基于PSR模型的河南省水生态安全综合评价研究

张满满, 于鲁冀,*, 张慧, 靖中秋

1.郑州大学环境政策规划评价研究中心, 河南郑州 450002 2.郑州大学环境技术咨询工程公司, 河南郑州 450002

基于PSR模型的河南省水生态安全综合评价研究

张满满1,2, 于鲁冀1,2,*, 张慧1,2, 靖中秋1,2

1.郑州大学环境政策规划评价研究中心, 河南郑州 450002 2.郑州大学环境技术咨询工程公司, 河南郑州 450002

基于河南省水环境现状, 从“压力—状态—响应”(PSR)指标体系框架出发, 建立河南省水环境生态安全评价指标体系, 利用变异系数法确定各指标权重, 运用综合指数评价法对河南省水环境生态安全水平予以评价。结果表明:2007—2013年河南省水环境生态安全综合指数值整体呈上升趋势, 其生态安全水平已处于预警状态; 压力状态曲线呈逐年下降趋势, 状态曲线与综合指数曲线变化趋势基本一致, 表明河南省水环境综合评价值在很大程度上是状态系统的贡献, 此外响应系统的贡献率逐年增幅显著, 有效促进了河南省水环境生态安全的逐渐改善。

水环境生态安全; 评价指标; 状态—压力—响应指标体系; 评价标准

1 引言

当前全世界许多地区面临着水资源危机, 且水环境受到严重污染, 且呈逐年加重趋势, 使水环境生态安全水平面临受威胁状态[1–3]。河南省作为我国农业大省和经济大省, 2008年以来年其GDP总量均居全国第五[4], 但是河南省一直处于水资源较少且区域分布不均的状态, 近年来, 省委、省政府对环境保护和生态建设给予高度重视, 加快城镇污水处理厂及其配套设施建设, 积极推进城市河道综合治理,并取得了显著成效, 使得水环境质量有所好转。但是城市河道水污染形势依然严峻, 一些过城河流水质仍为劣 V类, 生活污水直排现象较为凸显, 多数河流缺少自然径流导致生态功能减弱甚至缺失, 部分河流面临着垃圾漂浮、水体颜色发黑、气味刺鼻发臭, 尚不能满足周围人民群众的环境需求。

因此, 本文结合河南省水生态环境现状, 运用“压力—状态—响应(Pressure-State-Response, 简写为PSR)”模型建立河南省水环境生态安全评价指标体系。PSR模型最初是为建立环境评价指标体系而提出的, 旨在衡量一定状态下生态环境所承受的压力、状态条件的变化以及社会对这些压力和变化所作的响应, 随着环境压力的不断增加, 基于 PSR模型的水环境质量指标体系成为国际水环境科学研究的热点问题之一[5]。本文运用PSR模型对河南省水环境生态安全进行评价研究, 确定河南省水环境生态安全等级, 从而促使人们采取相应的措施和策略, 降低水体污染、水资源利用的风险, 最终能恢复、并充分发挥水环境生态系统的各种服务功能,尽快落实并顺利完成河南省清洁行动计划的目标。

2 研究方法

2.1 数据来源

本文原始数据主要来源于《河南省统计年鉴》(2007—2014年)、《河南省水资源公报》(2006—2013年)和《河南省环境统计公报》(2006—2013年)。

2.2 评价模型选取

目前应用最为广泛的指标体系的构建模型是1990年由经济合作和开发组织(OECD)与联合国环境规划署(UNEP)提出的环境P—S—R概念模型, 即压力—状态—响应模型[6–9]。环境问题可以通过压力、状态和响应三个不同但又相互联系的指标层来表示[10–12], 压力层表示人类活动对于环境造成的负荷; 状态层表示环境质量、自然资源和生态系统的现状支持能力; 响应层表示人类面临环境问题所采取的对策与措施。

PSR模型能够充分体现出生态安全的现状和水平, 尤其能够体现人类活动对生态系统的影响层次和等级, 更精确地反映生态系统安全的自然、经济和社会之间的关系, 具有综合性、灵活性和清晰的因果关系[1,13]。因此, 本文采用PSR模型来构建河南省水环境生态安全评价指标体系。

3 评价指标体系构建

3.1 构建原则

水生态与水环境安全评价指标选择原则可概括为如下几点[9,14]: 科学性原则、代表性原则、可操作性原则、系统性原则、尽可能定量性原则、可发展性原则、相关性原则。

3.2 指标框架构建

遵循以上指标体系构建原则, 结合河南省水环境现状及目前较为突出的水环境问题, 对河南省水环境生态安全评价指标体系框架拟构建为三个层次,分别为目标层、准则层和指标层, 分别选用 16、6和7个指标, 共计29个指标, 具体指标体系构建框架见表1。

表1中指标性质一列中标出的正向和负向指标是根据所选评价指标对水环境生态安全的影响作用不同做出的推断[15–16]。正向指标涵义: 状态系统中的正向指标值越大, 表明水环境生态安全状况越好,如水资源总量、年降水量等; 响应系统中指标值越大, 表明维护和改善水环境生态安全的能力越强,水环境生态安全状况越好, 如供水总量、水功能区水质达标率、环保投资占GDP比例等。负向指标涵义: 负向指标值越大, 表明水环境生态安全状况越差, 如年末人口、有效灌溉面积、废水排放量等。

4 河南省水环境安全评价

目前对水环境生态安全的评价并无一套相对较为公认的标准方法。我国学者在生态系统安全评价研究中, 提出了多种评价方法, 如层次分析法、主成分分析法、综合指数评价法[17–20]。其中综合指数评价法是目前应用较多的一种方法, 也是本文所采用的方法, 文中首先对所选用的各指标进行标准化统一处理, 结合数学计算公式最终得出各指标权重, 对其相对重要性进行判断, 最后通过综合指数评价方法予以评价。

4.1 指标数据标准化和权重确定

本文对各指标的标准化处理及其权重的确定采用的方法如下。

表1 河南省水环境生态安全评价指标体系、指标性质及权重Tab.1 The index system, nature and weight of water environment ecological security assessment in Henan

(1) 指标数据标准化

为了对河南省水环境生态安全性进行综合评价,需要对不同量纲指标的原始数据进行标准化处理,将所有的指标数值转换成统一的含义, 即所有指标的数值越大越反映水环境生态安全, 或反之。

本文利用极差标准化方法对所选指标进行量化统一[11,21–22]。而用于衡量水环境生态安全状况的指标分为两种情况: 越大越安全的指标(如水资源总量、年降水量等)和越小越安全的指标(如有效灌溉面积、废水排放量等)。本文采用前一种处理方法, 即将所有指标数值统一转换成所有指标数值越大越能反映出水环境的生态安全, 具体转换的公式如下:

上述两式中:Xij、Yij分别表示第i年第j个指标的原始数值和标准化之后的数值;Xjmin、Xjmax分别表示第j个指标的最小值和最大值。

(2) 权重的确定

在对河南省水环境生态安全评价中对各指标权重的确定采用客观变异系数法对其赋值[23], 采用公式为:

上述两式中:δj、Dj、、Aj分别表示第j个指标的变异系数、均方差、均值和权重。

4.2 评价方法

本文在指标体系建立、数据标准化及权重确定的基础上进行河南省水环境的生态安全综合评价,采用水环境生态安全综合指数来表征河南省水环境生态安全状态[24–26], 水环境生态安全综合指数计算公式为:

式中,Wi为第i年的综合评价值。

4.3 评价标准等级划分

确定水环境生态系统安全评价的标准值主要参照以下几个方面[27–28]: ①国家、行业和地方规定的标准;②河南省河流各指标的本底值; ③类比标准, 即以某些区域的现状值作为标准值, 或参考国内区域的现状值作趋势外推; ④指标的国内外公认值; ⑤专家的经验值。

本文中采用标准化之后的数据计算得出水生态安全综合指数, 故该指数值无法直接反映出水环境生态安全状况, 必须对各指标的评价标准值也采用极差标准化的方法予以处理, 将指标的标准化值及其综合指数值转换为等级值, 即将标准化值和综合指数值分别和水环境生态安全现状评价联系起来[8,13]。因不同等级所反映的水环境生态安全状态有跳跃式的差别, 本文结合河南省水环境现状特征,运用不均等划分法[16], 将综合指数值和评判等级及状态特征的关联性列于表2中。

表2 水环境生态安全评判等级划分Tab.2 The class of water environment ecological security assessment

4.4 河南省水环境生态安全评价结果

根据收集的各指标 2007年—2013年的原始数据, 采用前文介绍的方法对数据进行处理, 计算得出各指标权重(见表1)和河南省水环境生态安全综合指数评价值(见表3)。

4.4.1 权重分析

(1) 压力层权重分析

由表1可知, 在压力指标层中, 工业废水中氨氮排放量、地区生产总值、工业总产值、工业废水中COD排放量、单位GDP用水量、农业总产值、城镇生活污水排放量、城市生活污水中氨氮排放量这8个指标的权重均大于0.02, 表明这些压力指标对水资源和水质的压力是相对较大的, 在今后的发展过程中,这些指标对河南省水环境生态安全存在潜在和重要的影响, 也是今后河南省在水环境生态安全建设过程中需要引起高度重视及合理建设的重要指标。

农药和化肥施用量两项压力指标的权重分别为0.0051和 0.0092, 这是由于近年来河南省政府加大对农药化肥的使用实施强有力控制措施, 从而导致这两个压力指标对全省水环境生态安全的负面影响减弱; 同时河南省政府在农田水利设施的兴建加大资金投入, 导致有效灌溉面积指标的权重仅有0.0024, 其对全省水生态安全产生的负面影响也相对较小。农药、化肥施用量和有效灌溉面积三个指标的权重较小, 说明通过采取措施, 各指标数值的年际变化幅度小, 得到了有效控制。

人均年用水量和单位 GDP用水量这两项指标是目前全国普遍采用的反映各地用水效率和水资源压力的指标, 而河南省在 2007年—2013年期间这两项用水指标值分别介于207—256 L·d-1和64—116 t·万元-1之间, 均远远小于全国平均水平441.5—455.5 L·d-1和 122—130 t·万元-1之间, 很大程度上缓解了全省的水资源压力, 反映在水环境生态安全压力指标中各自的权重都相对较小, 尤其是人均年用水量指标权重仅有 0.0096。综上, 这 2项指标缓解了对河南省水环境生态安全的压力。

表3 2007—2013年河南省水环境生态安全综合评价结果Tab.3 Results of water environment ecological security assessment in Henan from 2007 to 2013

(2) 状态层权重分析

在状态指标层中, 地下水资源量、全省平均年降水量和劣Ⅴ类以下河段比例这三项指标由于标准化后数值的年际变化幅度较小, 导致其所占的权重也相对较小, 分别为0.0160、0.0170和0.0293, 标准化后数值的年际变化幅度小, 但这并不意味着这些方面对水环境生态安全的作用小, 而是在用变异系数法求权重时, 这些变化幅度小的指标相对比较稳定, 以目前的发展趋势还不会危及河南省的水环境生态安全, 但其前提是这些指标必须被控制在适当的、微小波动范围内。而对于那些年际变化幅度大的指标则容易对水环境生态安全产生震荡影响, 在今后的建设和保护过程中必须加强控制, 例如酸雨平均发生率, 该项指标的权重已经达到 0.1830, 其数值年际变化很大, 需采取措施予以控制。

(3) 响应层指标分析

在响应指标层中, 各指标的权重均较高, 所选用的7个指标中, 有5个指标的权重值大于0.05, 有6个指标的权重值大于 0.02, 表明实施的措施对河南省水环境生态安全的重要改善作用, 也表明河南省在今后的发展建设过程中, 这些指标是重要的城市竞争力和可持续发展力的指标, 需要不断更新完善、改造技术和提高效率; 而供水总量指标的权重较小, 为 0.0059, 但该项指标的评价值呈现出逐年波动性上升趋势, 在一定程度上保障了河南省水环境生态安全的建设。

4.4.2 评价结果分析

图1 河南省水环境生态安全评价结果曲线图Fig.1 Graph of water environment ecological security assessment in Henan from 2007 to 2013

2007—2013年间综合指数评价值在 4—6之间(见图1), 除2010年的数值最大为5.9572外, 其他年份基本处于改善上升趋势, 水环境状态逐渐好转,表明全省水环境生态安全水平不断提高。根据水环境生态安全评判标准(表2), 本文研究的2007—2013年这七年河南省水环境生态安全等级为Ⅲ级, 均处于预警状态(水环境状态一般), 表明水环境生态系统服务功能已有退化, 水环境受干扰后易恶化, 水生态问题已初步显现, 生态灾害时有发生。

从压力系统来看, 2007—2013年压力曲线呈逐年下降趋势, 表明河南省水环境承受的压力逐年减小。从状态系统来看, 河南省水环境综合评价曲线和状态曲线变化趋势基本一致, 均是2010年评价值最高, 表明河南省水环境综合评价值在很大程度上是状态系统的贡献。状态曲线中除2010年外, 整体呈上升趋势, 其中2007年评价值最低, 仅为0.9769,监测数据显示, 2007年劣Ⅴ类以下河段比例最高,为56.2%, 导致2007年水环境状态系统指标评价值最小; 2010年评价值最高, 为3.2798, 所选用的六个状态指标中, 水资源总量、全省平均年降水量、地表水资源量、地下水资源量这四个指标值在2010年最大, 分别为534.9 亿m3、841.7 mm、415.7 亿m3和214.66 亿m3, 均高于全省多年平均值(即403.5 亿m3、776.3 mm、313.0 亿m3和204.7 亿m3), 反映了2010年河南省水环境系统本身质量在本文的研究年限内最好。整体来说, 2007—2010年状态曲线呈上升趋势, 之后2010—2013年该曲线又呈现出下降趋势,表明从2010年以来河南省水环境系统本身质量逐渐变差, 应加大对水环境的治理, 改善水环境质量, 提高水环境生态系统自身应对外界压力胁迫的能力。

从响应系统来看, 2007年响应值较高, 主要是因为2007年城市水功能区水质达标率、工业废水治理投资、环境污染治理投资占GDP比重这三个指标数值相对较高, 其中前两个指标在研究年限内达到最高, 而环境污染治理投资占 GDP比重(76%)也仅次于2013年(90%)。从2008年开始整体呈上升趋势,由2008年的0.7004增加到2013年的2.1773, 环境污染治理投资该项指标逐年增加, 尤其最近两年年呈现更大的增幅, 2011—2013年的环境污染治理投资分别为 1401124 万元、1782135 万元和 2880995万元, 2012年和2013年该项指标分别增长27.19%和61.66%。以上数据说明河南省政府逐渐意识到环境保护的重要性, 加大力度投入水环境的改善措施。响应系统所占比例也处于快速上升趋势, 贡献率不断提高, 由2008年的13.89%逐年增加到2013年的39.91%, 增幅显著。这些因素的提高有效促进了河南省水环境生态安全的逐渐改善, 河南省水环境生态安全综合评价值整体呈增加趋势, 在一定程度上也源自响应系统的贡献。

5 结论

本文通过建立评价指标体系对影响2007—2013年河南省水环境生态安全水平的指标进行权重分析并对河南省水环境生态安全水平进行评价最终得出以下结论:

(1) 2007—2013年河南省水环境生态安全综合指数评价值整体呈上升趋势, 其生态安全等级为Ⅲ级, 均处于预警状态(水环境状态一般), 表明水环境生态系统服务功能已有退化, 水环境受干扰后易恶化, 水生态问题已初步显现, 生态灾害时有发生。

(2) 河南省水环境压力状态曲线呈逐年下降趋势, 河南省水环境生态综合评价曲线和状态曲线变化趋势基本一致, 表明河南省水环境综合评价值在很大程度上是状态系统的贡献; 此外响应系统的贡献率逐年提高, 增幅显著, 有效促进了河南省水环境生态安全的逐渐改善。

(3) 工业废水中 COD、氨氮排放量等压力指标对水资源和水质的压力是相对较大的, 在今后的发展过程中, 这些指标对河南省水环境生态安全存在潜在和重要的影响, 也是今后河南省在水环境生态安全建设过程中需要引起高度重视及合理建设的重要指标。对于酸雨平均发生率等年际变化幅度大的指标则容易对水环境生态安全产生震荡影响, 在今后的建设和保护过程中必须采取措施加强控制。

[1]朱翔, 朱云, 翟云波, 等 长株潭地区水环境生态安全评价[J].湖南大学学报(自然科学版), 2011, 1: 72–77.

[2]曾畅云.水环境安全及其指标评价体系研究——以北京市为例[D].北京: 首都师范大学, 2004.

[3]唐承佳.枣庄市水环境生态安全评价[J].水土保持研究,2007, 14(6): 295–297.

[4]河南省统计局, 国家统计局河南省调查总队.河南统计年鉴–2014年[M].中国统计出版社, 2014.

[5]邱孟龙, 王琦, 陈俊坚, 等.东莞市耕地环境质量的压力—状态—响应分析与评价[J].农业环境科学学报, 2015,03: 524–531.

[6]TONG C.Review on environmental indicator research[J].Research on Environmental Science, 2000, 13(4): 53–55.

[7]秦莉云, 金忠青.流域可持续发展评价指标体系框架设计[J].人民黄河, 2001, 2: 3–5.

[8]左伟, 王桥, 王文杰, 等.区域生态安全评价指标与标准研究[J].地理学与国土研究, 2002, 18(1): 67–71.

[9]王衍祯, 赵庆建.水环境安全评价方法研究及评价指标体系构建[J].北京城市学院学报, 2014, 4: 65–70.

[10]张蓉珍, 李剑.陕西省西安市水环境生态安全评价[J].安徽农业科学, 2009, 25: 12129–12131.

[11]张丽, 王腊春.南京市水环境生态安全评价[J].中国农村水利水电, 2014, 10: 1–4.

[12]崔胜辉, 洪华生, 黄云凤, 等.生态安全研究进展[J].生态学报, 2005, 25(4): 861–868.

[13]左伟, 周慧珍, 王桥.区域生态安全评价指标体系选取的概念框架研究[J].土壤, 2003 (1): 2–7.

[14]余正, 李敏.议区域水生态与水环境安全评价指标体系的建立[J].河北水利, 2011, 7: 10–15.

[15]张翔、夏军.基于压力—状态—响应概念框架的可持续水资源管理指标体系研究[J].城市环境与城市生态,1999, 12 (5): 23–25.

[16]贾绍凤.区域水资源压力指数与水环境安全评价指标体系[J].地理科学进展, 2002, 21(6): 538–545.

[17]何焰, 由文辉.水环境生态安全预警评价与分析——以上海市为例[J].安全与环境工程, 2004, 04: 1–4.

[18]周文华, 王如松.城市生态安全评价方法研究——以北京市为例[J].生态学杂志, 2005, 24(7): 848–852.

[19]谢花林, 李波.城市生态安全评价指标体系与评价方法研究[J].北京师范大学学报(自然科学版), 2004, 40(5):705–710.

[20]田炯, 王振祥, 王翠然, 等.巢湖流域生态安全评价研究[J].生态科学, 2011, 30(6): 650–658.

[21]陈东景, 徐中民.西北内陆河流域生态安全评价研究-以黑河流域中游张掖地区为例[J].干旱区地理, 2002, 25(3):219-224.

[22]何焰.上海市水环境生态安全与评价研究[D].上海: 华东师范大学, 2004.

[23]何焰, 由文辉, 吴健.上海市水环境生态安全评价[J].水资源保护, 2006, 6: 18–20, 27.

[24]吴承业, 叶民强.沿海开放地区可持续发展指标体系与评价方法研究[J].华侨大学学报(哲学社会科学版),2000(2): 10–15.

[25]张军以, 苏维词, 张婕, 等.2000—2009年重庆市土地资源生态安全评价及趋势分析[J].地域研究与开发, 2011,30(4): 127–131, 140.

[26]吴海泽, 余红, 胡友彪, 等.区域生态安全的组合权重评价模型[J].安全与环境学报, 2015, 2: 370–375.

[27]高长波, 陈新庚, 韦朝海, 等.广东省生态安全状态及趋势定量评价[J].生态学报, 2006, 7: 2191–2197.

[28]高长波, 陈新庚, 韦朝海, 等.珠江三角洲城市生态安全水平对比研究[J].环境科学与技术, 2006, 5: 65–66, 74,118.

Assessment of the ecological security of water environment in Henan based on PSR Model

ZHANG Manman1,2, YU Luji1,2,*, ZHANG Hui1,2, JING Zhongqiu1,2
1.Research Center for Environment Policy&Assessment of Zhengzhou University,ZhengZhou Henan450002,China2.Environment Technology and Consulting Company of Zhengzhou University,ZhengZhou Henan450002,China

Based on the pressure-state-response index system and the present status of water environment ecosystem in Henan, the ecological security assessment index systems of water environment in Henan were established.Variation coefficient method was used to determine the weight of each index, and the synthetical index evaluation method was used to evaluate the synthetical index value for security assessment.The results showed that the assessment value increased on the whole from 2007 to 2013, and the ecological security of water environment in Henan was in the early alarm.The assessment value of pressure index kept falling.The variation trends of state and comprehensive index were similar.The results indicate that comprehensive index of water environment ecological security assessment in Henan depends on the state index.In addition, there is a big rate of increase amplitude of the contribution ratio of response index, which ensures the ecological security of water environment in Henan will improve gradually.

ecological security of water environment; assessment index system; state-pressure-response index system; the assessment standards

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.05.007

X52

A

1008-8873(2017)05-049-06

张满满, 于鲁冀, 张慧, 等.基于PSR模型的河南省水生态安全综合评价研究[J].生态科学, 2017, 36(5): 49-54.

ZHANG Manman, YU Luji, ZHANG Hui, et al.Assessment of the ecological security of water environment in Henan based on PSR Model[J].Ecological Science, 2017, 36(5): 49-54.

2015-10-14;

2016-07-06

2015年度河南省政府决策研究课题(2015B093); 国家自然科学基金(41272389)

张满满(1988年—), 女, 汉族, 硕士, 主要水资源、水环境污染及防治相关研究, E-mail: zmmcumt@163.com

*通信作者:于鲁冀(1962年—), 男, 教授, 主要从事环境政策、环境规划、水环境污染防治及环境影响评价相关研究, E-mail: 396071328@qq.com