基于壓力-狀態-響應的熵權-物元水生態文明評價模型

劉 暢，馮寶平※，張展羽，黃繼文，吳 東（1. 河海大學水利水電學院，南京 210098；2. 河海大學南方地區高效灌排與農業水土環境教育部重點實驗室，南京 210098；. 山東省水利科學研究院，濟南 25001）

·綜合研究·關鍵技術·

基于壓力-狀態-響應的熵權-物元水生態文明評價模型

劉 暢1,2，馮寶平1,2※，張展羽1,2，黃繼文3，吳 東1,2
（1. 河海大學水利水電學院，南京 210098；2. 河海大學南方地區高效灌排與農業水土環境教育部重點實驗室，南京 210098；3. 山東省水利科學研究院，濟南 250013）

為了對區域水生態文明水平進行評價，針對目前水生態文明評價存在的問題，探討水生態文明的內涵和評價方法。運用壓力-狀態-響應模型（press-state-response，PSR）提出由3類要素20種指標所組成的水生態文明評價指標體系；利用客觀的熵權法求指標權重，減少了人為主觀性對評價結果的干擾；利用物元分析方法有效解決了評價指標的模糊性和不相容性等問題，通過構造水生態文明的經典物元和節域物元，分析各個指標對應評價等級的關聯度，構建了基于PSR的熵權-物元水生態文明綜合評判模型。以濟南市南部郊區為例進行研究，求得2010、2013、2015年水生態文明評價結果并對指標進行靈敏度分析，結果表明濟南郊區水生態文明水平總體在逐漸提升，但水生態系統的壓力沒有明顯減小，減少氨氮和化學需氧量污染物的排放是提升當地水生態文明水平的關鍵措施。該文模型能夠揭示水生態文明現實狀態和存在的問題，評價方法可供類似區域開展水生態文明評價參考。

壓力；化學需氧量；氮；水生態文明；PSR模型；熵權；物元分析

0 引 言

生態文明是繼農業文明、工業文明之后社會發展的新階段。水生態文明體現了可持續發展理念，是生態文明的重要組成部分[1]。水生態文明是指人類遵循人水和諧理念，以實現水資源可持續利用，支撐經濟社會和諧發展，保障生態系統良性循環為主體的人水和諧文化倫理形態，是生態文明的重要組成部分和基礎內容[2]。建立科學適合的水生態文明評價模型是研究水生態系統與人類經濟社會活動之間的關系和引導水生態文明的建設的關鍵步驟。

目前國內外學者在水生態文明評價方面已經做了大量的研究工作。國外方面，Dondeynaz等[3]對歐盟委員會提出的WatSan4Dev數據庫中的42個有關環境、社會經濟和治理等方面的指標進行了分類（分為人類發展與貧困、人類活動對水資源壓力、水資源、官方發展援助和國家環境問題五大類）。Gurgel等[4]等通過分析工業廢水排放的潛在影響，對巴西東北河口的水生態狀況進行評估。Cook等[5]研究了保護動植物棲息地和水質的2項措施對恢復阿巴拉契亞中部的生態系統健康產生的驅動性影響[5]。Terrones等[6]通過調查墨西哥加勒比地區的水質來評價臨海地區水生態狀況[6]。Rebelo等[7]建立了水資源風險評價模型，用來評價污染物排放對水生態系統健康產生的風險。國內方面，唐克旺[8]提出了由水生態系統及社會經濟系統所組成的水生態文明評價指標體系，引入了彈性分級評分的評價方法。王建華等[9]提出了包括水生態系統、水供用系統、水管理系統和水文化系統的水生態文明評價指標體系框架，并結合水生態文明評價的基本條件和特色性指標，形成了較為完整的水生態文明評價體系。崔東文等[10]利用層次分析法從水生態系統和經濟社會系統中遴選出24個指標、構建3個層次的水生態文明評價指標體系，建立基于隨機森林回歸算法的水生態文明評價模型，并構建徑向基神經網絡模型作為對比模型，利用平均相對誤差絕對值等 3個指標對模型性能進行評價。總體來看，目前國內學者對水生態文明評價大致有2點不足：由于水生態文明建設水平是一個模糊的概念，如何對其做定量評價目前還沒有廣泛認可的科學方法；建立的評價指標體系普遍將水生態文明分為若干子系統進行獨立評價，忽略了子系統各要素之間的聯系與動態變化趨勢。本文從人水關系的分析入手，利用壓力-狀態-響應（press-state-response，PSR）模型構建水生態文明評價指標體系并用熵權法計算指標權重，然后建立水生態文明評價物元模型對濟南市南部郊區的水生態文明水平進行綜合評價，以期為當地的水生態文明建設提供依據。

1 基于PSR模型的水生態文明評價指標體系構建

PSR模型是由經濟合作和開發組織與聯合國環境規劃署在20世紀80年代共同提出了的概念模型[11]。PSR模型是目前應用最廣泛的指標體系之一。該模型已被應用于濕地生態安全評價、城市生態系統評價、環境保護分析、土地質量評價以及農業發展評價等研究領域[12-16]。PSR模型以因果關系為基礎，在選取指標時使用了壓力-狀態-響應的邏輯思維過程，用壓力變量描述人類活動對生態環境造成的威脅，用狀態變量描述由壓力變量引起的環境問題的可測特征，用響應變量衡量社會改善環境問題的行動，構成了人類與環境之間的壓力-狀態-響應關系[17-18]。PSR模型突出了生態環境受到破壞和生態環境退化之間的因果關系，壓力、狀態、響應3個方面互相影響、互相制約，正是采取決策和制定對策措施的全過程[19]。人口的增長、水資源的消耗和污染增大了各種水危機的風險；另一方面隨著社會文明程度的提高，人類可以通過治理水污染、節水灌溉、水循環利用等技術的發展來改善水生態環境[20-21]。在對水生態文明建設的評價中，利用PSR模型不僅考慮到水生態系統的健康狀況，而且考慮到人類保護水生態系統的行為和人類對水生態系統的破壞程度。PSR模型的壓力-狀態-反饋的過程體現出了一段特定時期內人水之間相互作用，相互影響的關系。因此利用PSR模型能夠科學全面的評鑒一個地區水生態文明建設狀況。

城市化的加速，用水量的增加、污染物的排放和城市的擴張對水生態系統施加一定壓力（pressure）。壓力可采用人均用水量、單位面積污水年排放量、單位面積化學需氧量（chemical oxygen demand，COD）年排放量、單位面積氨氮年排放量、非農業用地比例等指標來表現。人類的用水方式和水生態系統狀態（state）發生變化，可用農業用水比例、萬元GDP用水量、人均水資源占有量、濕地面積比例、淺層地下水位下降區面積比率、水功能區水質達標率、水土流失程度等指標來表現。人類對水生態系統的改變做出響應（response）來實現人水和諧發展，可用節水器具普及率、工業用水重復利用率、灌溉水利用系數、水土流失治理比例、城市污水集中處理率、非常規水資源利用比例、人工濕地面積增加量、生態用水比例指標來表現。

指標的相對獨立性和評價指標體系的全面性是構建適合的評價指標體系的重要因素[22]。在選取指標時PSR模型使用了壓力-狀態-響應的邏輯思維方式，保證了同一層次的各個指標相互獨立，不同層次的各個指標相互關聯。

本文以PSR模型為基礎框架，按照獨立性、全面性、動靜結合性、定性與定量結合性、區域性等原則，構建了由目標層-要素層-指標層組成的3個層次的濟南市南部郊區的水生態文明評價指標體系（表1）。

表1 水生態文明評價指標體系Table 1 Evaluation index system of water ecological civilization

2 水生態文明等級的判定方法

2.1 指標權重確定

確定指標權重的方法主要有主成分分析法、德爾菲法、層次分析法、熵權法等[23]。對比其他方法，熵權法具有客觀性，進行指標賦權可避免主觀誤差[24]。本文采用熵權法作為確定指標權重的方法。熵權法是根據指標變異程度來確定客觀權重。若評價指標的信息熵越小，表明該指標值的變異性越大，所能提供的信息越多，在整個評價中所能起到的作用也越大，所以賦予該指標的權重也應該越大[25]。假設評價對象有n個評價年，m個評價指標。評價體系原始數據矩陣可表示為X={xji}n×m(j=1,2,3…,n; i=1,2,3,…, m)。xji表示第j年第i個指標值。用熵值法確立評價指標權重的主要步驟如下:

1）由于熵值法運用了對數和熵的概念，負值和極值不能參與計算，所以在運算過程開始前，應先對初數據進行標準化處理。考慮到指標性質不同，本文將評價指標分為正向指標和負向指標。正向指標值越大，對于水生態文明程度的提高越有利。負向指標值越小，對于水生態文明程度的提高越有利。

若為正向指標，則

若為負向指標，則

式中yji為標準化指標值。

2）求各指標的信息熵Ei：

2.2 確定評價指標關聯度

物元模型利用形式化的模型研究事物開拓規律和拓展可能性，可以解決不相容的復雜問題，適合于多因子的綜合評價[26-29]。水生態文明的涉及的指標較多，單項指標評價結果具有不相容性，本文利用物元分析法構建水生態文明評價模型。

2.2.1 確定水生態文明物元

物元分析中所描述的對象 N及其特征向量 C和特征量值v共同構成水生態文明物元R=(N、C、v)。假設水生態文明N有多個特征，則它以m個特征c1，c2，c3，…，cm和相應的量值v1，v2，v3，…，vm，描述。則表示為

稱R為m維模糊物元。

2.2.2 確定水生態文明的經典域和節域

水生態文明的經典域物元矩陣可表示為：

式中Roh代表構建的經典物元；Noh代表水生態文明的第h個評價等級(h=1,2,…,k)；ci代表特征向量(i=1,2,…,m)；vohi代表關于第i個特征向量第h個評價等級的量值區間范圍＜aohi,bohi＞，即經典域。

水生態文明的節域物元矩陣表示為

式中Rp代表節域物元；＜api, bpi＞代表節域物元對應特征向量ci的量值區間范圍，p代表水生態文明評價全部的等級，＜aoi,boi＞屬于＜api，bpi＞(i=1,2,…,m)。

2.2.3 確定關聯函數及關聯度

令有界區間Xo=[a,b]的模的定義為

式（8）～式（13）中xi、Xohi、Xpi分別表示水生態文明物元的量值、經典域物元的第i個評價指標第h個評價等級所對應的量值范圍和節域物元第i個指標的量值范圍。

若Kh(xi)=max{Kh(xi)}(h=1,2,3,…, k)，則評價對象N關于指標i的評價等級為h級。

2.3 確定水生態文明評價等級的綜合關聯度

水生態文明評價對象N關于第h評價等級的綜合關聯度為：

若Khmax=max{Kh}(h= 1,2,3,…, k)，則評價對象N的水生態文明評價等級即為h級。

關聯函數值的大小表示待評對象隸屬于水生態文明水平某一等級的程度。Kh(xi)值越大，表示該指標或者評價對象在該等級中穩定性越強。相反，若Kh(xi)值越小，則說明該指標或者評價對象向其他等級轉化的趨勢越強。

3 水生態文明評價實例

3.1 研究區概況

研究區位于濟南市南部郊區（116°55′～117°22′E、36°19′～36°48′N），屬暖溫帶半濕潤區的大陸性季風氣候。多年平均氣溫14.3 ℃，多年平均降水量665.7 mm。降水空間分布不均，由東南往西北遞減。受季風氣候影響，季節之間的降水量極不均勻，汛期6-9月的降水占全年的71.9%～76.7%。

隨著當地經濟的快速發展，城市化水平的加劇，水生態系統面臨巨大壓力。從2000-2010年，城市人口占總人口的比例從44.4%增加到了57.7%；城市化率從30.7%增加到了58.6%。人均水資源量只有290 m3，遠不到國際公認的人均占有水資源量的臨界值（1 000 m3）。2010年河流湖泊現狀水質達標率處于較低水平，重點水功能區達標率只有42.6%。過量開采地下水和排放污廢水引起當地地下水位下降，水質惡化，繼而對生態系統產生威脅。加強水生態文明建設是當地社會實現可持續發展的重要舉措。

3.2 數據來源

本研究所采用的數據主要源于山東統計年鑒[30]、濟南統計年鑒[31]。對濟南市南部郊區2010、2013、2015年份進行水生態文明評價。

3.3 數據處理

通過對數據的標準化處理和分析，首先根據式（3）求出各指標的信息熵值。利用求得各指標的信息熵，根據式（4）求得各指標權重。然后利用所建立的水生態文明評價模型對研究區水生態文明水平進行判定。本文所有計算利用SPSS 20.0軟件完成。

3.4 結果與分析

3.4.1 水生態文明評價結果

由于水生態文明評價具有可拓性，將水生態文明的程度描述為5個等級：優秀、良好、中等、較差、差，分別用I、II、III、IV、V表示。確定水生態文明評價經典域主要依據國際、國家行業相關指標的標準、山東省平均水平。受地理自然條件的影響，如水資源量、水土流失程度等指標地區之間差異性較大，對比性較差，確定經典域標準是需要因地制宜、綜合考量。本文建立的水生態文明評價的物元經典域矩陣和節域矩陣如表2所示。

表2 水生態文明評價指標經典域、節域范圍、信息熵和權重Table 2 Classical domain scale, section domain scale, information entropy and index weight of water ecological civilization evaluation index

利用2010、2013、2015年水生態文明指標的量值，求出各年份每個指標關于每個等級的關聯度（表3），并根據求得關聯度判定各年份每個指標所處的評價等級。以2015年人均用水量(x1)為例，求得K1(x1)= -0.0120, K2(x1)= 0.0130, K3(x1)= -0.0052, K4(x1)= -0.0176, K5(x1)= -0.0289，K2(x1)取值最大，可判定2015年x1(人均用水量)處于II等級，即良好水平。同理可以判定出其他指標所處的水平。

從表3看，單項指標萬元GDP用水量（x7）、水功能區達標率（x11）、水土流失程度（x12）的判斷等級都是處于逐步提高的趨勢，說明研究區在2010年到2015年從用水效率、水功能區保護和水生態修復方面在持續改善。單位面積COD排放量（x4）在2013年、2015年下降到IV等級，說明研究區工業污水排放量仍然需要有效控制，而污水集中處理率（x17）在2015年達到I等級，表示研究區污水處理能力已經足夠高，這對當地水質狀況的改善起到了重要作用。

結合水生態文明評價指標的權重（表2）和對應的水生態文明評價指標關聯度（表3）得到水生態文明評價指標綜合關聯度。判定2010、2013、2015年水生態文明評價指標的壓力關聯度、狀態關聯度、響應關聯度和綜合關聯度所處的等級（表4）。

由表4可以看出，研究區2010、2013、2015年水生態文明水平分別處于良好、良好、優秀水平。2010和2013年的水生態文明水平雖然都是處于II等級，但是2013年狀態水平要優于2010年。這是由于2013年農業用水比例（x6）萬元GDP用水量（x7）、水功能區達標率（x11）、水土流失程度（x12）等指標等級提升。2013年的水生態文明水平由II等級提升到2015年I等級的主要原因是狀態水平、響應水平都從II等級轉化到了I等級。這表示著近年來人類社會對于水生態系統的保護能力明顯增強，水生態系統的健康狀況大幅改善。值得注意的是水生態文明壓力水平一直處于II等級，表明人類社會對于水生態系統的負荷仍然沒有減小，該區域的氨氮、COD等污染物的排放量仍然需要引起足夠的重視。研究區域水生態文明總體水平的逐步提高顯示出近年來濟南市對水生態文明建設重視。

表3 研究區水生態文明評價指標關聯度Table 3 Degree of correlation for evaluation index of water ecological civilization in research region

表4 研究區3a水生態文明評價綜合關聯度評價Table 4 Comprehensive correlation degree evaluation of water ecological civilization evaluation in research region for 3 years

3.4.2 水生態文明指標敏感度分析

為了討論指標值靈敏度問題，本文對評價指標對于評價等級的靈敏度進行了分析[32]。以2015年的指標數據為基準值，依次給各個指標數值以一定增減幅度（分別為-5%，-10%，+5%，+10%），其他指標保持不變，分析2015年水生態文明評價結果的變化。結果發現，部分單項指標小幅度增減會改變該指標的所處等級，對水生態文明綜合評價結果沒有影響。由于篇幅限制，本文只給出了發生等級改變的指標的靈敏度分析結果見表5。由表5可以看出，單位面積COD排放量（x4）、單位面積氨氮排放量（x5）、水功能區水質達標率（x11）指標評價等級在5%變化幅度下就發生變化，屬于敏感性較強的指標。濕地面積比例（x9）、水土流失程度（x12）、灌溉水利用系數（x15）、人工濕地面積增加量（x19）、生態用水比例（x20）指標評價等級在10%變化幅度下發生變化，屬于相對敏感指標。其他指標可認為是不敏感指標。

表5 2015年指標值變化下評價指標等級變化Table 5 Variation of evaluation index grade under different index value in 2015

4 結 論

利用PSR模型構建的水生態文明評價指標體系具有全面性和邏輯性，適合用于水生態文明評價。利用熵權物元模型對水生態文明水平進行評價不僅能夠判定整體評價對象所處的狀態及穩定性，還可以揭示單個指標評價信息，有效克服了水生態文明由于概念的模糊性和主觀不確定性而不能定量評價問題。

通過對濟南南部郊區2010、2013、2015年的水生態文明綜合評價結果進行分析，發現近年來當地水生態文明水平總體處于上升趨勢，特別是水生態系統的保護能力和水生態系統健康狀態一直在提升。但是，當地水生態系統受到的壓力并沒有得到改善，減少氨氮和COD等污染物的排放是減輕水生態系統的壓力的重要措施。通過指標靈敏度分析發現單位面積COD排放量、單位面積氨氮排放量、水功能區水質達標率等指標屬于敏感性較強的指標。

由于不同地區自然條件的差異性，選取不同的經典域對評價結果的準確性具有一定影響，所以本評價方法更適用于同一區域不同時段之間或者自然條件相似的區域之間進行水生態文明水平評價。對于其他地區的評價研究，需要針對當地的社會發展狀態和自然環境條件，將評價體系指標的評價指標進行適當調整。此外，將經典域與指標的評價標準良好地匹配還有待進一步研究。

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matter-element analysis

Evaluation model of water ecological civilization based on pressure-state-response matter element model

Liu Chang1,2, Feng Baoping1,2※, Zhang Zhanyu1,2, Huang Jiwen3, Wu Dong1,2
(1. College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2. Key Laboratory of Efficient Irrigation-drainage and Agricultural Soil-water Environment in Southern China, Ministry of Education, Hohai University, Nanjing 210098, China; 3. Water Conservancy Research Institute of Shandong Province, Jinan 250013, China)

The establishment of a suitable model for evaluating water ecological civilization plays an important role in researching the relationship between the water ecosystem and human social activities. As the water ecological civilization is a vague concept, quantitative evaluation is crucial for the water ecological civilization evaluation. In order to evaluate the level of regional water ecological civilization, the connotation and evaluation methods of water ecological civilization were discussed based on pressure state response (PSR) model. Water ecological civilization evaluation index system was proposed which consisted of 3 elements and 20 indicators. Index weight was determined by the entropy method to reduce the interference of human subjectivity on the evaluation results. The matter element theory was adopted to analyze and solve the fuzziness and incompatibility of the evaluation index by constructing the classical matter element and the section matter element of the water ecological civilization. The correlation of each index and evaluation grades were analyzed. The comprehensive evaluation model of the entropy weight based on PSR was built. The model can reveal the real state of water ecological civilization and the existing problems. Combined with the model and the collected data, the water ecological civilization evaluation results of the suburbs in Jinan city in 2010, 2013 and 2015 were calculated. In order to discuss the sensitivity of the index value, the sensitivity of the evaluation index to the judgement grade was analyzed. The index data of 2015 was used as the reference value. A certain value of each index was increased or decreased (respectively -5%, -10%, +5%, +10%) while other indicators remained unchanged. Then the grade of regional water ecological civilization evaluation was observed. The results showed the grade of the indexes including GDP water consumption, the standard rate of water functional zone and the degree of soil erosion were increasing rapidly. It meant that that this region was in continuous improvement in terms of the water resources utilization efficiency, water quality protection and water ecological restoration from 2010 to 2015. The index of COD emission per unit area decreased to a bad grade, indicating that industrial wastewater discharge in research region still need to be controlled in 2013 and 2015. The centralized sewage treatment rate reached an excellent grade in 2015. It indicated that the sewage treatment capacity of the study area was high enough, which played an important role in enhancing the local water quality. The water ecological civilization of research region in the overall level increased gradually. The ability of human beings to protect the water ecosystem was greatly improved. The health of the water ecosystem was enhanced. Reducing ammonia and COD emissions of pollutants is a key measure to improve local ecological civilization water level. The indexes including COD emission per unit area, ammonia nitrogen emissions per unit area and the standard rate of water functional zone were more sensitive. The indexes including the proportion of wetland area, the grade of soil erosion, water efficiency of irrigation, the increase of constructed wetland area and the proportion of ecological water utilization were sensitive relatively. The evaluation index system of water ecological civilization built base on press-state-response model was comprehensive and logical. It was suitable for evaluation of water ecological civilization. Using the entropy weighted matter-element model could not only determine the overall status and stability evaluation of the object for the water ecological civilization evaluation, but also reveal the single evaluation index information. The method solved the problems of subjective uncertainty and non quantization caused by water ecological civilization concept. The water ecological civilization evaluation method can be used as reference for similar areas.

pressure; chemical oxygen demand; nitrogen; water ecological civilization; PSR model; entropy weight;

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.001

TV213

A

1002-6819(2017)-16-0001-07

劉 暢，馮寶平，張展羽，黃繼文，吳 東. 基于壓力-狀態-響應的熵權-物元水生態文明評價模型[J]. 農業工程學報，2017，33(16)：1-7.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.001 http://www.tcsae.org

Liu Chang, Feng Baoping, Zhang Zhanyu, Hunag Jiwen, Wu Dong. Evaluation model of water ecological civilization based on pressure- state-response matter element model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(16): 1-7. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.001

http://www.tcsae.org

2016-12-12

2017-07-06

國家自然科學基金項目（51179050）；山東省水生態文明試點科技支撐計劃（ZC201450519）

劉 暢，男，山東泰安人，博士生，主要從事水土資源配置與評價研究。南京 河海大學水利水電學院，210098。Email：liuchanghhu@163.com※通信作者：馮寶平，女，山西懷仁人，副教授，博士，主要從事農業水利規劃與管理研究。南京 河海大學水利水電學院，210098。

Email：Fengbaoping@hhu.edu.cn