基于DPSIR模型的许昌市水生态安全评价

(1.华北水利水电大学 测绘与地理信息学院，河南 郑州 450046；2.华北水利水电大学 地球科学与工程学院，河南 郑州 450046)

水生态安全是水生态资源、水生态环境和水生态灾害的综合效应，是推进城市化进程促进社会可持续发展的重要因素[1]。水生态安全在经济发展、农业应用、社会需要等方面起着至关重要的作用。对一个区域进行水生态安全评估，不仅能够为该研究区内的水生态安全提出亟需的相应对策，更能够防患于未然，促进该地区的水生态健康快速持续的发展。随着人们对水生态危机的认识不断深入，水生态安全评估引起了国内外专家学者的广泛关注。Angel Borja[2]等以欧洲水框架指令和DPSIR模型为基础对西班牙北部地区沿海水域进行评估，以确保10年内欧洲水资源能够达到安全状态。Richard Meissner[3]等通过分析南非两个城市的利益群体，确定研究区内的水生态安全状态，为政府科学决策和制定相应政策提供参考。在国内，有关水生态研究的方法较多，如：张继权[4]等利用综合评价法对吉林省白山市水生态安全进行综合评价，并找出了影响该地区的主要驱动力；陈洋波[5]等通过模糊综合评价对深圳市水资源承载能力进行评价，确定该地区的水资源承载状态。

虽然国内外有关水生态安全评估的方法研究众多，但随着时间尺度的推移，各地生态环境都在发生变化，水生态安全状态也在不断更新，因此对各个区域水生态安全评估仍是必不可少且防患于未然的工作。许昌市作为河南省首个“全国水生态文明城市”试点城市，2018年3月正式通过第一批全国水生态文明城市建设试点验收。许昌市的水生态安全评估，不仅对许昌市加强水生态文明建设、保护生态环境平衡、维护生态可持续发展的意义重大，而且能够为其他地区的水生态文明建设提供现实的指导意义。本文结合许昌市2005—2014年水生态安全实际情况，采用“驱动力-压力-状态-影响-响应”(DPSIR)框架模型建立许昌市的水生态安全评价体系，最后通过熵权法赋权综合评价许昌市的水生态安全状况，以期为许昌市水生态环境的保护与管理提供一定的参考价值。

1 研究区域概况

许昌市位于河南省中部地区，属北暖温带季风气候区。全市四季气候总特征是：春季干旱多风沙，夏季炎热雨集中，秋季日照长，冬季寒冷少雨雪。地表水主要来源于天然降水，多年平均降水量671～736mm，降雨由北向南递增，年际变化大，主要集中在6—9月，占年降水量的65%，年平均水面蒸发量913.3mm。许昌市属淮河流域沙颍河水系，境内河道流域面积大于1000km2的有北汝河、颍河、双洎河、清潩河、清泥河等。

2 研究方法

2.1 构建基于DPSIR框架模型的许昌市水生态安全评价指标体系

DPSIR模型是一种在环境评价中用于衡量环境和可持续发展的评价指标体系概念模型，能够有效地反映系统的因果关系并整合资源、发展、环境与人类健康等要素[6]。该模型是由驱动力、压力、状态、影响、响应5个影响因素组成，其中每个影响因素又可以分成若干个细分因子。对于许昌市的水生态安全系统来说(见图1)，以人口的不断增长、社会经济的快速发展作为水生态安全系统的驱动力(D)；而随着经济的发展、人口的增多所需要的水资源量也是在不断增大，城市在不断发展中所造成的水体污染、水资源的大量浪费等水生态安全矛盾不断激化，从而产生压力(P)；在这些压力作用下，水生态系统所呈现出的状态(S)，如水资源的开发利用情况、水环境质量的保护情况等直接对人类社会和生态系统产生相应影响(I)；在整个模型构架中，响应则是人类社会主观能动性的体现，在不良的环境中人类需要对驱动力、压力、状态作出应对政策产生相关响应(R)，以此来维护人与自然相对平衡稳定的发展。

图1 许昌市水生态安全评价的DPSIR框架

构建符合实际生态环境状况的生态安全评价指标体系是科学、合理地进行评价的基础，也是政府进行有效管理的前提[7]。以许昌市2005—2014年各指标统计数据为基础，以DPSIR模型为框架，遵循科学性原则、可操作性原则、可比性原则、普遍性与区域性原则，选取了19项适用于许昌市水生态安全评价指标，见表1。

表1 许昌市水生态安全评价指标及定义

2.2 基于熵权法计算各指标权重

在综合评价中，权重的大小直接反映评价指标的重要程度。指标权重的确定方法主要分为主观赋权评价法和客观赋权评价法。用主观赋权法确定指标的权重，通常能够得到较合理的结果，但对专家的要求较高，往往需要专家有非常丰富的经验，同时，也难以避免由于个人的主观因素作用而存在权重的不合理性，因此选用客观赋权评价法中的熵权法，目前，熵权法在社会经济、工程技术和水质评价中广泛应用，熵权法是基于各方案评价指标值的客观数据的差异而确定各指标的权重的方法。在许昌市的水生态安全评价中，通过对熵的计算，确定各评级指标的权重，信息熵越小，指标的变异程度越大，提供的信息量越多，在综合评价中所起的作用越大，权重也越大。

由于各个评价指标的量纲各不相同，无法进行比较计算，为了消除各量纲之间的差异，故在评价之前将各评价指标进行无量纲化处理。本文采用的是离差标准化的方法对许昌市2005—2014年的原始数据进行归一化处理。

评价许昌市水生态安全的指标分为正向指标和负向指标，正向指标是指数值越大对许昌市水生态安全越好的指标，其标准化的方法如式(1)所示：

(1)

负向指标是指数值越小对许昌市水生态安全越好的指标，其标准化的方法如式(2)所示：

(2)

minXj——第j项指标的最小值;

maxXj——第j项指标的最大值。

为避免标准化数据出现0值，故将标准化后的数据向右平移1个单位。

计算指标Xij的比重Rij如式(3)所示:

(3)

计算第j项指标的熵值ej如式(4)所示:

(4)

其中，k>0，ej>0。

(5)

计算第j项指标的差异性系数gj如式(6)所示：

gj=1-ej

(6)

定义第j项指标的权重Wij如式(7)所示：

(j=1,2,…,n)

(7)

通过上述方法得到的许昌市各指标权重见表1。

2.3 计算综合指数

综合评价法是在确定研究对象评价指标体系基础上，运用一定方法对各指标在研究领域内的重要程度即其权重进行确定，根据所选择的评价模型，利用综合指数的计算形式，定量地对某现象进行综合评价的方法。综合评价法是一种相对简单高效的评价方法，该方法在环境生态安全、土地利用规划等领域广泛使用。其评价的模型为：

(8)

式中ESI——综合评价指数；

Wi——第i个指标的权重值；

Xi——其无量纲量化值;

m——评价指标个数。

经上述方法得到的各指标综合指数见表2。

表2 各影响因素综合指数

由于计算所得的综合指数值往往不符合人们判断“好”和“差”的习惯，需要将指标的标准化值和综合数值转化为等级值，即建立等级评价与评价指标标准化的概念关联[8]。水生态安全值介于0～1之间，因此在根据游文荪[9]、陆建忠[10]、陈华伟[11]等相关研究学者的研究和咨询专家的基础上，将水生态安全状态分为5个等级，见表3。

表3 水生态安全等级

3 结果分析

经综合计算的各影响因素综合评价趋势如图2所示。通过许昌市2005—2014年各影响因素综合评价指标趋势可以看出：ⓐ2014—2015年，驱动力、压力、状态、影响等各因素指数发展趋势较为平稳，说明驱动力、压力、状态、影响等各因素对许昌市水生态安全影响相对较小;ⓑ响应因素指数在10年之中呈平稳上升趋势，且上升幅度较大，表明响应因素对许昌市水生态安全状态的影响较大，能够直接影响许昌市水生态安全状态的变化，同时说明许昌市各相关部门针对水生态安全积极响应的各种措施对水生态安全的治理行之有效。

图2 各影响因素综合评价指标趋势

经综合评价法计算出2005—2014年的许昌市的综合评价指数趋势，如图3所示。许昌市2005—2014年的水生态综合安全值分别为0.339、0.373、0.416、0.450、0.465、0.471、0.545、0.649、0.648、0.707。其中最大值为2014年水生态综合安全值0.707，最小值为2005年水生态安全综合安全值0.339。由图3可见，2005—2014年的许昌市水生态安全整体呈上升趋势，但是上升幅度不大。这说明许昌市水生态安全正在不断的改善，政府及相关单位的措施行之有效，但水生态安全治理是一项需要长期持续治理的工作，各相关部门仍需继续实施有效措施来提高许昌市水生态安全状态。

图3 综合评价指数趋势

从许昌市的水生态安全状态来看，2005—2006年许昌市的水生态安全值处于Ⅱ级风险状态，2007—2011年许昌市水生态状态变化到Ⅲ敏感级， 从2012年以后许昌市水生态安全则处于Ⅳ级良好级状态，这表明了许昌市的水生态安全状态正在呈良好的势态逐步上升，但是许昌市水生态安全要想达到Ⅴ级安全级别，政府及相关部门仍需继续努力。

4 结 论

城市水生态安全是生态安全的重要组成部分，是维护人类社会持续健康发展的重要基石。本文通过DPSIR模型，结合2005—2014年许昌市水资源与水环境的实际情况，建立了许昌市水生态安全评价指标体系，利用熵权法对各指标体系进行赋权，最后通过综合评价法对许昌市水生态安全进行评价，结果表明：ⓐ通过对各影响因素和各细分因子指数的对比分析得出，对许昌市水生态安全影响最大的影响因子为压力因素和响应因素，而各细分因子对许昌市的水生态安全影响较为平均；ⓑ通过详细分析许昌市2005—2014年的各影响因素发展趋势，揭示出各影响因素在10年之间的发展变化规律，为分析许昌市水生态安全状态奠定了重要基础；ⓒ许昌市水生态安全状况正在逐年得到改善，且水生态安全级别已达到Ⅳ级良好级状态。研究结果不仅能够为许昌市水生态安全的健康发展提供科学依据，更能为当地政府建设“全国水生态文明城市”提供一定的指导。