基于DPSIR模型的沂河流域水生态安全评价方法

万生新,王悦泰



基于DPSIR模型的沂河流域水生态安全评价方法

万生新1,王悦泰2

1. 咸阳师范学院经济与管理学院, 陕西 咸阳 712000 2. 山东省新泰市泉沟镇农技站, 山东 新泰 271207

准确对流域水生态安全进行定量评价，明确流域水生态安全的限制因素。对DPSIR(驱动力-压力-状态-影响-响应)模型中“状态”和“影响”指标的选取进行辨析后建立了流域水生态安全评价多层次指标体系，采用改进的群组AHP法确定各层指标权重并最终计算水生态安全指数。以沂河流域临沂段为例，对该流域2015年水生态安全状况进行评价。结果表明：流域内水生态安全状态良好区域占45.2%，一般区域占54.8%，整体处在一般区间顶部，其水生态安全指数为0.573。水生态系统结构和功能仍较稳定，但面临着流域内经济水平亟须提高的威胁以及施肥强度过大的压力，在生态投入与措施采取中，恢复水生态系统沿岸湿地是重点工作。

水生态安全; 评价; DPSIR模型; 沂河流域

20世纪80年代以来，各领域学者从全球安全、国家安全、以及人类自身安全的角度认识到了生态安全的重要性[1]，并不断发展生态安全评价的理论与方法，其评价指标体系也从单因子发展到了多指标综合体系[2-6]。90年代以来，我国学者在区域、流域、资源等生态安全评价方面取得了重大成果[7-10]，形成了以区域为核心，流域、生态脆弱区为辅的生态安全评价研究格局[11]。但目前为止，由于对生态安全概念及评价内容等方面没有达成统一，所以生态安全评价的研究依然处在指标体系的构建和评价方法的探究阶段[12]。水循环是流域内物质、能量循环的重要承载者，对流域的植被、气候产生重要影响。水体中溶解性物质的侵蚀是造成流域内水土流失的重要因素。水力、物种多样性等为流域内居民提供了巨大服务功能。但伴随社会、经济的发展，流域水生态正在遭受人为的强烈干扰，另一方面，关于流域水生态的安全评价鲜有报道。

水源不仅对于是动植物的生存必需，同时也是生产生活的必需品，在人类社会生活方面起着无可替代的作用，对于江河等水流域而言，其生态安全直接制约着人类社会生活的方方面面[13-15]，人类活动或多或少都会对水域产生一定的影响，无论是有利影响还是不利影响，都难以避免地对水域生态结构产生一定作用，只有水域能够稳定地为人类社会生产生活提供足够的支撑，才能说明其具有稳定的可持续发展能力，其对外界威胁的应对能力正是其生态安全的充分体现，也是高于生态健康的体现，这也是生态学研究中常用的流域水生态安全。这种分析方法侧重于水域的生态安全，利用水的因果联系DPSIR来进行多层次的评价；之后通过AHP法对指标权重进行确定，然后对指标数据进行标准化赋值，并在权重的基础上对影响水生态安全的因素予以明晰；此外，通过实例分析的方式对沂河流域临沂段开展水域安全方面的探究，从而为提升水域安全水平提供有益参考和借鉴。

1 评价方法

1.1 DPSIR模型

该模型评价建立在以往的PSR模型之上，这种压力-状态-响应关系链的评价方法在环境问题分析中效果明显，该模型在此基础上融入了“驱动力”和“影响”指标，从而更加全面地分析生态环境社会问题；在这种因果关系链分析的方式之下，人类社会活动对生态环境的相互作用及影响能够多层次的加以分析评价[16]，不仅仅社会生产生活能够显著影响水域结构及安全等方面，而水域生态的变化也会直接对社会生活产生反作用，二者之间具有明显的关系链，在该模型分析之下通过“状态”分析能够对水域当前状态有效识别，同时结合“驱动力”、“压力”指标分析来对其面临的威胁及压力加以识别，在“影响”分析机制下判别其对相应生态及社会活动等方面的制约效果，“响应”识别能够分析维持生态安全所需保障；综合来看，该模型能够多方面、深层次地开展水域生态安全分析。

在DPSIR模型的应用中，“状态”和“影响”指标的选取一直较难区分。例如，在流域生态安全评价方面：徐艺扬等[17]将森林覆盖率定义为流域生态的“状态”指标，而张松等[11]认为森林覆盖率是河流健康状态造成的影响，所以将其定义为“影响”指标；姚远[18]将生物多样性定义为流域生态的“状态”指标，而赵振亚等[19]认为生物多样性为植被盖度等状态造成的“影响”。在水资源安全评价方面：肖新成等[20]将水质指标定义为水资源的“状态”，而陈洋波等[21]认为水质的下降是水资源超载影响的结果，所以将水质指标列入“影响”范畴。究其原因，这是由于评价对象内部因果关系的多重性和复杂性导致的，即评价对象的水质指标既是水资源超载影响的结果，同时水质又作为状态对水生生物、植被覆盖等要素产生影响。为明确流域水生态安全评价中“状态”与“影响”指标的选择，该评价方法对于水生态系统内部指标仅关注评价时刻的静态状态，即忽略水生态系统内部指标因果关系的作用过程，皆定义为“状态”指标。“影响”则主要关注水生态系统此刻状态对与其紧密联系的生态系统以及社会经济、人类健康造成的影响。

图 1 DPSIR模型示意

1.2 评价单元

在进行流域水生态整体评价的同时也要考虑其空间差异性，需将评价对象划分为次级单元进行评价。以行政区划作为次级评价单元具有可操作性强、易于将评价结果反馈于管理的优势。依据水系和流域边界确定次级评价单元在体现空间差异性的同时不会破坏流域水生态的连续性[13]。在评价时可从可操作性等方面选取合适的次级评价单元。

1.3 评价指标体系的构建

对水域生态分析建立在全面、可靠的指标分析基础上，前提是准确把控生态安全内涵，之后在此基础上开展相应的研究分析；在水域生态分析过程中不仅仅具有“目标”、“准则”层次，还要有“要素”、“指标”层次，在合理、全面的基础上选取的指标共22个，具体如表1所示。

1.4 权重的确定

各指标在评价过程中的重要程度不同，该评价方法采用改进的群组AHP法确定各层指标权重。主要步骤为：①各位专家构建两两判断矩阵获得个体排序向量；②根据专家所构造判断矩阵的一致性程度，并结合聚类分析思想得到每位专家的权重；③加权平均得到综合排序向量，即指标权重。详细计算过程见文献[22]，所得权重见表1。

表 1 水生态安全评价指标体系及权重

1.5 评价指标标准化处理

考虑到指标的取值性难度以及研究的可操作性，同时考虑到不同指标之间的量纲差异较大[23]，因此在本研究过程中对流域的综合评析采取量化分级的形式，根据实际测量值的优劣分为优秀、良好、一般、较差、差五级，并进行相应的标准化赋值，具体定义等如表2所示。

（1）建设用地比例：在人类长期影响下形成的人为景观格局，可表征流域内物质、能量循环的阻碍。以陆域面积中建设用地的比例表示。

（2）水资源开发利用强度：水资源的过度开发会影响水文循环进而导致流域内湿地面积减少、过渡带退化、湖泊萎缩等负面反应[29]。

区域水资源开发强度=年平均农业、工业以及生态用水量/区域水资源的总量×100% (1)

（3）工业废水排放强度：表征流域内点源污染压力，以评价年单位面积的工业废水排放量表示。

（4）施肥强度：流域内的水资源是农业发展的有利条件，但较低的化肥利用率使农业成为非点源污染的罪魁祸首。以单位农作物播种面积(公顷)的化肥施用量(折纯、千克)表示。

（5）河道连通性：水利工程以其隔断效应干扰了水生生物的洄游及不同水域水生生物群体间的遗传交流，致使生物多样性降低[30-31]。以每公里的闸坝、水电站等水利工程个数表示。

（6）平水期水量状况：以平水期水流淹没河道范围的百分比来表示评价目标的生态需水满足度。

（7）消落带湿地退化指数：消落带湿地可有效拦截面源污染。

消落带湿地退化指数=(历史湿地面积数据-当前湿地面积)/目前湿地面积×100% (2)

（8）底泥重金属风险指数：重金属是富集性污染物，底泥是水中重金属迁移的归宿，也是造成水中重金属二次污染的源头。

式中：为潜在生态风险指数；为第种重金属的潜在生态风险系数；为第种重金属的毒性响应系数；为第种重金属的污染系数；为第种重金属的实测值；为第种重金属的参比值，可选用当地重金属背景值。

（9）水生生物可以综合反映水生态系统的健康状况。该评价方法选择鱼类物种多样性综合指数，详细计算见《流域健康评估指南》[23]。

（10）森林覆盖率：森林是丰富的物质、能量、资源库，是陆域生态系统的重要组成，以其表征水生态对陆域生态系统的影响。

森林覆盖率=森林面积/陆域总面积×100% (4)

（11）水生态公众满意度：流域内生活居民对水生态现状、措施、宣传教育的满意程度，通过调查问卷的方式实施。

（12）退耕还湿地率：湿地是水生态系统的屏障，能有效控制面源污染，退耕还湿具有重要意义。以评价对象当年水生态系统沿岸退耕面积比例表示。

表 2 流域水生态安全评价指标量化标准

1.6 水生态安全指数计算

式中，X表示第个准则层的第个指标的标准化值，B为第个准则层的计算标准化值，W为第个指标的权重。

式中，W为第个准则层的权重。

1.7 水生态安全等级划分

按照优秀、良好、一般、较差、差5个等级划分水生态安全等级（表3）

表 3 水生态安全等级

本研究过程中涉及的统计数据取自于临沂市统计年鉴及职能部门数据；通过遥感影像来获取遥感数据，并采取高分一号；课题组2015年采样数据作为环境监测数据。

2 沂河流域(临沂段)水生态安全评价

2.1 研究区域

临沂因地临沂河得名，位于北纬34°22′~36°13′，东经117°24′~119°11′之间。临沂境内沂河流经沂水县、沂南县、蒙阴县、平邑县、费县、兰山区、河东区、罗庄区、郯城县，全长约333 km，流域面积11820 km2。近年来，临沂市社会经济发展迅速，水利兴建、耕地向建设用地转变、水资源大量开发以及点源、面源污染导致水体出现富营养化，水生态安全面临威胁。评价对象及其次级评价单元划分见图2。

图 2 评价区域

2.2 数据来源

研究区数据包括统计数据、遥感影像数据和环境监测数据。其中统计数据来源于山东省临沂市各相关职能部门及统计年鉴，遥感影像为覆盖全流域的高分一号数据，环境监测数据来源于课题组2015年的采样监测。

3 结果分析

3.1 流域整体分析

沂河流域(临沂段)水生态安全指数为0.573，处在“一般”区间顶部，水生态系统结构尚完整、功能可保证，但已出现一定威胁。绘制准则层“驱动力、压力、状态、影响、响应”的得分雷达图，如图3。由图3可知：①“驱动力”得分为0.523，处在“一般”区间，在准则层中得分较低。究其原因，较低的人均GDP(标准化值为0.290)将会对该流域水生态产生较大威胁。②“压力”、“状态”得分分别为0.646和0.600，处在“良好”区间，水生态面临的直接压力较小、处在较健康状态。施肥强度(标准化值为0.520)是目前该流域水生态面临的较大直接压力。周期性淹水以及人类活动的影响使得消落带内湿地数量减少，消落带湿地退化指数(标准化值为0.327，处在较差区间)为“状态”的限制因素。③“影响”的计算得分为0.459，处在“一般”区间，是准则层中的得分最低项。除水灾害损失占GDP比例的标准化值处在良好区间，其余各指标标准化值皆处在一般区间。

图 3 准则层评价结果

3.2 空间差异性分析

次级评价单元间具有差异性，水生态安全状况“良好”区域面积占45.2%，“一般”区域面积占54.8%，详见图4。从空间差异性来看：①处在上游的沂水县、蒙阴县，政策上限制高强度工业、推行生态化农业，在较小压力下，水生态系统结构、功能稳定，水生态安全状况处在“良好”区间。②流域中上游的费县、平邑县、沂南县，水环境状态与生物种群状态成为水生态安全的限制因素，水生态安全状况处在“一般”区间。③兰山区与河东区处在流域中游，近年来政府部门加大生态投入，严格执行环保措施，水生态安全状态明显改善，处在“良好”区间。④位于中下游的罗庄区，重工业为其支柱产业，较大的水资源利用及工业废水排放强度对水生态造成了较大压力，并在此压力下造成了水环境状态和生物种群状态的下降，水生态安全状况处在“一般”区间。⑤郯城县位于罗庄区下游，水环境状态受到上游影响，水生态安全状况处在“一般”区间。各次级评价单元的准则层得分及水生态安全指数见表4。

图 4 次级评价单元水生态安全评价结果

表 4 各次级评价单元准则层得分及水生态安全指数

4 结论

1) DPSIR模型不仅可以识别水生态目前的健康状态，又可预见水生态面临的潜在威胁，以及在人类保护下水生态可持续发展的能力。DPSIR模型是进行水生态安全评价的适合模型。

2) 提出了DPSIR模型在水生态安全评价过程中“状态”和“影响”指标的选择原则：对于水生态系统内部指标，忽略其因果关系的作用过程，皆定义为“状态”指标，“影响”指标则主要关注水生态系统此刻状态对与其紧密联系的生态系统以及社会经济、人类健康造成的影响。

3) 该方法以DPSIR模型为基础构建包含22个指标的流域水生态安全评价指标体系，采用改进的群组AHP法确定各层指标权重，并建立指标标准化标准，形成系统的流域水生态安全评价方法。

4) 沂河流域临沂段水生态安全指数为0.579。其中“状态”得分为0.621，水生态处于较健康状态，但人均GDP标准化值低至0.290，存在流域内经济水平亟待提高的威胁。在水生态当前健康状态下，陆域生态系统中存在水土流失比例较大(标准化值为0.42)现象，水生态对与其紧密联系的生态系统造成了一定消极影响。

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The Method Assessing Water Eco-security in Yi River Based on DPSIR Model

WAN Sheng-xin1, WANG Yue-tai2

1.712000,2.271207,

In order to quantitatively assess the water eco-security and determine the limiting factors of it, this method established a multi-level index system by discriminating the selection of the "state" and "impact" in the DPSIR (Drives-Pressures-State-Impact-Responses) model. After establishing the index system, the improved group AHP method was used to determine the weight of each index and water eco-security index was calculated finally. Taking the Linyi section of Yi River watershed as an example, the water eco-security in 2015 was assessed. The results show that the good regions of assessment object accounted for 45.2%, the general areas accounted for 54.8%, and the water eco-security index of the assessment object is 0.573, at the top of the general interval. The structure and function of the water ecosystem are stable, but it is facing the threat of increasing the economic level and the pressure of excessive fertilization. The restoration of wetland in water ecosystem is priority for the process of ecological investment and measures taking.

water ecological security; assessment; DPSIR model; Yi River Watershed

X826

A

1000-2324(2019)03-0502-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.03.032

2018-03-24

2018-04-11

教育部人文社会科学研究青年基金:社会资本、组织结构与农民用水合作组织发展研究(13YJC790135);陕西省社会科学基金:基于成员退出行为的关中灌区农民用水合作组织发展研究(2016D026)

万生新(1975-),男,博士,副教授.主要研究方向:农业与农村发展. E-mail:287405457@qq.com