基于PSR—物元模型的水生態文明評價研究
——以南昌市為例

皮家駿 ， 歐陽澍， 張帶琴， 劉成林

(南昌大學 建筑工程學院， 江西 南昌 330031)

1 研究背景

自古以來，善治國者必重水利，中華文明事實上是治水文明，恰是由于重視水利，中華文明得以延續千年，不斷蓬勃發展[1]。黨的十八大報告首次將關系人民福祉，關乎民族未來的長遠大計的生態文明建設，納入中國特色社會主義的總體布局。水生態文明是生態文明的根基，也是生態文明建設的難點和重點[2]。我國深入開展水生態文明建設工作，對遏制生態惡化和環境污染，提高水的生態環境，取得了良好的作用[3]。劉海嬌等[4]、李堅等[5]、王富強等[6]對城市水生態文明建設現狀進行了評價，發現些許不足之處，為加速水生態文明城市建設提供依據；王建華等[7]、唐克旺等[8]對水生態文明評價體系進行了探討，建成了較完整的水生態文明評價體系；任俊霖等[9]、劉海嬌等[10]對長江和黃河經濟帶周邊典型城市水生態文明評價，提出量化城市水生態文明指標，能豐碩水生態文明城市建設的理論;汪倫焰等[11]構建了水資源、水生態、水景觀、水管理和水文化5個大類24個指標的水生態文明城市評價指標體系，并對許昌市進行了概括評價。舒持愷等[12]建立湖泊健康物元分析模型，選取12個指標對5個湖泊進行了健康評價。通過對照國內水生態文明評價指標體系文獻，可知當前水生態文明體系研究不完善，定量地概括性評價研究較少。本文選取南昌市2006-2015年的數據進行實證分析，定量地檢驗南昌市近10年間水生態文明建設狀況。

2 研究方法

2.1 物元可拓評價模型

物元分析方法是我國蔡文教授于20世紀80年代提出的，主要用于解決復雜的不相容問題，適合于多因子評價[13]。水生態文明評價的概念具有模糊性，涉及較多的定量和定性指標，單項指標評價結果具有不相容性，因此按照物元分析法構建水生態文明評價模型，減少了在多成分辨別評價中的主觀片面性[14]。

2.1.1 建立物元矩陣 水生態文明程度物元可用R=(D,C,X)來描述，其中D表示水生態文明程度，它關于特征C的量值為X。假設D有n個特征，以C1,C2,…,Cn及其對應的量值X1,X2,…,Xn來表示，則水生態文明程度的物元矩陣可表示為:

(1)

式中： R為n維物元； Ri為R的分物元； Xi為關于Ci的量值，即水生態文明程度的各評價指標對應的原始數據。

2.1.2 經典域和節域 水生態文明程度的經典域物元矩陣Rj為:

(2)

式中： Dj(j=1,2,…,m)為水生態文明程度所劃分的評價標準的第j個等級； Ci(i=1,2,…,n)為影響水生態文明的第i個指標；區間Xij為Dj關于Ci所取得量值的范圍。

所有等級的物元用Rp表示 ：

(3)

式中:區間Xip=(aip,bip)為Dp關于Ci所取的量值范圍，且Xnp=(anp,bnp)，為所有等級的n項指標的最大取值范圍，則(anp,bnp)稱作節域。

2.1.3 關聯函數

關聯函數Kj(xi)為:

(4)

式中： Kj(xi)為評級指標i第j級別的關聯函數，Xij=(aij,bij)(i=1,2,…,n)。

(5)

(6)

式中： xi(i=1,2,…,n)為指標實測值; Xij=(aij,bij)、Xip=(aip,bip)分別為已確定的經典域和節域。

2.1.4 計算關聯度及確定評價等級

(7)

式中： Kj(D)為單元D的關于等級j的關聯度； wi為評價指標的權重。若Kj(D)=maxKj(D),則判定D屬于等級j。

3 評價指標體系

3.1 構建PSR評價指標體系

目前國內外廣泛采用PSR模式構建指標體系，壓力(P)-狀態(S)-響應(R)模式主要是回答3個問題：“發生什么、為什么發生、我們怎么做”。壓力(P)是影響水生態文明建設的因素；狀態(S)是指水生態文明現有的狀況；響應(R)是水生態文明建設采用的策略和意見。通過參考相關文獻，確定評價指標的選擇遵照以下原則：(1)科學性。所選指標物理意義要明確、統計方法要規范、測量方法要標準[18]。(2)目的性。所選指標體系能反映出水生態文明真實情況，診斷出水生態文明的破壞程度，為決策者提供對策建議[19]。(3)整體性。指標體系需全面地反映水生態的綜合特性，將所選目標和評價目標有機聯合，構成條理分明的整體[20]。(4)可操作性。指標數據的獲取可通過實際調查和統計等途徑，且便于統計和定義明確，有足夠的數據量[21]。(5)可比性。水生態文明評價是長期的工作，所選指標的含義和計算方法需統一規范[22]。

按照現有水生態文明評價文獻[23]和結合南昌市建設規劃特點，從水資源、水生態、水景觀、水管理、水文化 5方面選取23項定量和4項定性評價指標。同時，按照所取資料采用專家打分法確定定性指標的量值。針對區域各指標的量值，采用層次分析法和熵權法計算，得到各指標的權重，結果見表1。

3.2 確定評價標準

本文根據國內現有的標準和國家城市發展指導性政策，將其劃分為5個不同等級，即好、較好、一般、較差和差，分別用Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級表示。評價經典域的確定主要參考全國平均水平、《生態縣、生態市、生態省建設指標(修訂稿)》標準值、國際相關標準及江西省平均水平，構建水生態文明評價的經典域綜合物元 和節域 如下。

表1 評價指標體系

3.3 子系統

3.3.1 壓力系統(P) 人均水資源量、工業取水量、農業用水量等決定了水生態文明建設的壓力系統構成。南昌市正處于經濟發展的上升期，萬元GDP取水量和萬元工業增加值用水量等指標過大，則表明該地區需進一步加強環境管理和資源節約建設工作。水土流失治理情況可反映土地承載壓力，通過控制人均耕地面積，減輕土地承載壓力。3.3.2 狀態系統(S) 狀態系統主要指生態資源豐富和水環境安全的良好狀態，其中棲息地狀況、水生動植物狀況、森林覆蓋率和建成區綠化覆蓋率可以較好地反映該區域生態資源豐富情況。地下水開采率、水資源開發利用率和水質達標率可反映水環境安全狀態。3.3.3 響應系統(R) 響應系統主要指水環境治理和生態修復等方面，其中水利制度建設情況和水利管理占GDP比重等反映水環境治理的力度，另外需要提高城市污水處理率和工業用水循環利用率。居民滿意度和水文化普及率等這些指標能間接反映水生態環境治理效果。

4 實證研究

4.1 研究區域概況

南昌市位于江西省中北部，東經115°27′至116°35′、北緯28°10′至29°11′之間，土地總面積7 402.36km2，其中陸地面積5 197.99km2，占總面積的70.22%；水域面積2 204.37km2，占總面積的29.78%。全市年平均氣溫17℃～18℃,多年平均降雨量1 589mm。水資源豐富，多年平均徑流量61.53×108m3，多年平均地表水水資源量約為63.31×108m3，平均水資源總量為65.96×108m3，人均水資源量用水量高于全國平均水平。伴隨南昌市水生態文明城市建設，城鎮化率達72.29%，水資源環境將面臨的主要問題是水環境安全及水質惡化現象。

4.2 數據來源與處理

文中研究的數據主要來源于江西統計年鑒(2006-2015年)、江西水資源公報(2006-2015年)、南昌統計年鑒(2006-2015年)及相關的文獻[24-26]，借助遙感空間分析技術、MATLAB、EXCEL等，對南昌市2006-2015年的數據進行綜合處理，如表2所示。

表2 各年份各項評價指標的實際值

4.3 綜合評價結果和分析

根據已得評價指標量值，將得到的實際值Ci(i=1,2,…,27)代入式(4)、(7)中，得到南昌市水生態文明評價指標關聯度。以2012年C1指標(人均水資源量)的計算為例解釋其他參數的意義。將x1=1768輸入相應的公式后，獲得對應的指標等級的關聯度分別為：k(C1)Ⅰ=-0.424、k(C1)Ⅱ=0.019、k(C1)Ⅲ=-0.369、k(C1)Ⅳ=-0.236、k(C1)Ⅴ=-0.431，可知2012年該指標級別為Ⅱ級，屬于“較好”水平。同時可獲得其他年份評價指標的相關結果(見表 3)。將(表3)中的各項指標的關聯度與其相應的權重(表1)代入公式(7)計算出各年份水生態文明綜合關聯度，并判定其水生態文明等級。以2012年為例，其K1=-0.284、K2=-0.228、K3=-0.275、K4=-0.316、K5=-0.424，可以判定2012年水生態文明級別為Ⅱ級，即“較好”級別。同時可判別其他年份的水生態文明等級(見表 4)。

從表4可以發現，2006-2008年的水生態文明級別為“一般”，2008 -2013年的水生態文明級別為“較好”，2014-2015年的水生態文明級別為“好”，整體上呈現由“一般”向“好”躍升的趨勢。從2006-2015年的水生態文明等級可以看出，KⅠ(2006)≤KⅠ(2015)，表明等級無限逼近且達到Ⅰ級；KⅡ(2006-2011)呈增大趨勢，表明等級向Ⅱ靠攏，然而KⅡ(2011-2015)呈下降趨勢，表明等級向Ⅰ級靠攏；KⅢ-Ⅴ(2006-2015)較穩定地減少，表明等級逼近Ⅰ級和Ⅱ級。

綜上所述，2011年的對應的綜合關聯度反常，和其他年份存在較大的反差，這主要由于當年人均水資源量，年降雨量較低有關，表明水資源總量是水生態文明的關鍵所在，其他年份的綜合關聯度隨單項指標的變化同步穩定變化。

表3 2006-2015年評價指標關聯度

表4 各年份水生態文明等級

從指標因子的權重來看，人均水資源量(C1)、單位面積化肥施用量(C8)、城市污水處理率(C10)、農田灌溉畝均用水量(C15)、工業用水重復利用率(C16)是南昌水生態文明程度差異的主要影響因子。水資源開發率(C3)、水功能區水質達標率(C6)、城市污水處理率(C10)、萬元GDP取水量(C13)、工業用水重復利用率(C16)、萬元工業增加值用水量(C17)等指標逐年提升，說明南昌水生態文明建設工作進展順利。公眾滿意度(C18)在2006-2013年均在Ⅲ級，2014年迅速達到Ⅰ級，證實政府對水生態文明城市建設加大資金投入，效果明顯，成績顯著。政府可用財力中水利管理投入比例(C21)等級較低，說明政府對生態水利工程的投資少，且管道建設滯后。政府重視水生態文明可以有效地提升水生態文明建設工作，具有較大的提升潛力。

5 結論與討論

(1)本文選取南昌市水資源、水生態、水景觀、水管理、水文化 5個方面27項評價指標，運用PSR-物元分析模型對南昌市2006-2015年的水生態文明建設進行評價，結果表明：2006-2008年的水生態文明級別為“一般”， 2009-2013年的水生態文明級別為“較好”，2014-2015年的水生態文明級別為“好”。

(2)實證結果表明：人均水資源量、單位面積化肥施用量、城市污水處理率、農田灌溉畝均用水量、工業用水重復利用率是影響水生態文明發展的關鍵要素。南昌市水生態文明發展態勢可觀，大部分指標逐年提升，促進了水生態文明城市建設。政府高度重視水生態文明建設工作，對發展生態文明城市至關重要。

(3)采取物元分析法對南昌市水生態文明建設進行評價，評價結果科學可靠，能真實地反應實際情況，但水生態文明綜合評價的指標較多，無法將所有評價指標都納入體系，還需學者們今后進一步去更新和完善。

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