基于PSIR模型的城市化小流域水生態可持續利用綜合評價

韓 萍，劉 健，郭靜嫻，張相忠，王 晉

(1.山東城市建設職業學院 環境工程系，山東 濟南 250103；2.青島市城市規劃設計研究院， 山東 青島 266023；3. 山東建筑大學資源與環境創新研究院，山東 濟南 250101)

1 引言

一個小流域的水生態系統健康狀態在近幾十年的變化趨勢是什么，當前的水生態可持續利用狀態是什么狀況，影響水生態可持續利用的主要因子有哪些，這些問題不僅可以說明進行水環境治理、水安全改善與水生態修復的必要性與緊迫性，還可以為治理與修復提出參考方向與目標[1～5]。基于此，本研究將通過科學合理的選取能體現城市化[6]、土地利用/土地覆蓋變化(Land Use and Land Cover Change-LUCC[7])、河網水系結構與水文效應等相關的指標構建PSIR指標體系模型，完成對濟南韓倉河小流域水生態可持續利用狀態的綜合評價。

2 PSIR模型及其指標體系

2.1 PSIR模型

1970年，著名統計學家Fred Anthony提出了可用于研究環境問題的框架體系PSR模型。PSIR(Pressure State Impact Response)模型是由PSR(Pressure State Response)發展轉變而來，經過發展與演變，該模型目前已成為研究環境狀態和環境問題因果關系的有效工具[8]。

2.2 PSIR模型指標體系

在本研究的PSIR模型指標體系中，P是人類社會活動與經濟增長對韓倉河流域水生態可持續利用帶來的壓力，包括人類干擾強度、各產業的總產值等指標[9]。S是受壓力作用所呈現的LUCC狀態，包括不透水表面率、城鎮建設用地面積等指標[10]。I是壓力和狀態對水文、水質等產生的影響，包括徑流總量、峰現時間等指標[11]。R是人類為治理水環境與修復水生態所采取的措施與行動，包括流域生態恢復工程量、環境法規完善度等指標[12]。

2.3 指標體系建立結果與計算方法

從壓力、狀態、影響、響應4個準則層選取城市化率、不透水率、徑流總量等20個因子，建立小流域尺度的水生態可持續利用評價指標體系PSIR模型，進而結合層次分析法對研究區的水生態可持續利用情況進行綜合評價。本研究中，韓倉河流域水生態可持續利用綜合評價的指標獲取及計算方式見表1。

表1 PSIR模型建立

3 水生態系統可持續利用綜合評價

3.1 權重的計算與分析

3.1.1 指標權重的計算

權重的確定是城市化小流域水生態可持續利用綜合評價中較為重要的一步。韓倉河流域水生態可持續利用綜合評價系統是一個多層次、多因子的復雜大系統，因此適合采用層次分析法計算指標權重[13]。在判斷矩陣一致性結果滿足要求后，進行歸一化后最終得到各指標因子的權重[14]。各因子指標權重見表2。

3.1.2 指標權重分析

在水生態可持續利用綜合評價體系的準則層中，壓力、狀態、影響以及響應因子的權重分別為：0.2608、0.2622、0.2372、0.2399。

其中，壓力源于與韓倉河流域內日俱增的人類活動，人類活動干擾及經濟發展所帶來的污染是影響韓倉河小流域水生態可持續利用的主要原因與直接原因，因此壓力因子與狀態因子對水生態可持續利用水平的影響較大。狀態因子是導致水生態發生變化的自然和社會因素，主要指不透水表面率、河網密度等受人類活動影響的狀態因子，其權重略高于壓力因子。影響因子是研究壓力和狀態和響應的依據，響應因子是人類為實現水生態的可持續利用所做出的響應措施。隨著水環境污染與水生態退化等現象的惡化，地方有關部門越來越意識到生態恢復與環境治理的重要性，因此響應因子的權重略高于狀態因子的權重。綜上所述，由層次分析法得到的壓力、狀態、影響、響應等準則層權重值較為合理。

表2 各指標權重

在20個水生態可持續利用評價指標中，權重值位于前10名的指標分別為：人類干擾強度、流域生態恢復工程量、環境法規完善度、不透水表面率、徑流系數、峰值流量、城鎮建設用地面積、城市化率、河網密度與第二產業總產值，說明這10個指標對韓倉河流域水生態可持續利用的影響相對其它指標更加明顯。其中，隸屬于壓力因子有3項(U11、U13、U15)，狀態因子3項(U21、U22、U23)，影響因子2項(U32、U34)，響應因子2項(U41、U42)。

3.2 水生態可持續利用評價標準與結果

為了消除各評價指標數量級、量綱等之間的差異，使不同單位與量綱之間的數據可以相互比較，本研究結合評價標準選擇線性比例法進行各指標結果的無量綱化[15，16]。各指標評價標準見表3，各指標在各年份的計算結果與量化結果見表4。

表3 PSIR模型中各指標評價標準

4 水生態可持續利用結果分析

以1985、1995、2005和2015年4個時間節點為代表，研究韓倉河流域水生態可持續利用總體變化，結果見表5。進一步分析表5可以得出，1985～2015年韓倉河流域水生態可持續利用綜合評價值呈上升趨勢，2015年的評價值最大，為68.28。2005年的次之，為51.96。1985和1995年的評價值相對較低，分別為40.68與41.34。這說明2015年該流域的水生態可持續利用狀態較差，1985年與1995年該流域的水生態可持續利用狀態較好。

表4 PSIR模型中各指標計算結果與量化結果

表5 韓倉河流域水生態可持續利用綜合評價結果

進一步分析發現，壓力、狀態與影響評價值的趨勢均為上升趨勢，通過擬合趨勢線得出上升的趨勢的大小為：壓力評價值>狀態評價值>影響評價值，這說明在對韓倉河流域的水生態可持續利用狀態的影響因素中，壓力因子的貢獻度相對狀態因子和影響因子在逐漸變大。

5 結論

通過構建PSIR模型進行了韓倉河流域水生態可持續利用綜合評價。對評價結果分析得出：

(1)1985～2015年韓倉河流域水生態可持續利用綜合評價值呈上升趨勢，2015年的評價值最大，2005年的次之，1985和1995年的評價值相對較低。這說明2015年該流域的水生態可持續利用狀態較差，1985年與1995年該流域的水生態可持續利用狀態較好。

(2)壓力、狀態與影響評價值的趨勢均為上升趨勢，通過擬合趨勢線得出上升的趨勢的大小為：壓力評價值>狀態評價值>影響評價值。這說明在對韓倉河流域的水生態可持續利用狀態的影響因素中，壓力因子的貢獻度相對狀態因子和影響因子在逐漸變大。