基于PSR 模型的南通市水生態安全評價研究

鄧洋陽，朱劉紅，葉愛山，2

(1.南通理工學院商學院，江蘇 南通 226002；2.蘇州科技大學創新管理與評價研究所，江蘇 蘇州 215009)

水是生命之源，是人民生活之根本，水生態環境直接影響著社會經濟發展。 對水生態安全狀況進行評價研究，不僅是水資源領域的問題，而且是涵蓋與水相關的自然系統、經濟系統及社會系統的綜合性問題[1－2]。 在國家將發展重點轉向沿海城市，并致力于加快構建新發展力量的背景下，南通市不斷推動產業發展，產業規模也隨之擴大，這也就導致了工業用水量急劇增加、城鎮污水和工業廢水排放超標等，直接掣肘經濟可持續發展。 近年來，市政府對水生態環境高度重視，先后印發了?南通市“十四五”生態環境保護規劃??南通市生態文明建設規劃(2021—2025年)?等文件，使得水生態環境明顯改善，但水資源污染形勢依然嚴峻，Ⅳ、Ⅴ類水質仍存在。 對此，本研究將系統性分析南通市水生態安全問題，這對促進城市可持續健康發展具有重要現實意義[3－4]。

目前，國內外關于水生態安全的研究已有豐碩成果。 水生態安全評價指標體系建立早已擺脫單因子模式，開始向多指標綜合評價轉變，但相關主題研究仍呈現出理論化和碎片化，缺乏綜合性系統性評價。 水生態安全評價本質是水安全評價的發展和延伸，建立科學合理的指標體系是開展水生態安全評價的重要前提。 結合南通市水生態環境現狀，本研究基于“壓力－狀態－響應”(PSR)模型，建立起南通市水生態安全評價體系。 PSR 模型能夠直接揭示事件的內部機制，并客觀刻畫出具體的發展形態[5－6]。關于指標權重，將采用變異系數法確定。 該方法相較于層次分析法等主觀評判方法，可以有效規避主觀因素影響，實現更加精準的測度[7]。 因此，本研究將基于PSR 模型構建南通市水生態安全評價體系，并運用變異系數法進行相應評價與分析研究。

一、 評價體系構建與評價方法選擇

(一)水生態安全評價體系構建

水生態安全評價是一個復雜的系統工程，內部由關系復雜的水生態安全要素組成，而生態要素又由多個生態因子組成。 關于水生態安全評價體系模型選取，應用最為廣泛的是由經濟合作和開發組織(OECD)與聯合國環境規劃署(UNEP)共同提出的“P－S－R”模型，即“壓力－狀態－響應”模型[8]。 PSR模型是由壓力指標、狀態指標、響應指標等子系統所構成。 在水生態安全系統運轉中，各子系統作用不同但相互關聯，不同指標要素間也同樣會相互影響[9－10]。 壓力子系統主要涵蓋人類所進行的生產活動對水生態所造成的影響；狀態子系統是指人類對水生態系統作用影響后所呈現的形態；響應子系統則是人類對水生態已產生或即將產生破壞所采取舉措行為的體現。

水生態安全評價體系是由壓力、狀態、響應等子系統所構成(表1)。 壓力子系統選取了農業用水情況、人均GDP、工業廢水排放量等指標；狀態子系統以第三產業比重、糧食產量等表征；響應子系統采用總用水量、工業廢水治理項目投資額來衡量。 其中，單項指標依據屬性不同，劃分為正負向指標。 正向代表指標對水生態安全有利，指標值越大表示越接近理想狀態，如工業廢水治理項目投資額等指標。負向代表指標對水生態安全不利，指標值越大表示越不理想，如工業廢水排放量等指標。

表1 南通市水生態安全評價體系構建

(二)評價方法選擇

目前國內外對水生態安全評價研究所運用的方法較多，如模糊系統分析法、層次分析法、綜合指數評價法等。 其中，綜合指數評價法是一種相對簡單，分析結果較為精準的評價方法。 該方法通過對一組相同或不同指數值進行處理，將不同計量單位、不同性質的指標值標準化，最終轉化成一個綜合指數，用以準確地評價綜合發展水平，在水生態安全評價研究中較為常用。 對此，本研究選擇綜合指數評價法對南通市水生態安全進行評價與分析。 首先，對所選取的單項指標進行標準化處理；其次，利用變異系數法獲取指標權重；最后，得出南通市水生態安全綜合評價指數。

由于單項指標間單位及屬性均不相同，原始數據并不具有可比性，需對原始數據進行標準化處理。數據標準化方式較多，常用方法有最小最大法、Zscore 法、按小數定標法等。 本研究依據實際需要，選取最小最大標準化方法，見式(1)。

式(1)中，Xij表示第i年第j個指標原始數值，Yij為第i年第j個指標標準化后數值。 minXj為第j個指標最小值，maxXj為第j個指標最大值。

變異系數法基本思想為，水生態安全評價體系中指標值差異越大，表示該指標越難實現，也就反映出被評價主體間的差距。 式(2)與式(3)為分別獲取平均數和標準差。

式(4)為計算水生態安全評價體系中各單項指標的變異系數值，再通過計算變異系數值占比，即可獲得各單項指標權重值，如式(5)所示。

在獲得各單項指標權重基礎上，將權重值與標準化值相乘，就可以獲得各評價指標的得分值，如式(5)所示。

(三)數據來源

本研究所用數據來自?南通市水資源公報?和?南通市統計年鑒?，個別缺失數據采用插值法填補。 由于研究數據存在一定滯后性，可獲取到的最新數據截至2020 年。 對此，研究期選取2015~2020年，基本上可以很好地反映出南通市水生態安全發展現狀與基本趨向。

二、 南通市水生態安全評價與分析

(一)南通市水生態安全評價指標權重分析

通過變異系數法計算，得到南通市水生態安全指標權重值(表2)。 壓力子系統中，農業用水情況、人均GDP 和工業廢水排放量等指標權重值均大于13%，表明這些指標對南通市水生態安全均能夠產生較大的影響。 其中，農業用水情況指標權重值達到18.16%，相較人均GDP 和工業廢水排放量指標來說，該項權重值較大，說明南通市對農業用水調控力度明顯不足。 近年來，南通市持續加強農業節水工程建設，但相應的配套維護服務尚不健全，在今后水生態安全治理過程中，應引起更多關注。 狀態子系統中，糧食產量指標權重值為14.40%，意味著南通市糧食產量與水生態安全存在反向發展關系，當前農業發展技術水平仍有待進一步提高，進而實現兩者之間協同發展。 響應子系統中，工業廢水治理項目投資額權重值達到了18.97%，不僅是響應子系統中最大值，也是南通市水生態安全中最大值。 可以看出，當前南通市水生態安全治理重點在于加強工業污染預防與治理。當然，隨著南通市社會經濟發展與產業結構優化，對水生態系統的要求也提高，這直接關系著廣大社會群眾的生產水平與生活質量。

表2 南通市水生態安全評價指標權重值

(二)水生態安全評價等級劃分

為了有效評價南通市水生態安全水平，參考學界普遍做法，依據水生態安全具體得分進行等級劃分[11－12]。 通常認為，水生態安全發展水平介于0 至1 之間，越接近于1 表示水生態安全越理想，越接近于0 表示水生態安全越惡劣。 依據水生態安全綜合得分情況，可劃分為5 個等級，分別為惡劣、較差、一般、良好和理想(表3)。 惡劣狀態是指水生態安全系統服務功能幾乎為零，環境遭受到嚴重破壞且難以恢復，并在自然演變情況下經常性發生災害；較差狀態是指水生態安全系統服務功能出現嚴重退化，環境遭受到較大破壞且恢復較困難，會出現較多生態災害；一般狀態是指水生態安全系統服務功能出現退化，環境遭受到一定的破壞，但通過一系列的有效措施可以明顯改善環境，但偶爾會出現生態災害；良好狀態是指水生態安全系統服務功能較為完好，環境遭到輕微破壞，較少出現生態災害；理想狀態是指水生態安全系統服務功能基本完好，環境基本未受到破壞，幾乎不出現生態災害。

表3 水生態安全評價等級劃分

(三)南通市水生態安全發展水平分析

在獲取單項指標權重基礎上，通過進一步計算，可得到南通市水生態安全各子系統得分(表4)。 從圖1 中可以看出，2015~2020 年南通市水生態安全綜合得分呈現M 型發展態勢，近年來南通市水生態安全形勢越來越嚴峻。 南通市水生態安全各子系統間差異顯著，各子系統得分呈現壓力子系統、狀態子系統、響應子系統依次遞減階梯式分布。 其中，壓力子系統得分最高，達到1.2229，而響應子系統得分最低，僅為0.7576。 這表明南通市水生態安全壓力方面表現相對突出，但響應子系統并未能做出應有貢獻。 研究期內南通市水生態安全綜合得分值介于0.3至0.7 之間，依據表3 水生態安全評價等級可知，南通市水生態安全等級主要在Ⅱ級與Ⅲ級。 2015~2018 年呈現波動上升趨勢，2018~2020 年呈現快速下降趨勢。 這表明南通市2015~2018 年水生態安全向利好轉變，達到Ⅲ等級，即南通市水生態安全處于一般狀態。 隨后2018~2020 年，南通市水生態安全向不利轉變，又降回到Ⅱ等級，即水生態安全處于較差狀態。 從整體發展趨向來看，南通市水生態安全并不容樂觀，近年來水生態安全基本處于一般狀態，說明南通市水生態安全已經遭受到一定程度的破壞，服務功能部分出現退化。 下面將對南通市水生態安全各子系統進行詳細闡述。

表4 2015~2020 年南通市水生態安全發展水平

圖1 2015~2020 年南通市水生態安全趨勢圖

從壓力子系統得分來看，2015~2019 年南通市水生態安全壓力子系統呈現波動上升趨勢，但在2020 年卻出現了明顯下降。 這主要是由于近年來南通市農業用水量急劇增加，2020 年南通市農業用水量達到23.34 億立方米，較上年增加17.35%，無疑給南通市水生態安全帶來了巨大壓力。 同時地區經濟發展與人口集聚，同樣也給南通市水生態安全帶來較大的壓力。 可見，農業用水量增加對南通市水生態安全有著直接影響，這需要政府部門積極采取有效舉措來協調農業生產與水生態安全之間的關系，同時還應增強水生態系統的抗壓能力。 當然，工業廢水排放量已由2015 年的15745 萬噸下降至2020 年的12058 萬噸，這極大地緩解了南通市水生態安全系統的承載壓力，也反映出南通市政府對工業生產各環節正在不斷加大監管力度，以減少不必要的非期望產出。

從狀態子系統得分來看，2015~2020 年南通市水生態安全狀態子系統呈現出明顯波動現象。 其中，2016 年狀態子系統得分達到0.2343，為當年各子系統中最高分值，對狀態子系統貢獻達到43.08%，這是糧食產量指標和第三產業比重指標的共同作用結果。隨著產業結構逐漸走向合理化和高級化，生產技術水平也將有所改良，隨之而來的就是對要素資源利用率將極大提升，既降低了生產用水量，也有效提高了廢水達標率。 眾所周知，糧食生產關系著廣大農民的生活質量，研究期內南通市糧食產量基本處于持平狀態，維持在335 萬至340 萬噸。 但2020 年糧食產量相較前幾年出現輕微上漲，對水生態安全可能存在一定影響，糧食產量增長得依托于農業科技，而不是依賴規模種植實現增產。 2020 年壓力子系統得分相較2019 年有所上升，說明了南通市對水生態系統負向作用有所減緩，很好地實現了增加糧食產量與水生態安全同步發展的良好局面。

從響應子系統得分來看，2015~2020 年南通市水生態安全響應子系統呈現明顯倒V 型發展態勢。2015~2017 年響應子系統得分快速增加，而2017~2020 年響應子系統得分值進入快速下降階段。 研究期內響應子系統2015 年得分值最小，對當年水生態安全貢獻僅為21.72%，這主要是由于2015 年南通市工業廢水治理項目投資額偏低，與此同時，2015年南通市社會總用水量在研究期內位于第三，綜合作用下致使2015 年響應子系統得分并不理想。2017 年南通市工業廢水治理項目投資額達到了2015 年的9.81 倍，但不可否認，工業廢水治理項目的作用效應具有時效性，后期維護與保養必然也要有效推進，避免治污項目未能產生應有作用。 響應子系統對南通市水生態安全貢獻僅為26.38%，尚未能達到平均水平33.33%。 因此，南通市政府部門應不斷健全水資源論證制度，持續改善水生態環境，以增進民生福祉。

三、 結論與對策建議

本研究基于PSR 模型構建起南通市水生態安全評價體系，采用變異系數法對2015~2020 年南通市水生態安全進行評價與分析，并對水生態安全進行等級劃分。 研究發現:第一，研究期內南通市水生態安全呈現M 型發展態勢，2015 年與2020 年南通市水生態安全都處于較差狀態，2018 年水生態安全得分值最高；第二，南通市水生態安全各子系統得分值差距明顯，呈現壓力子系統、狀態子系統、響應子系統依次遞減階梯式分布；第三，南通市水生態安全單項指標中，農業用水情況與工業廢水治理項目投資額指標權重位于前列，將是南通市水生態安全治理與改善的重要突破口。 依據研究結論提出如下對策建議:第一，著力推動農業產業結構升級，實現低碳可持續發展。 一方面，對現有農業技術設備進行改善，提高水資源利用效率；另一方面，注重對農業需水量較大品種進行改進，發展節水農業。 第二，加強相關治理水生態安全政策的滾動修訂。 繼續履行河長制等政策制度，維護南通市河湖健康，實現河湖功能永續發展。 同時，地區經濟發展不可與水生態安全脫離，要始終踐行“綠水青山就是金山銀山”的發展理念。 第三，健全水資源論證制度。 對不符合水資源管理制度的產業計劃實行一票否決制度，還應積極引導人民群眾在日常生活中養成節約用水的良好習慣。