基于PSR模型的河南省水生態安全綜合評價研究

張滿滿, 于魯冀,*, 張慧, 靖中秋

1.鄭州大學環境政策規劃評價研究中心, 河南鄭州 450002 2.鄭州大學環境技術咨詢工程公司, 河南鄭州 450002

基于PSR模型的河南省水生態安全綜合評價研究

張滿滿1,2, 于魯冀1,2,*, 張慧1,2, 靖中秋1,2

1.鄭州大學環境政策規劃評價研究中心, 河南鄭州 450002 2.鄭州大學環境技術咨詢工程公司, 河南鄭州 450002

基于河南省水環境現狀, 從“壓力—狀態—響應”(PSR)指標體系框架出發, 建立河南省水環境生態安全評價指標體系, 利用變異系數法確定各指標權重, 運用綜合指數評價法對河南省水環境生態安全水平予以評價。結果表明:2007—2013年河南省水環境生態安全綜合指數值整體呈上升趨勢, 其生態安全水平已處于預警狀態; 壓力狀態曲線呈逐年下降趨勢, 狀態曲線與綜合指數曲線變化趨勢基本一致, 表明河南省水環境綜合評價值在很大程度上是狀態系統的貢獻, 此外響應系統的貢獻率逐年增幅顯著, 有效促進了河南省水環境生態安全的逐漸改善。

水環境生態安全; 評價指標; 狀態—壓力—響應指標體系; 評價標準

1 引言

當前全世界許多地區面臨著水資源危機, 且水環境受到嚴重污染, 且呈逐年加重趨勢, 使水環境生態安全水平面臨受威脅狀態[1–3]。河南省作為我國農業大省和經濟大省, 2008年以來年其GDP總量均居全國第五[4], 但是河南省一直處于水資源較少且區域分布不均的狀態, 近年來, 省委、省政府對環境保護和生態建設給予高度重視, 加快城鎮污水處理廠及其配套設施建設, 積極推進城市河道綜合治理,并取得了顯著成效, 使得水環境質量有所好轉。但是城市河道水污染形勢依然嚴峻, 一些過城河流水質仍為劣 V類, 生活污水直排現象較為凸顯, 多數河流缺少自然徑流導致生態功能減弱甚至缺失, 部分河流面臨著垃圾漂浮、水體顏色發黑、氣味刺鼻發臭, 尚不能滿足周圍人民群眾的環境需求。

因此, 本文結合河南省水生態環境現狀, 運用“壓力—狀態—響應(Pressure-State-Response, 簡寫為PSR)”模型建立河南省水環境生態安全評價指標體系。PSR模型最初是為建立環境評價指標體系而提出的, 旨在衡量一定狀態下生態環境所承受的壓力、狀態條件的變化以及社會對這些壓力和變化所作的響應, 隨著環境壓力的不斷增加, 基于 PSR模型的水環境質量指標體系成為國際水環境科學研究的熱點問題之一[5]。本文運用PSR模型對河南省水環境生態安全進行評價研究, 確定河南省水環境生態安全等級, 從而促使人們采取相應的措施和策略, 降低水體污染、水資源利用的風險, 最終能恢復、并充分發揮水環境生態系統的各種服務功能,盡快落實并順利完成河南省清潔行動計劃的目標。

2 研究方法

2.1 數據來源

本文原始數據主要來源于《河南省統計年鑒》(2007—2014年)、《河南省水資源公報》(2006—2013年)和《河南省環境統計公報》(2006—2013年)。

2.2 評價模型選取

目前應用最為廣泛的指標體系的構建模型是1990年由經濟合作和開發組織(OECD)與聯合國環境規劃署(UNEP)提出的環境P—S—R概念模型, 即壓力—狀態—響應模型[6–9]。環境問題可以通過壓力、狀態和響應三個不同但又相互聯系的指標層來表示[10–12], 壓力層表示人類活動對于環境造成的負荷; 狀態層表示環境質量、自然資源和生態系統的現狀支持能力; 響應層表示人類面臨環境問題所采取的對策與措施。

PSR模型能夠充分體現出生態安全的現狀和水平, 尤其能夠體現人類活動對生態系統的影響層次和等級, 更精確地反映生態系統安全的自然、經濟和社會之間的關系, 具有綜合性、靈活性和清晰的因果關系[1,13]。因此, 本文采用PSR模型來構建河南省水環境生態安全評價指標體系。

3 評價指標體系構建

3.1 構建原則

水生態與水環境安全評價指標選擇原則可概括為如下幾點[9,14]: 科學性原則、代表性原則、可操作性原則、系統性原則、盡可能定量性原則、可發展性原則、相關性原則。

3.2 指標框架構建

遵循以上指標體系構建原則, 結合河南省水環境現狀及目前較為突出的水環境問題, 對河南省水環境生態安全評價指標體系框架擬構建為三個層次,分別為目標層、準則層和指標層, 分別選用 16、6和7個指標, 共計29個指標, 具體指標體系構建框架見表1。

表1中指標性質一列中標出的正向和負向指標是根據所選評價指標對水環境生態安全的影響作用不同做出的推斷[15–16]。正向指標涵義: 狀態系統中的正向指標值越大, 表明水環境生態安全狀況越好,如水資源總量、年降水量等; 響應系統中指標值越大, 表明維護和改善水環境生態安全的能力越強,水環境生態安全狀況越好, 如供水總量、水功能區水質達標率、環保投資占GDP比例等。負向指標涵義: 負向指標值越大, 表明水環境生態安全狀況越差, 如年末人口、有效灌溉面積、廢水排放量等。

4 河南省水環境安全評價

目前對水環境生態安全的評價并無一套相對較為公認的標準方法。我國學者在生態系統安全評價研究中, 提出了多種評價方法, 如層次分析法、主成分分析法、綜合指數評價法[17–20]。其中綜合指數評價法是目前應用較多的一種方法, 也是本文所采用的方法, 文中首先對所選用的各指標進行標準化統一處理, 結合數學計算公式最終得出各指標權重, 對其相對重要性進行判斷, 最后通過綜合指數評價方法予以評價。

4.1 指標數據標準化和權重確定

本文對各指標的標準化處理及其權重的確定采用的方法如下。

表1 河南省水環境生態安全評價指標體系、指標性質及權重Tab.1 The index system, nature and weight of water environment ecological security assessment in Henan

(1) 指標數據標準化

為了對河南省水環境生態安全性進行綜合評價,需要對不同量綱指標的原始數據進行標準化處理,將所有的指標數值轉換成統一的含義, 即所有指標的數值越大越反映水環境生態安全, 或反之。

本文利用極差標準化方法對所選指標進行量化統一[11,21–22]。而用于衡量水環境生態安全狀況的指標分為兩種情況: 越大越安全的指標(如水資源總量、年降水量等)和越小越安全的指標(如有效灌溉面積、廢水排放量等)。本文采用前一種處理方法, 即將所有指標數值統一轉換成所有指標數值越大越能反映出水環境的生態安全, 具體轉換的公式如下:

上述兩式中:Xij、Yij分別表示第i年第j個指標的原始數值和標準化之后的數值;Xjmin、Xjmax分別表示第j個指標的最小值和最大值。

(2) 權重的確定

在對河南省水環境生態安全評價中對各指標權重的確定采用客觀變異系數法對其賦值[23], 采用公式為:

上述兩式中:δj、Dj、、Aj分別表示第j個指標的變異系數、均方差、均值和權重。

4.2 評價方法

本文在指標體系建立、數據標準化及權重確定的基礎上進行河南省水環境的生態安全綜合評價,采用水環境生態安全綜合指數來表征河南省水環境生態安全狀態[24–26], 水環境生態安全綜合指數計算公式為:

式中,Wi為第i年的綜合評價值。

4.3 評價標準等級劃分

確定水環境生態系統安全評價的標準值主要參照以下幾個方面[27–28]: ①國家、行業和地方規定的標準;②河南省河流各指標的本底值; ③類比標準, 即以某些區域的現狀值作為標準值, 或參考國內區域的現狀值作趨勢外推; ④指標的國內外公認值; ⑤專家的經驗值。

本文中采用標準化之后的數據計算得出水生態安全綜合指數, 故該指數值無法直接反映出水環境生態安全狀況, 必須對各指標的評價標準值也采用極差標準化的方法予以處理, 將指標的標準化值及其綜合指數值轉換為等級值, 即將標準化值和綜合指數值分別和水環境生態安全現狀評價聯系起來[8,13]。因不同等級所反映的水環境生態安全狀態有跳躍式的差別, 本文結合河南省水環境現狀特征,運用不均等劃分法[16], 將綜合指數值和評判等級及狀態特征的關聯性列于表2中。

表2 水環境生態安全評判等級劃分Tab.2 The class of water environment ecological security assessment

4.4 河南省水環境生態安全評價結果

根據收集的各指標 2007年—2013年的原始數據, 采用前文介紹的方法對數據進行處理, 計算得出各指標權重(見表1)和河南省水環境生態安全綜合指數評價值(見表3)。

4.4.1 權重分析

(1) 壓力層權重分析

由表1可知, 在壓力指標層中, 工業廢水中氨氮排放量、地區生產總值、工業總產值、工業廢水中COD排放量、單位GDP用水量、農業總產值、城鎮生活污水排放量、城市生活污水中氨氮排放量這8個指標的權重均大于0.02, 表明這些壓力指標對水資源和水質的壓力是相對較大的, 在今后的發展過程中,這些指標對河南省水環境生態安全存在潛在和重要的影響, 也是今后河南省在水環境生態安全建設過程中需要引起高度重視及合理建設的重要指標。

農藥和化肥施用量兩項壓力指標的權重分別為0.0051和 0.0092, 這是由于近年來河南省政府加大對農藥化肥的使用實施強有力控制措施, 從而導致這兩個壓力指標對全省水環境生態安全的負面影響減弱; 同時河南省政府在農田水利設施的興建加大資金投入, 導致有效灌溉面積指標的權重僅有0.0024, 其對全省水生態安全產生的負面影響也相對較小。農藥、化肥施用量和有效灌溉面積三個指標的權重較小, 說明通過采取措施, 各指標數值的年際變化幅度小, 得到了有效控制。

人均年用水量和單位 GDP用水量這兩項指標是目前全國普遍采用的反映各地用水效率和水資源壓力的指標, 而河南省在 2007年—2013年期間這兩項用水指標值分別介于207—256 L·d-1和64—116 t·萬元-1之間, 均遠遠小于全國平均水平441.5—455.5 L·d-1和 122—130 t·萬元-1之間, 很大程度上緩解了全省的水資源壓力, 反映在水環境生態安全壓力指標中各自的權重都相對較小, 尤其是人均年用水量指標權重僅有 0.0096。綜上, 這 2項指標緩解了對河南省水環境生態安全的壓力。

表3 2007—2013年河南省水環境生態安全綜合評價結果Tab.3 Results of water environment ecological security assessment in Henan from 2007 to 2013

(2) 狀態層權重分析

在狀態指標層中, 地下水資源量、全省平均年降水量和劣Ⅴ類以下河段比例這三項指標由于標準化后數值的年際變化幅度較小, 導致其所占的權重也相對較小, 分別為0.0160、0.0170和0.0293, 標準化后數值的年際變化幅度小, 但這并不意味著這些方面對水環境生態安全的作用小, 而是在用變異系數法求權重時, 這些變化幅度小的指標相對比較穩定, 以目前的發展趨勢還不會危及河南省的水環境生態安全, 但其前提是這些指標必須被控制在適當的、微小波動范圍內。而對于那些年際變化幅度大的指標則容易對水環境生態安全產生震蕩影響, 在今后的建設和保護過程中必須加強控制, 例如酸雨平均發生率, 該項指標的權重已經達到 0.1830, 其數值年際變化很大, 需采取措施予以控制。

(3) 響應層指標分析

在響應指標層中, 各指標的權重均較高, 所選用的7個指標中, 有5個指標的權重值大于0.05, 有6個指標的權重值大于 0.02, 表明實施的措施對河南省水環境生態安全的重要改善作用, 也表明河南省在今后的發展建設過程中, 這些指標是重要的城市競爭力和可持續發展力的指標, 需要不斷更新完善、改造技術和提高效率; 而供水總量指標的權重較小, 為 0.0059, 但該項指標的評價值呈現出逐年波動性上升趨勢, 在一定程度上保障了河南省水環境生態安全的建設。

4.4.2 評價結果分析

圖1 河南省水環境生態安全評價結果曲線圖Fig.1 Graph of water environment ecological security assessment in Henan from 2007 to 2013

2007—2013年間綜合指數評價值在 4—6之間(見圖1), 除2010年的數值最大為5.9572外, 其他年份基本處于改善上升趨勢, 水環境狀態逐漸好轉,表明全省水環境生態安全水平不斷提高。根據水環境生態安全評判標準(表2), 本文研究的2007—2013年這七年河南省水環境生態安全等級為Ⅲ級, 均處于預警狀態(水環境狀態一般), 表明水環境生態系統服務功能已有退化, 水環境受干擾后易惡化, 水生態問題已初步顯現, 生態災害時有發生。

從壓力系統來看, 2007—2013年壓力曲線呈逐年下降趨勢, 表明河南省水環境承受的壓力逐年減小。從狀態系統來看, 河南省水環境綜合評價曲線和狀態曲線變化趨勢基本一致, 均是2010年評價值最高, 表明河南省水環境綜合評價值在很大程度上是狀態系統的貢獻。狀態曲線中除2010年外, 整體呈上升趨勢, 其中2007年評價值最低, 僅為0.9769,監測數據顯示, 2007年劣Ⅴ類以下河段比例最高,為56.2%, 導致2007年水環境狀態系統指標評價值最小; 2010年評價值最高, 為3.2798, 所選用的六個狀態指標中, 水資源總量、全省平均年降水量、地表水資源量、地下水資源量這四個指標值在2010年最大, 分別為534.9 億m3、841.7 mm、415.7 億m3和214.66 億m3, 均高于全省多年平均值(即403.5 億m3、776.3 mm、313.0 億m3和204.7 億m3), 反映了2010年河南省水環境系統本身質量在本文的研究年限內最好。整體來說, 2007—2010年狀態曲線呈上升趨勢, 之后2010—2013年該曲線又呈現出下降趨勢,表明從2010年以來河南省水環境系統本身質量逐漸變差, 應加大對水環境的治理, 改善水環境質量, 提高水環境生態系統自身應對外界壓力脅迫的能力。

從響應系統來看, 2007年響應值較高, 主要是因為2007年城市水功能區水質達標率、工業廢水治理投資、環境污染治理投資占GDP比重這三個指標數值相對較高, 其中前兩個指標在研究年限內達到最高, 而環境污染治理投資占 GDP比重(76%)也僅次于2013年(90%)。從2008年開始整體呈上升趨勢,由2008年的0.7004增加到2013年的2.1773, 環境污染治理投資該項指標逐年增加, 尤其最近兩年年呈現更大的增幅, 2011—2013年的環境污染治理投資分別為 1401124 萬元、1782135 萬元和 2880995萬元, 2012年和2013年該項指標分別增長27.19%和61.66%。以上數據說明河南省政府逐漸意識到環境保護的重要性, 加大力度投入水環境的改善措施。響應系統所占比例也處于快速上升趨勢, 貢獻率不斷提高, 由2008年的13.89%逐年增加到2013年的39.91%, 增幅顯著。這些因素的提高有效促進了河南省水環境生態安全的逐漸改善, 河南省水環境生態安全綜合評價值整體呈增加趨勢, 在一定程度上也源自響應系統的貢獻。

5 結論

本文通過建立評價指標體系對影響2007—2013年河南省水環境生態安全水平的指標進行權重分析并對河南省水環境生態安全水平進行評價最終得出以下結論:

(1) 2007—2013年河南省水環境生態安全綜合指數評價值整體呈上升趨勢, 其生態安全等級為Ⅲ級, 均處于預警狀態(水環境狀態一般), 表明水環境生態系統服務功能已有退化, 水環境受干擾后易惡化, 水生態問題已初步顯現, 生態災害時有發生。

(2) 河南省水環境壓力狀態曲線呈逐年下降趨勢, 河南省水環境生態綜合評價曲線和狀態曲線變化趨勢基本一致, 表明河南省水環境綜合評價值在很大程度上是狀態系統的貢獻; 此外響應系統的貢獻率逐年提高, 增幅顯著, 有效促進了河南省水環境生態安全的逐漸改善。

(3) 工業廢水中 COD、氨氮排放量等壓力指標對水資源和水質的壓力是相對較大的, 在今后的發展過程中, 這些指標對河南省水環境生態安全存在潛在和重要的影響, 也是今后河南省在水環境生態安全建設過程中需要引起高度重視及合理建設的重要指標。對于酸雨平均發生率等年際變化幅度大的指標則容易對水環境生態安全產生震蕩影響, 在今后的建設和保護過程中必須采取措施加強控制。

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Assessment of the ecological security of water environment in Henan based on PSR Model

ZHANG Manman1,2, YU Luji1,2,*, ZHANG Hui1,2, JING Zhongqiu1,2
1.Research Center for Environment Policy&Assessment of Zhengzhou University,ZhengZhou Henan450002,China2.Environment Technology and Consulting Company of Zhengzhou University,ZhengZhou Henan450002,China

Based on the pressure-state-response index system and the present status of water environment ecosystem in Henan, the ecological security assessment index systems of water environment in Henan were established.Variation coefficient method was used to determine the weight of each index, and the synthetical index evaluation method was used to evaluate the synthetical index value for security assessment.The results showed that the assessment value increased on the whole from 2007 to 2013, and the ecological security of water environment in Henan was in the early alarm.The assessment value of pressure index kept falling.The variation trends of state and comprehensive index were similar.The results indicate that comprehensive index of water environment ecological security assessment in Henan depends on the state index.In addition, there is a big rate of increase amplitude of the contribution ratio of response index, which ensures the ecological security of water environment in Henan will improve gradually.

ecological security of water environment; assessment index system; state-pressure-response index system; the assessment standards

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.05.007

X52

A

1008-8873(2017)05-049-06

張滿滿, 于魯冀, 張慧, 等.基于PSR模型的河南省水生態安全綜合評價研究[J].生態科學, 2017, 36(5): 49-54.

ZHANG Manman, YU Luji, ZHANG Hui, et al.Assessment of the ecological security of water environment in Henan based on PSR Model[J].Ecological Science, 2017, 36(5): 49-54.

2015-10-14;

2016-07-06

2015年度河南省政府決策研究課題(2015B093); 國家自然科學基金(41272389)

張滿滿(1988年—), 女, 漢族, 碩士, 主要水資源、水環境污染及防治相關研究, E-mail: zmmcumt@163.com

*通信作者:于魯冀(1962年—), 男, 教授, 主要從事環境政策、環境規劃、水環境污染防治及環境影響評價相關研究, E-mail: 396071328@qq.com