第八师石河子市水生态安全评估

张志君

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

当今世界很多地区都面临着水资源危机问题[1]。我国是淡水资源贫乏的国家之一，人均拥有淡水量仅为全世界的1/4[2]。水资源短缺已成为制约我国社会经济发展和生态环境可持续的重要瓶颈[3]。我国西北地区属于典型的干旱、半干旱气候区，生态环境脆弱，水资源严重短缺[4]。目前在西北干旱区经济发展和生态安全构建的过程中，水资源问题已经成为重要的制约因素[5-6]。第八师石河子市作为新疆生产建设兵团和自治区最早对外开放的城市，为“稳疆兴疆，富民固边”做出了巨大贡献，是新中国“屯垦戍边”的成功典范、是中国军垦事业的缩影，同时也是全国最宜居城市之一。近年来，第八师石河子市气候出现变暖趋势，加剧了冰川消融，冰川和积雪的“固体水库”调节性减弱。区域水资源发展存在的主要问题包括：资源性缺水与土地开发利用之间的冲突引发的供需矛盾；农业用水比重大，用水结构不合理，用水效益低；水库淤积日趋严重，水库调洪能力逐渐下降；水生态、水环境监督管控能力不足，水利信息化及水资源统一调度有待强化。

虽然在指标体系的构建过程中有很多概念模型，但压力-状态-响应(PSR)模型是应用最为广泛的模型之一。目前PSR模型已广泛地在城市水资源承载力[7]、绿洲生态安全评价、水生态安全评价[8]等领域中应用。水生态安全建设关系到城市生态文明的发展，其水生态环境安全既能反映区域经济发展，又能很好地代表新疆生产建设兵团和自治区发展现状。因此，本文运用PSR模型对第八师石河子市水生态环境安全进行评价研究，确定第八师石河子市水生态环境安全等级，为采取相应的措施和策略提供依据，从而保护水源，减少水体污染，降低水资源利用风险。

1 研究区概况及数据来源

第八师石河子市地处天山北麓中段，准噶尔盆地南缘的玛纳斯河流域，其外东连玛纳斯县，西接克拉玛依市、奎屯市，南靠依连哈比尔尕山与和静县相隔，属于天山北坡经济带。地理坐标N43°27′～45°20′、E84°58′～86°30′，东西最宽115km，南北最长202km，总面积6007.29km2。全区属于典型大陆性气候，第八师石河子市位于天山北坡经济带核心区域，以农业为依托，工业为主导，主要种植农作物包括棉花、玉米、小麦和西红柿等，主要生产工业包括化工原料生产和产品制造业、食品加工制造业以及有色金属冶炼和轧制加工等[9-10]。区域拥有国家级“石河子经济技术开发区” “石河子农业高新科技园区”，具有坚实的工业和社会经济基础，被自治区定位为天山北坡重要中心城市，作为兵团的排头兵，在维护边疆稳定、促进区域社会经济发展及“一带一路”战略中具有重要的战略地位。

本文原始数据主要来源于《新疆统计年鉴》(2015—2019年)和《石河子年鉴》(2015—2019年)。

2 构建模型

2.1 PSR模型

PSR模型最初由加拿大统计学家提出，用于分析环境压力、现状与响应之间的关系，后又由经济合作发展组织对其进行适用性和有效性评价[11]。压力、状态和响应，三者之间不同而相互关联的指标可以表示水生态环境问题，即人类将各种资源从自然环境中获取出来，经过生产消费等一系列方式后，将其排放到自然环境，改变了资源数量和环境，进而影响人类经济社会活动等，往复循环，形成了人类活动与自然环境的“压力-状态-响应”关系。以此设计的指标可以较好地反映自然、经济、环境资源之间相互依存、相互制约的关系[1，12]。

本文将PSR模型引入到水生态环境安全评估中来，用PSR模型来确立各种评价指标，结合水生态环境安全评价的需要，设计压力-状态-响应概念模型，如图1所示。

图1 压力-状态-响应概念模型

2.2 指标筛选与指标体系构建

本文基于第八师石河子市水生态环境现状，从目标层、准则层和指标层构建PSR模型，其中目标层选用13个指标，准则层选用8个指标，指标层选用4个指标，共25个指标。具体指标体系见表1。

表1 第八师石河子市水生态环境安全评价体系、指标性质及权重

2.3 权重确定

确定权重的方法有很多，如层次分析法(AHP)[8]、专家调查法(Delphi法)、熵权法、变异系数法等[11]。为避免专家赋权重的偏好性，削弱极值指标对评价结果的影响，较为客观地反映评价指标的相对重要程度，本文采用变异系数法[1，13-15]确定指标权重。具体步骤如下。

第一步，原始数据标准化处理。

为对第八师石河子市水生态环境安全评估进行综合评价，需对不同量纲指标的原始数据标准化处理，将所有指标的数值转换成统一的含义[16-17]。采用极差法[11，13，18]进行数据的标准化：

正向指标：

(1)

负向指标：

(2)

式中，Xij、Yij—第i年第j个指标的原始数值和标准化之后的数值；Xjmin、Xjmax—第j个指标的最小值和最大值[19]。其中正向指标值越大，则水生态环境越好；而负向指标值越大，则水生态环境越差[19]。

第二步，变异系数法确定权重

(3)

(4)

2.4 综合指数法

在指标体系建立、数据标准化以及权重确定的基础上，还需要一个指标来衡量第八师石河子市水生态环境安全状况，即水生态环境安全评价的综合指数[18]，其计算公式为：

(5)

式中，wi—第i年的综合评价指数。

此外，本文采用综合指数分级方式，将水生态环境安全综合指数划分成5个等级[20]，见表2。

表2 水生态环境安全等级标准

3 结果与分析

3.1 指标权重分析

在准则层中，压力、状态、响应三者权重比为0.5691∶0.2444∶0.1865，可以看出，在PSR模型中，对水生态环境安全影响最大的是压力层，其次是状态，最后是响应。

在压力指标层中，SO2排放量、化肥使用量、林木采伐量、废水中COD排放量、氨氮排放量这5个指标的权重最靠前，由此说明第八师石河子市水生态环境安全的主要威胁来自于工业、农业的生产，这也反应了第八师石河子市工业和农业的快速发展对水生态环境安全造成的巨大威胁。

在状态指标层中，年均降水量、人均粮食产量、水资源开发利用率和人均GDP的权重系数最高，说明当前第八师石河子市仍以农业为主，年降水量以及水资源开发利用率对农业以及对水生态环境状态具有重要的影响。

在响应指标层中，环保投资和造林面积的权重系数最高，并且环保投资在所有权重系数中是最高的。可以看出，目前在水生态环境安全上，第八师石河子市政府相关部门在面对压力和状态时，所做出的响应发挥着重要角色和地位。

3.2 压力、状态、响应指数分析

根据收集的各指标2014—2018年的原始数据，采用式(1)—(5)对数据进行处理，计算得出各指标权重，见表1。将权重与标准化数据代入式(5)计算得出2014—2018年第八师石河子市水生态安全综合指数，见表3。

表3 2014—2018年第八师石河子市水生态环境安全综合评价结果

由表3可知，PSR模型中，压力、状态、响应的各自指标变化，压力指数波动最大，第八师石河子市水生态环境安全综合评价曲线与其变化趋势基本一致，呈现出大幅下降后微弱升高，近5a中，2014年压力指数最高，2018年压力指数最低。其中压力指数的变化主要来自于工业、农业的生产，其中，SO2排放量、废水中COD排放量、林木采伐量等数据在2016年达到最大。原因主要是第八师石河子市作为兵团和自治区最早对外开放的城市，“十二五”期间，第八师石河子市大力实施新型城镇化，加快科技平台建设和经济结构调整，推进科技强工战略，初步建成新型化工和现代化农业科技园，引领兵团“三化”建设，新型工业化效益飞速提升，传统行业产值也逐年提升。“十三五”期间社会、经济发展迅速，但由于工业粗放增长模式，产业对资源依赖度高，资源利用率整体较低，工业污染突出，节能减排目标任务艰巨等为第八师石河子市水生态环境安全带来巨大压力。

状态指数在近5a中虽有一定的波动，但没有显著变化。其中2018年状态指数值最高。由从表1可看出，位于状态指标权重系数前3位的年均降水量、人均粮食产量、水资源开发利用率数值在近5a中有增长的趋势，尤其是年降水量。整体来说，2014—2018年数值基本稳定，表明第八师石河子市水生态环境系统本身对外界的压力有一定的调节能力，但即便如此，也应继续加大对水生态环境的治理。

响应系统表现出稳中有升的趋势，近5a中，2018年相应指数最高，从表1中可以看出，环保投资的指标权重系数是所有权重系数中最高的。主要是因为2014—2018年环保投资的持续增加。同时也说明了第八师石河子市政府已经意识到环境保护的重要性，促进资源节约型和环境友好型社会建设。大力提倡节能环保和绿色能源经济，推进工业节约用水、循环用水工作。以上工作对提高第八师石河子市水生态环境安全具有重要意义。

3.3 水生态环境安全指数分析

由表3可知，第八师石河子市近5a水生态环境安全指数呈先大幅下降后升高的趋势，说明第八师石河子市水生态环境安全由高到低再到高的趋势变化，反映了第八师石河子市在“十二五”期间的大开发战略以及“十三五”加强环保治理的成效。

在2014—2018年间综合指数评价值中，2014年综合指数为0.6510，安全程度较高；2015年综合指数为0.5709、2018年综合指数为0.4915，安全程度一般；2016年综合指数为0.3398，2017年综合指数为0.3878年安全程度最低。

综合比较第八师石河子市水生态环境安全指数以及压力、状态、响应指数，可以得出水生态环境所面临的压力主要是工业活动造成的，具体表现为SO2排放量、废水中COD排放量、氨氮排放量的减少。这表明政府部门对工业发展造成水生态环境安全的重视与调控，体现在大力发展节能环保产业和循环经济，推进工业节约用水、循环用水，认真落实固体废弃物资源化利用和无害化处理工作。这些措施的施行对水生态环境安全起到了有效调节作用。

而农业作为第八师石河子市的支柱产业，是对水生态环境安全造成压力的主要因素。其中化肥使用量对水生态环境安全造成的压力最大。目前第八师石河子市用新型工业化的全新理念提升和推动农业产业化，近5a来，高新节水灌溉面积的不断增长降低了水资源消耗，并对水生态环境改善起到重要作用。

与此同时，近年来，第八师石河子市年均降水量，森林覆盖率的增加，人们环保意识的增强以及政府环保力度的加强，使得第八师石河子市水生态环境安全指数逐渐上升。在今后的发展过程中，为降低水生态环境安全风险，第八师石河子市政府应立足现有的水环境条件，在发展经济的同时还需积极保持水生态环境安全，积极引导节水型农业发展，优化配置节水生态系统类型，建设高效节水产业，切实提高水资源利用效率。

4 结论

本文通过建立PSR模型，对影响2014—2018年第八师石河子市水生态环境安全水平的指标采用变异系数法进行权重分析，并对第八师石河子市水生态环境安全进行评价。得出以下主要结论。

(1)在PSR评价指标体系中，权重系数最大的分别是环保投资、SO2排放量、化肥使用量、林木采伐量、废水中COD排放量、氨氮排放量，反映了第八师石河子市工业和农业的快速发展对水生态环境安全造成的巨大威胁。

(2)第八师石河子市水生态环境安全指数呈大幅下降后升高趋势，表明水生态环境安全由高到低再到高的趋势变化。其中，以压力指数的变化最大，且与综合指数变化趋势基本一致，表明压力系统对第八师石河子市水生态环境综合评价值贡献度大；同时响应系统的贡献在稳步提升，有效促进第八师石河子市生态环境安全的逐渐改善。