數(shù)為0.3398，2017年綜合指數(shù)為0.3878年安全程度最低。

綜合比較第八師石河子市水生態(tài)環(huán)境安全指數(shù)以及壓力、狀態(tài)、響應(yīng)指數(shù)，可以得出水生態(tài)環(huán)境所面臨的壓力主要是工業(yè)活動造成的，具體表現(xiàn)為SO2排放量、廢水中COD排放量、氨氮排放量的減少。這表明政府部門對工業(yè)發(fā)展造成水生態(tài)環(huán)境安全的重視與調(diào)控，體現(xiàn)在大力發(fā)展節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)和循環(huán)經(jīng)濟，推進工業(yè)節(jié)約用水、循環(huán)用水，認真落實固體廢棄物資源化利用和無害化處理工作。這些措施的施行對水生態(tài)環(huán)境安全起到了有效調(diào)節(jié)作用。

而農(nóng)業(yè)作為第八師石河子市的支柱產(chǎn)業(yè)，是對水生態(tài)環(huán)境安全造成壓力的主要因素。其中化肥使用量對水生態(tài)環(huán)境安全造成的壓力最大。目前第八師石河子市用新型工業(yè)化的全新理念提升和推動農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化，近5a來，高新節(jié)水灌溉面積的不斷增長降低了水資源消耗，并對水生態(tài)環(huán)境改善起到重要作用。

與此同時，近年來，第八師石河子市年均降水量，森林覆蓋率的增加，人們環(huán)保意識的增強以及政府環(huán)保力度的加強，使得第八師石河子市水生態(tài)環(huán)境安全指數(shù)逐漸上升。在今后的發(fā)展過程中，為降低水生態(tài)環(huán)境安全風(fēng)險，第八師石河子市政府應(yīng)立足現(xiàn)有的水環(huán)境條件，在發(fā)展經(jīng)濟的同時還需積極保持水生態(tài)環(huán)境安全，積極引導(dǎo)節(jié)水型農(nóng)業(yè)發(fā)展，優(yōu)化配置節(jié)水生態(tài)系統(tǒng)類型，建設(shè)高效節(jié)水產(chǎn)業(yè)，切實提高水資源利用效率。

4 結(jié)論

本文通過建立PSR模型，對影響2014—2018年第八師石河子市水生態(tài)環(huán)境安全水平的指標(biāo)采用變異系數(shù)法進行權(quán)重分析，并對第八師石河子市水生態(tài)環(huán)境安全進行評價。得出以下主要結(jié)論。

(1)在PSR評價指標(biāo)體系中，權(quán)重系數(shù)最大的分別是環(huán)保投資、SO2排放量、化肥使用量、林木采伐量、廢水中COD排放量、氨氮排放量，反映了第八師石河子市工業(yè)和農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展對水生態(tài)環(huán)境安全造成的巨大威脅。

(2)第八師石河子市水生態(tài)環(huán)境安全指數(shù)呈大幅下降后升高趨勢，表明水生態(tài)環(huán)境安全由高到低再到高的趨勢變化。其中，以壓力指數(shù)的變化最大，且與綜合指數(shù)變化趨勢基本一致，表明壓力系統(tǒng)對第八師石河子市水生態(tài)環(huán)境綜合評價值貢獻度大；同時響應(yīng)系統(tǒng)的貢獻在穩(wěn)步提升，有效促進第八師石河子市生態(tài)環(huán)境安全的逐漸改善。