楊法暄, 徐盼盼, 錢會(huì),*, 任文豪, 史紫薇

基于SPA-MC耦合模型的陜西省水環(huán)境生態(tài)安全水平動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)

楊法暄1,2, 徐盼盼1,2, 錢會(huì)1,2,*, 任文豪1,2, 史紫薇1,2

1. 長安大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院, 西安 710054 2. 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710054

水環(huán)境生態(tài)安全與一個(gè)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)息息相關(guān)。為了對(duì)陜西省水環(huán)境生態(tài)安全水平進(jìn)行合理評(píng)價(jià), 結(jié)合陜西省水生態(tài)現(xiàn)狀, 基于DPSBR概念模型構(gòu)建水生態(tài)安全水平評(píng)價(jià)體系, 采用SPA-MC(集對(duì)分析—馬爾科夫鏈)耦合模型對(duì)陜西省2000—2017年水環(huán)境安全狀況進(jìn)行了動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià), 并提出適應(yīng)性建議。結(jié)果表明: 陜西省2000—2017年水環(huán)境生態(tài)安全水平整體上呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢, 2001—2010年明顯升高, 2011—2017年降低; 2010—2012年安全水平最高, 為“較安全”水平, 2001、2002年安全水平最低, 為“較不安全”水平; 層級(jí)水平上, “生態(tài)壓力”和“生態(tài)基礎(chǔ)”對(duì)陜西省水環(huán)境生態(tài)安全水平的影響最大, 指標(biāo)水平上“水資源開發(fā)利用率”與“水土保持面積”的影響最大; 預(yù)測陜西省2018—2025年水環(huán)境生態(tài)安全水平將長期處于“臨界安全”狀態(tài), 且逐步向“較安全”水平轉(zhuǎn)變。重視水土保持工作和水污染防治工作, 是持續(xù)改善陜西省水環(huán)境生態(tài)安全狀況的重要舉措。研究成果對(duì)陜西省水環(huán)境的有效保護(hù)以及生態(tài)建設(shè)政策的制定具有指導(dǎo)意義。

水環(huán)境; 生態(tài)安全; SPA-MC; 動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià); 陜西省

0 前言

生態(tài)安全問題與一個(gè)區(qū)域乃至一個(gè)國家生態(tài)系統(tǒng)的安全水平息息相關(guān), 并且已經(jīng)影響到了人類的生存與發(fā)展[1–2]。改革開放以來, 我國在經(jīng)濟(jì)發(fā)展取得長足進(jìn)步的同時(shí)生態(tài)安全問題也變得日益嚴(yán)重, 為了實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的永續(xù)發(fā)展, 研究生態(tài)安全問題勢在必行[3]。水環(huán)境生態(tài)安全作為生態(tài)安全的重要組成部分已愈來愈成為人們關(guān)注的焦點(diǎn), 其概念是在生態(tài)系統(tǒng)中, 水體的水量、水質(zhì)能夠滿足其內(nèi)部及周圍環(huán)境生態(tài)正常并持續(xù)的運(yùn)轉(zhuǎn), 并能保證人類社會(huì)良性循環(huán)發(fā)展, 簡稱水生態(tài)安全[4]。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)水環(huán)境生態(tài)安全水平進(jìn)行了大量研究。Narain等認(rèn)為城市化進(jìn)程、城市水生態(tài)安全以及城市周邊居民健康狀況三者之間存在密切關(guān)系[5]。Yongtai Ren等建立了一個(gè)相似云模型來模擬復(fù)雜區(qū)域水安全系統(tǒng)的演化機(jī)制, 并對(duì)建三江和銀川地區(qū)的水環(huán)境生態(tài)安全水平進(jìn)行了評(píng)價(jià)[6]。Jin Xu等引入PSR框架模型構(gòu)建城市水環(huán)境安全評(píng)價(jià)體系, 采用熵權(quán)法確定相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重, 對(duì)天津市水生態(tài)安全水平的時(shí)序變化趨勢進(jìn)行分析[7]。彭濤等基于集對(duì)分析與可變模糊集耦合模型以廣州市為例進(jìn)行了城市水環(huán)境生態(tài)安全水平評(píng)價(jià)研究, 從障礙因子的角度分析了城市水生態(tài)安全水平的變化機(jī)理[8]。張麗等以南京市為研究對(duì)象, 采用綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法計(jì)算得到南京市水環(huán)境生態(tài)安全綜合指數(shù)評(píng)價(jià)值, 并建立綜合指數(shù)評(píng)價(jià)值與生態(tài)安全評(píng)價(jià)之間的等級(jí)關(guān)系,對(duì)南京市水環(huán)境生態(tài)安全水平進(jìn)行等級(jí)評(píng)價(jià)[9]。范語馨基于GIS和RS技術(shù), 利用模糊層次分析法對(duì)三峽水庫生態(tài)屏障區(qū)湖北段的生態(tài)環(huán)境脆弱性進(jìn)行了評(píng)價(jià), 并分析了主要影響因素[10]。前人的研究主要集中于針對(duì)研究區(qū)域采用合適的方法對(duì)以往水環(huán)境生態(tài)安全水平的變化趨勢進(jìn)行分析, 缺少對(duì)未來水環(huán)境生態(tài)安全水平的動(dòng)態(tài)預(yù)測研究。

陜西省位于絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶核心區(qū)域, 研究其水環(huán)境生態(tài)安全水平, 對(duì)于“一帶一路”經(jīng)濟(jì)帶的可持續(xù)發(fā)展具有重大的意義[11]。本研究在前人水環(huán)境生態(tài)安全水平評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)上, 結(jié)合陜西省水生態(tài)現(xiàn)狀, 創(chuàng)建DPSBR概念模型, 從生態(tài)動(dòng)力()、生態(tài)壓力()、生態(tài)狀態(tài)()、生態(tài)基礎(chǔ)()以及生態(tài)響應(yīng)()5個(gè)層級(jí)選取21個(gè)指標(biāo), 采用主客觀結(jié)合賦權(quán)法對(duì)相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán), 運(yùn)用集對(duì)分析與馬爾科夫鏈(SPA-MC)耦合模型對(duì)陜西省2000—2017年水環(huán)境生態(tài)安全水平進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià), 檢驗(yàn)了模型的適用性并對(duì)2018—2025年的水生態(tài)安全水平作出預(yù)測。該研究對(duì)陜西省水資源可持續(xù)發(fā)展, 水環(huán)境有效保護(hù)以及生態(tài)建設(shè)相關(guān)政策的制定具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

陜西省位于中國內(nèi)陸腹地, 黃河中游, 介于東經(jīng)105°29′—111°15′和北緯31°42′—39°35′之間, 總面積20.56萬km2。全省以秦嶺為界分為長江水系與黃河水系, 主要有渭河、涇河、洛河、無定河和漢江、丹江、嘉陵江等。陜西省屬干旱半干旱地區(qū), 水資源總量為449.13億m3, 年平均降水量為760.5 mm,人均水資源量為1174.49 m3, 水資源地域分布南北不均, 且夏季降水多、冬季少, 多年平均降水量表現(xiàn)為陜南＞關(guān)中＞陜北[12]。陜西省水體污染嚴(yán)重, 從參與評(píng)價(jià)的主要河流水系來看, 漢江、嘉陵江、伊洛河、丹江水系水質(zhì)為優(yōu), 其余水系為輕度污染。陜西省水環(huán)境監(jiān)測中心評(píng)價(jià)結(jié)果顯示, 2018年Ⅰ—Ⅲ類水質(zhì)河長占總評(píng)河長的81.8%, Ⅳ—Ⅴ類河長占12.4%, 劣Ⅴ類占5.8%, 主要超標(biāo)項(xiàng)目為氨氮和化學(xué)需氧量。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

文中所用陜西省各年度社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益與水資源開發(fā)利用情況數(shù)據(jù)來自2001—2018年《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》《陜西統(tǒng)計(jì)年鑒》, 水資源量以及各項(xiàng)水文數(shù)據(jù)來自2000—2017年《陜西省水資源公報(bào)》。

2.2 研究方法

2.2.1 指標(biāo)體系的構(gòu)建

由于綜合評(píng)價(jià)的復(fù)雜性, 其指標(biāo)選取方法無統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。目前被廣泛用于區(qū)域生態(tài)安全水平評(píng)價(jià)的指標(biāo)選取模型主要有PSR、DPSIR、DPSIRM概念模型[13-15], 本文在借鑒上述模型的同時(shí), 充分考慮生態(tài)系統(tǒng)安全的內(nèi)涵, 在遵循科學(xué)性、系統(tǒng)性、綜合性、易獲性、典型性等原則[16]的基礎(chǔ)上, 設(shè)計(jì)出DPSBR概念模型。根據(jù)PESBR概念模型內(nèi)涵, 結(jié)合陜西省水環(huán)境生態(tài)現(xiàn)狀, 建立涵蓋生態(tài)動(dòng)力()、生態(tài)壓力()、生態(tài)狀態(tài)()、生態(tài)基礎(chǔ)()以及生態(tài)響應(yīng)()5個(gè)層級(jí)21個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的陜西省水環(huán)境安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。根據(jù)指標(biāo)屬性分成正向與負(fù)向指標(biāo), 其詳細(xì)信息及權(quán)重見表1。

2.2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的賦權(quán)

評(píng)價(jià)指標(biāo)的賦權(quán)指通過某種方法確定各項(xiàng)指標(biāo)在評(píng)價(jià)體系中所占的權(quán)重大小, 它的合理與否直接決定了評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性和正確性。目前, 被廣泛應(yīng)用的賦權(quán)方法可以分為主觀和客觀賦權(quán)法兩大類。其中, 主觀賦權(quán)法主要包括層次分析法(AHP)[10]、專家咨詢法等; 客觀賦權(quán)法主要包括主成分分析法[17]、熵權(quán)法[18]、均方差法[19]等, 此兩類方法均有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。為了充分利用二者的優(yōu)點(diǎn), 本文采用將層次分析法與均方差法進(jìn)行線性加權(quán)的主客觀結(jié)合賦權(quán)法進(jìn)行權(quán)重的確定, 這樣既能考慮到?jīng)Q策者的主觀評(píng)價(jià)又能體現(xiàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的客觀性, 使指標(biāo)賦權(quán)結(jié)果更加合理。指標(biāo)綜合權(quán)重W依公式(1)進(jìn)行計(jì)算:

式中:表示第項(xiàng)指標(biāo),=1,2,…,21;W表示第項(xiàng)指標(biāo)的綜合權(quán)重;w表示第項(xiàng)指標(biāo)通過層次分析法計(jì)算出來的主觀權(quán)重,w表示第項(xiàng)指標(biāo)通過均方差法計(jì)算出來的客觀權(quán)重;表示線性加權(quán)系數(shù), 0<<1。本文取0.5, 表示客觀賦權(quán)與主觀賦權(quán)同等重要, 計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 陜西省水環(huán)境生態(tài)安全水平評(píng)價(jià)指標(biāo)及含義

注:i﹢/﹣(=1,2,···,21)中﹢/﹣代表該指標(biāo)為正向/負(fù)向指標(biāo); 正向指標(biāo)數(shù)值越大生態(tài)系統(tǒng)越安全, 負(fù)向指標(biāo)數(shù)值越小, 生態(tài)系統(tǒng)越安全。

2.2.3 指標(biāo)分級(jí)

結(jié)合陜西省水環(huán)境生態(tài)現(xiàn)狀, 參照相關(guān)文獻(xiàn)水環(huán)境生態(tài)安全分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[8,19], 并根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)將水環(huán)境生態(tài)安全水平評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)劃分為安全(Ⅰ級(jí)), 較安全(Ⅱ級(jí)), 臨界安全(Ⅲ級(jí)), 較不安全(Ⅳ級(jí)),不安全(Ⅴ級(jí)), 并由此確定陜西省水環(huán)境生態(tài)安全水平等級(jí), 具體分級(jí)情況見表2:

2.2.4 評(píng)價(jià)和預(yù)測模型

采用SPA-MC耦合模型對(duì)陜西省水環(huán)境生態(tài)安全水平進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。集對(duì)分析法(SPA)將評(píng)價(jià)等級(jí)()與評(píng)價(jià)指標(biāo)(X)作為兩個(gè)集合構(gòu)成一個(gè)集對(duì)(,), 得到=5的多元聯(lián)系度:

式中,μ代表評(píng)價(jià)等級(jí)與評(píng)價(jià)指標(biāo)X之間的聯(lián)系度,代表指標(biāo)個(gè)數(shù),a、b、分別代表指標(biāo)X對(duì)于不同等級(jí)的同一聯(lián)系度、對(duì)立聯(lián)系度和差異聯(lián)系度,i、i、i、為對(duì)應(yīng)對(duì)立度系數(shù)和差異度系數(shù),w為對(duì)應(yīng)各指標(biāo)的權(quán)重。

令

則式(2)變?yōu)?

對(duì)于正向指標(biāo), 指標(biāo)值與評(píng)價(jià)等級(jí)之間的聯(lián)系度的計(jì)算公式如下[17]:

表2 水環(huán)境生態(tài)安全水平評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

注: ①聯(lián)合國人居環(huán)境署評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn); ②國內(nèi)先進(jìn)省份發(fā)展水平; ③國家建設(shè)部頒布的宜居城市科學(xué)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn); ④國家環(huán)保模范城市建設(shè)考核指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于負(fù)向指標(biāo), 指標(biāo)值X與評(píng)價(jià)等級(jí)之間的聯(lián)系度的計(jì)算公式如下:

式中,1,2,3,4分別為Ⅰ～Ⅳ級(jí)界限值。

最后, 采用置信度來確定評(píng)價(jià)對(duì)象的安全水平等級(jí):

式中: λ為置信度, 其取值范圍一般為[0.5,0.7],本文取0.6。即若1≥0.6, 則該區(qū)域水環(huán)境生態(tài)安全水平評(píng)價(jià)等級(jí)為安全, 若ν+ν≥0.6, 則評(píng)價(jià)等級(jí)為較安全, 以此類推。

預(yù)測模型采用馬爾科夫鏈(MC), 馬爾科夫鏈?zhǔn)侵笗r(shí)間和狀態(tài)均連續(xù)的馬爾科夫過程, 其特點(diǎn)是無后效性, 即當(dāng)過程在時(shí)刻t所處的狀態(tài)已知時(shí), 過程在大于t的時(shí)刻t+△t所處狀態(tài)的概率特性只與過程在t時(shí)刻所處的狀態(tài)有關(guān), 而與t之前狀態(tài)無關(guān)[20]。設(shè)((t)∣(t))為t時(shí)刻的狀態(tài)轉(zhuǎn)移至t時(shí)刻的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率。設(shè)時(shí)間狀態(tài)集合為=t,t,t,···,t則將((t)∣(t))為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。

在某一時(shí)間段[t,t+△t]內(nèi), 評(píng)價(jià)指標(biāo)的安全等級(jí)通常會(huì)隨的變化而變化, 假設(shè)t時(shí)刻共有T個(gè)指標(biāo)處于非常安全等級(jí), 到t+時(shí)刻有T個(gè)指標(biāo)依然處于非常安全級(jí)別,T個(gè)指標(biāo)變?yōu)檩^安全級(jí)別,T個(gè)指標(biāo)變?yōu)榕R界安全級(jí)別,T個(gè)變?yōu)檩^不安全級(jí)別,T個(gè)變?yōu)椴话踩?jí)別, 且滿足T=T+T+T+T+T, 故[t,t+△t]內(nèi)的安全狀態(tài)轉(zhuǎn)移向量為:

式中,w(t)代表狀態(tài)各狀態(tài)轉(zhuǎn)移類型的權(quán)重值, 同理可以得到P,3,P,P的狀態(tài)轉(zhuǎn)移向量, 進(jìn)而得到此時(shí)間段內(nèi)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣P:

由上式計(jì)算出若干時(shí)間段上的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣, 并假設(shè)各矩陣所占權(quán)重相等, 則可由此求出平均狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣,進(jìn)而由平均狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣求出[tm,tm+nΔt]時(shí)段上水環(huán)境生態(tài)安全水平評(píng)價(jià)等級(jí)如下:

式中,、b、分別代表時(shí)刻t的原始統(tǒng)一度、對(duì)立度、差異度。P(Δt)為(Δ)時(shí)段后的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣, (1,1,2,3,)為同一度、對(duì)立度、差異度系數(shù)。此時(shí)得到目標(biāo)時(shí)間相應(yīng)的預(yù)測值v, …,v。

由于馬爾科夫鏈具有遍歷性,p△t符合查普曼-柯爾莫哥洛夫方程, 即pΔt隨著的增大逐漸趨近于恒定值。因此,t+Δ時(shí)刻的水環(huán)境生態(tài)安全水平聯(lián)系度預(yù)測值經(jīng)過多個(gè)周期的狀態(tài)轉(zhuǎn)移之后將最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)[21]。再者, 聯(lián)系度具有歸一性, 則水環(huán)境生態(tài)安全水平評(píng)價(jià)穩(wěn)態(tài)值可由以下方程組求出:

其中,為單位矩陣,為平均狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。解上述方程組得到水環(huán)境生態(tài)安全水平評(píng)價(jià)穩(wěn)態(tài)值為:

3 結(jié)果與分析

3.1 陜西省水環(huán)境生態(tài)安全水平評(píng)價(jià)

利用陜西省2000—2017各項(xiàng)指標(biāo)基礎(chǔ)數(shù)據(jù), 根據(jù)式(2-5)結(jié)合已求各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重值采用集對(duì)分析法分別計(jì)算出各年度的多元聯(lián)系度, 并根據(jù)置信準(zhǔn)則(6)判斷各年度水環(huán)境生態(tài)安全水平評(píng)價(jià)等級(jí)(見表3)。由表3可以看出陜西2000—2017年水環(huán)境生態(tài)安全水平除了2001、2002年為較不安全水平以外, 其余年份均為臨界安全或較安全水平, 整體上呈臨界安全水平。查詢相關(guān)資料可知2001、2002年陜西省水環(huán)境污染情況較為嚴(yán)重, 六大江河水體污染加劇導(dǎo)致水環(huán)境安全狀況與經(jīng)濟(jì)發(fā)展極不協(xié)調(diào), 因此處于較不安全水平, 經(jīng)過各級(jí)政府的層層治理, 水環(huán)境生態(tài)安全狀況得以逐漸改善[22]。

圖1為聯(lián)系度累積求和變化趨勢圖, 觀察聯(lián)系度累計(jì)求和曲線的變化趨勢得到安全水平變化趨勢。由此可以得出陜西省2000—2017水環(huán)境生態(tài)安全水平年際變化方面整體上呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢, 其中2001—2012年聯(lián)系度累計(jì)求和值1,1+2與置信度0.6的距離逐漸縮小, 這說明此時(shí)間段內(nèi)陜西省水環(huán)境生態(tài)安全水平呈現(xiàn)明顯升高趨勢, 這主要得益于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展引起水資源配置水平的提高以及水環(huán)境承載力的提升[23]; 2012—2017年聯(lián)系度累計(jì)求和值1,12與置信度0.6的距離逐漸增大, 安全水平呈降低趨勢, 究其原因, 一是2012年以來水環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重, Ⅰ類河長占比由2012年的6%下降至2017年的1%; 二是水土保持形勢不容樂觀, 2012—2017年間水土保持面積由9512.3 千公頃下降至7820.06 千公頃, 下降率達(dá)17.79%。

表3 陜西省2000—2017年水環(huán)境生態(tài)安全水平評(píng)價(jià)結(jié)果

圖1 聯(lián)系度累計(jì)求和變化趨勢圖

Figure 1 Trend chart of cumulative sum and change of connection degree

3.2 層級(jí)生態(tài)安全水平評(píng)價(jià)

采用集對(duì)分析法分別對(duì)生態(tài)動(dòng)力()、生態(tài)壓力()、生態(tài)狀態(tài)()、生態(tài)基礎(chǔ)()以及生態(tài)響應(yīng)()五個(gè)層級(jí)進(jìn)行生態(tài)安全水平評(píng)價(jià), 進(jìn)而得到水環(huán)境生態(tài)安全水平動(dòng)態(tài)變化的主要機(jī)理。各層級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果如表4, 并根據(jù)各層級(jí)聯(lián)系度累計(jì)求和變化趨勢圖(圖2)進(jìn)行逐一分析。

表4 層級(jí)生態(tài)安全水平等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果

3.2.1 生態(tài)動(dòng)力()

生態(tài)動(dòng)力層所含指標(biāo)對(duì)水環(huán)境生態(tài)安全水平起提升作用, 是水環(huán)境持續(xù)健康發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。通過主客觀結(jié)合賦權(quán)法求出此層級(jí)在評(píng)價(jià)體系中所占權(quán)重大小為0.1656, 四項(xiàng)指標(biāo)中Ⅰ類河長占比(3)所占權(quán)重最大, 為0.0493。結(jié)合表3和圖2可以看出, 生態(tài)動(dòng)力層生態(tài)安全水平整體上呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢, 同陜西省整體水環(huán)境安全水平變化趨勢較為一致, 其具體表現(xiàn)為首先由2000—2005年的不安全上升至2006—2008的較不安全, 進(jìn)而上升至2009、2010的臨界安全, 然后下降至近年來的較不安全水平, 因此總體上呈較不安全水平。導(dǎo)致該水平的主要原因是陜西省水環(huán)境污染情況嚴(yán)重, Ⅰ類河長占比較小, 2017年其大小僅為1%, 遠(yuǎn)低于全國平均水平。為此陜西省應(yīng)加大河流水體污染治理力度, 優(yōu)化水資源配置, 提升水資源生態(tài)驅(qū)動(dòng)水平, 使水環(huán)境成為生態(tài)安全的強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)力。

圖2 評(píng)價(jià)準(zhǔn)則聯(lián)系度累計(jì)求和變化趨勢圖

Figure 2 Trend chart of cumulative summation and change of evaluation criteria

3.2.2 生態(tài)壓力()

生態(tài)壓力層指對(duì)水環(huán)境生態(tài)安全水平產(chǎn)生負(fù)面影響的因子或因素組成的集合, 在評(píng)價(jià)體系中起著重大作用, 所占權(quán)重為0.2324, 在五個(gè)層級(jí)中權(quán)重最大, 其所含六個(gè)指標(biāo)中生活污水中的COD量(7)所占權(quán)重最大, 人口密度(5)所占權(quán)重最小。生態(tài)壓力安全水平除2000—2001出現(xiàn)嚴(yán)重下降之外, 其余年份年際變化不顯著, 整體態(tài)勢較平穩(wěn), 呈升高趨勢, 近幾年呈較安全水平。自2000年以來, 陜西省生活、工業(yè)污水治理水平顯著提升, 劣Ⅴ類河長占比自2000年的22.6%下降至2017年的10.3%, 較好緩解了水環(huán)境的生態(tài)壓力。但是, 隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展, 城鎮(zhèn)化水平的顯著提高, 城市人口大量提升, 水資源污染與浪費(fèi)加重, 水環(huán)境生態(tài)壓力將會(huì)大幅增大, 全省水環(huán)境整體安全水平不容樂觀, 需制定出相關(guān)抗壓預(yù)防政策。

3.2.3 生態(tài)狀態(tài)()

生態(tài)狀態(tài)層主要涉及水環(huán)境客觀自然狀況或整體用水耗水狀況, 例如地表水資源量(12)、總供水量(13), 其主要特征是客觀性、自然性。陜西省水環(huán)境生態(tài)狀態(tài)整體上呈先升高后降低的趨勢, 總體上呈臨界安全水平, 但自2015年以來下降趨勢明顯, 且全省總供水量自2000年以來增大了18.22%, 形式依然嚴(yán)峻，所以應(yīng)端正對(duì)待水生態(tài)環(huán)境的態(tài)度, 持續(xù)加大生態(tài)保護(hù)力度, 維持并爭取進(jìn)一步優(yōu)化水環(huán)境生態(tài)安全水平。

3.2.4 生態(tài)基礎(chǔ)()

生態(tài)基礎(chǔ)層包括綠地覆蓋率(16)、總輸沙量(17)、水土保持面積(18)三個(gè)指標(biāo), 總權(quán)重達(dá)到了0.2186, 是提升水環(huán)境安全水平的重中之重。由圖2可以看出, 生態(tài)基礎(chǔ)層安全水平年際變化明顯, 是五個(gè)層級(jí)中最不穩(wěn)定的一個(gè), 這也體現(xiàn)了生態(tài)基礎(chǔ)的脆弱性。從指標(biāo)角度來看, 自2000年以來, 陜西省通過大面積植樹造林, 綠地覆蓋率提升了15.78%; 水體總輸沙量年際變化幅度較大, 不易控制; 水土保持面積大幅度減小, 水土保持工作形勢依然嚴(yán)峻。

3.2.5 生態(tài)響應(yīng)()

生態(tài)響應(yīng)指人類針對(duì)水環(huán)境所采取的改變其初始狀態(tài)的相關(guān)措施或行為。污水處理率(19)、水資源開發(fā)利用率(21)可以較好反映響應(yīng)程度的大小。生態(tài)響應(yīng)層安全水平整體上呈遞增的趨勢, 從最初的較不安全升高至近年來的較安全水平。加大水利設(shè)施投資力度, 加強(qiáng)水利工程建設(shè), 優(yōu)化水環(huán)境配置是陜西省提升水環(huán)境生態(tài)安全水平的主要途徑。自2000年以來, 陜西省政府在制訂并落實(shí)相關(guān)水資源相關(guān)政策的基礎(chǔ)上, 積極開展重大水源工程建設(shè), 如黑河水利樞紐建設(shè)工程、引漢濟(jì)渭工程等; 開展河流綜合整治工作, 積極推行河長制初見成效; 重視水環(huán)境污染治理工作, 污水處理率提升了76.64%; 深化水資源管理改革, 落實(shí)水資源消耗總量和強(qiáng)度“雙控”管理等, 這些都是提升水環(huán)境安全水平的積極響應(yīng)。

3.3 陜西省水環(huán)境生態(tài)安全水平動(dòng)態(tài)預(yù)測

3.3.1 模型驗(yàn)證

以2000—2012年各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 采用馬爾科夫預(yù)測模型驗(yàn)證2013—2017年水環(huán)境生態(tài)安全水平, 驗(yàn)證結(jié)果如表5。由驗(yàn)證結(jié)果可知, 陜西省2013—2017年水環(huán)境生態(tài)安全水平等級(jí)預(yù)測結(jié)果與實(shí)際評(píng)價(jià)等級(jí)一致, 最大平均相對(duì)誤差僅為0.0710, 整體平均相對(duì)誤差在合理范圍內(nèi), 證明預(yù)測結(jié)果達(dá)到陜西省未來水環(huán)境安全水平預(yù)測精度要求。

3.3.2 水生態(tài)安全水平預(yù)測

在驗(yàn)證馬爾科夫預(yù)測模型精度合理性的條件下, 以2000—2017年各年度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù), 根據(jù)式(7)分別計(jì)算出2000—2001、2001—2002、…、2016—2017等各時(shí)段的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣, 并求取平均狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣如下[24]:

表5 陜西省2013—2017年水環(huán)境生態(tài)安全水平預(yù)測精度驗(yàn)證

帶入式(10)求得陜西省水環(huán)境生態(tài)安全水平評(píng)價(jià)穩(wěn)態(tài)值為:

陜西省水環(huán)境生態(tài)安全水平穩(wěn)態(tài)值處于臨界安全水平, 這與陜西省歷年水環(huán)境生態(tài)整體安全水平一致, 從而間接證明了此模型的可行性。首先取2000—2017年各年度聯(lián)系度v的平均值作為初始時(shí)刻t的聯(lián)系度, 以此預(yù)測2018年度的聯(lián)系度, 然后取2001—2018年各年度聯(lián)系度v的平均值作為初始時(shí)刻t+Δt的聯(lián)系度預(yù)測2019年度的聯(lián)系度, 依次類推得到2018—2025年度的預(yù)測值與評(píng)價(jià)結(jié)果如表6:

從表6可以看出, 陜西省2018—2025年水環(huán)境生態(tài)安全水平將長期處于臨界安全狀態(tài), 聯(lián)系度12持續(xù)增大, 尤其是2由2018年的0.2892增大至2025年的0.3147, 增加了8.8%,v下降了近15.1%, 置信度向0.5以上靠近, 這說明水環(huán)境生態(tài)安全水平未來將呈現(xiàn)臨界安全向較安全過渡的狀態(tài), 水環(huán)境整體優(yōu)化趨勢明顯。

4 討論

從評(píng)價(jià)結(jié)果來看, 2000—2017年間陜西省水環(huán)境整體安全水平波動(dòng)幅度不大, 整體上呈“臨界安全”水平。自2000年以來呈現(xiàn)先明顯升高后降低的變化趨勢, 這與前人研究結(jié)果一致[23,25], 與實(shí)際相符。陜西省水環(huán)境安全水平常年處于“臨界安全”水平的原因有以下幾點(diǎn): 一是人口密度大且節(jié)水意識(shí)較差, 2000—2017年全省人口密度常年維持在180人·km-2左右, 近幾年呈現(xiàn)增長趨勢; 二是水資源總體匱乏且時(shí)空分布不均, 陜西省地處西北地區(qū), 人均水資源擁有量僅為全國平均水平的一半, 產(chǎn)水模數(shù)為全國水平的70%; 三是生態(tài)環(huán)境狀況整體上不容樂觀, 水土流失嚴(yán)重, 水污染情況嚴(yán)峻, 2017年全省劣Ⅴ水河長占比仍在10%以上[23]。

表6 陜西省2018—2025年水環(huán)境生態(tài)安全水平等級(jí)預(yù)測結(jié)果

從指標(biāo)層面來看, 水資源開發(fā)利用率(21)以及水土保持面積(18)所占權(quán)重最大, 分別為0.0966和00958, 這說明水資源的開發(fā)利用程度以及水土保持狀況對(duì)陜西省水生態(tài)安全有著重大影響。2000—2017年陜西省水資源開發(fā)利用率以及水土保持面積變化幅度較大, 水資源開發(fā)利用程度增大, 水土保持狀況惡化均是水生態(tài)產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)的重要原因。層級(jí)方面, “生態(tài)壓力層”和“生態(tài)基礎(chǔ)層”中指標(biāo)所占權(quán)重較大, 分別為0.2324和0.2186。由此可見, 陜西省社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)不穩(wěn)定性和水環(huán)境生態(tài)基礎(chǔ)本底脆弱性是水生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)的主要控制因素[26]。對(duì)比陜西省水環(huán)境整體與各層級(jí)安全水平年際變化趨勢發(fā)現(xiàn), “生態(tài)動(dòng)力”與“生態(tài)響應(yīng)”兩個(gè)層級(jí)與整體安全水平變化趨勢擬合程度較好, 年際變化趨勢大致一致, 且在2010年安全水平均呈現(xiàn)出峰值, 這說明兩層級(jí)各指標(biāo)之間相關(guān)程度較高, 對(duì)整體水環(huán)境的影響程度也較高。由此可見, 持續(xù)推動(dòng)生態(tài)驅(qū)動(dòng)力建設(shè), 及時(shí)對(duì)出現(xiàn)的水環(huán)境生態(tài)問題做出積極響應(yīng)不失為一種良久之策。

根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果, 陜西省繼續(xù)提升水環(huán)境生態(tài)安全水平必須從以下幾個(gè)方面做起。首先, 要堅(jiān)持并繼續(xù)大力開展大型水源工程建設(shè)。近20年來, 陜西省水資源時(shí)空分布不均以及結(jié)構(gòu)性缺水問題由于各大水源工程項(xiàng)目的開展得到明顯改善。但是隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展, 城市用水量將大大增加, 供水壓力將持續(xù)增大, 陜西省水資源分布將繼續(xù)呈現(xiàn)南多北少的規(guī)模, 所以應(yīng)繼續(xù)興建跨區(qū)域調(diào)水工程, 加大儲(chǔ)水設(shè)施建設(shè)力度, 集中解決水資源時(shí)空分布不均問題。其次, 應(yīng)繼續(xù)重視水污染治理工作。要增加水污染處理設(shè)施投入, 重點(diǎn)開展河流水污染防治工作, 加大監(jiān)管力度, 進(jìn)一步鞏固“河長制”所取得的成果。最后要繼續(xù)重視水土保持工作, 加大水土保持林種植力度, 擴(kuò)大水土保持面積, 持續(xù)改善陜西省水環(huán)境生態(tài)安全狀況。

水生態(tài)安全評(píng)價(jià)研究的重難點(diǎn)之一在于如何構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。本次評(píng)價(jià)指標(biāo)選取方法創(chuàng)新性地使用了“DPSBR”概念模型, 利用5個(gè)層級(jí)21個(gè)指標(biāo)對(duì)水環(huán)境生態(tài)安全水平的影響因素進(jìn)行了全面的涵蓋, 但考慮到數(shù)據(jù)獲取的難易程度, 仍有指標(biāo)如生態(tài)需水量、農(nóng)田灌溉設(shè)施滿足率、城市地表水水質(zhì)狀況等數(shù)據(jù)不齊全, 未能用于相關(guān)評(píng)價(jià)工作, 故以后需加強(qiáng)相關(guān)數(shù)據(jù)的監(jiān)控, 及時(shí)收集整理此類數(shù)據(jù)。在主客觀結(jié)合賦權(quán)中, 由前人研究可知線性加權(quán)系數(shù)θ取值范圍一般在0.4—0.6[19,27]。分別取端點(diǎn)值0.4、0.6進(jìn)行主客觀權(quán)重的線性加權(quán), 采取數(shù)學(xué)方法分別與=0.5下的賦權(quán)結(jié)果進(jìn)行顯著性差異分析。當(dāng)分別取0.4和0.6時(shí), 賦權(quán)結(jié)果差異不大。=0.4和=0.5、=0.6和=0.5兩組F檢驗(yàn)結(jié)果顯示: 在=0.01和=0.05的水平下兩組結(jié)果差異均不顯著。本文認(rèn)為主觀意愿與客觀規(guī)律同等重要, 故取0.5。

5 結(jié)論

陜西省2000—2017年水環(huán)境生態(tài)安全水平整體上呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，2001—2010年明顯升高，2011—2017年降低, 其中2010—2012年安全水平最高, 為“較安全”水平，2001、2002年最低, 為“不安全”水平, 其余年份均為“臨界安全”水平。層級(jí)水平上, “生態(tài)壓力”和“生態(tài)基礎(chǔ)”兩個(gè)層級(jí)對(duì)陜西省水環(huán)境生態(tài)安全水平的影響最大; 指標(biāo)水平上, “水資源開發(fā)利用率”與“水土保持面積”的影響最大。2017年“生態(tài)壓力”與“生態(tài)響應(yīng)”兩層級(jí)為“較安全”水平, “生態(tài)動(dòng)力”與“生態(tài)狀態(tài)”為“較不安全”水平, “生態(tài)基礎(chǔ)”的安全水平最差, 為“較不安全”水平, 且其具有明顯的脆弱性, 年際變化最大?；隈R爾科夫預(yù)測模型, 陜西省2018—2025年水環(huán)境生態(tài)安全水平將長期處于“臨界安全”狀態(tài), 有明顯的向“較安全”水平轉(zhuǎn)變的趨勢。

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Dynamic assessment of water environment ecological security level in Shaanxi province based on SPA-MC model

YANG Faxuan1,2,XU Panpan1,2, QIAN Hui1,2,*, REN Wenhao1,2, SHI Ziwei1,2

1. School of Water and Environment, Chang'an University, Xi'an 710054, China 2. Key Laboratory of Subsurface hydrology and Ecology Effects in arid areas, Ministry of Education, Xi'an 710054, China

The ecological safety of water environment is closely related to the virtuous cycle of a region's ecosystem. In order to make a reasonable assessment of the ecological safety level of water environment in Shaanxi Province, combined with the current situation of water ecology in Shaanxi Province, a water ecological safety level evaluation system was constructed based on the DPSBR model. And the SPA-MC (Set Pair Analysis-Markov Chain) coupling model was used to dynamically evaluate the water environment safety situation in Shaanxi Province from 2000 to 2017, and adaptive suggestions are put forward. The results show that the ecological safety level of water environment in Shaanxi Province from 2000 to 2017 showed an overall trend of increasing first and then decreasing. It increased significantly from 2001 to 2010 and decreased from 2011 to 2017; the highest level of security was from 2010 to 2012, which was "safety" level, the lowest level of safety in 2001 and 2002, which is the "less safe" level. At the hierarchical level, "ecological pressure" and "ecological foundation" had the greatest impact on the level of ecological safety of the water environment in ShaanxiProvince. Among all the indicators, "the utilization ratio of water resources" and "soil and water conservation area" had the greatest impact on the water ecological security level of Shaanxi Province. It is predicted that the water environment ecological security level of Shaanxi Province from 2018 to 2025 will remain in a state of "critical safety" for a long time from 2018 to 2025, and will gradually change to "safer" state. Attaching importance to soil and water conservation and water pollution prevention is an important measure to continuously improve the ecological security of the water environment in Shaanxi Province. This study has guiding significance for the effective protection of water environment and the formulation of ecological construction policy in Shaanxi Province.

water environment; ecological security; SPA-MC; dynamic evaluation; Shaanxi province

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.01.005

楊法暄, 徐盼盼, 錢會(huì), 等. 基于SPA-MC耦合模型的陜西省水環(huán)境生態(tài)安全水平動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)[J]. 生態(tài)科學(xué), 2022, 41(1): 39–49.

YANG Faxuan,XU Panpan, QIAN Hui, et al. Dynamic assessment of water environment ecological security level in Shaanxi province based on SPA-MC model[J]. Ecological Science, 2022, 41(1): 39–49.

X826

A

1008-8873(2022)01-039-11

2020-05-26;

2020-06-09

國家自然科學(xué)基金(41931285, 41790441); 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(300102292901); 國家111引智計(jì)劃項(xiàng)目(B08039)

楊法暄(1996—), 男, 山東菏澤人, 碩士, 工程師, 主要從事水文與水資源方面研究, E-mail: yfx6755@163.com

錢會(huì)(1963—), 男, 博士, 教授, 博導(dǎo), 主要從事水文地質(zhì)方面研究, E-mail: qianhui@chd.edu.cn