(1.華北水利水電大學 測繪與地理信息學院，河南 鄭州 450046；2.華北水利水電大學 地球科學與工程學院，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)，是推進城市化進程促進社會可持續(xù)發(fā)展的重要因素[1]。水生態(tài)安全在經(jīng)濟發(fā)展、農(nóng)業(yè)應(yīng)用、社會需要等方面起著至關(guān)重要的作用。對一個區(qū)域進行水生態(tài)安全評估，不僅能夠為該研究區(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)危機的認識不斷深入，水生態(tài)安全評估引起了國內(nèi)外專家學者的廣泛關(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)沿海水域進行評估，以確保10年內(nèi)歐洲水資源能夠達到安全狀態(tài)。Richard Meissner[3]等通過分析南非兩個城市的利益群體，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]等利用綜合評價法對吉林省白山市水生態(tài)安全進行綜合評價，并找出了影響該地區(qū)的主要驅(qū)動力；陳洋波[5]等通過模糊綜合評價對深圳市水資源承載能力進行評價，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“全國水生態(tài)文明城市”試點城市，2018年3月正式通過第一批全國水生態(tài)文明城市建設(shè)試點驗收。許昌市的水生態(tài)安全評估，不僅對許昌市加強水生態(tài)文明建設(shè)、保護生態(tài)環(huán)境平衡、維護生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的意義重大，而且能夠為其他地區(qū)的水生態(tài)文明建設(shè)提供現(xiàn)實的指導(dǎo)意義。本文結(jié)合許昌市2005—2014年水生態(tài)安全實際情況，采用“驅(qū)動力-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)安全評價體系，最后通過熵權(quán)法賦權(quán)綜合評價許昌市的水生態(tài)安全狀況，以期為許昌市水生態(tài)環(huán)境的保護與管理提供一定的參考價值。

1 研究區(qū)域概況

許昌市位于河南省中部地區(qū)，屬北暖溫帶季風氣候區(qū)。全市四季氣候總特征是：春季干旱多風沙，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)安全評價指標體系

DPSIR模型是一種在環(huán)境評價中用于衡量環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的評價指標體系概念模型，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)動力、壓力、狀態(tài)、影響、響應(yīng)5個影響因素組成，其中每個影響因素又可以分成若干個細分因子。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、社會經(jīng)濟的快速發(fā)展作為水生態(tài)安全系統(tǒng)的驅(qū)動力(D)；而隨著經(jīng)濟的發(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)量的保護情況等直接對人類社會和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)影響(I)；在整個模型構(gòu)架中，響應(yīng)則是人類社會主觀能動性的體現(xiàn)，在不良的環(huán)境中人類需要對驅(qū)動力、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)安全評價的DPSIR框架

構(gòu)建符合實際生態(tài)環(huán)境狀況的生態(tài)安全評價指標體系是科學、合理地進行評價的基礎(chǔ)，也是政府進行有效管理的前提[7]。以許昌市2005—2014年各指標統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以DPSIR模型為框架，遵循科學性原則、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項適用于許昌市水生態(tài)安全評價指標，見表1。

表1 許昌市水生態(tài)安全評價指標及定義

2.2 基于熵權(quán)法計算各指標權(quán)重

在綜合評價中，權(quán)重的大小直接反映評價指標的重要程度。指標權(quán)重的確定方法主要分為主觀賦權(quán)評價法和客觀賦權(quán)評價法。用主觀賦權(quán)法確定指標的權(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，同時，也難以避免由于個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)評價法中的熵權(quán)法，目前，熵權(quán)法在社會經(jīng)濟、工程技術(shù)和水質(zhì)評價中廣泛應(yīng)用，熵權(quán)法是基于各方案評價指標值的客觀數(shù)據(jù)的差異而確定各指標的權(quán)重的方法。在許昌市的水生態(tài)安全評價中，通過對熵的計算，確定各評級指標的權(quán)重，信息熵越小，指標的變異程度越大，提供的信息量越多，在綜合評價中所起的作用越大，權(quán)重也越大。

由于各個評價指標的量綱各不相同，無法進行比較計算，為了消除各量綱之間的差異，故在評價之前將各評價指標進行無量綱化處理。本文采用的是離差標準化的方法對許昌市2005—2014年的原始數(shù)據(jù)進行歸一化處理。

評價許昌市水生態(tài)安全的指標分為正向指標和負向指標，正向指標是指數(shù)值越大對許昌市水生態(tài)安全越好的指標，其標準化的方法如式(1)所示：

(1)

負向指標是指數(shù)值越小對許昌市水生態(tài)安全越好的指標，其標準化的方法如式(2)所示：

(2)

minXj——第j項指標的最小值;

maxXj——第j項指標的最大值。

為避免標準化數(shù)據(jù)出現(xiàn)0值，故將標準化后的數(shù)據(jù)向右平移1個單位。

計算指標Xij的比重Rij如式(3)所示:

(3)

計算第j項指標的熵值ej如式(4)所示:

(4)

其中，k>0，ej>0。

(5)

計算第j項指標的差異性系數(shù)gj如式(6)所示：

gj=1-ej

(6)

定義第j項指標的權(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權(quán)重見表1。

2.3 計算綜合指數(shù)

綜合評價法是在確定研究對象評價指標體系基礎(chǔ)上，運用一定方法對各指標在研究領(lǐng)域內(nèi)的重要程度即其權(quán)重進行確定，根據(jù)所選擇的評價模型，利用綜合指數(shù)的計算形式，定量地對某現(xiàn)象進行綜合評價的方法。綜合評價法是一種相對簡單高效的評價方法，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。其評價的模型為：

(8)

式中ESI——綜合評價指數(shù)；

Wi——第i個指標的權(quán)重值；

Xi——其無量綱量化值;

m——評價指標個數(shù)。

經(jīng)上述方法得到的各指標綜合指數(shù)見表2。

表2 各影響因素綜合指數(shù)

由于計算所得的綜合指數(shù)值往往不符合人們判斷“好”和“差”的習慣，需要將指標的標準化值和綜合數(shù)值轉(zhuǎn)化為等級值，即建立等級評價與評價指標標準化的概念關(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)綜合計算的各影響因素綜合評價趨勢如圖2所示。通過許昌市2005—2014年各影響因素綜合評價指標趨勢可以看出：?2014—2015年，驅(qū)動力、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指標趨勢

經(jīng)綜合評價法計算出2005—2014年的許昌市的綜合評價指數(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)安全治理是一項需要長期持續(xù)治理的工作，各相關(guān)部門仍需繼續(xù)實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級風險狀態(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，是維護人類社會持續(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)境的實際情況，建立了許昌市水生態(tài)安全評價指標體系，利用熵權(quán)法對各指標體系進行賦權(quán)，最后通過綜合評價法對許昌市水生態(tài)安全進行評價，結(jié)果表明：?通過對各影響因素和各細分因子指數(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，而各細分因子對許昌市的水生態(tài)安全影響較為平均；?通過詳細分析許昌市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)安全級別已達到Ⅳ級良好級狀態(tài)。研究結(jié)果不僅能夠為許昌市水生態(tài)安全的健康發(fā)展提供科學依據(jù)，更能為當?shù)卣ㄔO(shè)“全國水生態(tài)文明城市”提供一定的指導(dǎo)。