基于压力-状态-响应的熵权-物元水生态文明评价模型

刘 畅，冯宝平※，张展羽，黄继文，吴 东（1. 河海大学水利水电学院，南京 210098；2. 河海大学南方地区高效灌排与农业水土环境教育部重点实验室，南京 210098；. 山东省水利科学研究院，济南 25001）

·综合研究·关键技术·

基于压力-状态-响应的熵权-物元水生态文明评价模型

刘 畅1,2，冯宝平1,2※，张展羽1,2，黄继文3，吴 东1,2
（1. 河海大学水利水电学院，南京 210098；2. 河海大学南方地区高效灌排与农业水土环境教育部重点实验室，南京 210098；3. 山东省水利科学研究院，济南 250013）

为了对区域水生态文明水平进行评价，针对目前水生态文明评价存在的问题，探讨水生态文明的内涵和评价方法。运用压力-状态-响应模型（press-state-response，PSR）提出由3类要素20种指标所组成的水生态文明评价指标体系；利用客观的熵权法求指标权重，减少了人为主观性对评价结果的干扰；利用物元分析方法有效解决了评价指标的模糊性和不相容性等问题，通过构造水生态文明的经典物元和节域物元，分析各个指标对应评价等级的关联度，构建了基于PSR的熵权-物元水生态文明综合评判模型。以济南市南部郊区为例进行研究，求得2010、2013、2015年水生态文明评价结果并对指标进行灵敏度分析，结果表明济南郊区水生态文明水平总体在逐渐提升，但水生态系统的压力没有明显减小，减少氨氮和化学需氧量污染物的排放是提升当地水生态文明水平的关键措施。该文模型能够揭示水生态文明现实状态和存在的问题，评价方法可供类似区域开展水生态文明评价参考。

压力；化学需氧量；氮；水生态文明；PSR模型；熵权；物元分析

0 引 言

生态文明是继农业文明、工业文明之后社会发展的新阶段。水生态文明体现了可持续发展理念，是生态文明的重要组成部分[1]。水生态文明是指人类遵循人水和谐理念，以实现水资源可持续利用，支撑经济社会和谐发展，保障生态系统良性循环为主体的人水和谐文化伦理形态，是生态文明的重要组成部分和基础内容[2]。建立科学适合的水生态文明评价模型是研究水生态系统与人类经济社会活动之间的关系和引导水生态文明的建设的关键步骤。

目前国内外学者在水生态文明评价方面已经做了大量的研究工作。国外方面，Dondeynaz等[3]对欧盟委员会提出的WatSan4Dev数据库中的42个有关环境、社会经济和治理等方面的指标进行了分类（分为人类发展与贫困、人类活动对水资源压力、水资源、官方发展援助和国家环境问题五大类）。Gurgel等[4]等通过分析工业废水排放的潜在影响，对巴西东北河口的水生态状况进行评估。Cook等[5]研究了保护动植物栖息地和水质的2项措施对恢复阿巴拉契亚中部的生态系统健康产生的驱动性影响[5]。Terrones等[6]通过调查墨西哥加勒比地区的水质来评价临海地区水生态状况[6]。Rebelo等[7]建立了水资源风险评价模型，用来评价污染物排放对水生态系统健康产生的风险。国内方面，唐克旺[8]提出了由水生态系统及社会经济系统所组成的水生态文明评价指标体系，引入了弹性分级评分的评价方法。王建华等[9]提出了包括水生态系统、水供用系统、水管理系统和水文化系统的水生态文明评价指标体系框架，并结合水生态文明评价的基本条件和特色性指标，形成了较为完整的水生态文明评价体系。崔东文等[10]利用层次分析法从水生态系统和经济社会系统中遴选出24个指标、构建3个层次的水生态文明评价指标体系，建立基于随机森林回归算法的水生态文明评价模型，并构建径向基神经网络模型作为对比模型，利用平均相对误差绝对值等 3个指标对模型性能进行评价。总体来看，目前国内学者对水生态文明评价大致有2点不足：由于水生态文明建设水平是一个模糊的概念，如何对其做定量评价目前还没有广泛认可的科学方法；建立的评价指标体系普遍将水生态文明分为若干子系统进行独立评价，忽略了子系统各要素之间的联系与动态变化趋势。本文从人水关系的分析入手，利用压力-状态-响应（press-state-response，PSR）模型构建水生态文明评价指标体系并用熵权法计算指标权重，然后建立水生态文明评价物元模型对济南市南部郊区的水生态文明水平进行综合评价，以期为当地的水生态文明建设提供依据。

1 基于PSR模型的水生态文明评价指标体系构建

PSR模型是由经济合作和开发组织与联合国环境规划署在20世纪80年代共同提出了的概念模型[11]。PSR模型是目前应用最广泛的指标体系之一。该模型已被应用于湿地生态安全评价、城市生态系统评价、环境保护分析、土地质量评价以及农业发展评价等研究领域[12-16]。PSR模型以因果关系为基础，在选取指标时使用了压力-状态-响应的逻辑思维过程，用压力变量描述人类活动对生态环境造成的威胁，用状态变量描述由压力变量引起的环境问题的可测特征，用响应变量衡量社会改善环境问题的行动，构成了人类与环境之间的压力-状态-响应关系[17-18]。PSR模型突出了生态环境受到破坏和生态环境退化之间的因果关系，压力、状态、响应3个方面互相影响、互相制约，正是采取决策和制定对策措施的全过程[19]。人口的增长、水资源的消耗和污染增大了各种水危机的风险；另一方面随着社会文明程度的提高，人类可以通过治理水污染、节水灌溉、水循环利用等技术的发展来改善水生态环境[20-21]。在对水生态文明建设的评价中，利用PSR模型不仅考虑到水生态系统的健康状况，而且考虑到人类保护水生态系统的行为和人类对水生态系统的破坏程度。PSR模型的压力-状态-反馈的过程体现出了一段特定时期内人水之间相互作用，相互影响的关系。因此利用PSR模型能够科学全面的评鉴一个地区水生态文明建设状况。

城市化的加速，用水量的增加、污染物的排放和城市的扩张对水生态系统施加一定压力（pressure）。压力可采用人均用水量、单位面积污水年排放量、单位面积化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）年排放量、单位面积氨氮年排放量、非农业用地比例等指标来表现。人类的用水方式和水生态系统状态（state）发生变化，可用农业用水比例、万元GDP用水量、人均水资源占有量、湿地面积比例、浅层地下水位下降区面积比率、水功能区水质达标率、水土流失程度等指标来表现。人类对水生态系统的改变做出响应（response）来实现人水和谐发展，可用节水器具普及率、工业用水重复利用率、灌溉水利用系数、水土流失治理比例、城市污水集中处理率、非常规水资源利用比例、人工湿地面积增加量、生态用水比例指标来表现。

指标的相对独立性和评价指标体系的全面性是构建适合的评价指标体系的重要因素[22]。在选取指标时PSR模型使用了压力-状态-响应的逻辑思维方式，保证了同一层次的各个指标相互独立，不同层次的各个指标相互关联。

本文以PSR模型为基础框架，按照独立性、全面性、动静结合性、定性与定量结合性、区域性等原则，构建了由目标层-要素层-指标层组成的3个层次的济南市南部郊区的水生态文明评价指标体系（表1）。

表1 水生态文明评价指标体系Table 1 Evaluation index system of water ecological civilization

2 水生态文明等级的判定方法

2.1 指标权重确定

确定指标权重的方法主要有主成分分析法、德尔菲法、层次分析法、熵权法等[23]。对比其他方法，熵权法具有客观性，进行指标赋权可避免主观误差[24]。本文采用熵权法作为确定指标权重的方法。熵权法是根据指标变异程度来确定客观权重。若评价指标的信息熵越小，表明该指标值的变异性越大，所能提供的信息越多，在整个评价中所能起到的作用也越大，所以赋予该指标的权重也应该越大[25]。假设评价对象有n个评价年，m个评价指标。评价体系原始数据矩阵可表示为X={xji}n×m(j=1,2,3…,n; i=1,2,3,…, m)。xji表示第j年第i个指标值。用熵值法确立评价指标权重的主要步骤如下:

1）由于熵值法运用了对数和熵的概念，负值和极值不能参与计算，所以在运算过程开始前，应先对初数据进行标准化处理。考虑到指标性质不同，本文将评价指标分为正向指标和负向指标。正向指标值越大，对于水生态文明程度的提高越有利。负向指标值越小，对于水生态文明程度的提高越有利。

若为正向指标，则

若为负向指标，则

式中yji为标准化指标值。

2）求各指标的信息熵Ei：

2.2 确定评价指标关联度

物元模型利用形式化的模型研究事物开拓规律和拓展可能性，可以解决不相容的复杂问题，适合于多因子的综合评价[26-29]。水生态文明的涉及的指标较多，单项指标评价结果具有不相容性，本文利用物元分析法构建水生态文明评价模型。

2.2.1 确定水生态文明物元

物元分析中所描述的对象 N及其特征向量 C和特征量值v共同构成水生态文明物元R=(N、C、v)。假设水生态文明N有多个特征，则它以m个特征c1，c2，c3，…，cm和相应的量值v1，v2，v3，…，vm，描述。则表示为

称R为m维模糊物元。

2.2.2 确定水生态文明的经典域和节域

水生态文明的经典域物元矩阵可表示为：

式中Roh代表构建的经典物元；Noh代表水生态文明的第h个评价等级(h=1,2,…,k)；ci代表特征向量(i=1,2,…,m)；vohi代表关于第i个特征向量第h个评价等级的量值区间范围＜aohi,bohi＞，即经典域。

水生态文明的节域物元矩阵表示为

式中Rp代表节域物元；＜api, bpi＞代表节域物元对应特征向量ci的量值区间范围，p代表水生态文明评价全部的等级，＜aoi,boi＞属于＜api，bpi＞(i=1,2,…,m)。

2.2.3 确定关联函数及关联度

令有界区间Xo=[a,b]的模的定义为

式（8）～式（13）中xi、Xohi、Xpi分别表示水生态文明物元的量值、经典域物元的第i个评价指标第h个评价等级所对应的量值范围和节域物元第i个指标的量值范围。

若Kh(xi)=max{Kh(xi)}(h=1,2,3,…, k)，则评价对象N关于指标i的评价等级为h级。

2.3 确定水生态文明评价等级的综合关联度

水生态文明评价对象N关于第h评价等级的综合关联度为：

若Khmax=max{Kh}(h= 1,2,3,…, k)，则评价对象N的水生态文明评价等级即为h级。

关联函数值的大小表示待评对象隶属于水生态文明水平某一等级的程度。Kh(xi)值越大，表示该指标或者评价对象在该等级中稳定性越强。相反，若Kh(xi)值越小，则说明该指标或者评价对象向其他等级转化的趋势越强。

3 水生态文明评价实例

3.1 研究区概况

研究区位于济南市南部郊区（116°55′～117°22′E、36°19′～36°48′N），属暖温带半湿润区的大陆性季风气候。多年平均气温14.3 ℃，多年平均降水量665.7 mm。降水空间分布不均，由东南往西北递减。受季风气候影响，季节之间的降水量极不均匀，汛期6-9月的降水占全年的71.9%～76.7%。

随着当地经济的快速发展，城市化水平的加剧，水生态系统面临巨大压力。从2000-2010年，城市人口占总人口的比例从44.4%增加到了57.7%；城市化率从30.7%增加到了58.6%。人均水资源量只有290 m3，远不到国际公认的人均占有水资源量的临界值（1 000 m3）。2010年河流湖泊现状水质达标率处于较低水平，重点水功能区达标率只有42.6%。过量开采地下水和排放污废水引起当地地下水位下降，水质恶化，继而对生态系统产生威胁。加强水生态文明建设是当地社会实现可持续发展的重要举措。

3.2 数据来源

本研究所采用的数据主要源于山东统计年鉴[30]、济南统计年鉴[31]。对济南市南部郊区2010、2013、2015年份进行水生态文明评价。

3.3 数据处理

通过对数据的标准化处理和分析，首先根据式（3）求出各指标的信息熵值。利用求得各指标的信息熵，根据式（4）求得各指标权重。然后利用所建立的水生态文明评价模型对研究区水生态文明水平进行判定。本文所有计算利用SPSS 20.0软件完成。

3.4 结果与分析

3.4.1 水生态文明评价结果

由于水生态文明评价具有可拓性，将水生态文明的程度描述为5个等级：优秀、良好、中等、较差、差，分别用I、II、III、IV、V表示。确定水生态文明评价经典域主要依据国际、国家行业相关指标的标准、山东省平均水平。受地理自然条件的影响，如水资源量、水土流失程度等指标地区之间差异性较大，对比性较差，确定经典域标准是需要因地制宜、综合考量。本文建立的水生态文明评价的物元经典域矩阵和节域矩阵如表2所示。

表2 水生态文明评价指标经典域、节域范围、信息熵和权重Table 2 Classical domain scale, section domain scale, information entropy and index weight of water ecological civilization evaluation index

利用2010、2013、2015年水生态文明指标的量值，求出各年份每个指标关于每个等级的关联度（表3），并根据求得关联度判定各年份每个指标所处的评价等级。以2015年人均用水量(x1)为例，求得K1(x1)= -0.0120, K2(x1)= 0.0130, K3(x1)= -0.0052, K4(x1)= -0.0176, K5(x1)= -0.0289，K2(x1)取值最大，可判定2015年x1(人均用水量)处于II等级，即良好水平。同理可以判定出其他指标所处的水平。

从表3看，单项指标万元GDP用水量（x7）、水功能区达标率（x11）、水土流失程度（x12）的判断等级都是处于逐步提高的趋势，说明研究区在2010年到2015年从用水效率、水功能区保护和水生态修复方面在持续改善。单位面积COD排放量（x4）在2013年、2015年下降到IV等级，说明研究区工业污水排放量仍然需要有效控制，而污水集中处理率（x17）在2015年达到I等级，表示研究区污水处理能力已经足够高，这对当地水质状况的改善起到了重要作用。

结合水生态文明评价指标的权重（表2）和对应的水生态文明评价指标关联度（表3）得到水生态文明评价指标综合关联度。判定2010、2013、2015年水生态文明评价指标的压力关联度、状态关联度、响应关联度和综合关联度所处的等级（表4）。

由表4可以看出，研究区2010、2013、2015年水生态文明水平分别处于良好、良好、优秀水平。2010和2013年的水生态文明水平虽然都是处于II等级，但是2013年状态水平要优于2010年。这是由于2013年农业用水比例（x6）万元GDP用水量（x7）、水功能区达标率（x11）、水土流失程度（x12）等指标等级提升。2013年的水生态文明水平由II等级提升到2015年I等级的主要原因是状态水平、响应水平都从II等级转化到了I等级。这表示着近年来人类社会对于水生态系统的保护能力明显增强，水生态系统的健康状况大幅改善。值得注意的是水生态文明压力水平一直处于II等级，表明人类社会对于水生态系统的负荷仍然没有减小，该区域的氨氮、COD等污染物的排放量仍然需要引起足够的重视。研究区域水生态文明总体水平的逐步提高显示出近年来济南市对水生态文明建设重视。

表3 研究区水生态文明评价指标关联度Table 3 Degree of correlation for evaluation index of water ecological civilization in research region

表4 研究区3a水生态文明评价综合关联度评价Table 4 Comprehensive correlation degree evaluation of water ecological civilization evaluation in research region for 3 years

3.4.2 水生态文明指标敏感度分析

为了讨论指标值灵敏度问题，本文对评价指标对于评价等级的灵敏度进行了分析[32]。以2015年的指标数据为基准值，依次给各个指标数值以一定增减幅度（分别为-5%，-10%，+5%，+10%），其他指标保持不变，分析2015年水生态文明评价结果的变化。结果发现，部分单项指标小幅度增减会改变该指标的所处等级，对水生态文明综合评价结果没有影响。由于篇幅限制，本文只给出了发生等级改变的指标的灵敏度分析结果见表5。由表5可以看出，单位面积COD排放量（x4）、单位面积氨氮排放量（x5）、水功能区水质达标率（x11）指标评价等级在5%变化幅度下就发生变化，属于敏感性较强的指标。湿地面积比例（x9）、水土流失程度（x12）、灌溉水利用系数（x15）、人工湿地面积增加量（x19）、生态用水比例（x20）指标评价等级在10%变化幅度下发生变化，属于相对敏感指标。其他指标可认为是不敏感指标。

表5 2015年指标值变化下评价指标等级变化Table 5 Variation of evaluation index grade under different index value in 2015

4 结 论

利用PSR模型构建的水生态文明评价指标体系具有全面性和逻辑性，适合用于水生态文明评价。利用熵权物元模型对水生态文明水平进行评价不仅能够判定整体评价对象所处的状态及稳定性，还可以揭示单个指标评价信息，有效克服了水生态文明由于概念的模糊性和主观不确定性而不能定量评价问题。

通过对济南南部郊区2010、2013、2015年的水生态文明综合评价结果进行分析，发现近年来当地水生态文明水平总体处于上升趋势，特别是水生态系统的保护能力和水生态系统健康状态一直在提升。但是，当地水生态系统受到的压力并没有得到改善，减少氨氮和COD等污染物的排放是减轻水生态系统的压力的重要措施。通过指标灵敏度分析发现单位面积COD排放量、单位面积氨氮排放量、水功能区水质达标率等指标属于敏感性较强的指标。

由于不同地区自然条件的差异性，选取不同的经典域对评价结果的准确性具有一定影响，所以本评价方法更适用于同一区域不同时段之间或者自然条件相似的区域之间进行水生态文明水平评价。对于其他地区的评价研究，需要针对当地的社会发展状态和自然环境条件，将评价体系指标的评价指标进行适当调整。此外，将经典域与指标的评价标准良好地匹配还有待进一步研究。

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[32] 沈长松，王谊，陈雄，等. 影响水库可持续发展指标的灵敏度分析[J]. 三峡大学学报，2009，31(5)：1-6. Shen Changsong, Wang Yi, Chen Xiong, et al. Sensitivity analysis of indices affecting reservoirs sustainable development[J]. Journal of China Three Gorges University, 2009, 31(5): 1-6. (in Chinese with English abstract)

matter-element analysis

Evaluation model of water ecological civilization based on pressure-state-response matter element model

Liu Chang1,2, Feng Baoping1,2※, Zhang Zhanyu1,2, Huang Jiwen3, Wu Dong1,2
(1. College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2. Key Laboratory of Efficient Irrigation-drainage and Agricultural Soil-water Environment in Southern China, Ministry of Education, Hohai University, Nanjing 210098, China; 3. Water Conservancy Research Institute of Shandong Province, Jinan 250013, China)

The establishment of a suitable model for evaluating water ecological civilization plays an important role in researching the relationship between the water ecosystem and human social activities. As the water ecological civilization is a vague concept, quantitative evaluation is crucial for the water ecological civilization evaluation. In order to evaluate the level of regional water ecological civilization, the connotation and evaluation methods of water ecological civilization were discussed based on pressure state response (PSR) model. Water ecological civilization evaluation index system was proposed which consisted of 3 elements and 20 indicators. Index weight was determined by the entropy method to reduce the interference of human subjectivity on the evaluation results. The matter element theory was adopted to analyze and solve the fuzziness and incompatibility of the evaluation index by constructing the classical matter element and the section matter element of the water ecological civilization. The correlation of each index and evaluation grades were analyzed. The comprehensive evaluation model of the entropy weight based on PSR was built. The model can reveal the real state of water ecological civilization and the existing problems. Combined with the model and the collected data, the water ecological civilization evaluation results of the suburbs in Jinan city in 2010, 2013 and 2015 were calculated. In order to discuss the sensitivity of the index value, the sensitivity of the evaluation index to the judgement grade was analyzed. The index data of 2015 was used as the reference value. A certain value of each index was increased or decreased (respectively -5%, -10%, +5%, +10%) while other indicators remained unchanged. Then the grade of regional water ecological civilization evaluation was observed. The results showed the grade of the indexes including GDP water consumption, the standard rate of water functional zone and the degree of soil erosion were increasing rapidly. It meant that that this region was in continuous improvement in terms of the water resources utilization efficiency, water quality protection and water ecological restoration from 2010 to 2015. The index of COD emission per unit area decreased to a bad grade, indicating that industrial wastewater discharge in research region still need to be controlled in 2013 and 2015. The centralized sewage treatment rate reached an excellent grade in 2015. It indicated that the sewage treatment capacity of the study area was high enough, which played an important role in enhancing the local water quality. The water ecological civilization of research region in the overall level increased gradually. The ability of human beings to protect the water ecosystem was greatly improved. The health of the water ecosystem was enhanced. Reducing ammonia and COD emissions of pollutants is a key measure to improve local ecological civilization water level. The indexes including COD emission per unit area, ammonia nitrogen emissions per unit area and the standard rate of water functional zone were more sensitive. The indexes including the proportion of wetland area, the grade of soil erosion, water efficiency of irrigation, the increase of constructed wetland area and the proportion of ecological water utilization were sensitive relatively. The evaluation index system of water ecological civilization built base on press-state-response model was comprehensive and logical. It was suitable for evaluation of water ecological civilization. Using the entropy weighted matter-element model could not only determine the overall status and stability evaluation of the object for the water ecological civilization evaluation, but also reveal the single evaluation index information. The method solved the problems of subjective uncertainty and non quantization caused by water ecological civilization concept. The water ecological civilization evaluation method can be used as reference for similar areas.

pressure; chemical oxygen demand; nitrogen; water ecological civilization; PSR model; entropy weight;

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.001

TV213

A

1002-6819(2017)-16-0001-07

刘 畅，冯宝平，张展羽，黄继文，吴 东. 基于压力-状态-响应的熵权-物元水生态文明评价模型[J]. 农业工程学报，2017，33(16)：1-7.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.001 http://www.tcsae.org

Liu Chang, Feng Baoping, Zhang Zhanyu, Hunag Jiwen, Wu Dong. Evaluation model of water ecological civilization based on pressure- state-response matter element model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(16): 1-7. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.001

http://www.tcsae.org

2016-12-12

2017-07-06

国家自然科学基金项目（51179050）；山东省水生态文明试点科技支撑计划（ZC201450519）

刘 畅，男，山东泰安人，博士生，主要从事水土资源配置与评价研究。南京 河海大学水利水电学院，210098。Email：liuchanghhu@163.com※通信作者：冯宝平，女，山西怀仁人，副教授，博士，主要从事农业水利规划与管理研究。南京 河海大学水利水电学院，210098。

Email：Fengbaoping@hhu.edu.cn