基于層次分析法和熵權法綜合評價山東省水生態(tài)安全

楊天翼，趙 強，王奎峰，姚 天，劉玉玉

(1. 濟南大學水利與環(huán)境學院，山東濟南 250022； 2. 山東省地質(zhì)科學研究院，山東濟南 250013)

目前世界范圍內(nèi)水資源問題日益嚴重[1-3]，水生態(tài)安全面臨著嚴重的考驗[4-6]。山東省作為我國國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)總量排名第三的經(jīng)濟強省，近年來經(jīng)濟的快速發(fā)展給水環(huán)境帶來持續(xù)性的壓力，水資源短缺、水環(huán)境惡劣等問題十分明顯，水生態(tài)安全狀況受損嚴重[7-8]。當前，越來越多的國家開始重視水生態(tài)的保護與研究[9-11]，節(jié)水型社會的理念在許多國家得到推廣[12-13]。美國在20世紀90年代初就將節(jié)水變?yōu)楣┧芾淼闹匾M成部分，通過供水、節(jié)水立法的實施約束用水行為[14]，而后又通過《美國水資源規(guī)劃法規(guī)》《供水法》等多部法規(guī)，組建了完善的節(jié)水政策管理體系[15]。國內(nèi)外許多專家學者也致力于水生態(tài)安全評價研究[16-17]，Nichols等[18]以澳大利亞河流評估系統(tǒng)(AUSRIVAS)的開發(fā)為例，將河流健康的生物學評估與生態(tài)水安全評估聯(lián)系起來，采用國家生物評估方法評估生態(tài)水安全。Sullivan[19]提出了一種水貧乏指數(shù)的概念，結(jié)合多學科理念，為國家的水資源開發(fā)提供合理的標準化評級。彭濤等[20]通過構(gòu)建集對分析與可變模糊集耦合的城市水資源安全評價模型，分析了廣州市水資源安全狀況及其主要障礙因子。

構(gòu)建合理的水生態(tài)安全評價體系對揭示山東省水系統(tǒng)發(fā)展趨勢具有重要意義。本文中采用壓力-狀態(tài)-響應(pressure-state-response，PSR)模型對山東省水環(huán)境安全進行綜合評價，并結(jié)合相關標準，確定水生態(tài)安全等級，為該省水生態(tài)治理提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

山東省位于我國東部沿海地區(qū)，地理位置為北緯34°22.9′—38°24.01′、東經(jīng)114°47.5′—122°42.3′，見圖1。

山東省地圖從國家標準地圖網(wǎng)站下載，地圖審批號 GS(2019)3333號(http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/browse.html? picId=%224o28b0625501ad13015501ad2bfc0210%22)， 經(jīng)過ArcGIS10.6軟件數(shù)字化處理后得到。圖1 研究區(qū)概況圖

水資源主要來源于大氣降水，多年年平均降水量為676.5 mm，分布特點為南多北少[21]。省內(nèi)湖泊主要集中在中南山地與魯西平原之間，蓄水量約為2.353×109m3。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文中的研究數(shù)據(jù)主要來源于《山東省統(tǒng)計年鑒》(2010—2019年)[22]、《山東省水資源公報》(2010—2019年)、《山東省環(huán)境統(tǒng)計公報》(2010—2019年)。由于部分統(tǒng)計公報中未列出2018年數(shù)據(jù)，因此沿用2017年數(shù)據(jù)進行計算。

2 PSR模型的構(gòu)建

2.1 指標構(gòu)建原則

遵循科學性、系統(tǒng)性、代表性等原則，本文中共設置壓力、狀態(tài)、響應3個準則層，選取28個水生態(tài)安全評價指標，其中壓力層、狀態(tài)層、響應層的指標個數(shù)分別為16、6、6。

2.2 評價模型選取

我國目前主要評價方法包括數(shù)學模型法(包括層次分析法[23]、主成分投影法[24]、灰色關聯(lián)度法[25])、生態(tài)模型法(生態(tài)足跡法[26])、景觀模型法[27]等。PSR模型建立在環(huán)境、經(jīng)濟等層面的基礎上，指標體系比較完整，可以有效地闡述人與自然間相互作用關系，充分體現(xiàn)水資源的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，清晰地展現(xiàn)各層次間動態(tài)關系[28]，因此，本文中采用該模型構(gòu)建山東省水生態(tài)安全評價指標體系，從流域的整體角度出發(fā)，分析流域不同因子對水生態(tài)安全的影響。山東省水生態(tài)安全綜合評價指標體系概念框架如圖2所示。

3 水生態(tài)安全綜合評價

3.1 評價方法

3.1.1 指標數(shù)據(jù)標準化

本文中采用極差標準化法[29]對所選指標進行量化統(tǒng)一。

正向指標(數(shù)值越大越安全)計算公式為

(1)

負向指標(數(shù)值越小越安全)計算公式為

(2)

式中：Xij、Yij分別為第i年第j個指標標準化后正向、負向的數(shù)值，i=1，2，，m,j=1,2,,n,m、n為正整數(shù)；xij為第i年第j個指標的原始數(shù)值；xj,max、yj,min分別為第j個指標的最大值和最小值。

圖2 山東省水生態(tài)安全綜合評價指標體系概念框架

3.1.2 權重計算

采用熵權法對各項指標進行客觀賦權，并借助層次分析法計算各項指標主觀權重，最后引入偏好系數(shù)μ對計算出的2類權重進行綜合評價。

1)層次分析法計算主觀權重。采用層次分析法主觀分析指標的權重值時，首先根據(jù)各元素之間的相對重要關系，構(gòu)建兩兩比較判斷矩陣A，結(jié)合判斷矩陣打分表打分[30]。

結(jié)合判斷矩陣A，計算判斷矩陣最大特征根λmax以及其所對應的經(jīng)過歸一化后的特征向量W，相應的計算公式為

AW=λmaxW，

(3)

式中W=(w1,w2,,wn)，wj(j=1,2,,n)為各項指標的相應權重。

對判斷矩陣進行一致性檢驗，判斷一致性指標εcr的取值，計算公式為

(4)

(5)

式中：εc為判斷矩陣一致性指標；εr為隨機一致性指標。

2)熵權法計算客觀權重。采用熵權法對各項指標進行客觀權重計算。熵是一個系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)，是系統(tǒng)無序度的一種度量工具[31]。

經(jīng)式(1)、(2)歸一化的多目標決策矩陣X=(xij)m×n，形成新的判斷矩陣B=(bij)m×n。

定義第j個評價指標的熵值為Hj，則有

(6)

設第j個評價指標的熵權為βj，則客觀權重向量β=(β1,β2, ,βn)，即

(7)

3)綜合權重的確定。根據(jù)層次分析法所求權重αi與熵權法所求權重βi，采用偏好系數(shù)μ=0.5計算各項指標最終權重ωi，即

ωi=0.5(αi+βi)

。

(8)

3.1.3 綜合評價

在結(jié)合PSR模型、數(shù)據(jù)計算結(jié)果的基礎上對山東省水生態(tài)安全進行綜合評價。采用水生態(tài)綜合指數(shù)衡量該省水生態(tài)安全現(xiàn)狀，計算公式為

(9)

式中：Wi為第i年的綜合評價值；Aj為指標權重。

3.1.4 評價標準等級劃分

直接標準化后計算得出的數(shù)據(jù)無法直觀地對水環(huán)境生態(tài)狀況進行主觀的評價，因此需要將各指標的標準化值及其綜合指數(shù)轉(zhuǎn)化為等級值。借鑒國際、不同國家(地區(qū))公認值的安全評價標準值，運用不等劃分法對綜合指數(shù)以及評判標準進行等級劃分，結(jié)果見表1[32]。

3.2 評價結(jié)果

3.2.1 系統(tǒng)權重評價

根據(jù)層次分析法和熵權法對2010—2018年所選取指標數(shù)據(jù)進行處理，計算得通過一致性檢驗后的各指標權重(見表2)，并對權重進行排序，對各系統(tǒng)的生態(tài)安全進行評價。

表1 水生態(tài)安全評判等級劃分[32]

表2 山東省水生態(tài)安全評價指標體系、指標性質(zhì)及權重

1)壓力系統(tǒng)權重評價。在壓力準則層的指標中，工業(yè)總產(chǎn)值、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、農(nóng)用化肥折純量、農(nóng)藥施用實物量、城鎮(zhèn)生活污水排放量等6個指標的權重均大于0.045。由此可以看出，這些壓力指標對于水生態(tài)安全的影響較大，在今后山東省水生態(tài)的建設中，應重點對這些指標進行關注以及合理化治理。同時，如何平衡經(jīng)濟與環(huán)境的關系也將是山東省下一階段的難題之一。其中農(nóng)用化肥施用折純量、有效灌溉面積的綜合權重分別為0.079 61、0.025 21，結(jié)合統(tǒng)計年鑒中數(shù)據(jù)，2010—2018年山東省農(nóng)藥化肥折純量從4.753 25×106t下降至4.203 49×106t，有效灌溉面積從4.955 3×106hm2上升至5.235 99×106hm2。這期間山東省在農(nóng)業(yè)層面的積極調(diào)控，對農(nóng)藥、化肥的使用進行強有力控制，增加有效灌溉面積，都在一定程度上減緩了水生態(tài)安全的壓力。其他指標權重較小，原因是在求權重時這些變化幅度小的指標相對比較穩(wěn)定，例如年末人口、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值等對山東省水生態(tài)有一定的影響。

2)狀態(tài)系統(tǒng)權重評價。狀態(tài)準則層中既有正向指標，也有負向指標，其中正向指標表示對水生態(tài)系統(tǒng)具有積極的作用，數(shù)值越大說明水環(huán)境生態(tài)安全狀況越好；負向指標則是對水生態(tài)系統(tǒng)具有消極的作用，數(shù)值越大說明對水生態(tài)系統(tǒng)的壓力越大。在正向指標中，水資源總量、地表水資源量、地下水資源量的綜合權重均大于0.021，水資源總量從2010年的3.091 2×1010m3下降至2017年的2.256 1×1010m3，直至2018年才上升至3.432 5×1010m3。地表水資源量也在2010—2017年間總體下降了31%左右，因此山東省現(xiàn)階段水生態(tài)問題仍不容忽視，水資源短缺等生態(tài)問題還需進一步解決，應努力使水資源相關指標維持2018年的水準并尋求進一步提升。酸雨檢出率綜合權重達到0.013 9，在2010—2016年間酸雨檢出率的變化幅度很不穩(wěn)定，但在2017、2018年酸雨檢出率為0，可以看出山東省在這2年間所采取的措施有效降低了酸雨產(chǎn)出，但仍應防止酸雨反復出現(xiàn)。

3)響應系統(tǒng)權重評價。在響應準則層各項指標中，工業(yè)廢水治理投資、城市水功能區(qū)水質(zhì)達標率、供水總量的綜合權重均超過0.038，9 a間山東省環(huán)境治理投資資金提升度達到96%，其占全省GDP的比重也有小幅度提升，但供水總量在2010—2018年呈現(xiàn)下降的趨勢，這種情況不利于山東省水環(huán)境生態(tài)安全的建設，在今后的發(fā)展過程中應予以注意。

3.2.2 綜合安全評價

山東省水生態(tài)安全評價結(jié)果見圖3。從圖中可看出，因為壓力準則層各項指標均為負向指標，所以其數(shù)值越小，壓力越大，水生態(tài)壓力在2013年達到最大值，并且在2015年以后呈現(xiàn)逐年下降的趨勢。

圖3 山東省水生態(tài)安全評價結(jié)果

2014、2015年狀態(tài)準則層水生態(tài)安全評價值均較小，分別為0.219 0和0.404 4，2011、2018年的評價值較大，分別為1.113 1和1.531 0，而2011、2014、2015、2018年山東省水資源總量分別為3.476 1×1010、1.484 4×1010、1.684 4×1010、3.432 5×1010m3，由此看出，水資源總量在水生態(tài)安全的維持體系中是一個重要的影響因素。

響應準則層指標近幾年呈現(xiàn)較大的波動態(tài)勢，其中2015年的指標值最小，為0.569 3，2012年的指標值最大，為1.502 1。綜合對比這2 a的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，當環(huán)境污染治理投資、工業(yè)廢水治理投資等大幅增加時，響應層指標反饋也較好，表明資金的投入對于水生態(tài)維護具有重要意義。響應層指標值在2012—2015年持續(xù)減小，2016年開始逐年上升，說明山東省未來應采取更加合理、有效的措施來保證水生態(tài)系統(tǒng)的安全。

從綜合評價指標來看，2014、2015年的數(shù)值分別為3.383 0、3.073 8，其余幾年的數(shù)值均為4.219 9～5.929 1，結(jié)合相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)，除2014、2015年山東省水生態(tài)安全狀況處于Ⅱ級，其余年份水生態(tài)安全狀況均處于Ⅲ級，即水生態(tài)服務功能已經(jīng)出現(xiàn)退化，生態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，可維持基本功能，但是生態(tài)環(huán)境問題已經(jīng)顯現(xiàn)。水生態(tài)綜合評價值在2015年開始逐年上升，說明山東省的水環(huán)境狀況已經(jīng)逐漸好轉(zhuǎn)。

此外，綜合評價曲線與狀態(tài)層評價曲線變化趨勢相似，水資源總量、地表水資源量等對狀態(tài)層評價指標值影響很大，因此未來應采取合理的措施，保障水資源免受污染與浪費。

不同年份各指標層評價值占綜合評價值的比重如圖4所示。由圖可見：各年份壓力層指標占比超過50%，2015年達到68.32%，表明山東省人口增長、全省國內(nèi)生產(chǎn)總值增加和生活污水排放量增大導致了環(huán)境壓力增大，但工業(yè)廢水排放量及工業(yè)廢水中化學需氧量(COD)排放量的減少降低了對水生態(tài)系統(tǒng)的壓力，增強了水生態(tài)系統(tǒng)的安全性。在今后的環(huán)境治理中，山東省應將重點放在減小壓力層各指標對水環(huán)境的壓力方面，控制工業(yè)污水排放量與排放標準，嚴格管理農(nóng)業(yè)種植方式。狀態(tài)層指標所占比重在2015—2018年呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，表明山東省水生態(tài)狀況已經(jīng)逐漸有所好轉(zhuǎn)，水生態(tài)安全問題逐漸改善。響應層指標所占比重在2012年達到最大，接近32.8%。通過相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)對比可以看出，與2011年相比，2012年的環(huán)境治理投資從6.14×1010元上升至7.39×1010元，環(huán)境污染治理投資占全省GDP的比重提高了0.13%，與2013年狀態(tài)評價值相比有所提升，說明對環(huán)境治理投資力度的加大收到了較好的環(huán)境狀態(tài)反饋，水生態(tài)環(huán)境有所好轉(zhuǎn)。2015—2018年響應層指標所占比重變化較小，仍需繼續(xù)加大環(huán)境治理投資力度。

圖4 不同年份各指標層評價值占綜合評價值的比重

4 結(jié)論

本文中對2010—2018年山東省水生態(tài)指標進行分析，并對水生態(tài)安全進行評價，得到結(jié)論如下：

1)2010—2018年山東省水生態(tài)安全綜合評價值略有波動，但總體處于上升的趨勢； 山東省水生態(tài)安全評判等級基本處于等級Ⅲ。雖然2018年水生態(tài)安全質(zhì)量有了較大提升，但總體上看山東省水生態(tài)服務功能已經(jīng)出現(xiàn)退化，生態(tài)問題已經(jīng)凸顯。

2)山東省水環(huán)境壓力總體呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，且各項指標均為負向指標，因此現(xiàn)階段山東省水生態(tài)安全所承受的壓力不容忽視。這期間環(huán)境壓力值已經(jīng)開始減小，下一步仍應研究更合理的科學手段緩解水生態(tài)壓力，促進經(jīng)濟健康、快速發(fā)展。

3)狀態(tài)準則層評價指標和山東省水生態(tài)綜合評價指標變化趨勢基本一致，水資源總量對狀態(tài)層的響應具有至關重要的作用，因此應加強對全流域斷面水質(zhì)、水量等的系統(tǒng)監(jiān)測。

4)響應準則層評價指標值在2015年后持續(xù)增大，表明山東省在水生態(tài)問題上所采取相關措施已經(jīng)逐漸發(fā)揮積極作用。