基于层次分析法和熵权法综合评价山东省水生态安全

杨天翼，赵 强，王奎峰，姚 天，刘玉玉

(1. 济南大学水利与环境学院，山东济南 250022； 2. 山东省地质科学研究院，山东济南 250013)

目前世界范围内水资源问题日益严重[1-3]，水生态安全面临着严重的考验[4-6]。山东省作为我国国内生产总值(GDP)总量排名第三的经济强省，近年来经济的快速发展给水环境带来持续性的压力，水资源短缺、水环境恶劣等问题十分明显，水生态安全状况受损严重[7-8]。当前，越来越多的国家开始重视水生态的保护与研究[9-11]，节水型社会的理念在许多国家得到推广[12-13]。美国在20世纪90年代初就将节水变为供水管理的重要组成部分，通过供水、节水立法的实施约束用水行为[14]，而后又通过《美国水资源规划法规》《供水法》等多部法规，组建了完善的节水政策管理体系[15]。国内外许多专家学者也致力于水生态安全评价研究[16-17]，Nichols等[18]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，采用国家生物评估方法评估生态水安全。Sullivan[19]提出了一种水贫乏指数的概念，结合多学科理念，为国家的水资源开发提供合理的标准化评级。彭涛等[20]通过构建集对分析与可变模糊集耦合的城市水资源安全评价模型，分析了广州市水资源安全状况及其主要障碍因子。

构建合理的水生态安全评价体系对揭示山东省水系统发展趋势具有重要意义。本文中采用压力-状态-响应(pressure-state-response，PSR)模型对山东省水环境安全进行综合评价，并结合相关标准，确定水生态安全等级，为该省水生态治理提供参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

山东省位于我国东部沿海地区，地理位置为北纬34°22.9′—38°24.01′、东经114°47.5′—122°42.3′，见图1。

山东省地图从国家标准地图网站下载，地图审批号 GS(2019)3333号(http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/browse.html? picId=%224o28b0625501ad13015501ad2bfc0210%22)， 经过ArcGIS10.6软件数字化处理后得到。图1 研究区概况图

水资源主要来源于大气降水，多年年平均降水量为676.5 mm，分布特点为南多北少[21]。省内湖泊主要集中在中南山地与鲁西平原之间，蓄水量约为2.353×109m3。

1.2 数据来源

本文中的研究数据主要来源于《山东省统计年鉴》(2010—2019年)[22]、《山东省水资源公报》(2010—2019年)、《山东省环境统计公报》(2010—2019年)。由于部分统计公报中未列出2018年数据，因此沿用2017年数据进行计算。

2 PSR模型的构建

2.1 指标构建原则

遵循科学性、系统性、代表性等原则，本文中共设置压力、状态、响应3个准则层，选取28个水生态安全评价指标，其中压力层、状态层、响应层的指标个数分别为16、6、6。

2.2 评价模型选取

我国目前主要评价方法包括数学模型法(包括层次分析法[23]、主成分投影法[24]、灰色关联度法[25])、生态模型法(生态足迹法[26])、景观模型法[27]等。PSR模型建立在环境、经济等层面的基础上，指标体系比较完整，可以有效地阐述人与自然间相互作用关系，充分体现水资源的现状与发展趋势，清晰地展现各层次间动态关系[28]，因此，本文中采用该模型构建山东省水生态安全评价指标体系，从流域的整体角度出发，分析流域不同因子对水生态安全的影响。山东省水生态安全综合评价指标体系概念框架如图2所示。

3 水生态安全综合评价

3.1 评价方法

3.1.1 指标数据标准化

本文中采用极差标准化法[29]对所选指标进行量化统一。

正向指标(数值越大越安全)计算公式为

(1)

负向指标(数值越小越安全)计算公式为

(2)

式中：Xij、Yij分别为第i年第j个指标标准化后正向、负向的数值，i=1，2，，m,j=1,2,,n,m、n为正整数；xij为第i年第j个指标的原始数值；xj,max、yj,min分别为第j个指标的最大值和最小值。

图2 山东省水生态安全综合评价指标体系概念框架

3.1.2 权重计算

采用熵权法对各项指标进行客观赋权，并借助层次分析法计算各项指标主观权重，最后引入偏好系数μ对计算出的2类权重进行综合评价。

1)层次分析法计算主观权重。采用层次分析法主观分析指标的权重值时，首先根据各元素之间的相对重要关系，构建两两比较判断矩阵A，结合判断矩阵打分表打分[30]。

结合判断矩阵A，计算判断矩阵最大特征根λmax以及其所对应的经过归一化后的特征向量W，相应的计算公式为

AW=λmaxW，

(3)

式中W=(w1,w2,,wn)，wj(j=1,2,,n)为各项指标的相应权重。

对判断矩阵进行一致性检验，判断一致性指标εcr的取值，计算公式为

(4)

(5)

式中：εc为判断矩阵一致性指标；εr为随机一致性指标。

2)熵权法计算客观权重。采用熵权法对各项指标进行客观权重计算。熵是一个系统的状态函数，是系统无序度的一种度量工具[31]。

经式(1)、(2)归一化的多目标决策矩阵X=(xij)m×n，形成新的判断矩阵B=(bij)m×n。

定义第j个评价指标的熵值为Hj，则有

(6)

设第j个评价指标的熵权为βj，则客观权重向量β=(β1,β2, ,βn)，即

(7)

3)综合权重的确定。根据层次分析法所求权重αi与熵权法所求权重βi，采用偏好系数μ=0.5计算各项指标最终权重ωi，即

ωi=0.5(αi+βi)

。

(8)

3.1.3 综合评价

在结合PSR模型、数据计算结果的基础上对山东省水生态安全进行综合评价。采用水生态综合指数衡量该省水生态安全现状，计算公式为

(9)

式中：Wi为第i年的综合评价值；Aj为指标权重。

3.1.4 评价标准等级划分

直接标准化后计算得出的数据无法直观地对水环境生态状况进行主观的评价，因此需要将各指标的标准化值及其综合指数转化为等级值。借鉴国际、不同国家(地区)公认值的安全评价标准值，运用不等划分法对综合指数以及评判标准进行等级划分，结果见表1[32]。

3.2 评价结果

3.2.1 系统权重评价

根据层次分析法和熵权法对2010—2018年所选取指标数据进行处理，计算得通过一致性检验后的各指标权重(见表2)，并对权重进行排序，对各系统的生态安全进行评价。

表1 水生态安全评判等级划分[32]

表2 山东省水生态安全评价指标体系、指标性质及权重

1)压力系统权重评价。在压力准则层的指标中，工业总产值、农业总产值、农用化肥折纯量、农药施用实物量、城镇生活污水排放量等6个指标的权重均大于0.045。由此可以看出，这些压力指标对于水生态安全的影响较大，在今后山东省水生态的建设中，应重点对这些指标进行关注以及合理化治理。同时，如何平衡经济与环境的关系也将是山东省下一阶段的难题之一。其中农用化肥施用折纯量、有效灌溉面积的综合权重分别为0.079 61、0.025 21，结合统计年鉴中数据，2010—2018年山东省农药化肥折纯量从4.753 25×106t下降至4.203 49×106t，有效灌溉面积从4.955 3×106hm2上升至5.235 99×106hm2。这期间山东省在农业层面的积极调控，对农药、化肥的使用进行强有力控制，增加有效灌溉面积，都在一定程度上减缓了水生态安全的压力。其他指标权重较小，原因是在求权重时这些变化幅度小的指标相对比较稳定，例如年末人口、农业总产值等对山东省水生态有一定的影响。

2)状态系统权重评价。状态准则层中既有正向指标，也有负向指标，其中正向指标表示对水生态系统具有积极的作用，数值越大说明水环境生态安全状况越好；负向指标则是对水生态系统具有消极的作用，数值越大说明对水生态系统的压力越大。在正向指标中，水资源总量、地表水资源量、地下水资源量的综合权重均大于0.021，水资源总量从2010年的3.091 2×1010m3下降至2017年的2.256 1×1010m3，直至2018年才上升至3.432 5×1010m3。地表水资源量也在2010—2017年间总体下降了31%左右，因此山东省现阶段水生态问题仍不容忽视，水资源短缺等生态问题还需进一步解决，应努力使水资源相关指标维持2018年的水准并寻求进一步提升。酸雨检出率综合权重达到0.013 9，在2010—2016年间酸雨检出率的变化幅度很不稳定，但在2017、2018年酸雨检出率为0，可以看出山东省在这2年间所采取的措施有效降低了酸雨产出，但仍应防止酸雨反复出现。

3)响应系统权重评价。在响应准则层各项指标中，工业废水治理投资、城市水功能区水质达标率、供水总量的综合权重均超过0.038，9 a间山东省环境治理投资资金提升度达到96%，其占全省GDP的比重也有小幅度提升，但供水总量在2010—2018年呈现下降的趋势，这种情况不利于山东省水环境生态安全的建设，在今后的发展过程中应予以注意。

3.2.2 综合安全评价

山东省水生态安全评价结果见图3。从图中可看出，因为压力准则层各项指标均为负向指标，所以其数值越小，压力越大，水生态压力在2013年达到最大值，并且在2015年以后呈现逐年下降的趋势。

图3 山东省水生态安全评价结果

2014、2015年状态准则层水生态安全评价值均较小，分别为0.219 0和0.404 4，2011、2018年的评价值较大，分别为1.113 1和1.531 0，而2011、2014、2015、2018年山东省水资源总量分别为3.476 1×1010、1.484 4×1010、1.684 4×1010、3.432 5×1010m3，由此看出，水资源总量在水生态安全的维持体系中是一个重要的影响因素。

响应准则层指标近几年呈现较大的波动态势，其中2015年的指标值最小，为0.569 3，2012年的指标值最大，为1.502 1。综合对比这2 a的数据可以发现，当环境污染治理投资、工业废水治理投资等大幅增加时，响应层指标反馈也较好，表明资金的投入对于水生态维护具有重要意义。响应层指标值在2012—2015年持续减小，2016年开始逐年上升，说明山东省未来应采取更加合理、有效的措施来保证水生态系统的安全。

从综合评价指标来看，2014、2015年的数值分别为3.383 0、3.073 8，其余几年的数值均为4.219 9～5.929 1，结合相关统计数据，除2014、2015年山东省水生态安全状况处于Ⅱ级，其余年份水生态安全状况均处于Ⅲ级，即水生态服务功能已经出现退化，生态结构发生变化，可维持基本功能，但是生态环境问题已经显现。水生态综合评价值在2015年开始逐年上升，说明山东省的水环境状况已经逐渐好转。

此外，综合评价曲线与状态层评价曲线变化趋势相似，水资源总量、地表水资源量等对状态层评价指标值影响很大，因此未来应采取合理的措施，保障水资源免受污染与浪费。

不同年份各指标层评价值占综合评价值的比重如图4所示。由图可见：各年份压力层指标占比超过50%，2015年达到68.32%，表明山东省人口增长、全省国内生产总值增加和生活污水排放量增大导致了环境压力增大，但工业废水排放量及工业废水中化学需氧量(COD)排放量的减少降低了对水生态系统的压力，增强了水生态系统的安全性。在今后的环境治理中，山东省应将重点放在减小压力层各指标对水环境的压力方面，控制工业污水排放量与排放标准，严格管理农业种植方式。状态层指标所占比重在2015—2018年呈现逐渐上升的趋势，表明山东省水生态状况已经逐渐有所好转，水生态安全问题逐渐改善。响应层指标所占比重在2012年达到最大，接近32.8%。通过相关统计数据对比可以看出，与2011年相比，2012年的环境治理投资从6.14×1010元上升至7.39×1010元，环境污染治理投资占全省GDP的比重提高了0.13%，与2013年状态评价值相比有所提升，说明对环境治理投资力度的加大收到了较好的环境状态反馈，水生态环境有所好转。2015—2018年响应层指标所占比重变化较小，仍需继续加大环境治理投资力度。

图4 不同年份各指标层评价值占综合评价值的比重

4 结论

本文中对2010—2018年山东省水生态指标进行分析，并对水生态安全进行评价，得到结论如下：

1)2010—2018年山东省水生态安全综合评价值略有波动，但总体处于上升的趋势； 山东省水生态安全评判等级基本处于等级Ⅲ。虽然2018年水生态安全质量有了较大提升，但总体上看山东省水生态服务功能已经出现退化，生态问题已经凸显。

2)山东省水环境压力总体呈现先减小后增大的趋势，且各项指标均为负向指标，因此现阶段山东省水生态安全所承受的压力不容忽视。这期间环境压力值已经开始减小，下一步仍应研究更合理的科学手段缓解水生态压力，促进经济健康、快速发展。

3)状态准则层评价指标和山东省水生态综合评价指标变化趋势基本一致，水资源总量对状态层的响应具有至关重要的作用，因此应加强对全流域断面水质、水量等的系统监测。

4)响应准则层评价指标值在2015年后持续增大，表明山东省在水生态问题上所采取相关措施已经逐渐发挥积极作用。