基于PSR和G(1，1)模型的株洲市水生态安全评价研究

曲洋样，吕儒云，杨剑锋，李海瑞，廖剑宇

(湖南工业大学城市与环境学院，湖南 株洲 412007)

1 研究背景

水生态安全对经济发展、社会稳定起着至关重要的作用，对一个地方的水生态安全进行研究，不仅能够认识到该地区水生态安全问题并能够提出亟需的相应对策，更能够防患于未然，促进该地区水生态健康的快速发展。

我国水生态安全十分突出，已经成为制约经济可持续发展与人们安居乐业的瓶颈[1]。现有的水生态安全研究主要聚焦在水资源配置[1- 2]、水生境风险评价[3]、水生态修复措施[4- 5]、水环境治理[6- 7]等方面。水生态安全评价研究作为水生态修复、治理的基础，成为国内外相关学者的研究重点。在水安全区域格局上，李梦娣等将研究重点着眼于河段山区上[8- 9]、徐红玲等研究放在区域尺度上，通过构建太湖流域湖泊生态健康评估体系为太湖流域的后续管理提供了理论参考[10]。Yaning Chen研究塔里木盆地，认为流域地区经济增长与环境保护之间的矛盾尤为突出，必须建立一个涵盖地表水和地下水的统一管理机制，并应加快执行政府将农田恢复为天然植被的计划[11]。戴文渊将研究放在市域上，认为白银市县区水生态安全状况不平衡，生态文明城市建设依旧面临巨大挑战[12]。在水生态安全评价方法方面，刘孝富运用PSFR模型对东江流域生态安全进行评价[13]、姚望等运用PSR模型对贵州省水资源安全进行诊断[14]、Susan J以澳大利亚河流评估系统(AUSRIVAS)的开发为例将河流健康的生物学评估与生态水安全评估联系起来[15]。王永亮运用D数理论对衡水市水生态安全状况进行评价[16]、张凤太和苏维词用均方差-TOPSIS模型对贵州水生态安全评价进行研究[17]。文章将现状评价与预测评价相结合，运用PSR模型对株洲市2011—2015年水生态安全作现状评价，同时结合G(1，1)模型对株洲市水生态安全作预测评价。

目前国内外关于水生态安全评价研究众多，但随着时间的推移，各个地区的生态环境都在发生变化，水生态安全状况也将随之更新，因此对各个区域水生态安全进行研究是必不可少的工作。株洲市作为“长株潭”城市群的重要组成部分，2014年被国家水利部列为全国第二批水生态文明建设试点城市。通过对株洲市水生态安全评价研究，不仅能够加强株洲市水生态文明建设、维护生态可持续发展，同时为其他城市的生态文明建设提供参考。

2 研究区概况与数据来源

株洲古称建宁，湖南省辖地级市，总面积11 262km2，2019年末常住人口人口402.85万人。是新中国成立后首批重点建设的八个工业城市之一，是中国老工业基地。京广铁路和沪昆铁路在株洲交汇成为中国重要的“十字型”铁路枢纽建设综合配套改革试验区的一部分[18]。气候上属亚热带季风湿润气候，四季分明，雨量充沛，光照充足。株洲市属湘江水系，市域内湘江一级支流较大的有洣水、渌水。

本文原始数据来源于《株洲市统计年鉴(2012—2016)》、《中国城市统计年鉴(2012—2016)》，株洲市水生态安全综合指数2016—2025年数据来源于灰色G(1，1)模型预测。

3 研究方法

3.1 PSR模型

PSR模型是一种常用于环境中用于衡量发展和环境之间关系的指标体系，可以有效反映出环境系统之间关系以及整合发展、资源、环境及生活之间要素。模型主要有3个影响因素(压力、状态、响应)组成，其中每个影响因素又由不同小分子组成。借鉴前人们对水生态安全评价指标选取方法[19]，以PSR模型为框架，遵循科学性、普遍性、可操作性原则选取19项适用于株洲市的水生态安全评价指标。对株洲市水生态系统而言，以社会经济的发展以及人口增长作为压力水生态安全的压力、在压力状态下所表现出来的状态，如人均水资源量、万元GDP用水会对人类社会及生态系统产生影响，从而人类社会对不良环境做出响应。

表1 株洲市水生态安全评价指标及权重

3.2 综合指数

综合指数评价法是在确定研究对象评价指标体系基础上，运用一定方法对权重进行确定，利用综合指数，定量地进行综合评价的方法。综合指数评价法是一种相对简单高效的方法，在环境评价、土地利用规划领域广泛应用[21- 22]。其评价模型为：

式中，ESI—综合评价指数；Wi—第i个指标的权重；Xi—其无量纲量化值；m—评价指标个数。

经上述方法得到的各准则层综合指数见表2。

表2 各影响因素综合指数

对各影响因素作趋势图如图1所示。

图1 各影响因素综合评价指标趋势

由于计算结果难以直观的判断水生态安全状况，因此在商震霖[23]、陈华伟[24]等学者研究基础上，将水生态安全等级划为5个等级，见表3

表3 水生态安全等级

3.3 灰色G(1，1)模型

目前用于预测的模型主要有支持向量法、回归分析预测法、系统动力学模型和GM(1，1)模型[25]，灰色G(1，1)模型能够对多年离散或连续的数据隐含的规律作趋势分析。GM(1，1)模型的基本形式为：(1)x(0)(k)+az(1)(k)=b，其中，X(0)=(x(0)(1)，x(0)(2)，…，x(0)(n))为原始数据序列，Z(1)=(z(1)(1)，z(2)(2)，…，z(1)(n))为X(0)的1-AGO序列X(1)的紧邻均值生成序列。

3.3.1模型检验

给定α，C0，P0的一组值，就确定了检验模型模拟精度的一个等级，模型的模拟精度分级参考标准如表4所示，模型检验结果见表5。

表4 灰色预测模型(1)精度等级

表5 水生态安全综合指数G(1，1)模型检验结果

运用MATLAB软件进行模型检验，检验结果显示，相对误差小于0.01，均方差为0.2688，小误差概率为1，因此，模型预测精度为一级，预测精度高。

3.3.2指数预测

利用G(1，1)模型对株洲市2016—2025年水生态安全综合指数进行预测，预测结果见表6。

表6 G(1，1)模型水生态安全综合指数预测及真实性检验

通过模型真实性检验结果可以看出，预测值与真实值的相对误差绝对值小于0.005，预测值可以反应真实情况，可以作为株洲市水生态安全预测研究的依据。通过作真实值与预测值的趋势图，如图2所示，可以更直观感受G(1，1)模型预测精度及株洲市水生态安全状况的变化。

4 结果分析

通过综合指数法计算2011—2015年株洲市水生态安全综合评价指数，变化趋势如图2所示。2011—2015年株洲市各影响因素综合指数变化趋势图可以看出，株洲市在这5年间，水生态安全综合指数由2011年的0.3757上升到0.7078，呈稳步上升的趋势。在2011—2013年期间，状态(S)和响应(R)指数发展趋势较为平稳；压力(P)指数变化较大，从0.1404上升到0.3303，同时株洲市水生态安全综合指数由0.3758上升到0.594，由此可见在2011—2013年期间，压力因素指数成为影响株洲市水生态安全指数的主要影响因素。2014—2015年期间，压力影响指数缓慢下降，同时状态影响指数缓慢上升，响应影响指数快速上升，在此期间，状态和响应成为提高株洲市水生态安全指数的主要影响因素，株洲市水生态安全综合指数由2013年的0.594提升到0.7078。这可能与株洲市2014年开始被纳入第二批全国水生态文明试点城市有关，株洲市在全省率先实行河长制，实现四级河长全覆盖，为株洲市水生态文明建设、水资源的可持续利用、经济社会的可持续发展提供了政策保障。

图2 水生态安全综合指数MATLAB预测

构建PSR模型并运用综合指数法计算得株洲市水生态安全综合指数可知，2011—2015年，水生态安全综合指数由0.3758到0.7078，株洲市水生态安全状况由风险级向良好级转变。运用灰色G(1，1)模型对株洲市2016—2025年株洲市水生态安全状况进行预测，结果显示，水生态安全等级不断提高，在2018年株洲市水生态安全等级由良好级进入安全级，实现质的飞跃。

5 结语

株洲市作为曾经典型的老工业基地，光鲜背后是粗放式发展带来的环境污染[26]。株洲因工业而生，也因工业而困，2013年，株洲以深化“两型”综合配套改革试验，开始大力推动清水塘老工业区搬迁改造。2014年，株洲市作为第二批被纳入全国水生态文明试点城市。文章以此为背景，从株洲独特的区位性出发，选取2011—2015年株洲市19项水生态安全评价指标，建立PSR模型、运用综合指数法对株洲市水生态安全状况进行现状评价，评价结果显示，株洲市在2011—2015年，水生态安全状况在不断改善，从2011年风险级转变为2015年的良好级。通过灰色系统G(1，1)模型对2016—2025年株洲的水生态安全作预测研究，研究结果显示，株洲市水生态安全在2018年开始进入安全级，此后至2025年，水生态安全指数不断上升。

研究结果不仅揭示了株洲市在建设“水生态文明城市”过程中取得的成效。为株洲市水生态安全健康发展提供一定依据，同时可以为政府及相关部门建设“水生态文明城市”提供一定的指导，新常态下的株洲市，要继续转变经济发展方式，提高水资源利用率，不断为株洲市水生态安全注入活力。