基于熵权-物元的水土资源生态安全探析

许东阳，任永泰，邓 朝，成 琨

东北农业大学a.工程学院;b.理学院，黑龙江 哈尔滨 150030

生态安全是指国家或地区的耕地资源、水土资源等安全状况很少受到外界制约和威胁[1]。出现生态安全问题的根本原因是水、土等资源的不合理开发利用[2]，生态安全问题会严重影响社会经济发展与人民生活水平[3]。

为保障经济的可持续发展与人民生活水平的提高，需构建合理的评价指标体系，选用客观有效的评价方法，对水土资源生态安全现状进行研究。常见的构建方法是基于固定模型构建指标体系(如ZHANG等[4]基于DPSIR模型对湖泊生态安全进行评价，WANG等[5]基于DPSIRM 模型对太湖流域水环境承载力进行评价)。常用的评价方法为物元可拓模型[6-7]，它主要是将元素与集合的关系运用关联度表示，探究物元变化规律(如田浪等[8]运用物元可拓模型对灌区水资源综合效益进行评价，刘畅等[9]运用物元可拓模型对济南市郊的水生态文明进行评价并阐明该地区生态文明状态及存在问题，张凤太等[10]基于物元分析对重庆土地生态问题进行评价及影响因素分析，张秋霞等[11]基于变权值与物元可拓模型对新郑市耕地生态安全进行预警研究)。但相关学者对同一待评对象不同安全等级综合关联度值的不规则增加(或降低)进行研究的报道较少。

笔者针对同一待评对象不同安全等级综合关联度值较为敏感，且易造成待评对象安全等级错位的问题，引入物元可拓模型并对其进行改进，结合熵权法对同一待评对象不同安全等级的综合关联度值进行量化，用以解决同一待评对象不同安全等级综合关联度值的不规则增加(或降低)现象。以黑龙江省水土资源生态安全现状为例，对该模型进行验证。

1 构建改进物元可拓模型

1.1 构建物元可拓模型

物元可拓模型主要用于研究事物拓展的可能性，并以此解决不相容问题。其基本原理是运用可拓论的逻辑细胞物元来描述事物，并分析和探究其变化规律。

1)确定经典域Rj和节域Rp物元矩阵，水土资源生态安全的物元矩阵为

(1)

式中:Mj(j=1,2,…,m)为生态安全评价标准的第j个等级，Ci(i=1,2,…,n)为生态安全评价体系中的第i项指标， 区间Xji=(aji,bji)为Mj关于Ci所规定的量值范围，Mp为评价等级的全体，区间Xpi=(api,bpi)为Mp关于Ci所取量值范围，由定义知Xj⊂Xp。

2)关联度的确定，由可拓集合论知关联度的计算公式为

(2)

式中:ρ(xi,Xji)表示点xi到经典域Xji=(aji,bji)的距离，ρ(xi,Xpi)表示点xi到节域Xpi=(api,bpi)的距离。

1.2 确定指标权重

权重系数是指在评价过程中，对评价指标的重要程度进行定量分配。步骤如下：

步骤1：指标数据的无量纲化处理能够削弱量纲对评价结果的影响。

(3)

式中：xij、rij分别为第i个指标第j个年份观测值与量化值。

步骤2：利用信息熵确定指标客观权重。

(4)

式中：ωi表示权重值。

1.3 确定待评对象生态安全值

由各指标权重ωi及其关联度Kj(xi)可得待评对象P0相对各评价等级的综合关联度，对其进行量化可得待评对象生态安全值T。公式如下：

(5)

式中：j为安全等级。

2 构建评价指标体系

驱动力-压力-状态-影响-响应(DPSIR)模型是对PSR模型的修正与发展，在环境评价体系中应用较多[12]。该模型中驱动力是描述与人类生活方式相关的资源环境和社会经济的改变，压力是指自然资源的使用现状，状态是指特定区域自然资源状况的现象与水平，影响是指由上述因素造成的资源环境状态的改变而呈现出的结果，响应是指个人、社会及有关部门为适应资源环境状态改变所采取的对策。研究结合黑龙江省的自然经济状况和资源环境、社会经济视角选取了具有代表性的28个指标，构建DPSIR评价体系(表1)。参考联合国粮农组织所推荐的综合评价指南[13]和有关文献[14-15]，以及黑龙江省资源平均水平、全国资源平均水平和国际通行指标等，确定各指标安全等级标度范围并赋予相应分值。

表1 水土资源生态安全评价指标体系Table 1 Water and soil resources ecological safety evaluation index system

3 应用实例

3.1 研究区域概况

黑龙江省是中国重要的商品粮基地，气候温和湿润，土地肥沃，具有良好的农作物生长条件，粮食产量对保障中国粮食安全具有重要作用。据统计，2016年该地区水资源开发利用率为41.79%，较2003年增加43.61%，农业、工业、生态用水比例分别为89%、5.84%、0.71%。全国水资源开发利用率为18.60%，农业、工业、生态用水比例分别为62.38%、21.65%、2.36%。分析得知，该地区水资源的过度开采和农业水资源的大量使用，与部分地区过于追求粮食产量密不可分，此举严重阻碍了地区工业经济发展与生态环境建设。2016年黑龙江地下水开采强度(地下水资源开采量/水资源开采总量-地下水资源量/水资源总量)为23.03%(全国为2.03%)，较2003年增加72.90%。地下水的长期过度开采，废水(单位面积废水排放量2016年比2003年增加32.24%)及污染物(水资源污染物排放量先增加后降低，2016年比2003年降低43.11%，2008年最高，为0.103 1 t/104m3)的大肆排放对该地区耕地质量、地下水水质等生态环境造成严重损害。为保障该地区水土资源生态安全健康可持续发展，对其进行水土资源生态安全评价势在必行。

3.2 权重值分析

基于Ci(i=1,2,…,28)的实测值和表1中经典域物元区间以及公式(3)和公式(4)，可得各指标对应安全等级及其权重值(表2)。分析得知，对水土资源生态安全影响最显著(权重最大)的指标有生态用水比例(0.194 6)、农业用水比例(0.111 5)、农业万元产值耗水量(0.108 9)、工业万元产值耗水量(0.077 3)、地下水开采强度(0.064 7)和农林水支出比例(0.561)。其中工、农业万元产值耗水量、农林水支出比例等指标安全等级高且呈现逐年增加趋势，促进黑龙江水土资源生态安全等级的提升；生态用水比例、农业用水比例、地下水开采强度等指标安全等级低且呈现逐年下降趋势，阻碍黑龙江水土资源生态安全等级的提升。

表2 水土资源生态安全评价指标隶属等级及权重Table 2 Classification criteria and weights of ecological security assessment indicators for water and soil resources

由表2可得出准则层、因素层各系统所占比重(图1)。准则层中状态系统(0.343 6)和因素层中资源环境系统(0.623 0)对水土资源生态安全影响最显著。结合表2数据分析得知，生态、农业用水比例对状态系统影响最显著；生态、农业用水比例和地下水开采强度对资源环境系统影响最显著。

图1 准则层和因素层各系统所占比重Fig.1 The proportion of each system in the criterion layer and factor layer

3.3 生态安全值分析

将Ci(i=1,2,…,28)的实测值代入公式(1)～公式(5)，可得黑龙江省传统物元可拓模型的生态安全等级、改进物元可拓模型的水土资源生态安全值及安全等级(表3)。同理，由经典域物元阙值可得改进物元可拓模型的水土资源生态安全值隶属安全等级：1≤T<1.87为Ⅰ级安全(恶劣级)，1.87≤T<2.61为Ⅱ级安全(危险级)，2.61≤T<3.41为Ⅲ级安全(敏感级)，3.41≤T<4.13为IV级安全(良好级)，4.13≤T<5为V级安全(安全级)。

表3 传统与改进物元可拓模型的水土资源生态安全等级Table 3 The level of ecological security of soil and water resources in the traditional and improved matter-element extension model

由表3分析得知，传统物元可拓模型的安全等级与改进后物元可拓模型的安全等级在2003、2007、2008、2010、2012年相一致。2004年传统物元可拓模型安全等级为Ⅰ级，且Ⅲ级隶属度高于Ⅱ级，改进物元可拓模型安全等级为Ⅱ级，与此类似的年份有2006、2009、2014年。2005年传统物元可拓模型安全等级为Ⅲ级(弱)，更易向Ⅱ级转化，改进物元可拓模型安全等级为Ⅱ级(强)，与此类似的年份有2011、2013、2015、2016年。综上所述，改进后的物元可拓模型有效解决了传统物元可拓模型中针对同一待评对象不同安全等级综合关联度值敏感且易造成待评对象安全等级错位的问题。

图2体现了2003—2016年水土资源生态安全值与历年变化情况 。由图2可知， 2003—2016年生态安全发展不均衡，增长潜力大，整体呈先上升后下降的趋势，2009、2011、2012年处于Ⅲ级安全(敏感级)状态，其余年份为Ⅱ级安全(危险级)状态。

整体可划分为2003—2008年、2009—2012年、2013—2016年3个相对稳定阶段。第一阶段生态安全值最小(均值为2.313 9)，第二阶段生态安全值最大(均值为2.664 5)。生态安全值增加的主因是负向指标农、工业万元产值耗水量不断减小(2016年较2003年分别降低63.13%、81.41%)。第三阶段生态安全值(均值为2.382 2)小于第二阶段的主因是正向指标生态用水比例较上阶段平均降低49.56%。2004年生态安全值(2.137 1)最小，主因是正向指标生态用水比例较前一年降低69.08%。2012年生态安全值(2.876 0)最大，主因是负向指标工业万元产值耗水量较前一年降低22.59%。2011年生态安全值增幅(0.512 7)最大，主因是正向指标生态用水比例较前一年增加186.92%，引起状态系统与资源环境系统安全值的增加。2013年生态安全值增幅(-0.488 5)最小，主因是负向指标地下水开采强度、正向指标生态用水比例较前一年分别增加40.75%、降低50.47%，分别引起压力系统与状态系统安全值的降低，共同导致资源环境系统安全值的降低。

图2 2003—2016年水土资源生态安全值与历年增幅Fig.2 Ecological security value of water and soil resources and annual growth from 2003 to 2016

准则层和因素层各系统历年安全值变化情况见图3和图4。

准则层中(图3)，2003—2016年状态系统与水土资源生态安全波动状况相一致。驱动力系统安全值高于水土资源生态安全，发展相对稳定，主因是正向指标GDP增长率、负向指标人口自然增长率与水资源开发利用率分别降低40.20%、124.14%与增加43.61%。压力系统安全值高于水土资源生态安全，2016年较2003年下降27.27%，主因是负向指标地下水开采强度2016年较2003年增加72.90%。状态系统安全值低于水土资源生态安全，2016年较2003年下降34.92%，主因是负向指标农业用水比例、正向指标生态用水比例2016年较2003年分别增加33.08%、降低43.13%。2003—2009年影响系统安全值低于水土资源生态安全， 2012—2016年高于水土资源生态安全，2016年较2003年上升111.00%，主因是负向指标农、工业万元产值耗水量2016年较2003年分别降低63.13%、81.41%。2003—2006年响应系统安全值低于水土资源生态安全，2007—2016年高于水土资源生态安全，2016年较2003年上升90.67%，主因是正向指标农林水支出比例2016年较2003年增加158.51%。

因素层中(图4)，2003—2016年资源环境系统与水土资源生态安全波动状况相一致。2003—2009年资源环境系统安全值高于水土资源生态安全，2010—2016年低于水土资源生态安全，2016年较2003年下降31.07%，主因是农业用水比例过高。社会经济系统安全值2016年较2003年增长82.24%，主因是农、工业万元产值耗水量的不断降低与农林水支出比例的不断提高。

综上所述，当前，黑龙江省经济发展水平相对较低，资源环境压力较大，其根本原因是对资源的不合理配置及利用。因此政府与相关部门应制定科学合理的水资源开发及配置方案，提高工农业水资源利用效率，降低农业用水、提高工业与生态环境用水，缓解由水资源短缺对工业社会经济发展与生态环境建设造成的影响。在生态环境方面，积极采取降低地下水开采强度、加强废水治理和控制污水排放等有益生态安全建设的措施。

图3 准则层各系统历年安全值Fig.3 Safety values of each system in the criterion layer

图4 因素层各系统历年安全值Fig.4 Safety values of each system in the factor layer

4 结论

研究从资源环境和社会经济的角度构建DPSIR评价体系，以熵权法与改进物元可拓模型对黑龙江省2003—2016年水土资源生态安全状况进行评价。得出以下结论：

1) 所采用的权重确定方法具有较强的客观性，有效避免了评价过程中目标权重值具有人为偏好的问题。改进物元可拓模型能够有效判定待评价对象所处安全状态及等级，有效克服了关于传统物元可拓模型同一待评对象不同安全等级综合关联度值之间差异小且易造成误差大的问题。

2) 2003—2016年黑龙江省水土资源生态安全水平整体呈现先上升后下降的趋势，增长潜力大，整体处于Ⅱ级安全水平(危险级)。各系统中状态系统与资源环境系统对水土资源生态安全影响最显著。对水土资源生态安全影响最显著的指标有生态用水比例、农业用水比例、农业万元产值耗水量、工业万元产值耗水量、地下水开采强度和农林水支出比例。分析得知，降低农业用水比例、提高水资源利用效率、降低地下水开采强度、加强生态环境治理仍是黑龙江生态安全工作的重点。

3) 水土资源生态安全涉及评价指标较多，在指标的选择方面尚不能全部将其纳入考虑范围。不同地区的自然条件存在差异，经典域与指标评价标准的良好匹配还需进一步研究。