基于DPSIR模型的西北地區水生態安全評價研究

曹源圓

(陜西師范大學西北歷史環境與經濟社會發展研究院，陜西 西安 710119)

水生態安全問題關乎我國的經濟、生態和國家安全[1-2]。隨著西部大開發的有序推進，我國西北形成以生態經濟區劃格局的西部地理分區，2013年習近平總書記提出的“絲綢之路經濟帶”已經劃定陜西省、甘肅省、青海省、寧夏回族自治區、新疆維吾爾自治區以及內蒙古自治區6省(區)為西北重點區域[3-4]。我國西北地區大部分屬于經濟欠發達地區，惡劣的水生態環境制約了其經濟發展，使其處于發展緩慢的貧困集中地。作為我國重要的生態屏障和“水塔”，西北地區水生態安全問題的研究和解決迫在眉睫[5]。水資源條件、水生態安全及其生態條件也成為西部大開發新格局的重要支撐。

在水生態安全的研究中，國內專家學者們首先從水生態安全的定義、現狀及保護對策等方面作了分析和探討[6-8]。隨著專家學者對水生態安全理論基礎探討的不斷更新，大量學者從水生態安全指標體系的建立方面對水生態安全進行了定量評價，本文從綜合評價指標體系角度考量，采用PSR、DPSIR模型、均方差-TOPSIS模型等對省份、城市以及流域水生態安全進行綜合評價[9-13]。多數學者的評價都是基于單一省份、單一城市的水生態安全評價，鮮有對區域水生態安全的評價。在對西北地區水生態安全的評價方面更是沒有把水生態安全與西北地區的整體生態安全進行統一，進而支撐西部大開發新格局的穩步推進。因此，本文依據西北地區水生態安全現狀，構建DPSIR指標體系分析影響水生態安全的因子，評價其水生態安全的時空特征，并在此基礎上提出西北地區水生態安全的評價結論及建議。

1 研究方法及指標體系的構建

本文選取西北地區2007—2017年的數據進行研究，數據來源于中國統計年鑒、中國環境統計年鑒、西北地區各省份統計年鑒、水資源公報以及環境公報。

1.1 研究方法

1.1.1 熵值法

本文采用熵值法確定各個指標的權重[14]：

a.數據標準化：

(1)

(2)

式中：xjmax和xjmin分別為指標xij的最大值和最小值，i=1，2…n；j=1，2…m。

b.數據對數非負化處理：將標準化后的每一個數據進行對數非負化處理。

c.進行歸一化處理：

(3)

式中：Xij為原始數據矩陣標準化處理、非負化處理后的數據矩陣;Pij為第j項指標第i年的歸一化值在整個評價年份序列中的比重。

d.計算第j項指標的熵值：

(4)

其中,

式中：ej為第j項指標的熵；k為玻爾茲曼常量。

e.計算第j項指標的差異系數：

(5)

f.求權重：

(6)

式中：wj為第j項指標的權重值，且 0≤wj≤1。

g.計算子系統綜合得分：

(7)

1.1.2 評價標準等級

參考吳舜澤等編著的《國家環境安全評估報告》，結合西北地區目前自然條件和社會發展狀態，劃分水生態安全狀態等級，見表1。

表1 水生態安全狀態等級

1.2 DPSIR指標體系構建

為評價西北地區水生態安全，采用DPSIR框架，選取能夠體現其特有地理環境、水生態安全等指標[15-16]。在指標的選取中，通過咨詢相關專家、查看相關權威性文獻，選取了能夠反映水生態安全系統狀態的評價指標，共計27項。

a.驅動力子系統(Drive force)：選取人口增長率和年末常住人口總數來反映地區人口增長速度，采用地區生產總值、人均GDP和GDP增長率指標反映地區經濟結構以及人民生活水平和地區經濟年際發展狀況。

對照組患者入院后進行常規的檢查和護理，叮囑患者在進行治療前停用其他的鎮痛藥物以及治療偏頭痛的藥物。對照組患者給予氟桂利嗪進行治療，藥物采用口服的方式進行服用，每天服用一次，服用劑量為5 mg，連續服用八周。

b.壓力子系統(Pressure)：采用地區用水總量、人均用水量、生態用水和萬元GDP用水量來反映地區水資源消耗現狀，表現經濟用水和生態用水的發展狀況。使用廢水排放量、COD排放量和NH3-N排放量指標反映社會經濟系統對環境的直接影響以及水環境污染現狀。

c.狀態子系統(State)：選取水資源總量、人均水資源占有量反映地區水資源稟賦總量以及人均擁有水資源量。地表水和地下水資源量指標能夠反映區域水資源存儲能力，年平均降水量指標是衡量地區多年降水量的平均指標，被用于反映地區降水狀況。

d.影響子系統(Impact)：本文選取西北地區森林覆蓋率、沙化土地面積反映生態系統脆弱程度，采用劣Ⅴ類以下河段比例和城市水功能區個數達標率來反映地區河流水質和水功能區達標比例。

e.響應子系統(Response)：采用城市污水處理率反映地區污水處理技術水平以及開展力度。采用工業廢水治理投資額、污水處理投資額反映地區社會經濟對水生態安全的保護和支持力度，使用各省(區)累計水土流失治理面積來反映地區水土、水災害以及節水能力的應對效果。

2 西北地區水生態安全評價指標權重

2007—2017年西北地區的各指標權重見表2，在27項指標中，COD排放量與城市水功能區個數達標率兩項指標所占權重較大，分別為0.0673和0.0643。其余指標中，沙化土地面積和生態用水所占權重比全國其他地區大，這也體現了其地理環境以及水資源利用的自身特點。

表2 水生態安全評價綜合權重

西北地區水生態安全綜合評價指標之間的關系見圖1。由圖1可知，COD排放量、城市水功能區個數達標率、生態用水等指標影響較大，這反映出解決西北地區水質、用水以及水功能區問題的重大意義。地區生產總值、人均GDP對水生態安全綜合得分影響也較大，這說明其水生態安全受人類社會活動影響較大，因而依賴經濟發展和投資帶動西北地區水生態安全的提升意義重大。

圖1 西北地區水生態安全綜合評價指標之間的關系

3 評價結果分析

3.1 西北地區整體水生態安全評價時間序列分析

本文選取2007—2017年數據對西北地區水生態安全進行分析，得到水生態安全評價綜合得分，見表3、圖2。

表3 西北地區整體水生態安全綜合評價得分

圖2 西北地區整體水生態安全綜合得分曲線

由表3、圖2可知，2007—2017年水生態安全綜合評價得分呈現出先上升后下降的趨勢，分布在0.2376～0.6548之間，2007—2010年間均處于第Ⅱ等級，為中警狀態；2014年處于第Ⅳ等級，為較安全狀態；在2011—2013年和2015—2017年間處于第Ⅲ等級，為預警狀態，但總體水生態安全等級向安全狀態發展。由于近年來政策、經濟方面對水生態安全的支持，使水生態安全評價得分呈現上升趨勢，然而由于西北地區自身的水生態環境問題，導致人口、降水以及土地沙化等不穩定情況發生，進而導致在其中幾年綜合得分呈現下降趨勢。

2007—2017年水生態安全驅動力系統呈現出波動上升的趨勢，從2007年的0.5054上升到2013年的0.8818(見表3、圖3)。其中，國內生產總值、人均GDP以及GDP增長率的增加對驅動力子系統得分的提高起到推動作用。在此年間，地區生產總值平均值由3348.2億元上升到10402.6億元。2014—2017年由于地區常住人口數量由2014年的2079.4萬人增加到2017年的2119.3萬人，使得驅動力子系統得分下降，但是仍高于2010年以前。壓力子系統得分呈現出先上升后下降的趨勢，其得分的變化主要由廢水排放量、COD排放量以及NH3-N排放量所導致。狀態子系統得分在2012年達到最大值，為0.8646，其中2012年西北地區年平均降水量達到350.983mm，人均水資源占有量達到10年以來的最高值4007.28m3。2015—2016年之間由于人口的增加，導致在水資源總量不發生變化的情況下，人均水資源占有量變少。影響子系統在2007年得分最低，為0.0506，2016年達到最高，為0.3945，最高值和最低值之間差距很大，表現出影響子系統發展的不穩定性。在影響子系統中，西北地區森林覆蓋率在10年中基本沒有變化，均保持在12%～16%之間，但是水質達標監測、水功能區個數達標率以及沙化土地面積的比例有較大波動。響應子系統得分從2007年的0.1156上升到2014年的0.5983。其中城市污水處理率隨著技術的進步越來越高，2017年城市污水處理率達到91%。工業廢水及污水處理投資額逐漸增高，體現出經濟對于水生態安全的支持力度。

圖3 西北地區整體水生態安全系統得分

3.2 西北地區水生態安全評價空間分析

為了對西北地區2007—2012年間6省(區)的水生態安全進行空間上的分析，特選取2007年、2012年、2017年3個時間點上的數據進行綜合得分及子系統得分分析，見表4。

表4 2007年、2012年、2017年西北6省(區)水生態安全評價綜合得分

從表4來看，2007年西北6省(區)的水生態安全綜合得分處在0.3584～0.5743之間，區域差異較大。排在第1名的是內蒙古自治區，第2、第3名是陜西省和新疆維吾爾自治區，其得分分別為0.5743、0.5188和0.4962。2007年內蒙古自治區的驅動力子系統和響應子系統得分均為6省最高，其經濟社會發展水平和水生態安全治理水平使其綜合得分遠高于其他省區。內蒙古自治區2007年的污水處理投資額為2.62億元，累計水土流失治理面積為990.18萬hm2，在6省(區)中排第1。水生態安全綜合得分最低的是寧夏回族自治區，由于驅動力系統和狀態系統得分低導致綜合得分最低。寧夏回族自治區和甘肅省在現有水資源狀態上不占優勢，地表水和地下水資源極度短缺。

2012年西北6省(區)的水生態安全綜合得分處在0.4071～0.5797之間。綜合來看，2012年比2007年各省區的綜合得分均有所上升。其中響應子系統得分均有所增加，尤其是累計水土流失治理面積、污水處理投資額投入的增加。寧夏的污水處理投資額從2007年的0.40億元下降至0.12億元，投入減少。在累計除澇面積和節水灌溉面積上，青海省最低，分別為0.58萬hm2和9.72萬hm2，與陜西省的13.24萬hm2和88.16萬hm2相差甚遠。

2017年西北6省(區)的水生態安全綜合得分處在0.3729～0.6069之間。其中排在第1名的是甘肅省，其綜合得分為0.6069。甘肅省的響應子系統得分為6省(區)最高，其水生態安全治理水平使其綜合得分遠高于其他各省區。其中累計治理投資面積為858.05萬hm2，是新疆維吾爾自治區的8倍左右。2017年甘肅省城市污水處理率、污水處理投資額以及沙化土地面積均達到6省(區)平均值以上。

4 結論與建議

4.1 結論

本文通過建立起DPSIR評價指標體系，對影響2007—2017年間西北地區水生態安全的指標進行綜合得分分析，從時間維度上分析了西北地區整體水生態安全狀況，并對2007年、2012年以及2017年西北6省(區)的水生態安全進行空間得分分析，得出以下結論：

a.從綜合評價權重與相關指標分析中發現，COD排放量、城市水功能區個數達標率、生態用水量、沙化土地面積、森林覆蓋率對西北地區整體水生態安全綜合得分影響較大。地區生產總值、人均GDP對水生態安全綜合權重影響也較大，表明水生態安全受到人類社會經濟活動的影響也比較大，因而依賴經濟發展和投資帶動西北地區水生態安全的提升有重大意義。

b.從2007—2017年西北地區整體水生態安全評價來看，水生態安全綜合得分不斷上升，水生態安全等級有所提高，說明水生態安全狀況有所改善，而且國家對于西北地區的重視度也在提高。

c.從2007年、2012年以及2017年的評價中得到西北6省(區)的水生態安全綜合趨勢圖，6省(區)的綜合水平都在逐年上升，但是從空間角度來分析，地區之間水生態安全在水資源稟賦、地區經濟以及治理投入方面存在著較大差異，說明地方政府對于該地區治水措施投入額的大小對水生態安全的保障有著很大影響。

4.2 建議

結合評價結果，本文對西北地區水生態安全的保護與建設提出以下建議：

a.在保持西北地區生態環境不受破壞的條件下，加強對西北地區的經濟發展建設。水生態安全既受到地區原生資源稟賦的影響，又離不開人類對水生態環境的保護，更離不開西部大開發在經濟和生態方面的帶動。

b.繼續保持對西北地區整體區域化發展的重視度。區域化發展有利于水資源的保護和協調，從而有利于水生態安全的改善和提升，進而支持西部大開發新格局的穩步發展。

c.在保持區域化發展的同時，結合西北6省(區)各自特色，加強對水生態安全在政策制度、教育文化以及媒體方面的響應和宣傳，將水生態安全的保護作為“人水和諧”的水生態文明城市建設的一部分。西部大開發戰略實施二十年來，西北地區經濟社會發展得到提升，如今在西部大開發新格局的建設號召下，保證西北地區的生態安全有著重要的意義。西北地區水生態安全的評價研究，可以進一步從理論和實踐方面進行豐富。