基于DPSIR模型的南通水生态安全评价研究

叶爱山，金彩灵，李晓华

(南通理工学院商学院，江苏 南通 226002)

0 引言

长三角城市群在经历了多年来社会经济迅速发展后，水生态系统正面临前所未有的压力[1-2]。南通作为长三角城市群的重要城市之一，迫切需要对水生态环境进行有效治理。自“十三五”规划以来，南通认真贯彻落实党中央提出的“共抓大保护，不搞大开发”的生态环境保护理念，坚定担起水环境治理的重任，建立坚固的保护防线，全方位提高水生态环境管理水平。虽然在“十三五”规划执行过程中，水生态问题已得到明显改善，但仍未得到根本性解决，这与“美丽中国”目标还存在一定差距[3]。为了在“十四五”规划期间有效应对挑战，必须全力以赴开展包括工业、农业、生活在内的各种污染源的治理，着力确保水资源安全，积极推进水生态的保护与修复工作。在此背景下，本研究构建了“驱动力—压力—状态—影响—反应”(DPSIR)模型，运用熵值法确定各指标的权重以及测度水生态安全指数，并对其进行安全等级划分。通过分析各子系统的变化情况，评估南通水生态安全的发展趋势，为南通实现生态文明建设的绿色目标提供决策支持。

1 区域概况与数据来源

1.1 区域概况

南通位于长三角北翼，长江与海洋的交汇处，南临长江、东临黄海，水资源丰富，素有“江海门户”之称。独特的地理位置和气候条件对该地的水生态环境建设提出了挑战。作为全国重要的沿海港口之一以及长三角区域的交通枢纽，南通拥有便捷的物流优势，但同时也面临产业结构单一化和能源利用效率偏低的问题。尤其是沿江岸线的港口活动，伴随高货物吞吐量的同时致使能源消耗和污染物排放的增加。在农业领域，以种植业为例，总氮和总磷的排放量不仅占到了全市总排放的半壁江山，更是对局部水生态环境安全构成了不可忽视的威胁。此外，随着城市化步伐的加速和经济的飞跃发展，南通正面临人口增长、城市扩张、污染加剧和气候变化等多方面压力。水资源分布的不均、供需矛盾的加剧等问题也愈发凸显，这些因素共同考验着南通水生态安全的保障能力。

1.2 数据来源

本研究的数据来源为《中国统计年鉴》《南通市水资源公报》《南通市统计年鉴》，以及江苏省林业局相关公开数据。由于研究数据存在滞后性，研究期选取的是2017—2021年，个别缺失数据采用插值法补齐。

2 评价体系构建及测度方法

2.1 评价体系构建

DPSIR模型是在PSR模型的基础上扩展而来，在环境系统中被广泛使用于评价指标体系构建。该模型将表征一个自然系统中的评价指标分为驱动力(D)、压力(P)、状态(S)、影响(I)和响应(R)[4]。其中，驱动力是造成城市水生态环境变化的间接因素，包括经济发展和人口变化；压力是指在驱动力下，人类活动对水生态环境造成的直接压力，包括水资源需求压力和环境压力；状态即在其压力水平下，造成的水文状态和环境状态；影响是指在这种状态水平下，水生态环境再反作用于人类活动所带来的水环境、生态环境、社会环境的变化；响应是指在其影响作用下，人类活动应该从社会污染控制方面采取举措，牢守水生态安全。结合南通水生态环境组成要素及内部相关关系，并参考国内外相关研究[5-6]，分别选取水资源、水环境、水灾害及水生态的代表性指标，构建驱动力、压力、状态、影响和响应为准则层，以及对应的17个指标为指标层的南通水生态安全评价指标体系，如表1所示。

表1 南通水生态安全评价指标体系

2.2 测度方法

熵值法是一种综合评价方法，是能依据被评价对象指标值所构成的判断矩阵来确定指标权重的一种方法，具有较强的客观性。熵值法就是对某种事件不确定性的一种度量，也是对系统状态不稳定性的一种度量。在信息论中，信息熵表示系统的有序程度，有序程度越高，信息熵的值也就越大。相反，有序程度越低，信息熵的值也就越小。换言之，就是若在某一指标上评价对象的值与之相差过大，那么其熵值较小，熵权较大，其结果提供的有效信息就相对较多。因此，本研究通过熵值法来确定指标权重，研究17个指标对水生态安全的影响程度，其权重的计算对评估结果有重要影响。由于熵值法为常用模型，此处就不再赘述。

3 指标权重分析及评估等级划分

3.1 指标权重分析

通过熵值法，测度出各个准则层及其对应指标层的权重值(表1)。下面将针对各准则层进行详细分析。

在驱动力准则层内，年末常住人口权重最高。虽然，南通人口自然增长率到2021年已跌破-5.14%，创历史新低，但年末常住人口还在不断上升，2017—2020年增幅较大，到2021年增幅趋于平缓，这项指标处于较为波动的状态。这一准则层表明人口发展指标对水生态环境影响较大，是水生态安全变化的关键要素。

在压力准则层内，农业用水量和工业废水排放总量变化幅度明显，所占准则层权重较大。2021年农业用水22.44亿立方米，占总用水量47.10%，农田亩均灌溉用水349.2立方米，同比2020年农业用水量和农田亩均灌溉用水量分别下降3.86、2.36个百分点。废水排放量在这一阶段得以控制，2019年废水排放量提升至47 639万吨，到2020年迅速下降至43 663万吨，减幅较大，随后处于稳定状态。其中，工业废水排放总量占比最大。这一准则层表明“十三五”规划下农业用水量和工业废水排放总量得到良好的管控，对水生态环境产生直接性的影响。

在状态准则层内，生态环境状况指数权重最大。截至2021年，全市水资源总量为35.44亿立方米。同比2020年，下降25.6个百分点。年降水量指标处于稳定状态，一直处于雨水偏丰年。与2020年相比，河流干流鱼类资源密度增加明显，呈现规格增大、数量增多等特征，水生生物资源呈现良好态势。这一准则层表明在“十三五”规划下水生物结构体系恢复良好，水生态环境状况呈现改善趋势。

在影响准则层内，可利用水资源总量所占权重最大。2020年，南通11个市考以上断面水质优良率达到81.80%，单位面积水质恶化率不断减小，可利用水资源总量节节攀升。但到2021年骤降到35.44亿立方米，变化速度与幅度较大。全市2021年林地面积1 243.63百公顷，生物丰度指数30.32%，两项指标趋于稳定状态。这一准则层表明水资源是水生态安全的核心因子，亟须重视水资源高效利用与开发。

在响应准则层内，工业固体废物综合利用率和污水处理率权重相当。在社会污染控制下，工业固体废物综合利用率稳步提高至96.66%，污水处理率上升至96.1%，生活垃圾无害化处理量达82.3万吨。这一准则层体现了南通采取相应措施积极响应水生态环境保护，对水生态安全变化有积极的影响。

3.2 评估等级划分

结合我国水生态安全特点和南通水生态安全具体情况，参考相关文献[7]，设置南通水生态安全综合判别等级，以等间距的方式划分水生态安全水平为5个等级，如表2所示。水生态安全综合评价值的取值范围为[0，1]，安全综合平均值越接近1，其水生态安全状态越好；反之，安全综合平均值越小，其水生态安全状态越差。

表2 南通水生态安全综合判别等级

4 南通水生态安全评价分析

4.1 水生态安全综合指数变化

采用熵值法测度出准则层和指标层的权重和安全评价值，再依据测度结果对其进行水生态安全等级划分，得出南通2017—2021年的安全状态等级情况，如表3所示。

表3 南通市水生态安全综合评价结果

由表3可知，2017—2021年，南通水生态安全状态逐渐恶化，从“较安全”状态下降至“很不安全”状态。安全值表现出明显下降态势，在2021年时安全值从0.473 4下降至0.193 8。2017—2018年，南通水生态安全状态均为“较安全”，状态稳定且安全值呈现增长趋势。主要原因在于，在“十三五”规划下，南通针对水生态安全问题进行了大力治理和资源投入，取得了良好的成效。全市范围内主要河道水质提高到Ⅲ类，无劣V水体。该阶段对水环境质量提出了较高要求，但未对产业结构、生物多样性、社会环境建设及生态环境状况提出要求，这为下一阶段埋下了隐患。2019—2020年，南通水生态安全状态均为“基本安全”，状态稳定且安全值呈现增长趋势。主要原因在于，在“十三五”规划后期，遗留问题大量显现，但由于相关政策的积极出台，且施行效果良好，该阶段安全值呈现向上势头。到2021年，南通水生态安全状态为“很不安全”，下降至0.193 8。主要原因在于，在“十三五”规划实施过后，尽管水生态状态得到了小幅度提升，但水生态、水资源、水环境等有关问题，未得到根本性解决。且“十四五”规划前期，经济发展层面不稳定因素偏多，导致其水生态环境保护进程速率大幅度下降，给水生态安全建设带来了前所未有的挑战。因此，众多因素使得这一阶段水生态安全综合平均值较低。

4.2 系统层变化情况分析

驱动力系统值呈现梯式递减趋势，系统处于“很不安全”状态。城市经济发展和人口规模扩张，加大了水生态环境的压力。虽然市民环保意识不断增强，但是依旧抵不住年末常住人口增长带来的负面影响，致使2021年驱动力系统评价值下降迅速。

压力系统值先增后减，呈现开口较大的倒“U”型，安全值在2021年一落千丈。2017—2019年，由于“十三五”规划下对水生态环境的管控，工业、农业、城乡居民用水量呈现下降趋势。因此，水生态安全综合评价值稳定上升。但2019—2020年，对水生态环境的管控能力大幅度减弱，工业用水量骤增，这使得压力系统评价值跌幅迅速。

状态系统值呈现倒“N”型发展态势，且在2019年达到最低点0.049 1。2017—2018年的系统安全值均处于0.11以上，几乎无明显波动。2019年，可利用水资源总量和平均降水量出现大幅下降，分别达到20.06%、23.84%。2020年，出现明显回升，系统安全值显著上升。2021年，又呈现小幅度下降趋势，其主要原因在于可利用水资源总量和平均降水量的不稳定性。

影响系统值总体呈现“M”型发展态势。2017—2018年，系统安全值均处于0.22以上，呈现平缓上升趋势。2019年，呈现明显下降态势，其主要原因是在特殊形势下，第三产业被严重影响，生态环境保护成本也不断提升，其植被覆盖指数也在下降。随后，又出现了“反弹”现象。2021年，又迅速跌落至“谷底”，其主要原因是水网密度从73.71%迅速上升至80.92%，可能会导致水资源的浪费、水质恶化和生态破坏等一系列问题。

响应系统呈现先下降后上升的趋势。2019年之前，变化不显著，呈现小幅度下降趋势，但在2020年下降速率突然提高，随后又“触底反弹”，响应系统值迅速上升，其主要原因在于工业固体废物综合利用、污水处理等政策实施效果逐渐显现，响应系统在2021年对水生态安全贡献值最高。

5 结论与建议

基于DPSIR模型，从水资源环境、社会活动、经济发展等方面构建了南通水生态安全评价体系。运用熵值法对水生态安全状态进行综合评价，并划分水生态安全等级。研究发现：整体来看，研究期内南通水生态安全综合评价值呈现“M”型发展态势，整体呈现下降趋势。安全等级从“较安全”状态下降至“很不安全”状态，南通水生态安全问题愈发严重。从各子系统来看，驱动力、压力、状态、影响系统整体都呈现递减趋势，而响应系统呈现上升趋势。其中，影响系统综合得分较高，其次是压力系统，表明南通水生态安全保护的实施带来了积极影响，水生态安全问题得到改善，但仍存在水资源需求、水生态环境状态较为严峻等问题。从指标层权重值来看，年末常住人口、农业用水量、可利用水资源总量等是制约南通水生态安全优化的重要指标，说明南通经济发展和人口规模的增长，对水生态环境平衡将会产生直接性影响。据此，提出相关对策建议。

第一，生态补偿与流域治理一体化。南通水生态问题与上游活动紧密相关，推动流域上下游的一体化管理和生态补偿机制是保障水生态安全的重要措施。南通市政府应与上游地区建立流域治理合作机制，共同投资于水资源保护和水污染治理项目。同时，可以探索建立有效的生态补偿机制，对上游地区因为环保措施而减少开发而产生的经济损失给予补偿，鼓励上游地区采取更加积极的环境保护行为。此外，应通过法律法规确立水生态保护的地位，严格控制流域内的工农业排放，减小水生态系统的压力。

第二，强化水资源综合管理与节水意识。水资源的过度开发和不合理利用是水压力增大的主要原因。因此，南通需采取加强水资源的综合管理，推广节水技术和设备，优化农业灌溉系统，提升工业循环用水率，以及在城市规划中融入雨水收集和利用系统等措施。同时，应通过公众教育和媒体宣传，增强市民的节水意识，倡导低水消耗的生活方式。政府还可以通过提供节水设备补贴、开展节水竞赛等方式激励节水行为。另外，可以适当提高水价，以市场手段调控水资源的合理分配和高效利用。

第三，逐步恢复水生态系统。水生态系统的健康直接关系到水生态安全。建议采取多种措施恢复受损水生态系统，比如实施河流生态修复工程，建设人工湿地，恢复水生植物，以及保护本地水生动物等。通过这些措施来增强水体的自净能力，保持生物多样性，同时提高水生态系统对外界干扰的抵御能力。政府制定相关政策，着重对关键水域实行生态红线保护，限制高污染和高耗水行业的发展，保护和扩大水源涵养区。此外，鼓励市民、企业和社会组织参与到水生态保护中来，形成政府、社会和市民共同参与的水生态保护网络。