王繄瑋,陳　星,朱　琰,熊雪珍,盧婉瑩

(河海大學水文水資源學院,江蘇 南京　210098)

基于PSR的城市水生態(tài)安全評價體系研究

——以“五水共治”治水模式下的臨海市為例

王繄瑋,陳星,朱琰,熊雪珍,盧婉瑩

(河海大學水文水資源學院,江蘇 南京210098)

摘要：以PSR模型和“五水共治”治水模式為基礎,從治污、防洪、排澇、供水、節(jié)水和社會經(jīng)濟6個方面選擇指標,建立城市水生態(tài)安全評價指標體系,對城市水生態(tài)安全狀況進行定量分析。采用專家評分的層次分析法對評價指標賦權,采用綜合指數(shù)法對臨海市水生態(tài)安全狀況進行綜合計算;最后根據(jù)計算結(jié)果評價臨海市水生態(tài)安全狀況。結(jié)果表明,臨海市水生態(tài)安全狀況隨“五水共治”治水模式的推進逐漸得到改善。

關鍵詞：水生態(tài)安全;PSR模型;層次分析法;綜合指數(shù)法;五水共治;臨海市

水是人類社會生態(tài)和發(fā)展不可缺少、不可替代的自然資源,也是一種寶貴的戰(zhàn)略資源。水資源作為生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基[1],水生態(tài)安全已經(jīng)成為21世紀社會經(jīng)濟發(fā)展的制約因素之一[2]。水生態(tài)安全問題的研究從20世紀70年代開始起步,直到目前,大多數(shù)研究仍集中于對其概念和內(nèi)涵的討論,也有學者開始對水安全問題進行定量評價,如英國生態(tài)與水文中心提出了由資源、途徑、利用、能力和環(huán)境5個分指數(shù)組成的水貧困指數(shù)(WPI)來反映水資源短缺對人類的影響[3-4];夏軍等[5]構建了水資源承載力的平衡指數(shù)(IWSD)來分析流域水資源安全的程度;韓宇平等[6]應用多層次多目標決策和模糊優(yōu)選理論建立了區(qū)域水安全評價的模糊優(yōu)選模型,并結(jié)合多層次的水安全評價指標體系對我國部分省級行政區(qū)進行水安全狀況評價;張巧顯等[7]從生命安全、經(jīng)濟安全、生態(tài)安全等6方面選取了一些指標對中國水安全問題進行研究。

浙江省提出的“五水共治”，突破了傳統(tǒng)“就水論水”的思路,體現(xiàn)了水科學的多學科與多部門特征,對保障城市水生態(tài)安全具有積極意義。該模式從治污、防洪、排澇、供水、節(jié)水以及社會經(jīng)濟幾方面對評價體系進行綜合考慮,更具有全面性、科學性和前瞻性。本文基于這一治水模式,利用“壓力-狀態(tài)-響應(PSR)”框架模型并結(jié)合“五水共治”的治水模式建立城市水生態(tài)安全評價指標體系,對“五水共治”治水模式下的臨海市水生態(tài)安全狀況進行評價,旨在給區(qū)域水生態(tài)安全提升提供一個新的思路。

表1　水生態(tài)安全PSR指標體系

1城市水生態(tài)安全評價方法

1.1建立評價指標體系

城市水生態(tài)安全系統(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng)[7-8],它的構建既要考慮社會經(jīng)濟發(fā)展對水的需求的功利性目標,又要考慮實現(xiàn)水環(huán)境自身及其周邊環(huán)境系統(tǒng)功能和諧的理性目標,達到健康、可持續(xù)、循環(huán)利用的水生態(tài)狀態(tài)。而“五水共治”模式下的水生態(tài)安全系統(tǒng)能夠反映“治污、排澇、防洪、供水、節(jié)水”和社會經(jīng)濟幾個方面的綜合作用。為了達到這個目的,筆者以PSR模型[9]為基礎構建評價指標體系。

城市水生態(tài)安全狀態(tài)可以用壓力指標、狀態(tài)指標和響應指標來表現(xiàn)。隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展和人口的不斷增多,水生態(tài)安全系統(tǒng)的壓力也不斷增大。這種壓力影響著水生態(tài)安全系統(tǒng)的狀態(tài),水生態(tài)安全系統(tǒng)將這種狀態(tài)反饋給人類社會,人類社會將做出響應。

根據(jù)PSR模型,結(jié)合“五水共治”的內(nèi)涵,筆者從治污、防洪、排澇、供水、節(jié)水和社會經(jīng)濟6個方面構建城市水生態(tài)安全評價體系[9-10],分目標層、準則層和指標層來描述“五水共治”下的臨海市水生態(tài)安全,具體見表1。

1.2歸一化處理指標值

采用線性比例變換的方法對各指標層指標值進行歸一化處理,得到無量綱指數(shù)。

線性比例變換法歸一處理如下:

當xit為正效應時,

(1)

當xit為負效應時,

(2)

式中:xit為各指標值,分為具有正效應的正向指標和具有負效應的逆向指標;xit′為xit歸一化后相對應的無量綱指數(shù)[11],ximax和ximin分別為各指標值中的最大值及最小值。

1.3確定系統(tǒng)及指標權重

根據(jù)Saaty[12]于1980年提出的層次分析法(AHP法),通過專家打分,同時參考相關水生態(tài)安全評價的資料,對各個系統(tǒng)層以及每個系統(tǒng)層中的各個指標進行重要性標度的評判,從而得到各系統(tǒng)層、各系統(tǒng)層中各個指標的相對重要性矩陣[13]。

1.4計算子系統(tǒng)安全指數(shù)

各子系統(tǒng)的安全指數(shù)是根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)各指標的歸一化數(shù)值及其權重的乘積加權計算得到的[14]。

子系統(tǒng)安全指數(shù)計算公式為

(3)

式中:E為研究區(qū)各子系統(tǒng)安全指數(shù);p(xi)為各指標的安全指數(shù),即歸一化后的指標值;Wi為各指標權重;n為指標總個數(shù),i=1,2,…,n。

1.5綜合安全指數(shù)計算

綜合安全指數(shù)指根據(jù)各個子系統(tǒng)的安全指數(shù)與其權重的乘積加權計算得到的值。綜合安全指數(shù)計算公式為

(4)

式中：ESCV為研究區(qū)水生態(tài)安全系統(tǒng)綜合安全指數(shù);Ei為各子系統(tǒng)安全指數(shù);Wii為各系統(tǒng)權重;n為系統(tǒng)總個數(shù)，i=1,2,…,n。

2應用實例

臨海市地處浙江省東南沿海,地理位置界于北緯28°40′～29°04′,東經(jīng)120°49′～121°41′之間。東瀕東海,南接臺州市椒江區(qū)和黃巖區(qū),西連仙居縣,北與天臺縣、三門縣相毗鄰。當前臨海市水生態(tài)安全狀況不容樂觀,主要表現(xiàn)為:水體質(zhì)量較差,水資源分布和利用格局不平衡,開發(fā)程度不高,部分地區(qū)管網(wǎng)漏損率高,節(jié)水指標與國內(nèi)外先進水平差距較大,現(xiàn)有水系格局不滿足防洪排澇要求等?；诖爽F(xiàn)狀,“五水共治”在截污減排、水資源保障、水系綜合整治等方面均提出了相關規(guī)劃,分近中遠期實施。根據(jù)建立的評價模型,臨海市隨著“五水共治”的實施,達到各階段的規(guī)劃目標,更好地提高水生態(tài)安全服務,體現(xiàn)規(guī)劃的合理性與科學性。

2.1數(shù)據(jù)計算

以《臨海市“五水共治”綜合規(guī)劃》中的規(guī)劃目標為基礎進行計算,采用打分制的數(shù)據(jù)均為5分制。

經(jīng)過歸一化的各指標數(shù)據(jù)及各子系統(tǒng)安全指數(shù)見表2～3。

表2　各指標數(shù)據(jù)歸一化結(jié)果

表3　子系統(tǒng)安全指數(shù)及綜合安全指數(shù)計算結(jié)果

2.2評價結(jié)果

將各子系統(tǒng)安全指數(shù)及臨海市水生態(tài)安全指數(shù)的變化表示出來,見圖1和圖2。對臨海市水生態(tài)安全指數(shù)與各指標的相關性進行分析,相關系數(shù)見圖3。

圖1　各子系統(tǒng)安全指數(shù)不同時期變化情況

圖2　不同時期水生態(tài)安全指數(shù)變化情況

圖3　水生態(tài)安全指數(shù)與各指標的相關系數(shù)

由圖1和圖2可以看出,從現(xiàn)狀年到遠期規(guī)劃年,臨海市的子系統(tǒng)安全指數(shù)及水生態(tài)安全系統(tǒng)安全指數(shù)基本呈上升趨勢。

現(xiàn)狀條件下,臨海市水生態(tài)安全狀況一般,與規(guī)劃期相比相差較大。其制約因素主要有排澇和供水兩方面,說明當前臨海市的排澇標準較低,供水能力不能滿足需水要求。各子系統(tǒng)間相互制約,相互作用,共同對水生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。從現(xiàn)狀年2013年到遠期規(guī)劃年2030年,隨著“五水共治”治水模式的推進與深化,各項指標逐步達到國家相關規(guī)定或標準,近、中、遠期臨海市的水生態(tài)安全狀況將逐步得到改善。

由圖3可以看出,除人口密度外,其他指標均與臨海市水生態(tài)安全指數(shù)具有較強的相關性。其中COD排放總量、NH3-N排放總量、城區(qū)生活污水處理率、規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖廢水治理率、萬元GDP用水量、灌溉水利用系數(shù)、節(jié)水器具普及率、管網(wǎng)損失率、公共環(huán)保意識和人均GDP與水生態(tài)安全指數(shù)的相關性高達0.95,說明這些指標對水生態(tài)安全系統(tǒng)影響較大。因此,要提升臨海市水生態(tài)安全,可以從COD排放量、NH3-N排放總量等這些與水生態(tài)安全指數(shù)相關性較高的指標入手。

3結(jié)論

基于PSR模型和“五水共治”理念,構建了“五水共治”治水模式下的城市水生態(tài)安全評價體系,并將其應用于臨海市水生態(tài)安全評價中。與基于普通治水模式的評價體系相比,“五水共治”治水模式下的城市水生態(tài)安全評價體系具有一定的科學性和前瞻性,評價結(jié)果能較為全面、客觀地描述在“五水共治”治水模式下臨海市的水生態(tài)安全變化趨勢。

評價結(jié)果表明:①目前臨海市水生態(tài)安全狀況一般,主要受排澇標準較低以及供水不能滿足需求這兩方面的影響。②隨著“五水共治”治水模式的推進與深入實施,臨海市水生態(tài)安全狀態(tài)從現(xiàn)狀年2013年到遠期規(guī)劃年2030年將得到較大提升,各子系統(tǒng)的安全程度均得到了一定程度上的改善。③提升臨海市水生態(tài)安全可以從COD排放量、NH3-N排放總量等與水生態(tài)安全系統(tǒng)相關性較高的指標入手。④“五水”之間是相互作用、相互促進的,在“五水共治”的治水模式下,治污、防洪、排澇、供水、節(jié)水等方面均得到了顯著改善,帶動了整個臨海市水生態(tài)系統(tǒng)安全狀態(tài)的提升,將臨海市水生態(tài)文明建設推向了一個新的高度。

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Study of urban aquatic ecological security evaluation system based on PSR model:a case study in Linhai City under mode of co-governance on fiver water categories

WANG Yiwei, CHEN Xing, ZHU Yan, XIONG Xuezhen, LU Wanying

(CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract：Based on the PSR model and the mode of co-governance on five water categories, the indices involving sewage treatment, flood control, drainage, water supply, water conservation, and social economy were selected to establish an urban aquatic ecological security evaluation system, which was used to quantitatively analyze the status of urban aquatic ecological security. The index weight was determined by using the AHP method based on expert evaluation, and the comprehensive index method was used to calculate the status of aquatic ecological security of Linhai City. Based on the calculation results, the status of aquatic ecological security of Linhai City was evaluated. Results of the study show that the status of aquatic ecological security of Linhai City has improved under the mode of co-governance on the five water categories.

Key words：aquatic ecological security; PSR model; AHP; comprehensive index method; co-governance on five water categories; Linhai City

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.02.017

基金項目:國家自然科學基金(51579148);蘇州市水利科技計劃(2014-7-6);江蘇省科技支撐計劃(BE2011697)

作者簡介:王繄瑋(1991—),女,碩士研究生,研究方向為水文水資源及生態(tài)水文。E-mail:wangyw@hhu.edu.cn 通信作者:陳星,講師。E-mail:chenxing@hhu.edu.cn

中圖分類號：X826

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)02-0082-05

(收稿日期：2015-12-28編輯：彭桃英)