基于層次分析法和熵權(quán)法綜合評(píng)價(jià)山東省水生態(tài)安全

楊天翼，趙 強(qiáng)，王奎峰，姚 天，劉玉玉

(1. 濟(jì)南大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，山東濟(jì)南 250022； 2. 山東省地質(zhì)科學(xué)研究院，山東濟(jì)南 250013)

目前世界范圍內(nèi)水資源問(wèn)題日益嚴(yán)重[1-3]，水生態(tài)安全面臨著嚴(yán)重的考驗(yàn)[4-6]。山東省作為我國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)總量排名第三的經(jīng)濟(jì)強(qiáng)省，近年來(lái)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展給水環(huán)境帶來(lái)持續(xù)性的壓力，水資源短缺、水環(huán)境惡劣等問(wèn)題十分明顯，水生態(tài)安全狀況受損嚴(yán)重[7-8]。當(dāng)前，越來(lái)越多的國(guó)家開(kāi)始重視水生態(tài)的保護(hù)與研究[9-11]，節(jié)水型社會(huì)的理念在許多國(guó)家得到推廣[12-13]。美國(guó)在20世紀(jì)90年代初就將節(jié)水變?yōu)楣┧芾淼闹匾M成部分，通過(guò)供水、節(jié)水立法的實(shí)施約束用水行為[14]，而后又通過(guò)《美國(guó)水資源規(guī)劃法規(guī)》《供水法》等多部法規(guī)，組建了完善的節(jié)水政策管理體系[15]。國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家學(xué)者也致力于水生態(tài)安全評(píng)價(jià)研究[16-17]，Nichols等[18]以澳大利亞河流評(píng)估系統(tǒng)(AUSRIVAS)的開(kāi)發(fā)為例，將河流健康的生物學(xué)評(píng)估與生態(tài)水安全評(píng)估聯(lián)系起來(lái)，采用國(guó)家生物評(píng)估方法評(píng)估生態(tài)水安全。Sullivan[19]提出了一種水貧乏指數(shù)的概念，結(jié)合多學(xué)科理念，為國(guó)家的水資源開(kāi)發(fā)提供合理的標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)級(jí)。彭濤等[20]通過(guò)構(gòu)建集對(duì)分析與可變模糊集耦合的城市水資源安全評(píng)價(jià)模型，分析了廣州市水資源安全狀況及其主要障礙因子。

構(gòu)建合理的水生態(tài)安全評(píng)價(jià)體系對(duì)揭示山東省水系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)具有重要意義。本文中采用壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(pressure-state-response，PSR)模型對(duì)山東省水環(huán)境安全進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，確定水生態(tài)安全等級(jí)，為該省水生態(tài)治理提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

山東省位于我國(guó)東部沿海地區(qū)，地理位置為北緯34°22.9′—38°24.01′、東經(jīng)114°47.5′—122°42.3′，見(jiàn)圖1。

山東省地圖從國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)地圖網(wǎng)站下載，地圖審批號(hào) GS(2019)3333號(hào)(http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/browse.html? picId=%224o28b0625501ad13015501ad2bfc0210%22)， 經(jīng)過(guò)ArcGIS10.6軟件數(shù)字化處理后得到。圖1 研究區(qū)概況圖

水資源主要來(lái)源于大氣降水，多年年平均降水量為676.5 mm，分布特點(diǎn)為南多北少[21]。省內(nèi)湖泊主要集中在中南山地與魯西平原之間，蓄水量約為2.353×109m3。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文中的研究數(shù)據(jù)主要來(lái)源于《山東省統(tǒng)計(jì)年鑒》(2010—2019年)[22]、《山東省水資源公報(bào)》(2010—2019年)、《山東省環(huán)境統(tǒng)計(jì)公報(bào)》(2010—2019年)。由于部分統(tǒng)計(jì)公報(bào)中未列出2018年數(shù)據(jù)，因此沿用2017年數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

2 PSR模型的構(gòu)建

2.1 指標(biāo)構(gòu)建原則

遵循科學(xué)性、系統(tǒng)性、代表性等原則，本文中共設(shè)置壓力、狀態(tài)、響應(yīng)3個(gè)準(zhǔn)則層，選取28個(gè)水生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中壓力層、狀態(tài)層、響應(yīng)層的指標(biāo)個(gè)數(shù)分別為16、6、6。

2.2 評(píng)價(jià)模型選取

我國(guó)目前主要評(píng)價(jià)方法包括數(shù)學(xué)模型法(包括層次分析法[23]、主成分投影法[24]、灰色關(guān)聯(lián)度法[25])、生態(tài)模型法(生態(tài)足跡法[26])、景觀模型法[27]等。PSR模型建立在環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等層面的基礎(chǔ)上，指標(biāo)體系比較完整，可以有效地闡述人與自然間相互作用關(guān)系，充分體現(xiàn)水資源的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，清晰地展現(xiàn)各層次間動(dòng)態(tài)關(guān)系[28]，因此，本文中采用該模型構(gòu)建山東省水生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，從流域的整體角度出發(fā)，分析流域不同因子對(duì)水生態(tài)安全的影響。山東省水生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系概念框架如圖2所示。

3 水生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)方法

3.1.1 指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

本文中采用極差標(biāo)準(zhǔn)化法[29]對(duì)所選指標(biāo)進(jìn)行量化統(tǒng)一。

正向指標(biāo)(數(shù)值越大越安全)計(jì)算公式為

(1)

負(fù)向指標(biāo)(數(shù)值越小越安全)計(jì)算公式為

(2)

式中：Xij、Yij分別為第i年第j個(gè)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后正向、負(fù)向的數(shù)值，i=1，2，，m,j=1,2,,n,m、n為正整數(shù)；xij為第i年第j個(gè)指標(biāo)的原始數(shù)值；xj,max、yj,min分別為第j個(gè)指標(biāo)的最大值和最小值。

圖2 山東省水生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系概念框架

3.1.2 權(quán)重計(jì)算

采用熵權(quán)法對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行客觀賦權(quán)，并借助層次分析法計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)主觀權(quán)重，最后引入偏好系數(shù)μ對(duì)計(jì)算出的2類(lèi)權(quán)重進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1)層次分析法計(jì)算主觀權(quán)重。采用層次分析法主觀分析指標(biāo)的權(quán)重值時(shí)，首先根據(jù)各元素之間的相對(duì)重要關(guān)系，構(gòu)建兩兩比較判斷矩陣A，結(jié)合判斷矩陣打分表打分[30]。

結(jié)合判斷矩陣A，計(jì)算判斷矩陣最大特征根λmax以及其所對(duì)應(yīng)的經(jīng)過(guò)歸一化后的特征向量W，相應(yīng)的計(jì)算公式為

AW=λmaxW，

(3)

式中W=(w1,w2,,wn)，wj(j=1,2,,n)為各項(xiàng)指標(biāo)的相應(yīng)權(quán)重。

對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，判斷一致性指標(biāo)εcr的取值，計(jì)算公式為

(4)

(5)

式中：εc為判斷矩陣一致性指標(biāo)；εr為隨機(jī)一致性指標(biāo)。

2)熵權(quán)法計(jì)算客觀權(quán)重。采用熵權(quán)法對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行客觀權(quán)重計(jì)算。熵是一個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)，是系統(tǒng)無(wú)序度的一種度量工具[31]。

經(jīng)式(1)、(2)歸一化的多目標(biāo)決策矩陣X=(xij)m×n，形成新的判斷矩陣B=(bij)m×n。

定義第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值為Hj，則有

(6)

設(shè)第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)為βj，則客觀權(quán)重向量β=(β1,β2, ,βn)，即

(7)

3)綜合權(quán)重的確定。根據(jù)層次分析法所求權(quán)重αi與熵權(quán)法所求權(quán)重βi，采用偏好系數(shù)μ=0.5計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)最終權(quán)重ωi，即

ωi=0.5(αi+βi)

。

(8)

3.1.3 綜合評(píng)價(jià)

在結(jié)合PSR模型、數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)山東省水生態(tài)安全進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。采用水生態(tài)綜合指數(shù)衡量該省水生態(tài)安全現(xiàn)狀，計(jì)算公式為

(9)

式中：Wi為第i年的綜合評(píng)價(jià)值；Aj為指標(biāo)權(quán)重。

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

直接標(biāo)準(zhǔn)化后計(jì)算得出的數(shù)據(jù)無(wú)法直觀地對(duì)水環(huán)境生態(tài)狀況進(jìn)行主觀的評(píng)價(jià)，因此需要將各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值及其綜合指數(shù)轉(zhuǎn)化為等級(jí)值。借鑒國(guó)際、不同國(guó)家(地區(qū))公認(rèn)值的安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值，運(yùn)用不等劃分法對(duì)綜合指數(shù)以及評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行等級(jí)劃分，結(jié)果見(jiàn)表1[32]。

3.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

3.2.1 系統(tǒng)權(quán)重評(píng)價(jià)

根據(jù)層次分析法和熵權(quán)法對(duì)2010—2018年所選取指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算得通過(guò)一致性檢驗(yàn)后的各指標(biāo)權(quán)重(見(jiàn)表2)，并對(duì)權(quán)重進(jìn)行排序，對(duì)各系統(tǒng)的生態(tài)安全進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表1 水生態(tài)安全評(píng)判等級(jí)劃分[32]

表2 山東省水生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、指標(biāo)性質(zhì)及權(quán)重

1)壓力系統(tǒng)權(quán)重評(píng)價(jià)。在壓力準(zhǔn)則層的指標(biāo)中，工業(yè)總產(chǎn)值、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、農(nóng)用化肥折純量、農(nóng)藥施用實(shí)物量、城鎮(zhèn)生活污水排放量等6個(gè)指標(biāo)的權(quán)重均大于0.045。由此可以看出，這些壓力指標(biāo)對(duì)于水生態(tài)安全的影響較大，在今后山東省水生態(tài)的建設(shè)中，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行關(guān)注以及合理化治理。同時(shí)，如何平衡經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的關(guān)系也將是山東省下一階段的難題之一。其中農(nóng)用化肥施用折純量、有效灌溉面積的綜合權(quán)重分別為0.079 61、0.025 21，結(jié)合統(tǒng)計(jì)年鑒中數(shù)據(jù)，2010—2018年山東省農(nóng)藥化肥折純量從4.753 25×106t下降至4.203 49×106t，有效灌溉面積從4.955 3×106hm2上升至5.235 99×106hm2。這期間山東省在農(nóng)業(yè)層面的積極調(diào)控，對(duì)農(nóng)藥、化肥的使用進(jìn)行強(qiáng)有力控制，增加有效灌溉面積，都在一定程度上減緩了水生態(tài)安全的壓力。其他指標(biāo)權(quán)重較小，原因是在求權(quán)重時(shí)這些變化幅度小的指標(biāo)相對(duì)比較穩(wěn)定，例如年末人口、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值等對(duì)山東省水生態(tài)有一定的影響。

2)狀態(tài)系統(tǒng)權(quán)重評(píng)價(jià)。狀態(tài)準(zhǔn)則層中既有正向指標(biāo)，也有負(fù)向指標(biāo)，其中正向指標(biāo)表示對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)具有積極的作用，數(shù)值越大說(shuō)明水環(huán)境生態(tài)安全狀況越好；負(fù)向指標(biāo)則是對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)具有消極的作用，數(shù)值越大說(shuō)明對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的壓力越大。在正向指標(biāo)中，水資源總量、地表水資源量、地下水資源量的綜合權(quán)重均大于0.021，水資源總量從2010年的3.091 2×1010m3下降至2017年的2.256 1×1010m3，直至2018年才上升至3.432 5×1010m3。地表水資源量也在2010—2017年間總體下降了31%左右，因此山東省現(xiàn)階段水生態(tài)問(wèn)題仍不容忽視，水資源短缺等生態(tài)問(wèn)題還需進(jìn)一步解決，應(yīng)努力使水資源相關(guān)指標(biāo)維持2018年的水準(zhǔn)并尋求進(jìn)一步提升。酸雨檢出率綜合權(quán)重達(dá)到0.013 9，在2010—2016年間酸雨檢出率的變化幅度很不穩(wěn)定，但在2017、2018年酸雨檢出率為0，可以看出山東省在這2年間所采取的措施有效降低了酸雨產(chǎn)出，但仍應(yīng)防止酸雨反復(fù)出現(xiàn)。

3)響應(yīng)系統(tǒng)權(quán)重評(píng)價(jià)。在響應(yīng)準(zhǔn)則層各項(xiàng)指標(biāo)中，工業(yè)廢水治理投資、城市水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、供水總量的綜合權(quán)重均超過(guò)0.038，9 a間山東省環(huán)境治理投資資金提升度達(dá)到96%，其占全省GDP的比重也有小幅度提升，但供水總量在2010—2018年呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，這種情況不利于山東省水環(huán)境生態(tài)安全的建設(shè)，在今后的發(fā)展過(guò)程中應(yīng)予以注意。

3.2.2 綜合安全評(píng)價(jià)

山東省水生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖中可看出，因?yàn)閴毫?zhǔn)則層各項(xiàng)指標(biāo)均為負(fù)向指標(biāo)，所以其數(shù)值越小，壓力越大，水生態(tài)壓力在2013年達(dá)到最大值，并且在2015年以后呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)。

圖3 山東省水生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果

2014、2015年?duì)顟B(tài)準(zhǔn)則層水生態(tài)安全評(píng)價(jià)值均較小，分別為0.219 0和0.404 4，2011、2018年的評(píng)價(jià)值較大，分別為1.113 1和1.531 0，而2011、2014、2015、2018年山東省水資源總量分別為3.476 1×1010、1.484 4×1010、1.684 4×1010、3.432 5×1010m3，由此看出，水資源總量在水生態(tài)安全的維持體系中是一個(gè)重要的影響因素。

響應(yīng)準(zhǔn)則層指標(biāo)近幾年呈現(xiàn)較大的波動(dòng)態(tài)勢(shì)，其中2015年的指標(biāo)值最小，為0.569 3，2012年的指標(biāo)值最大，為1.502 1。綜合對(duì)比這2 a的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)境污染治理投資、工業(yè)廢水治理投資等大幅增加時(shí)，響應(yīng)層指標(biāo)反饋也較好，表明資金的投入對(duì)于水生態(tài)維護(hù)具有重要意義。響應(yīng)層指標(biāo)值在2012—2015年持續(xù)減小，2016年開(kāi)始逐年上升，說(shuō)明山東省未來(lái)應(yīng)采取更加合理、有效的措施來(lái)保證水生態(tài)系統(tǒng)的安全。

從綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)看，2014、2015年的數(shù)值分別為3.383 0、3.073 8，其余幾年的數(shù)值均為4.219 9～5.929 1，結(jié)合相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，除2014、2015年山東省水生態(tài)安全狀況處于Ⅱ級(jí)，其余年份水生態(tài)安全狀況均處于Ⅲ級(jí)，即水生態(tài)服務(wù)功能已經(jīng)出現(xiàn)退化，生態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，可維持基本功能，但是生態(tài)環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)顯現(xiàn)。水生態(tài)綜合評(píng)價(jià)值在2015年開(kāi)始逐年上升，說(shuō)明山東省的水環(huán)境狀況已經(jīng)逐漸好轉(zhuǎn)。

此外，綜合評(píng)價(jià)曲線與狀態(tài)層評(píng)價(jià)曲線變化趨勢(shì)相似，水資源總量、地表水資源量等對(duì)狀態(tài)層評(píng)價(jià)指標(biāo)值影響很大，因此未來(lái)應(yīng)采取合理的措施，保障水資源免受污染與浪費(fèi)。

不同年份各指標(biāo)層評(píng)價(jià)值占綜合評(píng)價(jià)值的比重如圖4所示。由圖可見(jiàn)：各年份壓力層指標(biāo)占比超過(guò)50%，2015年達(dá)到68.32%，表明山東省人口增長(zhǎng)、全省國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值增加和生活污水排放量增大導(dǎo)致了環(huán)境壓力增大，但工業(yè)廢水排放量及工業(yè)廢水中化學(xué)需氧量(COD)排放量的減少降低了對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的壓力，增強(qiáng)了水生態(tài)系統(tǒng)的安全性。在今后的環(huán)境治理中，山東省應(yīng)將重點(diǎn)放在減小壓力層各指標(biāo)對(duì)水環(huán)境的壓力方面，控制工業(yè)污水排放量與排放標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格管理農(nóng)業(yè)種植方式。狀態(tài)層指標(biāo)所占比重在2015—2018年呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，表明山東省水生態(tài)狀況已經(jīng)逐漸有所好轉(zhuǎn)，水生態(tài)安全問(wèn)題逐漸改善。響應(yīng)層指標(biāo)所占比重在2012年達(dá)到最大，接近32.8%。通過(guò)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，與2011年相比，2012年的環(huán)境治理投資從6.14×1010元上升至7.39×1010元，環(huán)境污染治理投資占全省GDP的比重提高了0.13%，與2013年?duì)顟B(tài)評(píng)價(jià)值相比有所提升，說(shuō)明對(duì)環(huán)境治理投資力度的加大收到了較好的環(huán)境狀態(tài)反饋，水生態(tài)環(huán)境有所好轉(zhuǎn)。2015—2018年響應(yīng)層指標(biāo)所占比重變化較小，仍需繼續(xù)加大環(huán)境治理投資力度。

圖4 不同年份各指標(biāo)層評(píng)價(jià)值占綜合評(píng)價(jià)值的比重

4 結(jié)論

本文中對(duì)2010—2018年山東省水生態(tài)指標(biāo)進(jìn)行分析，并對(duì)水生態(tài)安全進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到結(jié)論如下：

1)2010—2018年山東省水生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)值略有波動(dòng)，但總體處于上升的趨勢(shì)； 山東省水生態(tài)安全評(píng)判等級(jí)基本處于等級(jí)Ⅲ。雖然2018年水生態(tài)安全質(zhì)量有了較大提升，但總體上看山東省水生態(tài)服務(wù)功能已經(jīng)出現(xiàn)退化，生態(tài)問(wèn)題已經(jīng)凸顯。

2)山東省水環(huán)境壓力總體呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，且各項(xiàng)指標(biāo)均為負(fù)向指標(biāo)，因此現(xiàn)階段山東省水生態(tài)安全所承受的壓力不容忽視。這期間環(huán)境壓力值已經(jīng)開(kāi)始減小，下一步仍應(yīng)研究更合理的科學(xué)手段緩解水生態(tài)壓力，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)健康、快速發(fā)展。

3)狀態(tài)準(zhǔn)則層評(píng)價(jià)指標(biāo)和山東省水生態(tài)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)變化趨勢(shì)基本一致，水資源總量對(duì)狀態(tài)層的響應(yīng)具有至關(guān)重要的作用，因此應(yīng)加強(qiáng)對(duì)全流域斷面水質(zhì)、水量等的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)。

4)響應(yīng)準(zhǔn)則層評(píng)價(jià)指標(biāo)值在2015年后持續(xù)增大，表明山東省在水生態(tài)問(wèn)題上所采取相關(guān)措施已經(jīng)逐漸發(fā)揮積極作用。