基于PSR模型的黄河流域中心城市水生态文明建设评价

张国兴 ，王涵

（1. 华北水利水电大学 管理与经济学院，河南 郑州 450046；2. 华北水利水电大学 黄河流域生态经济系统可持续发展研究中心，河南 郑州 450046）

建设生态文明是中华民族永续发展的千年大计。近年来国家政府已经明确提出生态文明建设的相关内容，特别是2013年《关于加快推进水生态文明建设工作的意见》中正式提出水生态文明，重点推进水生态文明的相关建设。然而新旧生态问题交织导致当前城市水生态状况不容乐观。在生态系统中城市的发展容易受到自然环境以及人为因素的影响，而中心城市生态环境的高质量发展是推进黄河流域大治理的关键，因此要发挥好中心城市的关键作用，通过其发展进一步带动区域经济的发展以及战略部署的落实[1]。随着推进生态文明建设政策的实施，研究流域内中心城市的水生态文明建设对缓解目前水资源短缺和水污染严重等水生态问题有着十分重要的意义。

生态文明建设的结果对自然环境与经济社会的可持续发展至关重要，因此需要跟踪和监控城市生态文明建设的情况，对反映生态文明发展状况的相关评价指标数据进行收集处理，根据生态文明发展的评价结果展开分析进而提出针对性的建议。目前大量学者探讨了不同类型城市水生态文明建设的相关内容，结合地域特色积极探索水生态文明建设发展的新路径，当前围绕水生态文明建设的研究主要集中在水生态文明建设的理论内涵和评价体系建设方面。（1）水生态文明建设的理论内涵。左其亭[2]认为，水生态文明的核心思想是人类与水的和谐共处，相比于水生态系统保护与修复，其不仅强调关注水生态环境保护，还要平衡物质财富的创造。赵钟楠等[3]则从现实需求出发，以问题为导向将水资源和社会经济联系起来分析其之间的关联以探究水生态文明建设的意义。而唐克旺[4]主要从人类的行为和水生态系统健康状况两方面分析水生态文明建设的内涵。（2）水生态文明建设的评价指标体系。为实现水生态文明由定性分析向定量研究转变，相关学者开始通过构建相关的评价指标体系进行定量分析。如刘海娇等[5]构建了四个维度的指标体系，即水管理、水景观、水生态环境和水资源开发，对黄河下游的滨州市进行案例分析。任俊霖等[6]将指标体系分为水生态、水工程、水经济、水管理和水文化等维度，分析长江经济带11个省会城市的水生态文明建设水平。皮家骏等[7]以南昌市为例进一步从水资源、水生态、水利用、水管理和水文化等指标上进行水生态文明城市评价。（3）水生态文明建设水平的测度方法。针对水生态文明的评价方法较多，Tian等[8]运用熵值法对珠江三角洲城市水生态文明进行了评价，得出城市间的水生态文明水平有着明显的差异。Wang[9]结合熵值法和Delphi法对10个跨境河流城市的水生态文明建设进行评估以探究其之间的关系。刘姝芳等[10]采用内插法与层次分析法定权结合的综合评价模型，对西安市试点前后水生态文明建设的成果进行对比分析。

如前所述，学者们结合具体的案例探讨了多种评价方法应用于水生态文明评价的可行性，对水生态文明建设情况进行测度是实现量化研究的关键。但是目前对水生态文明建设进行量化分析时研究对象只局限于特定的地区、省份或城市的截面数据，没有考虑到流域内各城市之间的关联性以及对流域内中心城市较长时期内水生态文明建设水平进行测度和比较。因此，结合流域目前的发展现状，本文在构建指标体系中运用熵值法来避免主观因素的影响，采用可拓物元模型对数据的进一步处理使结果分析更加科学合理。

1 水生态文明评价指标体系

1.1 PSR模型概述

压力—状态—响应（简称PSR）这一框架最初由加拿大统计学者提出用以研究环境在人类活动下如何演变的问题，目前也被广泛应用于构建可持续发展环境指标体系方面，并取得了较好的研究成果[11]，其主要从人与环境相互作用的角度来解释环境与经济之间的逻辑关系。选取指标构建过程中，“压力”主要指人类活动对生态环境造成的影响，“状态”主要衡量压力层面造成环境问题的可测性，“响应”则对人类改善环境的行动做出评价，由此形成人类与环境之间压力—状态—响应的关系[12-13]。

1.2 水生态文明建设的PSR框架

水生态文明的核心是正确处理人与水的关系，通过水资源的可持续利用来保障生态系统的良好循环进而支撑经济社会和谐发展。人口的增长、水资源的消耗和污染加剧了水危机的产生，社会文明程度的提高也促使人类采取各种行动治理水生态环境[14-15]。在对水生态文明建设的评价中，PSR模型的压力—状态—响应过程不仅考虑到水生态系统的健康状况以及人类保护水生态系统的行为，还考虑到人类对水生态系统的破坏程度，全面反映特定时期内的人水关系，能对一个地区水生态文明建设状况作出科学的评价。

在城市水生态系统中，压力多来自用水量的增加以及污染物的过度排放，因此压力层面采用非农业用地比例、万元工业增加值取水量、人均用水量、单位面积污水年排放量、化学需氧量（COD）年排放量等指标来表现。水生态系统的变化主要受人类用水方式的影响，因此状态方面采用可用地下水综合生产能力、水资源开发利用率、水功能区水质达标率和万元GDP用水量等指标来表现。为实现人水的和谐发展，人类开始作出相应的改变，因此响应方面主要采用工业用水循环利用率、饮水安全达标人口、绿地面积增加量、防洪投入、水生态文化普及率、水文化宣传载体数量、环境治理资金投入和城市污水集中处理率等指标来表现。考虑到各个指标的相对独立性和评价指标体系的全面性[16]，本文以PSR模型为基础框架，遵循科学性、客观性、独立性和可获性等原则，构建了黄河流域中心城市水生态文明建设评价指标体系，如表1所示。

表1 黄河流域中心城市水生态文明建设评价指标体系

2 水生态文明等级的判定方法

2.1 指标权重确定

基于上述分析，本文在确定指标权重时主要运用熵值法进行相关的计算，根据指标的变化程度确定指标权重。其中，评价指标信息熵的大小能够反映出指标值的可变性，当指标的可变性较大时，在整个评价中的影响力就越重要，因此赋予其较大的权重[17]。评价体系原始数据矩阵可表示为X={xji}n×m(j=1, 2, 3, …,n;i=1, 2, 3, …,m)，其中，xji表示第j年第i个指标值，n表示评价年数，m表示评价指标个数。具体计算步骤如下：

（1）本文对原始数据进行标准化处理后结合不同指标的性质，将评价指标分为正向指标和负向指标。正向指标值越大，越有利于提升水生态文明程度。负向指标值越小，越有利于提升水生态文明程度。

式中：yji为标准化指标值。

（2）求各指标的信息熵Ei：

2.2 物元可拓评价模型及其改进

物元可拓模型主要是为解决事物不相容的问题，其源于著名学者蔡文和杨春燕[18]提出的物元可拓理论，适用于多因子评价。结合相关理论构建水生态文明评价模型，具体操作如下。

2.2.1 物元矩阵的建立

水生态文明程度物元描述用R=(N,C,V)来表示，其中各个元素分别表示水生态文明程度、水生态文明特征以及特征量值。假设N有i个特征，则水生态文明程度的物元矩阵可表示为：

式中：R代表i维物元；Ri则表示R的分物元；Vi为关于特征Ci的量值，即各指标相应的初始值。

2.2.2 经典域、节域和待评物元矩阵的构建

水生态文明N和它的i个特征Ci及其特征量值范围组成经典域物元矩阵Rt。

式中：水生态文明程度第n个特征值的量值范围主要表示为(ain,bin)。

Rp为节域矩阵，主要由所有评价等级区间组成，可表示为：

Ro为待评物元矩阵，主要用来表示水生态文明程度评价指标的实际量值范围，可表示为：

为避免相关函计算中由于指标实际值超出节点域的范围而导致结果无效，需要对物元可拓评价模型进行调整。原经典域的量值经过规格化处理后即可得到矩阵RI：

2.2.3 计算综合关联度确定评价等级

综合关联度的计算公式为：

式中：wi为评价指标的权重，采用熵权法计算；Dij为经典域量值范围距离。

若Kj=max{Kj(P)}，则待评物元P属于等级j，由此得到最终的评价等级。

3 实例应用

3.1 研究区概况

黄河流域流经9个省份，从西到东包括青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河南和山东，行政面积约为2.84×109m2，占我国国土面积近30%。截至2018年年底，黄河流域各省份总人口为4.2亿，占全国总人口的30.3%；地区生产总值2.39×1013元，占全国的26.5%；而水资源总量仅占全国的2.6%（该数据根据《中国统计年鉴2019》中水资源数据计算而得），其中8省份（除四川外）工农业用水总量为8.03×1010m3，农业用水超出全国平均水平，水资源开发利用率高达80.0%，超过一般流域40.0%的生态警戒线[19]。流域涵盖多个高原湖泊、国家公园和重点生态功能区，在国家生态安全保护中的战略地位日益凸显。结合行政区划的完整性，根据国家目前政策的统筹部署，本研究选取黄河流域的9个中心城市，即太原、郑州、济南、青岛、西宁、兰州、银川、呼和浩特和西安，对其水生态文明建设实际情况进行分析对比。

3.2 水生态文明建设评价

用于水生态文明建设评价的数据主要来自2009—2018年各省相应年份的《水资源公报》以及《中国城市统计年鉴》，数据中缺失的部分通过查找各地统计年鉴以及国民经济和社会发展统计公报进行补充。在对数据进行标准化处理后，根据式（3）求出各指标的信息熵值，再通过式（4）求得各指标权重。最后通过水生态文明评价的物元可拓模型对黄河流域中心城市水生态文明水平进行判定。

在生态环境评价研究方面，国内学者根据其可拓性来描述其程度[20]。本文结合水生态文明评价的可扩展性，根据现有的国内标准和国家城市发展指导政策，将水生态文明评价分为五个不同的等级：优秀、良好、中等、较差、差，分别用I、II、III、IV、V表示。目前针对评价标准以及评价阈值的定义都处于试探阶段，一些指标在地区间差异较大，因此综合考虑和参照有关学者的经验[21]，建立水生态文明评价的物元经典域矩阵、节点域矩阵以及各指标权重（表2）。

表2 水生态文明评价指标经典域、节点域范围、指标权重

通过建立水生态文明评价的物元经典域矩阵和节点域矩阵，代入2009年、2012年、2015年和2018年水生态文明指标对应的数值，得到各地区各年度每个指标相应的关联度来判定其所处的评价等级。以2009年太原市的人均用水量（C1）为例，求得K1(C1)=0.021 6，K2(C1)=0.015 9，K3(C1)=0.010 2，K4(C1)=0.004 6，K5(C1)=-0.001 1，根据其中的最大值K1(C1)可以进一步推断出2009年人均用水量C1处于I等级，即优秀水平。同理，其他指标的水平也可以进行确定，结果如表3所示。

表3 太原市2009—2018年水生态文明建设评价指标关联度

压力评价值反映了压力系统对水生态文明水平的贡献程度。压力评价值越大，对水生态文明建设的贡献越大，对应水生态文明的压力（风险）越小。近年来黄河流域依然面对水资源供需矛盾的问题，具体表现为流域多年平均水资源总量为7.19×1012m3，占全国水资源总量的3%，人均水资源量647 m3，是全国平均水平的1/3，属于严重缺水地区。从单项指标关联度等级判定的情况来看，单位面积污水排放量（C2）、非农业用地比例（C3）指标的等级呈现上升趋势，但人均用水量（C1）、COD年排放量增长率（C4）、城镇污水处理率（C5）评价指标出现了等级下降的趋势。结合研究区的实际情况进行分析，2009—2018年，各中心城市为提高水涵养功能、恢复生物多样性做出了很大努力，通过实际行动大力推进黄河流域水生态保护与修复，并取得了一定的效果。流域内也结合不同区域生态环境的功能特征进行分区控制，科学划定生态保护红线、永久基本农田控制线和城市发展边界。但各城市之间的人均用水量受人口密度、经济结构、水资源条件等多种因素影响，差异性比较明显，如兰州、银川多数年份都超出实际的用水分配指标。根据2009—2018年的计算结果显示，济南、青岛、太原和郑州等城市用水总量占比降低，其中人均用水量下降趋势最为明显的是呼和浩特、西安两个城市；兰州、银川等地COD年排放增长率的评价值相对较高，说明在工业污水排放量上部分城市初步取得了有效控制，但是仍然没有缓解地区水生态文明建设所承受的压力。而这一时期的压力也主要来自人类社会的工业废水排放，尤其是工业企业数量更多的城市污水排放继续快速增长，大部分的污水出水口排放量过多，大量工业废水没有得到有效处理就直接排入河流，农业生产对水环境也造成间接污染。

状态评价值反映了水生态环境现状对水生态文明的贡献情况。结合相应的指标来看，各个指标的变化幅度较为平缓，除水资源开发利用率（C7）评价等级呈现大幅度上升外，地下水综合生产能力（C6）、水功能区水质达标率（C8）、建成区绿地率（C9）和万元GDP用水量（C10）波动较小。总体而言，通过控制水资源开发利用强度，进一步缓解社会水循环给自然水循环带来的压力是实现黄河流域生态保护和高质量发展的重要环节。目前流域中心城市工业化和城市化的转变导致流域内工业用水需求不断攀升，生活用水需求逐渐迈向峰值。黄河流域在保障国家粮食安全中处于重要位置，因此农业用水方面不会出现大幅压缩，尤其是郑州、济南、青岛和呼和浩特等粮食核心生产区，未来流域用水总量的增长仍具有刚性。如果对水资源开发利用进行相应的控制，势必会加剧社会经济用水的供需矛盾，但是水资源开发利用率严重超标会挤占生态流量，出现水环境自净能力锐减等一系列水生态问题，因此在采取相应的措施时一定把握好其控制程度。城市层面的评价结果显示，流域内部水资源开发利用率的空间差异特征显著，西宁、兰州、银川和呼和浩特等的水资源利用率评价等级提升较为明显，地区河流健康程度较高。青海、宁夏等地有着丰富的地下水资源，开发潜力比较大，但目前仍处于利用率较低的状态，流域内地下水利用率超过40%的城市主要分布在黄河流域的中下游地区。目前，西宁、青岛、济南和呼和浩特等城市地下水综合生产能力评价等级均处于下降趋势，面临水资源严重短缺和生态恶化等问题，现实情况也表明，超采地下水或从黄河引水来满足用水需求必然会导致地区地面沉降以及水位下降的现象。济南、青岛和西安万元GDP用水量指标评价等级在2018年均下降到V等级，银川、兰州和呼和浩特的相关评价等级处于I等级，这些城市是中国重要的资源和能源基地，工业用水水平较高，用水相对节约，但是流域内万元GDP用水水平较低的地市数量少，导致流域整体水平不高，因此要对水资源进行严格管理。

响应评价值反映了人类社会对水生态文明系统保护的努力程度。相应的指标中可以看到饮水安全达标人口（C12）、城市污水集中处理率（C18）等级下降的变化趋势也是显而易见的，因此有关部门应加强水源地的水生态保护与恢复工作，定期检查饮用水源地的安全，加强污水处理设施和再生水设施的建设，严格控制水污染。结合工业用水循环利用率（C11）、饮水安全达标人口（C12）、防洪投入占比（C14）、环境治理资金投入占比（C17）等指标的变化，黄河流域中心城市中农业仍占据主要的位置，工业用水方面较为粗放，区间节水工作上存在一定的差距。目前水生态文明建设过程中洪水风险依然是最大威胁，黄河流域防洪减灾体系基本建成，流域内龙羊峡、小浪底等大型水利工程在防洪工作中起到了关键性作用。此外，水文化传播能够进一步加强对公众的水文化教育，在弘扬黄河文化的同时，习近平总书记也一再强调讲好“黄河”的故事，需要加快节水型社会建设，大力开展对公众的水生态宣传教育，有效进行节水、保水等水生态建设工作。结合城市水文化宣传载体数量的变化，今后在对文化内涵的转化和传播上仍需努力。目前黄河流域中心城市正积极采取相应的措施提高其水生态文明水平，如从生活和生产方面减少对水资源的消耗，加大非常规水资源的开发利用，同时提高污水集中处理率，以有效缓解污水排放对水生态安全系统的压力。

通过水生态文明评价指标的权重（表2）和黄河流域中心城市各年份水生态文明等级，判定2009年、2012年、2015年、2018年水生态文明评价综合关联度的相应等级（表4）。由表4可以看出，2009年各城市之间的跨度最小，说明该评价年9个城市的水生态文明建设普遍较弱且区域间差异性并不显著；2012年，9个中心城市的评价结果和2009年相比，有了明显的分层现象，特别是济南、西宁、呼和浩特等城市的水生态文明评价结果有所提升，这是由于这几座城市在绿地面积增加量（C13）等指标方面，等级有所提升，对水生态环境的改善起到了很大的推动作用。2015年，9个城市之间评价等级的差异性继续增大，太原的水生态文明水平由V等级提升到III等级，其他部分城市开始出现回落的现象，这表示近年在水生态系统的保护能力方面，各地区之间的差异性比较明显。2018年，黄河流域9个中心城市的水生态文明水平有了明显的上升趋势，郑州、济南、青岛、呼和浩特等城市的水生态文明评价等级已经达到中等，说明流域内各中心城市在流域水资源政策实施的基础上根据自身情况和经济社会发展的实际需要，对水资源配置进行合理优化，实行最严格的水资源管理制度，保障水生态系统的可持续发展。

表4 黄河流域中心城市各年份水生态文明建设等级

4 结语

本文利用PSR模型进行水生态文明建设评价指标体系的构建，逻辑性和全面性更强，适用于水生态文明评价。而利用熵值物元模型不仅可以确定整个评价对象的状态和稳定性，更能客观评价单个指标的相关信息，有效地克服了由于概念的模糊性和主观不确定性而无法定量评价水生态文明的问题。评价结果表明，近年来黄河流域水生态文明建设水平总体处于上升趋势，特别是水生态系统的保护能力不断提高。

从各城市的具体情况来看，2009—2012年，各城市水生态文明建设水平开始有了明显的提升，尤其是郑州和青岛两地在压力和响应系统层面的改善起到了关键的作用；2013—2015年，部分城市水生态文明建设水平出现回落现象，这一阶段水生态文明建设工作已经全面开启，各项指标也有了相对严格的标准要求，以往水资源基础层面的问题难以在短时间内彻底解决，致使该阶段水生态文明建设水平整体提升较慢；2016—2018年，各城市水生态文明建设水平呈较快上升趋势，状态系统的有序运转缓解了当前水生态承受的压力，助推水生态文明的可持续发展。总体来看，2009—2018年，太原、郑州、济南、青岛、呼和浩特的水生态文明建设取得了相对较好的成果；西宁、兰州、银川、西安的水生态文明城市建设有着较大变动幅度；黄河流域中下游城市群的水生态文明城市建设方面要明显好于上游。

由于相关数据资料的局限性，许多具有代表性的指标没有纳入水生态文明建设评价指标体系中，同时，目前对指标的筛选方面也没有形成统一的标准，虽然取得了相应的评价结果，但评价指标体系带有一定的主观性，需要进一步优化。因此，水生态文明建设评价指标的科学选择和数据的可统计性是今后需要深入研究的工作，考虑不同区域生态环境存在一定的差异，经典域的选取会影响最终评价结果的准确性。所以熵值物元方法更适合于评价同一地区不同时期或自然条件相似地区之间的水生态文明水平，在其他区域的评价研究中，应结合特定区域水资源的实际特点，准确识别涉及的变量因素，根据可靠的评价方法分析水生态文明建设的区位问题，从而实现对水生态文明建设规律的探索和准确的评价分析。