基于TQR-EGM模型的水资源生态安全评价及动态预警

何 刚，赵疏航，杜 宇

(1.安徽理工大学 深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽 淮南，232001；2.安徽理工大学 经济与管理学院，安徽 淮南，232001)

1 研究背景

水资源时空上分布不均匀是我国的基本水情，须加强水污染共防联治，从根本上改善水环境质量[1]。随着水资源存量短缺、水污染灾情严重和水生态环境恶化之间的矛盾日益突出，水资源生态安全已列为我国的重大生态问题之一。近年来，安徽省的生态环境问题逐渐凸显，水环境问题尤为严重，已成为制约经济社会可持续发展的主要瓶颈，水资源状况关系着安徽省全局发展，使淮河生态经济带、长江经济带也成为学术界及社会各方关注的热门焦点。

水资源生态安全是指水资源对社会经济发展和人民生活质量的保障程度[2]。近十年来，学术界关于水资源研究成果颇多，重点集中在水资源生态安全、水资源承载力、水污染治理效率、水资源利用效率等方面。由于经济社会发展速度的加快给水生态环境带来的一系列问题，如用水量随着人口增长而加大、工业废水处理技术不成熟等，因而应更加关注水资源生态安全。水资源生态安全评价包括构建评价指标体系、选取研究以及预测方法等，目前研究对象主要集中在城市[2-3]、特殊地带(岩熔地区[4]、三峡库区[5])以及流域等[6]。从研究方法看，Couture等[7]使用水文模型、湖泊模型和贝叶斯网络来评估挪威南部的万瑟湖未来生态状况；许东阳等[2]运用PSO优化投影寻踪评价模型研究黑龙江省水资源生态安全；代稳等[8]运用生态足迹定量评价六盘水市水资源生态安全；张凤太等[4]运用灰色关联方法和均方差法测度贵州省地下水资源生态安全；高媛媛等[9]采用层次分析法与聚类分析法评价泉州市水资源安全状况。这些研究成果在丰富水资源生态安全理论体系的同时也为其水资源生态状况的整改整治提供了指导，但在研究中忽视了以下几点：(1)构建指标体系没有考虑内部演变。(2)仅评测安全水平，不能鉴别其制约作用的障碍因素。(3)关于水资源生态安全的预测预警不多，而且不同评价方法所预测的演变趋势不便于比较。

综上所述，本文以安徽省为研究区，基于TQR(威胁-质量-调控)概念模型构建水资源生态安全评价指标体系，便于研究不同子系统之间的协调度以及如何影响安徽省水资源生态安全水平。借助生态安全指数来评价水资源安全水平，利用障碍度模型诊断障碍因素，通过灰色预测模型进行动态预警，最后针对安徽省水资源生态安全的共防联治提出建议，为生态文明建设提供理论支撑。

2 数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

安徽省位于中国大陆的中东部，沿江近海，地处华东腹地，行政区面积达140 139.85 km2，地跨长江、淮河、新安江三大流域，是长江经济带、长三角城市群和淮河生态经济带的重要构成部分[10]，安徽省水系分布如图1所示。2018年安徽省地下水开采比例为10.48%，相比2013年的9.20%增长了13.96%；同年人均水资源量达1 321.684 m3，相比2016年的2 009.635 m3减少了34.23%。长期粗放型的经济发展模式使得安徽省水资源需求和水生态状况遭受到巨大压力。因此，科学评价安徽省水资源生态安全，分析其时序变化趋势，对安徽省制定有效的水资源生态安全保护政策有着重大的借鉴意义。

图1 安徽省水系分布图

2.2 数据来源

各项指标数据来源于2013-2018年的《中国水资源公报》《安徽省水资源公报》和《安徽省统计年鉴》，部分评价指标数据是根据年鉴和公报的数据通过计算得出。

2.3 研究方法

2.3.1 熵权法 主观赋权的方法有AHP、Delphi法等，这些方法主观意愿太强。本文采用熵权法[11]进行客观赋权，以避免主观误差，其计算步骤如下：

(1)进行数据标准化处理。

(1)

(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

(2)

(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

(2)计算第j项指标的熵值ej。

(3)

(3)计算第j项指标的权重wj。

(4)

2.3.2 水资源生态安全指数及安全等级划分 单一指标并不能反映各子系统和总系统的水资源生态安全状况，要综合各指标进行评价。各系统水资源生态安全指数s[12-13]的计算模型如下：

(5)

式中：xij为指标标准化后的值;wj为指标权重。

参考相关评价标准[13-15]，并结合安徽省的实情，将水资源生态安全等级和预警标准(警度)划分5个等级，如表1所示。

表1 生态安全指数安全等级及安全预警标准

2.3.3 障碍度模型 为了保障水资源合理规划与开发，制定和调整综合治理政策，运用障碍度模型[14,16]分析与诊断影响水资源生态安全的主要障碍因素。具体公式如下：

(6)

Sij=1-xij

(7)

式中：o为障碍度，%，表示评价指标的影响程度；Sij为指标偏度，表示指标与最优值的差值。

2.3.4 灰色预测 灰色预测(灰色理论系统预测)是通过因素间变化的相异度，将原数据变换成有规律的数列，并建立微分方程模型，用来预测发展趋势。其中最常用的是GM(1,1)模型[15,17]，包含均值GM(1,1)模型(EGM)、原始差分GM(1,1)模型(ODGM)、均值差分GM(1,1)模型(EDGM)和离散GM(1,1)模型(DGM)4种基本形式，本文选用最常见的EGM模型，其计算步骤如下：

(1)得出时间响应函数。

(8)

(t=1,2,…,n)

(2)确定预测值，预测函数为：

(9)

(t=1,2,…,n)

(3)精度检验。为了验证模型的可靠性，需要检验模型精度。本研究以平均绝对误差进行模型精度评价，利用公式(10)计算初始值与预测值的平均绝对误差。

(10)

模型精度通常被划分为精确、良好、合格和不合格4个等级[18-20]，其等级划分标准如表2所示。

表2 模型预测精度等级划分标准

3 结果与分析

3.1 构建评价指标体系

借鉴前人的科研成果[2-9]，结合评价指标的可获取性、有代表性和可操作性的原则，从威胁、质量和调控3个子系统中选取20个指标构建水资源生态安全综合评价指标体系，并确定各评价指标的权重，详见表3。

表3 水资源生态安全综合评价指标体系

3.2 水资源生态安全评价与分析

2013-2018年安徽省生态安全指数与安全等级评价结果如表4所示。以下分别从纵向和横向对评价结果进行分析。

表4 2013-2018年安徽省生态安全指数与安全等级

3.2.1 水资源生态安全纵向评价分析 由表4可见，2013-2018年安徽省生态安全综合指数呈稳步上升态势，2013-2015年生态安全综合指数为0.214～0.395，安全等级处于较不安全水平，原因是该时段水资源供需矛盾突出，经济模式为消耗资源、牺牲环境为主的粗放型经济，人均GDP虽实现逐年缓慢增长，但工业废水排放量和城市污水排放量不断增加，这些污染物排放于河流和土地中，给安徽省水资源生态安全造成巨大的压力，再加上人口日益增长导致用水总量增大，过度开采地下水，易造成地质灾害。2016年综合指数涨幅最大，相比2015年增长45.82%，达到临界安全水平，显然安徽省长期受到“先污染后治理”粗放型经济的不良影响，虽然水资源利用效率有所提高，且改进了节水和排污技术，但人类对于水资源造成的破坏存量还有待进一步治理。2017-2018年综合指数由0.600提高到0.791，均处于比较安全水平，该期间环保投资总额、生态环境补水总量、城市污水处理率和生活垃圾无害化处理率等均首创新高，有向非常安全水平发展的良好态势，这得益于长江经济带、长三角城市群和淮河生态经济带的协同发展以及加强流域综合治理和城市合作联动的实施。

3.2.2 水资源生态安全横向评价分析 水资源生态安全综合指数可细分为威胁、质量和调控3大指数。由表4可知，2013-2018年威胁指数呈波动上升趋势，其中2015年略有下降，但是降幅很小。但随着粗放型经济转型升级和节能减排技术的提升，威胁指数呈良性发展的态势；2013-2016年质量指数平均每年增长43.82%，呈快速上涨趋势，虽然2017年有所下降，但2018年又有好转，整体发展向好。研究时段内质量系统中的人均GDP、城镇化率、人均水资源量和地均降水量等指标整体保持增长，这与安徽省在新常态背景下，加快产业转型升级有着密切关系；2013-2018年实施了建成区绿化和污水管道增加等调控措施，调控指数从0.024增大到0.374，年均增长率达81.06%，这说明安徽省政府落实“一二三四五”发展规划，配合水利部加快水环境优美乡村建设，打造水生态文明城市取得了显著的成效。

3.3 障碍因素判别

根据公式(6)、(7)计算2013-2018年安徽省水资源生态安全各评价指标和各子系统的障碍度，从而对障碍因素进行判别。

3.3.1 指标层障碍度 表5为2013和2018年安徽省水资源生态安全按照各评价指标障碍度大小排列为前7名的障碍因素。

表5 2013和2018年安徽省水资源生态安全主要障碍因素

由表5可知，2013年制约水资源生态安全的障碍因素主要聚集于调控子系统，包含污水管道比例和城市污水处理率等，其次是质量子系统。而到2018年，障碍因素主要集中在质量子系统，其次是威胁子系统，分别为饮用水源水质达标率、人均污水排放量、人均水资源量、第三产业贡献率、地均降水量、水土资源匹配系数和地下水开采量比例。从障碍度变化趋势看，污水管道比例、城市污水处理率、人均GDP和环保投资比例上升幅度较大，单位GDP废水排放量下降幅度较大，这些障碍因素对安徽省水资源生态安全的影响逐渐变小；饮用水源水质达标率、第三产业贡献率、人均水资源量和地均降水量整体上升幅度较小，人均污水排放量逐渐增大，但水土资源匹配系数不增反减，这些障碍因素对安徽省水资源生态安全的制约能力越来越强。虽然水土资源匹配系数权重较小，但障碍度排名却很靠前，表明虽然政府逐年加大环保投资力度，加强固废危废污染联防联治，但由于缺乏有效的管制与治理，水土资源匹配系数依然较低，影响了水资源生态安全的提升。因此，安徽省在建立水生态文明城市的同时，应健全区域环境治理联动机制，整合各项障碍因素进行协同发展。

3.3.2 子系统障碍度 图2为2013-2018年安徽省水资源生态安全各子系统障碍度。

由图2可以看出，2013-2018年各子系统障碍度变化趋势存在明显差异。质量子系统和威胁子系统呈波动上升趋势，前者波幅较大，后者呈不明显的“W”型，变化幅度较为平缓；调控子系统障碍度则呈先增大后减小的趋势，于2018年降至0.6%。从整体上看，2016年以前，调控子系统障碍度占主导作用；2016年以后，威胁子系统和质量子系统障碍度占据主导作用，并且质量子系统障碍度影响更大。在经济新常态背景下，政府应当加强水体水质管控，加大对水资源的综合开发治理，从系统论维度推进水资源生态安全的良性发展。

图2 2013-2018年安徽省水资源生态安全各子系统障碍度 图3 2013-2018年安徽省生态安全综合指数拟合趋势

3.4 生态安全动态预警

借助GSTA V7.0软件，运用EGM模型预测2019-2023年安徽省水资源生态安全警情的演变趋势，预测模型如公式(11)所示。为了检验预测模型的精度，首先对2013-2018年安徽省生态安全综合指数原始值与预测值的拟合趋势进行比较，如图3所示。

(11)

由图3可见，模型预测值与原始值较为吻合。经计算，预测模型平均绝对误差为5.92%，模型精度检验为良好，可达94.08%。

根据预测可得到2019-2023年安徽省水资源生态安全各子系统指数及综合指数，结合表1的安全预警标准，将预测结果列于表6。

表6 2019-2023年安徽省水资源生态安全警情预测

从表6中各子系统来看，威胁子系统在2019年警情为“巨警”，2020-2023年均保持在“重警”级别；质量子系统在2019-2021年警情为“重警”，2021年以后均为“中警”；调控子系统在2019年警情为“中警”，2020年已达到“轻警”，之后均为“无警”。结合表4和表6可以看出，2013-2015年安徽省水资源生态安全综合指数警情为“重警”，2016年减轻为“中警”，2017-2018年警情为“轻警”，2018年以后已达优质水平，均为“无警”。随着生态文明理念的增强和生态城市建设的推进，安徽省水资源生态安全会不断好转，但由于不可抗力因素的影响(比如自然灾害、政府行为等)，依然面临着不可预测的挑战。

4 讨 论

由上述实证分析可知，提高区域生态安全水平的关键在于如何协调好各子系统之间的联系，与参考文献[21]得出的结论一致，但参考文献[21]只评价了水资源安全水平，未对区域水资源生态安全进行预测和障碍因素诊断。本文得出的人均水资源量、第三产业贡献率等已经成为制约水资源生态安全水平发展的新障碍因素等结论与文献[19]的结论一致，证明各省市存在的水资源生态安全问题存在共性。文献[12]、[13]、[15]运用生态安全指数对森林、土地等进行评价并得出相应结论，同理也可以适用于水资源的评价。本文基于TQR(威胁-质量-调控)概念构建模型，将生态安全指数与灰色预测模型相结合进行评价和预测，并利用障碍度模型进行障碍因素诊断，得出的研究结果可以相对客观地反映安徽省水资源生态安全水平以及安全警情演变趋势。

5 结 论

(1)2013-2018年安徽省水资源生态安全综合指数呈稳步上升态势。2013-2015年生态安全等级处于较不安全水平；2016年生态安全综合指数涨幅最大，达到临界安全水平；2017-2018年生态安全等级持续提高至比较安全水平，有向非常安全水平发展的良好态势。制约水资源生态安全的主要障碍因素是饮用水源水质达标率、人均污水排放量等。

(2)2013-2016年，调控子系统障碍度占主导作用；2016-2018年，威胁子系统和质量子系统障碍度占据主导作用，并且质量子系统障碍度影响更大。2013-2015年安徽省水资源生态安全警情为“重警”，2016年减轻为“中警”，2017-2018年警情为“轻警”，2019-2023年生态安全警情预测均为“无警”。

(3)在经济新常态背景下，安徽省政府应加大水资源综合开发治理，严禁排放未经处理的工业废水和生活污水，减少对地下水的开采量，从而减轻对环境污染的压力；加强研发节能减排等绿色科学技术，提高农田的灌溉效率，保持生态环境补水，进而优化水土资源匹配系数。安徽省应紧紧抓住长江经济带、长三角城市群和淮河生态经济带协同发展的机遇，设置跨流域跨区域生态补偿机制。同时健全区域环境治理联动机制，加强流域综合治理和城市合作联动，提升生态环境共保联治能力。不断推进绿色新型城镇化建设，配合水利部加快推动水环境优美乡村建设，打造水生态文明城市，从而提升安徽省水资源生态安全水平。