基于PSR和G(1，1)模型的株洲市水生態安全評價研究

曲洋樣，呂儒云，楊劍鋒，李海瑞，廖劍宇

(湖南工業大學城市與環境學院，湖南 株洲 412007)

1 研究背景

水生態安全對經濟發展、社會穩定起著至關重要的作用，對一個地方的水生態安全進行研究，不僅能夠認識到該地區水生態安全問題并能夠提出亟需的相應對策，更能夠防患于未然，促進該地區水生態健康的快速發展。

我國水生態安全十分突出，已經成為制約經濟可持續發展與人們安居樂業的瓶頸[1]。現有的水生態安全研究主要聚焦在水資源配置[1- 2]、水生境風險評價[3]、水生態修復措施[4- 5]、水環境治理[6- 7]等方面。水生態安全評價研究作為水生態修復、治理的基礎，成為國內外相關學者的研究重點。在水安全區域格局上，李夢娣等將研究重點著眼于河段山區上[8- 9]、徐紅玲等研究放在區域尺度上，通過構建太湖流域湖泊生態健康評估體系為太湖流域的后續管理提供了理論參考[10]。Yaning Chen研究塔里木盆地，認為流域地區經濟增長與環境保護之間的矛盾尤為突出，必須建立一個涵蓋地表水和地下水的統一管理機制，并應加快執行政府將農田恢復為天然植被的計劃[11]。戴文淵將研究放在市域上，認為白銀市縣區水生態安全狀況不平衡，生態文明城市建設依舊面臨巨大挑戰[12]。在水生態安全評價方法方面，劉孝富運用PSFR模型對東江流域生態安全進行評價[13]、姚望等運用PSR模型對貴州省水資源安全進行診斷[14]、Susan J以澳大利亞河流評估系統(AUSRIVAS)的開發為例將河流健康的生物學評估與生態水安全評估聯系起來[15]。王永亮運用D數理論對衡水市水生態安全狀況進行評價[16]、張鳳太和蘇維詞用均方差-TOPSIS模型對貴州水生態安全評價進行研究[17]。文章將現狀評價與預測評價相結合，運用PSR模型對株洲市2011—2015年水生態安全作現狀評價，同時結合G(1，1)模型對株洲市水生態安全作預測評價。

目前國內外關于水生態安全評價研究眾多，但隨著時間的推移，各個地區的生態環境都在發生變化，水生態安全狀況也將隨之更新，因此對各個區域水生態安全進行研究是必不可少的工作。株洲市作為“長株潭”城市群的重要組成部分，2014年被國家水利部列為全國第二批水生態文明建設試點城市。通過對株洲市水生態安全評價研究，不僅能夠加強株洲市水生態文明建設、維護生態可持續發展，同時為其他城市的生態文明建設提供參考。

2 研究區概況與數據來源

株洲古稱建寧，湖南省轄地級市，總面積11 262km2，2019年末常住人口人口402.85萬人。是新中國成立后首批重點建設的八個工業城市之一，是中國老工業基地。京廣鐵路和滬昆鐵路在株洲交匯成為中國重要的“十字型”鐵路樞紐建設綜合配套改革試驗區的一部分[18]。氣候上屬亞熱帶季風濕潤氣候，四季分明，雨量充沛，光照充足。株洲市屬湘江水系，市域內湘江一級支流較大的有洣水、淥水。

本文原始數據來源于《株洲市統計年鑒(2012—2016)》、《中國城市統計年鑒(2012—2016)》，株洲市水生態安全綜合指數2016—2025年數據來源于灰色G(1，1)模型預測。

3 研究方法

3.1 PSR模型

PSR模型是一種常用于環境中用于衡量發展和環境之間關系的指標體系，可以有效反映出環境系統之間關系以及整合發展、資源、環境及生活之間要素。模型主要有3個影響因素(壓力、狀態、響應)組成，其中每個影響因素又由不同小分子組成。借鑒前人們對水生態安全評價指標選取方法[19]，以PSR模型為框架，遵循科學性、普遍性、可操作性原則選取19項適用于株洲市的水生態安全評價指標。對株洲市水生態系統而言，以社會經濟的發展以及人口增長作為壓力水生態安全的壓力、在壓力狀態下所表現出來的狀態，如人均水資源量、萬元GDP用水會對人類社會及生態系統產生影響，從而人類社會對不良環境做出響應。

表1 株洲市水生態安全評價指標及權重

3.2 綜合指數

綜合指數評價法是在確定研究對象評價指標體系基礎上，運用一定方法對權重進行確定，利用綜合指數，定量地進行綜合評價的方法。綜合指數評價法是一種相對簡單高效的方法，在環境評價、土地利用規劃領域廣泛應用[21- 22]。其評價模型為：

式中，ESI—綜合評價指數；Wi—第i個指標的權重；Xi—其無量綱量化值；m—評價指標個數。

經上述方法得到的各準則層綜合指數見表2。

表2 各影響因素綜合指數

對各影響因素作趨勢圖如圖1所示。

圖1 各影響因素綜合評價指標趨勢

由于計算結果難以直觀的判斷水生態安全狀況，因此在商震霖[23]、陳華偉[24]等學者研究基礎上，將水生態安全等級劃為5個等級，見表3

表3 水生態安全等級

3.3 灰色G(1，1)模型

目前用于預測的模型主要有支持向量法、回歸分析預測法、系統動力學模型和GM(1，1)模型[25]，灰色G(1，1)模型能夠對多年離散或連續的數據隱含的規律作趨勢分析。GM(1，1)模型的基本形式為：(1)x(0)(k)+az(1)(k)=b，其中，X(0)=(x(0)(1)，x(0)(2)，…，x(0)(n))為原始數據序列，Z(1)=(z(1)(1)，z(2)(2)，…，z(1)(n))為X(0)的1-AGO序列X(1)的緊鄰均值生成序列。

3.3.1模型檢驗

給定α，C0，P0的一組值，就確定了檢驗模型模擬精度的一個等級，模型的模擬精度分級參考標準如表4所示，模型檢驗結果見表5。

表4 灰色預測模型(1)精度等級

表5 水生態安全綜合指數G(1，1)模型檢驗結果

運用MATLAB軟件進行模型檢驗，檢驗結果顯示，相對誤差小于0.01，均方差為0.2688，小誤差概率為1，因此，模型預測精度為一級，預測精度高。

3.3.2指數預測

利用G(1，1)模型對株洲市2016—2025年水生態安全綜合指數進行預測，預測結果見表6。

表6 G(1，1)模型水生態安全綜合指數預測及真實性檢驗

通過模型真實性檢驗結果可以看出，預測值與真實值的相對誤差絕對值小于0.005，預測值可以反應真實情況，可以作為株洲市水生態安全預測研究的依據。通過作真實值與預測值的趨勢圖，如圖2所示，可以更直觀感受G(1，1)模型預測精度及株洲市水生態安全狀況的變化。

4 結果分析

通過綜合指數法計算2011—2015年株洲市水生態安全綜合評價指數，變化趨勢如圖2所示。2011—2015年株洲市各影響因素綜合指數變化趨勢圖可以看出，株洲市在這5年間，水生態安全綜合指數由2011年的0.3757上升到0.7078，呈穩步上升的趨勢。在2011—2013年期間，狀態(S)和響應(R)指數發展趨勢較為平穩；壓力(P)指數變化較大，從0.1404上升到0.3303，同時株洲市水生態安全綜合指數由0.3758上升到0.594，由此可見在2011—2013年期間，壓力因素指數成為影響株洲市水生態安全指數的主要影響因素。2014—2015年期間，壓力影響指數緩慢下降，同時狀態影響指數緩慢上升，響應影響指數快速上升，在此期間，狀態和響應成為提高株洲市水生態安全指數的主要影響因素，株洲市水生態安全綜合指數由2013年的0.594提升到0.7078。這可能與株洲市2014年開始被納入第二批全國水生態文明試點城市有關，株洲市在全省率先實行河長制，實現四級河長全覆蓋，為株洲市水生態文明建設、水資源的可持續利用、經濟社會的可持續發展提供了政策保障。

圖2 水生態安全綜合指數MATLAB預測

構建PSR模型并運用綜合指數法計算得株洲市水生態安全綜合指數可知，2011—2015年，水生態安全綜合指數由0.3758到0.7078，株洲市水生態安全狀況由風險級向良好級轉變。運用灰色G(1，1)模型對株洲市2016—2025年株洲市水生態安全狀況進行預測，結果顯示，水生態安全等級不斷提高，在2018年株洲市水生態安全等級由良好級進入安全級，實現質的飛躍。

5 結語

株洲市作為曾經典型的老工業基地，光鮮背后是粗放式發展帶來的環境污染[26]。株洲因工業而生，也因工業而困，2013年，株洲以深化“兩型”綜合配套改革試驗，開始大力推動清水塘老工業區搬遷改造。2014年，株洲市作為第二批被納入全國水生態文明試點城市。文章以此為背景，從株洲獨特的區位性出發，選取2011—2015年株洲市19項水生態安全評價指標，建立PSR模型、運用綜合指數法對株洲市水生態安全狀況進行現狀評價，評價結果顯示，株洲市在2011—2015年，水生態安全狀況在不斷改善，從2011年風險級轉變為2015年的良好級。通過灰色系統G(1，1)模型對2016—2025年株洲的水生態安全作預測研究，研究結果顯示，株洲市水生態安全在2018年開始進入安全級，此后至2025年，水生態安全指數不斷上升。

研究結果不僅揭示了株洲市在建設“水生態文明城市”過程中取得的成效。為株洲市水生態安全健康發展提供一定依據，同時可以為政府及相關部門建設“水生態文明城市”提供一定的指導，新常態下的株洲市，要繼續轉變經濟發展方式，提高水資源利用率，不斷為株洲市水生態安全注入活力。