淮河流域安徽段水生态安全评价及障碍因子研究

张静怡,何 刚,孔 玉,何训喜,彭振军

(安徽理工大学 经济与管理学院,安徽 淮南 232001)

水是人类社会存续的必要条件,人口增长以及工农业生产活动致使水环境、水生态、水安全等面临巨大挑战。 流域作为特殊的生态系统,其生态系统健康和生态完整性受损会导致洪涝、干旱等极端气候事件频发,进而威胁人类生命和财产安全[1]。 评估水生态风险,对有效维护流域水生态安全具有重要意义。

20 世纪90 年代末期,在国内生态环境恶化、西部大开发以及国外的生态环境安全理论开始在我国产生反响的背景下,我国提出了生态安全问题[2]。 随着对生态安全问题的研究逐渐深入,延伸出了流域生态安全概念[3]。 作为生态与环境的重要组成部分,水生态安全问题已经成为社会经济可持续发展的重要制约因素[4]。 近年来,国内外学者分别以PSR(压力—状态—响应)[5-7]、PSFR(压力—状态—功能—响应)和DPSIR(驱动力—压力—状态—影响—响应)[8-11]为评估框架,对黄河流域、沂水河流域、太子河流域、西北地区、山东省内等流域水生态安全进行综合评价并给出流域管理相应的解决措施。 为弥补生态风险评估在指标体系中的缺失,张远等[12]基于“压力、状态、功能、风险”四要素丰富了评估指标体系。 由于流域是社会—经济—自然复合型生态系统,戴文渊等[13-14]基于SENCE 概念构建涵盖经济、社会、自然、生态四个方面的水生态安全评级指标体系。 然而,当前大部分学者进行水生态安全评估主要从自然—社会—经济三个系统进行指标筛选,指标体系构建有待丰富。

作为社会主义生态文明建设的主体功能结构,三生空间的失衡将影响社会经济可持续发展[15]。 基于此,本研究从生产—生活—生态视角构建综合评价指标体系,结合PSR 模型,通过计算水生态安全水平综合指数,结合灰色模型GM(1,1)预测淮河流域安徽段水生态安全水平,探究障碍因子,以期为流域治理提供思路。

1 研究区及指标体系

1.1 研究区概况

淮河(111°55′～121°20′E,30°55′～36°20′N)发源于河南省南阳市桐柏县,河长1 000 km,流域面积约为27 万km2,人口密集,交通发达,农业发展条件优越且拥有众多大型煤炭生产基地。 安徽段约占淮河流域总面积35.8%,范围主要包括淮北、宿州、亳州、蚌埠、阜阳、淮南、滁州、六安8 市(图1)。 特殊的气候环境致使流域内干旱、洪涝、冰雹等自然灾害频发,安徽段在流域中承担着防洪等重要生态功能。 随着工农业的发展以及城镇化的推进,居民生活污水和工业废水严重影响到淮河生态环境,致使水生态风险增加。 因此,研究淮河流域安徽段水生态风险对推动淮河流域高质量发展转型、促进社会经济发展具有重要意义。

图1 研究区地理位置

1.2 数据来源

本研究数据来源于《安徽省统计年鉴(2012—2021 年)》《安徽省环境状况公报(2012—2021 年)》以及8 个地级市2012—2021 年统计年鉴及社会发展统计公报,部分缺失数据由插值法补充。

1.3 指标体系构建

PSR 模型的理论逻辑是人类社会活动带来的压力会影响到水生态安全的状态,为减少负面影响带来的损失,政府部门会制定积极的响应措施[16]。 针对水资源与生产、生活、生态三者的联系,压力层表示不同空间的活动对水生态安全的影响,状态层表示相应空间当前的发展状态,响应层则表示采取的措施。 参考相关学者的研究[17-18],将三生空间作为基础框架,结合PSR 模型,筛选出18 个评价指标,如表1 所示。

表1 淮河流域安徽段水生态风险综合评价指标体系

2 研究方法

2.1 熵权法

熵权法与AHP 法、Delphi 法等主观赋权方法相比,具有较强的客观性,可以很好地避免主观因素造成的权重不合理性[19]。 假设评价对象有m个,每个评价对象有n个指标,xij为第i个评价对象的第j项指标数据。 熵权法运用步骤如下:

通过极值法将原始数据标准化:

标准化后的第i个评价对象样本值在第j项指标下所占比重:

第j项指标熵值:

第j项指标差异性系数:

第j项指标权重:

2.2 TOPSIS 综合评价法

TOPSIS 法简称优劣解距离法,主要通过将评价对象的原始数据进行同趋势化后构建标准化矩阵,再计算各评价指标与最优、最劣向量间的距离,继而得出最优方案的一种评价方法[20]。 在多准则、有限个评价对象的情况下,TOPSIS 法能科学客观地得到群体决策的综合评价结果[21]。

对决策矩阵A=(aij)m×n数据进行同趋势化处理得到矩阵B=(bij)m×n。 为消除量纲影响进行标准化处理:

确定正负理想解,计算各评价指标与最优、最劣向量间的距离:

评价对象与最优方案接近程度:

单一的水生态安全综合指数并不能完全反映水生态安全水平,因此还需要对综合指数进行等级划分。 本研究基于2012—2021 年淮河流域安徽段8 个主要城市水生态安全综合水平计算结果,参考相关学者的研究[22-23],将结果划分为5 个等级,如表2 所示。

表2 水生态安全等级划分

2.3 灰色预测模型GM(1,1)

灰色预测通过分析系统因素之间的关联性,将无序的序列转化为有序序列,建立相应的微分方程模型,从而预测事物未来发展趋势。

GM(1,1)模型计算步骤如下:

设原始序列有N个观测值,表示为X0={x0(1),x0(2),…,x0(N)},相应的微分方程如下:

求解微分方程,得到预测模型:

式中:t——时间；θ——发展系数；ε——灰色作用量；e——自然对数。

为验证模型可靠性,通过计算模型偏差精度进行适用性和有效性检验。 模型精度等级如表3所示。

表3 精度检验等级

后验差检验模型精度:

式中:C——后验差比值；S2——残差方差；S1——X0的方差。

2.4 障碍度模型

为进一步分析不同指标对水生态安全水平的阻碍程度,运用指标权重、指标偏度、指标障碍度进行诊断。 计算公式为:

式中:Si=1-Xi,其中Xi——标准化后的数值；Si——指标偏度,即标准化数值与1 之间的差距；Mi——指标权重；Qi——指标障碍度。

3 结果与分析

3.1 综合评价结果与分析

采用熵权法确定指标体系权重,结合TOPSIS法计算2012—2021 年淮河流域安徽段水生态安全综合指数。 指数变化趋势如图2 所示。

图2 淮河流域安徽段水生态安全综合水平变化趋势

2012—2018 年淮河流域安徽段水生态安全综合指数由0.328 逐年增长到0.429,增幅为30.79%。 2018—2021 年呈现“下降—上升—下降”的趋势。 就变化幅度而言,2019 年较2018 年下降了4.9%,综合指数为0.408；2020 年较前一年增长了17.65%,环比增长幅度最大且综合水平达到研究期内最高峰,为0.480；2021 年较2020 年下降了2.29%,综合指数为0.469。

选取2012 年、2017 年、2021 年淮河流域安徽段8 个主要城市的水生态安全水平数据,绘制成空间分布图如图3 所示。

图3 淮河流域安徽段水生态安全水平分布

根据图3(a)可以发现,2012 年水生态安全水平最低的城市是阜阳市和淮南市,安全等级濒临恶劣。 最高的城市是六安市。 总体上看,处于等级Ⅲ敏感状态的城市只有1 个,其余7 座城市均处于第Ⅱ等级,水生态安全水平风险较大。

2017 年安徽段水生态安全水平分布情况如图3(b)所示,阜阳市和滁州市新晋第Ⅲ等级,淮南市的水生态安全水平也取得了小幅度提升,但总体上与其余4 市依然停留在第Ⅱ等级。 2012—2017 年阜阳市和滁州市生产空间中工业废水排放量(C1)、单位GDP 水耗(C3)大幅度减少,而生活空间中人均GDP(C10)、废水治理设施数(C11)以及生态空间年径流量(C17)等有了不同水平的增长,说明社会生产活动排放污染物减少,水资源利用效率提升缓解了水资源压力,导致两市水生态安全水平提升明显。 根据图3(c)的情况,2021年水生态安全水平处于第Ⅳ良好等级的城市只有1 个(六安市),第Ⅲ等级的城市有6 个(滁州市、阜阳市、亳州市、淮北市、蚌埠市),只有淮南依然停留在第Ⅱ等级。 总体来看,淮南市一直是水生态安全水平较差的城市,状态最好的城市为六安市。

3.2 三生空间评价结果与分析

从淮河流域安徽段整体视角转化到三生空间视角,计算生产空间、生活空间、生态空间下压力、状态、响应子系统各自的指标权重如表4 所示。以各指标权重乘以评价指标标准化后的数据,进而得出三个空间各自的综合指数,变化趋势如图4 所示,从而反映生产、生活、生态对安徽段水生态安全的影响程度。

表4 三生空间视角下权重分布

图4 淮河流域安徽段2012—2021 年三生空间综合指数变化

各个空间下压力、状态、响应权重各有不同,表明不同空间下的子系统对水生态安全水平影响程度不同。 生产空间中,压力系统权重为0.340,状态系统权重为0.405,响应系统权重为0.255,说明淮河流域安徽段生产状态对水生态安全水平的影响程度最大,工业废水COD 排放量(C4)关系到水环境以及人体健康,单位GDP 水耗(C3)则反映生产过程中水资源利用效率的高低,在生产过程中应竭力降低工业废水COD 等污染物含量,提高水资源利用效率。 良好的生态环境是进行生产、生活活动的基础,生态空间中三系统权重值分别为0.148,0.690,0.162,表明生态环境状态对水生态安全水平影响程度最大。 人均水资源量(C16)、年径流量(C17) 的权重分别为0.246,0.278,反映出淮河流域安徽段生态环境资源禀赋对水生态安全水平的重要性。 生活空间中状态子系统与响应子系统权重分别为0.353,0.356,压力子系统的影响程度最小。 人均GDP(C10)、废水治理设施数(C11)权重占比较大,表明随着淮河流域安徽段经济发展水平的提升,对废水治理投入的增大,水生态安全水平会逐渐提升。

对三生空间综合指数所占比重及变化趋势进行分析。 由图4 可以看出,生产空间所占比重最大,其次是生活空间,最后是生态空间。 2012—2018 年,生产空间逐年增长,2019 年短暂下降后开始回升,说明淮河流域安徽段生产活动对水资源需求较大,对水生态安全水平影响程度较大。生态空间呈现波动态势,其中2019 年波动幅度最明显,原因是这一年的年降水量(C15)、人均水资源量(C16)、年径流量(C17)均较前后两年大幅度减少,水资源不够稳定。 生活空间总体上在小幅度增长,说明随着社会经济发展,居民生活水平的提高对水生态安全水平的影响正在增大。

3.3 水生态安全水平预测分析

运用灰色预测模型预测2012—2021 年的淮河流域安徽段水生态安全水平,拟合原始数值和预测数值,结果如图5 所示。

图5 淮河流域安徽段灰色预测拟合曲线

从图5 的拟合曲线可以看出,预测数值比较接近原始数值,拟合程度很好。 经计算得出发展系数为-0.039,灰色作用量为0.326,后验差比值C 为0.081,远小于0.35,表明灰色预测模型GM(1,1)可以用于淮河流域安徽段水生态安全水平预测。 同理,对以生产空间、生活空间、生态空间为研究单元,进行水生态安全水平综合指数进行预测,并计算后验差比值,具体结果如表5 所示。

表5 灰色预测模型预测结果

根据表5 相关数据,同时结合表3 中的模型精度等级,预测模型精度检验均通过,可以预测淮河流域安徽段2022—2026 年的水生态安全水平,结果见表6。

表6 淮河流域安徽段2022—2026 年水生态安全水平综合指数预测值

根据表6 的预测结果,2022—2026 年淮河流域安徽段水生态安全水平综合指数均在不断增加,整体逼近第Ⅳ等级,总体达到良好水平。 未来对水生态安全水平干扰最大的依然是生产空间,其次是生活空间,最后是生态空间,预计2026 生活空间下水生态安全水平进入安全等级,生态空间则进入敏感等级。

3.4 障碍因子与障碍度分析

为提升淮河流域安徽段水生态安全水平提供更为科学可靠的建议,进行水生态安全水平障碍因子与障碍度分析。 将指标标准化后的数值及指标权重代入公式(12),计算出2012—2021 年水生态安全各个评价指标的障碍度。 列举2012 年、2021 年的前五位障碍因子及障碍度水平,结果如表7 所示。

表7 水生态安全水平障碍因子排序

根据表7 可知,淮河流域安徽段8 个主要城市2012 年与2021 年水生态安全排位前五的障碍因子中,人均用水量(C6)、人均GDP(C10)、废水治理设施数(C11)、人口密度(C8)的障碍度最大,其次是地表水供水量(C13)、地下水供水量(C14)、年降水量(C15)、农村自来水普及率(C9)。 进一步观察发现,障碍度最大的指标近乎都存在于生活空间,其次是生态空间,最后是生产空间。 说明淮河流域安徽段水生态安全水平的影响因素中,人类活动因素干扰程度大于自然条件干扰程度。

4 结论与讨论

4.1 结论

(1)淮河流域安徽段水生态安全水平整体呈现逐年上升态势。 三生空间中,生产空间对水生态安全水平影响程度最大,其次是生活空间和生态空间。 2016 年淮河流域安徽段水生态安全水平开始由第Ⅱ等级提升到第Ⅲ水平,状态敏感,水生态系统服务功能有待完善。

(2)生产、生活、生态空间下的压力、状态、响应系统的影响程度各有不同。 生产空间中,工业废水COD 排放量、单位GDP 水耗等方面的影响程度较大；生活空间中人均GDP 的提升、废水治理设备量的投入等影响程度最大；生态空间中人均水资源量、年径流量等方面影响程度最大。

(3)淮河流域安徽段水生态安全水平预测在2026 年达到0.577,有望在下一年达到第Ⅳ等级。三生空间下水生态安全水平也在逐年提升,其中生态空间水平较低。 三生空间的协调发展将有利于提升水生态安全综合水平。

(4)人类社会活动对水生态安全的障碍程度大于自然条件。 人均用水量、人口密度等始终是最大的障碍因子,但随着社会经济的发展进步,地表水及地下水供水量等生态因素逐渐成为新的制约因素。

4.2 讨论

本研究以三生空间为基础框架,结合各个空间的压力、状态、响应子系统,选取18 个具有逻辑关联的评价指标构建起淮河流域安徽段水生态安全综合评价指标体系。 使用熵权TOPSIS 法计算安徽段的水生态安全综合水平,结合灰色GM(1,1)模型预测2022—2026 年各个空间以及整体的水生态安全水平,最后使用障碍度模型进行障碍因子的分析与诊断,整体结论具有一定参考价值。 考虑到数据可获得性,评价指标体系存在着需要完善改进的地方。 且本研究只考虑到淮河流域安徽段8 个主要城市整体上的水生态安全水平,对于城市之间的关联性仍需要进一步探究。

增强淮河流域安徽段水生态安全水平保护力度,牢固树立水生态安全意识对提升水生态安全水平至为重要。 促进“三生空间”的相互促进、协调发展,有利于构建健康的水生态安全系统,增强自我调节能力,减少干旱、洪涝等自然灾害的发生。 从压力层面,生产活动要尽量减少工业废水排放量以及城市污水排放,合理地利用地表水及地下水资源；从状态层面,提高水资源利用效率是必不可少的重要手段；从响应层面,提高污水处理率,适当增加生态环境补水是提高水生态安全水平的有效方式。 在未来应继续加大水资源保护宣传力度,积极配合政府政策,为淮河流域安徽段水生态安全水平提升积蓄力量。