基于D数理论的衡水市水生态安全评价

(河北省衡水水文水资源勘测局 河北 衡水 053000)

水生态系统是联结地球土壤圈、岩石圈、大气圈、生物圈四大圈层的纽带，作为最具生物活性和景观多样性的生境之一，水生态安全是区域生态安全的基础，对维系区域生态要素数质量稳定演进乃至人地可持续发展起着重大作用[1～2]。源于人口增加、城镇化、工业化等社会发展进程，加之气候暖干化的演变，一方面水资源稳定性供应源不断萎缩，另一方面需水缺口逐渐增大，再者水污染、浪费等现象无疑为本就脆弱的水环境系统加剧了隐患。时至今日，水生态安全问题在全球和局部地区日益凸显，例如江河断流、河湖退化、湿地消失、地下水下降、地表干化、水生物多样性锐减等[3]。鉴于我国巨大的人口压力以及经济社会发展压力，我国面临的水生态危机前所未有，并成为限制可持续发的主要因素之一[4]。为更好地认识区域水生态安全格局，学者们从水资源承载力、水环境健康、水生态安全的角度进行了系列研究，通过构建水生态评价框架对水生态安全质量进行量化，并指出水资源本底环境是水生态安全的主体，人为活动则是水生态安全隐患的重大随机因素[5～6]。衡水市地处我国华北半干旱地带，水资源匮乏难以满足经济发展、居民生活需要，籍此探讨2005—2015年衡水市水生态安全演化趋势，以期为水资源保护和规划提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

衡水市地处黄淮海平原腹地、河北省东南，东临齐鲁、西界燕赵、北望京津、南连邢台，区域面积8 815 km2。源于冲击而成的平原，形成了缓岗、洼地、平地等地貌形态，全局地势和缓，海拔高度介于18～40m，地势自西南向东北缓慢倾斜，地形坡度介于1/4 000～1/10 000之间。区域属于温带大陆性季风气候，全年冷暖干湿差异明显，冬夏稍长、春秋短处而舒爽，雨热同期，冬季受西伯利亚冷高压控制，干燥而寒冷；夏季受太平洋副热带高气压带影响，潮温闷热，多年平均降水量524.8 mm，年平均气温12.6℃，年均蒸发量1 557 mm，无霜期200 d，大于10℃的有效积温在2 400℃～3 500℃之间，平均日照时数高达2 600 h。区域自然灾害以干旱为主，常有低温、大风、冰雹、洪涝等灾害发生。区域水系较为稀疏，发育有潴龙河、南运河等9条较大河流，均属于海河水系。土壤类型以潮土为典型土壤，富含有机质和氮素，为华北地区重要棉粮生产地，土地利用以耕地为主，占总面积64.6%，林草仅为2%。

1.2 研究数据来源

本文研究时域为2005—2015年，鉴于时间序列和相关指标需要，基本数据处理、熵权计算、D数融合在Excel 2016和Matlab2016R中进行。

1.3 基于D数的水生态评价方法

1.3.1 D数理论

基于目标变量的多维复杂性与决策者对其认知的不确定性，Dempster-Shafer(D-S)模型[20]以维数互不相容为准则建立起目标识别框架，从而运用模糊数解决各维度元素关联与信息不完全的多准则问题。在DS理论基础上，上海交通大学邓勇[7]教授提出了一种新的处理不确定信息的决策方法D数，概念如下[8]：

非空集合Θ=F1，F2，…，Fn满足i，j=∈[1，2，…，n]其中，i≠j，Fi≠Fj则存在D数的映射关系：D～F2→Θ[0，1]，满足

(1)

式中：D为Θ的一子集，信息完全度用Q表示，若Q值为1，则表明D数表达的信息是完全的，反之信息不完全。

D数具有置换不变性，设D1={(b1，v1)，(b2，v2)，…，(bn，vn}和D2={(bn，vn)，(bn-1，vn-1)，…，(b1，v1}，则有D1=D2

D数融合法则如下，D=D1⊕D2，则D(b)=v，其中

(2)

(3)

C=

(4)

1.3.2 D数理论融合处理指标属性

对各维度评估的级别分为：{I安全，II较安全，III一般安全，IV较不安全，V不安全}，其对应的函数值为{5，4，3，2，1}在考虑各维指标原始属性值大小的基础上，请k个专家进行D数评估，得到如下D数矩阵[9]：

(5)

例如：对2005年衡水市的年降水量这一维度，专家40%认为其属于V级，50%认为属IV级，尚有10%不确定；对于其堤防里程，专家100%认为其处于I级，以此类推。通过D数融合规则，对k个专家意见进行综合，得到综合评价矩阵D，并经过信任度R排序之后从小到大依据规则进行D数融合。

(6)

其中

(7)

不同专家信任度排序依次为：R1

1.3.3 基于熵权-D数模型的水生态安全评价

经上述熵权计算和D数矩阵构建后，依据熵权信息确定指标重要性程度，进而规范D数融合顺序，故而基于熵权—D数模型的融合规则如下[10]：

Di=(wλ1，Diλ1)⊕(wλ2，Diλ2)⊕…⊕(wλk，Diλk)

(8)

式中：wλk，Diλk分别表示从小到大排序的第k个权重值以及对应的D数值。据此得到：

D=[D1⊕D2⊕…⊕Dk]T

(9)

在此基础上，将各维指标评价结果所得D数Di利用式(4)进行集成，得到集成值I(Di)，即为该年度水生态安全评价结果。

1.3.4 熵权法

熵权法(Entropy-weight Method)根据目标对象各维属性值的变异程度计算出各维的信息熵，再通过熵权进行客观赋权。相比于层次分析法、因子分析法、模糊隶属度等，熵权法以属性值信息熵的大小度量维度重要性，权值精度更高，对变量维度的解释更具科学性[11]。其计算公式如下：

(10)

(11)

根据上式计算各指标权重，如表1所示。

1.3.5 衡水市水生态安全评价指标框架与权重

水生态安全是对人-水之间关系的能动反映，其表征了水生态系统自身涵养能力和社会服务能力，以及人类社会对水环境的响应。从这各角度出发，我们将影响水生态安全的因素划分为3个层次：经济社会、水资源然环境、人类活动。经济社会的发展进程给水资源环境带来严峻压力，斜坡水环境遭受退化从而影响人类生存发展，为改善这一不利局面，人类则采取积极行动维护水资源安全、改善自然环境。据此建立的指标框架可以深刻地解析人类社会对水生态系统的依赖性与胁迫性，以及水资源承载力受自身恢复能力与外界干扰的影响，直观阐明了多维影响因素间作用机理，指标体系如表所示。

表1 衡水市生态安全评价指标体系

注：正指标即指标数值越大，生态越安全，负指标则相反。

2 衡水市水生态安全分析

2.1 水生态安全评价综合指数与各指标之间的关系

如图1所示，雷达图能够直观反映衡水市水生态安全与各指标维度之间的关系。从贡献比来看，人均用水量、森林覆盖率均超过6%，是影响水生态安全的首要因素，人口压力是水生态安全面临严峻格局的本因，庞大的用水需要一旦超过了水资源承载力，则会引发水生态系统退化；而森林具有涵养水源、调节气候的作用，对区域水资源起着保蓄功能。人口密度、农业用水结构比、水资源总量、保护区面积率、水土保持治理率的贡献率介于4%～6%之间，它们对区域水生态安全具有重要意义。

图1 衡水市水生态安全评价综合指数与各指标之间的关系

2.2 衡水市水生态安全指标层解析

水资源承载力取决于区域水生态系统水源涵养能力与人口社会经济系统的胁迫性，良性的外部援助等也具有一定积极作用。经济社会-自然环境-人为活动层次模型将水生态安全的产生因素、环境呈现状态、及其对人类活动响应的这种因果循环关系直观展现。拟合分析可知(见图2)，状态、响应系统与生态安全指数演变趋势一致，拟合度较好，而压力系统变化方向与其相反，且拟合较差；表明衡水市水生态自然环境系统与人为响应对水生态安全良性发展起着主导作用，经济社会系统则是其制约因素。各维度权值中经济社会维度权值最高，达到0.3558，表明其是水资源安全关键影响因素；自然环境维度的影响程度次之，为0.326 1；人为活动为0.319 1，其反映外部干预的影响。

图2 水生态安全与各子系统安全拟合分析

由熵值信息可知(见表1)，子系统各占权重依次为:压力(0.318 7)<响应(0.333 3)<状态(0.340 0)，虽然压力系统对生态安全贡献度最低，但是其逐步退化趋势不容忽视，应是今后重点调控对象。具体指标而言，人均耕地面积(0.070 3)和人口密度(0.057 8)等指标负向发展是导致压力系统形势严峻重要根源，而森林覆盖率(0.068 7)与保护区面积率(0.059 6)的不断提升分别是状态与响应系统安全得以改善的基础，这些是影响区域生态安全的关键因子。

图3 水生态安全评价结果

2.3 水生态各维度安全动态解析

依据前述熵权-D数据方法，得到衡水市2005-2015年水生态安全各维度指数，如图3。图中可知，2005-2015年衡水市水生态经济社会维指数呈现波动特征，数值介于0.30～0.55之间，处于一般安全、较不安全等级，演变趋势不容乐观。衡水市地处华北地区，地表水源涵养能力一般，区域人口密集，农牧业、工矿业耗水量，水资源承载压力严峻。

其自然环境维指数由2005年的0.398.增高至2015年的0.482，相应地，其安全级别也从较不安全升高到一般安全级，表明水生态承载状态逐渐好转。其中2010年有明显的回落，主要由于该年度全区比较干旱，地表水资源量达到较低水平。研究时域内，全市水资源承载状态指数总体趋势良好，得益于新世纪以来全省林草恢复效果明显，森林覆盖面积扩展。衡水市的水资源保护力度严谨，2005-2015年的人为响应指数由0.458呈起伏升高至0.539，虽然略有波动，但发展趋势较好，处于一般安全水平。近十几年来，衡水市对水生态环境建设投入巨大，并取得瞩目成就，加强了工业废水的排放管控，建立起水资源保护区，人为响应指数有了一定提升。

2.4 水生态安全分析

研究时域内衡水市水生态安全面临的经济社会压力、自然环境状态、人为活动响应等特征均不相同，其水生态安全指数时间也表现出波动特征(见图3)。图3直观表明，2005年承载力指数最低，仅为达0.392 8，出于较不安全水平，自2006年之后其处于一般安全水平，承载力等级上升，10余年间承载力指数由0.392 8升高至0.476 8，虽然仍然处于一般安全水平，但总体而言其发展趋势良好。

3 结语

综上所述，本文从经济社会压力、自然环境状态、人为活动响应三个维度建立起衡水市水生态安全评价指标体系，并将D数理论引入对水生态安全评价研究中，该方法良好地处理了不确定性知识，既保留了专家评估的科学性，又兼顾了熵值信息的客观性，具有良好的应用前景，在实际操作中具有易于维数扩充、可操作的特点。研究表明，衡水市水生态安全指数平稳，整个格局一般，加强水资源保护与生态环境治理，是促进区域人-水和谐发展的应有之义。

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