基于DPSIR模型的西北地区水生态安全评价研究

曹源圆

(陕西师范大学西北历史环境与经济社会发展研究院，陕西 西安 710119)

水生态安全问题关乎我国的经济、生态和国家安全[1-2]。随着西部大开发的有序推进，我国西北形成以生态经济区划格局的西部地理分区，2013年习近平总书记提出的“丝绸之路经济带”已经划定陕西省、甘肃省、青海省、宁夏回族自治区、新疆维吾尔自治区以及内蒙古自治区6省(区)为西北重点区域[3-4]。我国西北地区大部分属于经济欠发达地区，恶劣的水生态环境制约了其经济发展，使其处于发展缓慢的贫困集中地。作为我国重要的生态屏障和“水塔”，西北地区水生态安全问题的研究和解决迫在眉睫[5]。水资源条件、水生态安全及其生态条件也成为西部大开发新格局的重要支撑。

在水生态安全的研究中，国内专家学者们首先从水生态安全的定义、现状及保护对策等方面作了分析和探讨[6-8]。随着专家学者对水生态安全理论基础探讨的不断更新，大量学者从水生态安全指标体系的建立方面对水生态安全进行了定量评价，本文从综合评价指标体系角度考量，采用PSR、DPSIR模型、均方差-TOPSIS模型等对省份、城市以及流域水生态安全进行综合评价[9-13]。多数学者的评价都是基于单一省份、单一城市的水生态安全评价，鲜有对区域水生态安全的评价。在对西北地区水生态安全的评价方面更是没有把水生态安全与西北地区的整体生态安全进行统一，进而支撑西部大开发新格局的稳步推进。因此，本文依据西北地区水生态安全现状，构建DPSIR指标体系分析影响水生态安全的因子，评价其水生态安全的时空特征，并在此基础上提出西北地区水生态安全的评价结论及建议。

1 研究方法及指标体系的构建

本文选取西北地区2007—2017年的数据进行研究，数据来源于中国统计年鉴、中国环境统计年鉴、西北地区各省份统计年鉴、水资源公报以及环境公报。

1.1 研究方法

1.1.1 熵值法

本文采用熵值法确定各个指标的权重[14]：

a.数据标准化：

(1)

(2)

式中：xjmax和xjmin分别为指标xij的最大值和最小值，i=1，2…n；j=1，2…m。

b.数据对数非负化处理：将标准化后的每一个数据进行对数非负化处理。

c.进行归一化处理：

(3)

式中：Xij为原始数据矩阵标准化处理、非负化处理后的数据矩阵;Pij为第j项指标第i年的归一化值在整个评价年份序列中的比重。

d.计算第j项指标的熵值：

(4)

其中,

式中：ej为第j项指标的熵；k为玻尔兹曼常量。

e.计算第j项指标的差异系数：

(5)

f.求权重：

(6)

式中：wj为第j项指标的权重值，且 0≤wj≤1。

g.计算子系统综合得分：

(7)

1.1.2 评价标准等级

参考吴舜泽等编著的《国家环境安全评估报告》，结合西北地区目前自然条件和社会发展状态，划分水生态安全状态等级，见表1。

表1 水生态安全状态等级

1.2 DPSIR指标体系构建

为评价西北地区水生态安全，采用DPSIR框架，选取能够体现其特有地理环境、水生态安全等指标[15-16]。在指标的选取中，通过咨询相关专家、查看相关权威性文献，选取了能够反映水生态安全系统状态的评价指标，共计27项。

a.驱动力子系统(Drive force)：选取人口增长率和年末常住人口总数来反映地区人口增长速度，采用地区生产总值、人均GDP和GDP增长率指标反映地区经济结构以及人民生活水平和地区经济年际发展状况。

对照组患者入院后进行常规的检查和护理，叮嘱患者在进行治疗前停用其他的镇痛药物以及治疗偏头痛的药物。对照组患者给予氟桂利嗪进行治疗，药物采用口服的方式进行服用，每天服用一次，服用剂量为5 mg，连续服用八周。

b.压力子系统(Pressure)：采用地区用水总量、人均用水量、生态用水和万元GDP用水量来反映地区水资源消耗现状，表现经济用水和生态用水的发展状况。使用废水排放量、COD排放量和NH3-N排放量指标反映社会经济系统对环境的直接影响以及水环境污染现状。

c.状态子系统(State)：选取水资源总量、人均水资源占有量反映地区水资源禀赋总量以及人均拥有水资源量。地表水和地下水资源量指标能够反映区域水资源存储能力，年平均降水量指标是衡量地区多年降水量的平均指标，被用于反映地区降水状况。

d.影响子系统(Impact)：本文选取西北地区森林覆盖率、沙化土地面积反映生态系统脆弱程度，采用劣Ⅴ类以下河段比例和城市水功能区个数达标率来反映地区河流水质和水功能区达标比例。

e.响应子系统(Response)：采用城市污水处理率反映地区污水处理技术水平以及开展力度。采用工业废水治理投资额、污水处理投资额反映地区社会经济对水生态安全的保护和支持力度，使用各省(区)累计水土流失治理面积来反映地区水土、水灾害以及节水能力的应对效果。

2 西北地区水生态安全评价指标权重

2007—2017年西北地区的各指标权重见表2，在27项指标中，COD排放量与城市水功能区个数达标率两项指标所占权重较大，分别为0.0673和0.0643。其余指标中，沙化土地面积和生态用水所占权重比全国其他地区大，这也体现了其地理环境以及水资源利用的自身特点。

表2 水生态安全评价综合权重

西北地区水生态安全综合评价指标之间的关系见图1。由图1可知，COD排放量、城市水功能区个数达标率、生态用水等指标影响较大，这反映出解决西北地区水质、用水以及水功能区问题的重大意义。地区生产总值、人均GDP对水生态安全综合得分影响也较大，这说明其水生态安全受人类社会活动影响较大，因而依赖经济发展和投资带动西北地区水生态安全的提升意义重大。

图1 西北地区水生态安全综合评价指标之间的关系

3 评价结果分析

3.1 西北地区整体水生态安全评价时间序列分析

本文选取2007—2017年数据对西北地区水生态安全进行分析，得到水生态安全评价综合得分，见表3、图2。

表3 西北地区整体水生态安全综合评价得分

图2 西北地区整体水生态安全综合得分曲线

由表3、图2可知，2007—2017年水生态安全综合评价得分呈现出先上升后下降的趋势，分布在0.2376～0.6548之间，2007—2010年间均处于第Ⅱ等级，为中警状态；2014年处于第Ⅳ等级，为较安全状态；在2011—2013年和2015—2017年间处于第Ⅲ等级，为预警状态，但总体水生态安全等级向安全状态发展。由于近年来政策、经济方面对水生态安全的支持，使水生态安全评价得分呈现上升趋势，然而由于西北地区自身的水生态环境问题，导致人口、降水以及土地沙化等不稳定情况发生，进而导致在其中几年综合得分呈现下降趋势。

2007—2017年水生态安全驱动力系统呈现出波动上升的趋势，从2007年的0.5054上升到2013年的0.8818(见表3、图3)。其中，国内生产总值、人均GDP以及GDP增长率的增加对驱动力子系统得分的提高起到推动作用。在此年间，地区生产总值平均值由3348.2亿元上升到10402.6亿元。2014—2017年由于地区常住人口数量由2014年的2079.4万人增加到2017年的2119.3万人，使得驱动力子系统得分下降，但是仍高于2010年以前。压力子系统得分呈现出先上升后下降的趋势，其得分的变化主要由废水排放量、COD排放量以及NH3-N排放量所导致。状态子系统得分在2012年达到最大值，为0.8646，其中2012年西北地区年平均降水量达到350.983mm，人均水资源占有量达到10年以来的最高值4007.28m3。2015—2016年之间由于人口的增加，导致在水资源总量不发生变化的情况下，人均水资源占有量变少。影响子系统在2007年得分最低，为0.0506，2016年达到最高，为0.3945，最高值和最低值之间差距很大，表现出影响子系统发展的不稳定性。在影响子系统中，西北地区森林覆盖率在10年中基本没有变化，均保持在12%～16%之间，但是水质达标监测、水功能区个数达标率以及沙化土地面积的比例有较大波动。响应子系统得分从2007年的0.1156上升到2014年的0.5983。其中城市污水处理率随着技术的进步越来越高，2017年城市污水处理率达到91%。工业废水及污水处理投资额逐渐增高，体现出经济对于水生态安全的支持力度。

图3 西北地区整体水生态安全系统得分

3.2 西北地区水生态安全评价空间分析

为了对西北地区2007—2012年间6省(区)的水生态安全进行空间上的分析，特选取2007年、2012年、2017年3个时间点上的数据进行综合得分及子系统得分分析，见表4。

表4 2007年、2012年、2017年西北6省(区)水生态安全评价综合得分

从表4来看，2007年西北6省(区)的水生态安全综合得分处在0.3584～0.5743之间，区域差异较大。排在第1名的是内蒙古自治区，第2、第3名是陕西省和新疆维吾尔自治区，其得分分别为0.5743、0.5188和0.4962。2007年内蒙古自治区的驱动力子系统和响应子系统得分均为6省最高，其经济社会发展水平和水生态安全治理水平使其综合得分远高于其他省区。内蒙古自治区2007年的污水处理投资额为2.62亿元，累计水土流失治理面积为990.18万hm2，在6省(区)中排第1。水生态安全综合得分最低的是宁夏回族自治区，由于驱动力系统和状态系统得分低导致综合得分最低。宁夏回族自治区和甘肃省在现有水资源状态上不占优势，地表水和地下水资源极度短缺。

2012年西北6省(区)的水生态安全综合得分处在0.4071～0.5797之间。综合来看，2012年比2007年各省区的综合得分均有所上升。其中响应子系统得分均有所增加，尤其是累计水土流失治理面积、污水处理投资额投入的增加。宁夏的污水处理投资额从2007年的0.40亿元下降至0.12亿元，投入减少。在累计除涝面积和节水灌溉面积上，青海省最低，分别为0.58万hm2和9.72万hm2，与陕西省的13.24万hm2和88.16万hm2相差甚远。

2017年西北6省(区)的水生态安全综合得分处在0.3729～0.6069之间。其中排在第1名的是甘肃省，其综合得分为0.6069。甘肃省的响应子系统得分为6省(区)最高，其水生态安全治理水平使其综合得分远高于其他各省区。其中累计治理投资面积为858.05万hm2，是新疆维吾尔自治区的8倍左右。2017年甘肃省城市污水处理率、污水处理投资额以及沙化土地面积均达到6省(区)平均值以上。

4 结论与建议

4.1 结论

本文通过建立起DPSIR评价指标体系，对影响2007—2017年间西北地区水生态安全的指标进行综合得分分析，从时间维度上分析了西北地区整体水生态安全状况，并对2007年、2012年以及2017年西北6省(区)的水生态安全进行空间得分分析，得出以下结论：

a.从综合评价权重与相关指标分析中发现，COD排放量、城市水功能区个数达标率、生态用水量、沙化土地面积、森林覆盖率对西北地区整体水生态安全综合得分影响较大。地区生产总值、人均GDP对水生态安全综合权重影响也较大，表明水生态安全受到人类社会经济活动的影响也比较大，因而依赖经济发展和投资带动西北地区水生态安全的提升有重大意义。

b.从2007—2017年西北地区整体水生态安全评价来看，水生态安全综合得分不断上升，水生态安全等级有所提高，说明水生态安全状况有所改善，而且国家对于西北地区的重视度也在提高。

c.从2007年、2012年以及2017年的评价中得到西北6省(区)的水生态安全综合趋势图，6省(区)的综合水平都在逐年上升，但是从空间角度来分析，地区之间水生态安全在水资源禀赋、地区经济以及治理投入方面存在着较大差异，说明地方政府对于该地区治水措施投入额的大小对水生态安全的保障有着很大影响。

4.2 建议

结合评价结果，本文对西北地区水生态安全的保护与建设提出以下建议：

a.在保持西北地区生态环境不受破坏的条件下，加强对西北地区的经济发展建设。水生态安全既受到地区原生资源禀赋的影响，又离不开人类对水生态环境的保护，更离不开西部大开发在经济和生态方面的带动。

b.继续保持对西北地区整体区域化发展的重视度。区域化发展有利于水资源的保护和协调，从而有利于水生态安全的改善和提升，进而支持西部大开发新格局的稳步发展。

c.在保持区域化发展的同时，结合西北6省(区)各自特色，加强对水生态安全在政策制度、教育文化以及媒体方面的响应和宣传，将水生态安全的保护作为“人水和谐”的水生态文明城市建设的一部分。西部大开发战略实施二十年来，西北地区经济社会发展得到提升，如今在西部大开发新格局的建设号召下，保证西北地区的生态安全有着重要的意义。西北地区水生态安全的评价研究，可以进一步从理论和实践方面进行丰富。