基于熵權(quán)-物元的水土資源生態(tài)安全探析

許東陽(yáng)，任永泰，鄧 朝，成 琨

東北農(nóng)業(yè)大學(xué)a.工程學(xué)院;b.理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030

生態(tài)安全是指國(guó)家或地區(qū)的耕地資源、水土資源等安全狀況很少受到外界制約和威脅[1]。出現(xiàn)生態(tài)安全問(wèn)題的根本原因是水、土等資源的不合理開發(fā)利用[2]，生態(tài)安全問(wèn)題會(huì)嚴(yán)重影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人民生活水平[3]。

為保障經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展與人民生活水平的提高，需構(gòu)建合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，選用客觀有效的評(píng)價(jià)方法，對(duì)水土資源生態(tài)安全現(xiàn)狀進(jìn)行研究。常見(jiàn)的構(gòu)建方法是基于固定模型構(gòu)建指標(biāo)體系(如ZHANG等[4]基于DPSIR模型對(duì)湖泊生態(tài)安全進(jìn)行評(píng)價(jià)，WANG等[5]基于DPSIRM 模型對(duì)太湖流域水環(huán)境承載力進(jìn)行評(píng)價(jià))。常用的評(píng)價(jià)方法為物元可拓模型[6-7]，它主要是將元素與集合的關(guān)系運(yùn)用關(guān)聯(lián)度表示，探究物元變化規(guī)律(如田浪等[8]運(yùn)用物元可拓模型對(duì)灌區(qū)水資源綜合效益進(jìn)行評(píng)價(jià)，劉暢等[9]運(yùn)用物元可拓模型對(duì)濟(jì)南市郊的水生態(tài)文明進(jìn)行評(píng)價(jià)并闡明該地區(qū)生態(tài)文明狀態(tài)及存在問(wèn)題，張鳳太等[10]基于物元分析對(duì)重慶土地生態(tài)問(wèn)題進(jìn)行評(píng)價(jià)及影響因素分析，張秋霞等[11]基于變權(quán)值與物元可拓模型對(duì)新鄭市耕地生態(tài)安全進(jìn)行預(yù)警研究)。但相關(guān)學(xué)者對(duì)同一待評(píng)對(duì)象不同安全等級(jí)綜合關(guān)聯(lián)度值的不規(guī)則增加(或降低)進(jìn)行研究的報(bào)道較少。

筆者針對(duì)同一待評(píng)對(duì)象不同安全等級(jí)綜合關(guān)聯(lián)度值較為敏感，且易造成待評(píng)對(duì)象安全等級(jí)錯(cuò)位的問(wèn)題，引入物元可拓模型并對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)合熵權(quán)法對(duì)同一待評(píng)對(duì)象不同安全等級(jí)的綜合關(guān)聯(lián)度值進(jìn)行量化，用以解決同一待評(píng)對(duì)象不同安全等級(jí)綜合關(guān)聯(lián)度值的不規(guī)則增加(或降低)現(xiàn)象。以黑龍江省水土資源生態(tài)安全現(xiàn)狀為例，對(duì)該模型進(jìn)行驗(yàn)證。

1 構(gòu)建改進(jìn)物元可拓模型

1.1 構(gòu)建物元可拓模型

物元可拓模型主要用于研究事物拓展的可能性，并以此解決不相容問(wèn)題。其基本原理是運(yùn)用可拓論的邏輯細(xì)胞物元來(lái)描述事物，并分析和探究其變化規(guī)律。

1)確定經(jīng)典域Rj和節(jié)域Rp物元矩陣，水土資源生態(tài)安全的物元矩陣為

(1)

式中:Mj(j=1,2,…,m)為生態(tài)安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的第j個(gè)等級(jí)，Ci(i=1,2,…,n)為生態(tài)安全評(píng)價(jià)體系中的第i項(xiàng)指標(biāo)， 區(qū)間Xji=(aji,bji)為Mj關(guān)于Ci所規(guī)定的量值范圍，Mp為評(píng)價(jià)等級(jí)的全體，區(qū)間Xpi=(api,bpi)為Mp關(guān)于Ci所取量值范圍，由定義知Xj?Xp。

2)關(guān)聯(lián)度的確定，由可拓集合論知關(guān)聯(lián)度的計(jì)算公式為

(2)

式中:ρ(xi,Xji)表示點(diǎn)xi到經(jīng)典域Xji=(aji,bji)的距離，ρ(xi,Xpi)表示點(diǎn)xi到節(jié)域Xpi=(api,bpi)的距離。

1.2 確定指標(biāo)權(quán)重

權(quán)重系數(shù)是指在評(píng)價(jià)過(guò)程中，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要程度進(jìn)行定量分配。步驟如下：

步驟1：指標(biāo)數(shù)據(jù)的無(wú)量綱化處理能夠削弱量綱對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。

(3)

式中：xij、rij分別為第i個(gè)指標(biāo)第j個(gè)年份觀測(cè)值與量化值。

步驟2：利用信息熵確定指標(biāo)客觀權(quán)重。

(4)

式中：ωi表示權(quán)重值。

1.3 確定待評(píng)對(duì)象生態(tài)安全值

由各指標(biāo)權(quán)重ωi及其關(guān)聯(lián)度Kj(xi)可得待評(píng)對(duì)象P0相對(duì)各評(píng)價(jià)等級(jí)的綜合關(guān)聯(lián)度，對(duì)其進(jìn)行量化可得待評(píng)對(duì)象生態(tài)安全值T。公式如下：

(5)

式中：j為安全等級(jí)。

2 構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

驅(qū)動(dòng)力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)(DPSIR)模型是對(duì)PSR模型的修正與發(fā)展，在環(huán)境評(píng)價(jià)體系中應(yīng)用較多[12]。該模型中驅(qū)動(dòng)力是描述與人類生活方式相關(guān)的資源環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的改變，壓力是指自然資源的使用現(xiàn)狀，狀態(tài)是指特定區(qū)域自然資源狀況的現(xiàn)象與水平，影響是指由上述因素造成的資源環(huán)境狀態(tài)的改變而呈現(xiàn)出的結(jié)果，響應(yīng)是指?jìng)€(gè)人、社會(huì)及有關(guān)部門為適應(yīng)資源環(huán)境狀態(tài)改變所采取的對(duì)策。研究結(jié)合黑龍江省的自然經(jīng)濟(jì)狀況和資源環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)視角選取了具有代表性的28個(gè)指標(biāo)，構(gòu)建DPSIR評(píng)價(jià)體系(表1)。參考聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織所推薦的綜合評(píng)價(jià)指南[13]和有關(guān)文獻(xiàn)[14-15]，以及黑龍江省資源平均水平、全國(guó)資源平均水平和國(guó)際通行指標(biāo)等，確定各指標(biāo)安全等級(jí)標(biāo)度范圍并賦予相應(yīng)分值。

表1 水土資源生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 1 Water and soil resources ecological safety evaluation index system

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 研究區(qū)域概況

黑龍江省是中國(guó)重要的商品糧基地，氣候溫和濕潤(rùn)，土地肥沃，具有良好的農(nóng)作物生長(zhǎng)條件，糧食產(chǎn)量對(duì)保障中國(guó)糧食安全具有重要作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年該地區(qū)水資源開發(fā)利用率為41.79%，較2003年增加43.61%，農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生態(tài)用水比例分別為89%、5.84%、0.71%。全國(guó)水資源開發(fā)利用率為18.60%，農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生態(tài)用水比例分別為62.38%、21.65%、2.36%。分析得知，該地區(qū)水資源的過(guò)度開采和農(nóng)業(yè)水資源的大量使用，與部分地區(qū)過(guò)于追求糧食產(chǎn)量密不可分，此舉嚴(yán)重阻礙了地區(qū)工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境建設(shè)。2016年黑龍江地下水開采強(qiáng)度(地下水資源開采量/水資源開采總量-地下水資源量/水資源總量)為23.03%(全國(guó)為2.03%)，較2003年增加72.90%。地下水的長(zhǎng)期過(guò)度開采，廢水(單位面積廢水排放量2016年比2003年增加32.24%)及污染物(水資源污染物排放量先增加后降低，2016年比2003年降低43.11%，2008年最高，為0.103 1 t/104m3)的大肆排放對(duì)該地區(qū)耕地質(zhì)量、地下水水質(zhì)等生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重?fù)p害。為保障該地區(qū)水土資源生態(tài)安全健康可持續(xù)發(fā)展，對(duì)其進(jìn)行水土資源生態(tài)安全評(píng)價(jià)勢(shì)在必行。

3.2 權(quán)重值分析

基于Ci(i=1,2,…,28)的實(shí)測(cè)值和表1中經(jīng)典域物元區(qū)間以及公式(3)和公式(4)，可得各指標(biāo)對(duì)應(yīng)安全等級(jí)及其權(quán)重值(表2)。分析得知，對(duì)水土資源生態(tài)安全影響最顯著(權(quán)重最大)的指標(biāo)有生態(tài)用水比例(0.194 6)、農(nóng)業(yè)用水比例(0.111 5)、農(nóng)業(yè)萬(wàn)元產(chǎn)值耗水量(0.108 9)、工業(yè)萬(wàn)元產(chǎn)值耗水量(0.077 3)、地下水開采強(qiáng)度(0.064 7)和農(nóng)林水支出比例(0.561)。其中工、農(nóng)業(yè)萬(wàn)元產(chǎn)值耗水量、農(nóng)林水支出比例等指標(biāo)安全等級(jí)高且呈現(xiàn)逐年增加趨勢(shì)，促進(jìn)黑龍江水土資源生態(tài)安全等級(jí)的提升；生態(tài)用水比例、農(nóng)業(yè)用水比例、地下水開采強(qiáng)度等指標(biāo)安全等級(jí)低且呈現(xiàn)逐年下降趨勢(shì)，阻礙黑龍江水土資源生態(tài)安全等級(jí)的提升。

表2 水土資源生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬等級(jí)及權(quán)重Table 2 Classification criteria and weights of ecological security assessment indicators for water and soil resources

由表2可得出準(zhǔn)則層、因素層各系統(tǒng)所占比重(圖1)。準(zhǔn)則層中狀態(tài)系統(tǒng)(0.343 6)和因素層中資源環(huán)境系統(tǒng)(0.623 0)對(duì)水土資源生態(tài)安全影響最顯著。結(jié)合表2數(shù)據(jù)分析得知，生態(tài)、農(nóng)業(yè)用水比例對(duì)狀態(tài)系統(tǒng)影響最顯著；生態(tài)、農(nóng)業(yè)用水比例和地下水開采強(qiáng)度對(duì)資源環(huán)境系統(tǒng)影響最顯著。

圖1 準(zhǔn)則層和因素層各系統(tǒng)所占比重Fig.1 The proportion of each system in the criterion layer and factor layer

3.3 生態(tài)安全值分析

將Ci(i=1,2,…,28)的實(shí)測(cè)值代入公式(1)～公式(5)，可得黑龍江省傳統(tǒng)物元可拓模型的生態(tài)安全等級(jí)、改進(jìn)物元可拓模型的水土資源生態(tài)安全值及安全等級(jí)(表3)。同理，由經(jīng)典域物元闕值可得改進(jìn)物元可拓模型的水土資源生態(tài)安全值隸屬安全等級(jí)：1≤T<1.87為Ⅰ級(jí)安全(惡劣級(jí))，1.87≤T<2.61為Ⅱ級(jí)安全(危險(xiǎn)級(jí))，2.61≤T<3.41為Ⅲ級(jí)安全(敏感級(jí))，3.41≤T<4.13為IV級(jí)安全(良好級(jí))，4.13≤T<5為V級(jí)安全(安全級(jí))。

表3 傳統(tǒng)與改進(jìn)物元可拓模型的水土資源生態(tài)安全等級(jí)Table 3 The level of ecological security of soil and water resources in the traditional and improved matter-element extension model

由表3分析得知，傳統(tǒng)物元可拓模型的安全等級(jí)與改進(jìn)后物元可拓模型的安全等級(jí)在2003、2007、2008、2010、2012年相一致。2004年傳統(tǒng)物元可拓模型安全等級(jí)為Ⅰ級(jí)，且Ⅲ級(jí)隸屬度高于Ⅱ級(jí)，改進(jìn)物元可拓模型安全等級(jí)為Ⅱ級(jí)，與此類似的年份有2006、2009、2014年。2005年傳統(tǒng)物元可拓模型安全等級(jí)為Ⅲ級(jí)(弱)，更易向Ⅱ級(jí)轉(zhuǎn)化，改進(jìn)物元可拓模型安全等級(jí)為Ⅱ級(jí)(強(qiáng))，與此類似的年份有2011、2013、2015、2016年。綜上所述，改進(jìn)后的物元可拓模型有效解決了傳統(tǒng)物元可拓模型中針對(duì)同一待評(píng)對(duì)象不同安全等級(jí)綜合關(guān)聯(lián)度值敏感且易造成待評(píng)對(duì)象安全等級(jí)錯(cuò)位的問(wèn)題。

圖2體現(xiàn)了2003—2016年水土資源生態(tài)安全值與歷年變化情況 。由圖2可知， 2003—2016年生態(tài)安全發(fā)展不均衡，增長(zhǎng)潛力大，整體呈先上升后下降的趨勢(shì)，2009、2011、2012年處于Ⅲ級(jí)安全(敏感級(jí))狀態(tài)，其余年份為Ⅱ級(jí)安全(危險(xiǎn)級(jí))狀態(tài)。

整體可劃分為2003—2008年、2009—2012年、2013—2016年3個(gè)相對(duì)穩(wěn)定階段。第一階段生態(tài)安全值最小(均值為2.313 9)，第二階段生態(tài)安全值最大(均值為2.664 5)。生態(tài)安全值增加的主因是負(fù)向指標(biāo)農(nóng)、工業(yè)萬(wàn)元產(chǎn)值耗水量不斷減小(2016年較2003年分別降低63.13%、81.41%)。第三階段生態(tài)安全值(均值為2.382 2)小于第二階段的主因是正向指標(biāo)生態(tài)用水比例較上階段平均降低49.56%。2004年生態(tài)安全值(2.137 1)最小，主因是正向指標(biāo)生態(tài)用水比例較前一年降低69.08%。2012年生態(tài)安全值(2.876 0)最大，主因是負(fù)向指標(biāo)工業(yè)萬(wàn)元產(chǎn)值耗水量較前一年降低22.59%。2011年生態(tài)安全值增幅(0.512 7)最大，主因是正向指標(biāo)生態(tài)用水比例較前一年增加186.92%，引起狀態(tài)系統(tǒng)與資源環(huán)境系統(tǒng)安全值的增加。2013年生態(tài)安全值增幅(-0.488 5)最小，主因是負(fù)向指標(biāo)地下水開采強(qiáng)度、正向指標(biāo)生態(tài)用水比例較前一年分別增加40.75%、降低50.47%，分別引起壓力系統(tǒng)與狀態(tài)系統(tǒng)安全值的降低，共同導(dǎo)致資源環(huán)境系統(tǒng)安全值的降低。

圖2 2003—2016年水土資源生態(tài)安全值與歷年增幅Fig.2 Ecological security value of water and soil resources and annual growth from 2003 to 2016

準(zhǔn)則層和因素層各系統(tǒng)歷年安全值變化情況見(jiàn)圖3和圖4。

準(zhǔn)則層中(圖3)，2003—2016年?duì)顟B(tài)系統(tǒng)與水土資源生態(tài)安全波動(dòng)狀況相一致。驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)安全值高于水土資源生態(tài)安全，發(fā)展相對(duì)穩(wěn)定，主因是正向指標(biāo)GDP增長(zhǎng)率、負(fù)向指標(biāo)人口自然增長(zhǎng)率與水資源開發(fā)利用率分別降低40.20%、124.14%與增加43.61%。壓力系統(tǒng)安全值高于水土資源生態(tài)安全，2016年較2003年下降27.27%，主因是負(fù)向指標(biāo)地下水開采強(qiáng)度2016年較2003年增加72.90%。狀態(tài)系統(tǒng)安全值低于水土資源生態(tài)安全，2016年較2003年下降34.92%，主因是負(fù)向指標(biāo)農(nóng)業(yè)用水比例、正向指標(biāo)生態(tài)用水比例2016年較2003年分別增加33.08%、降低43.13%。2003—2009年影響系統(tǒng)安全值低于水土資源生態(tài)安全， 2012—2016年高于水土資源生態(tài)安全，2016年較2003年上升111.00%，主因是負(fù)向指標(biāo)農(nóng)、工業(yè)萬(wàn)元產(chǎn)值耗水量2016年較2003年分別降低63.13%、81.41%。2003—2006年響應(yīng)系統(tǒng)安全值低于水土資源生態(tài)安全，2007—2016年高于水土資源生態(tài)安全，2016年較2003年上升90.67%，主因是正向指標(biāo)農(nóng)林水支出比例2016年較2003年增加158.51%。

因素層中(圖4)，2003—2016年資源環(huán)境系統(tǒng)與水土資源生態(tài)安全波動(dòng)狀況相一致。2003—2009年資源環(huán)境系統(tǒng)安全值高于水土資源生態(tài)安全，2010—2016年低于水土資源生態(tài)安全，2016年較2003年下降31.07%，主因是農(nóng)業(yè)用水比例過(guò)高。社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)安全值2016年較2003年增長(zhǎng)82.24%，主因是農(nóng)、工業(yè)萬(wàn)元產(chǎn)值耗水量的不斷降低與農(nóng)林水支出比例的不斷提高。

綜上所述，當(dāng)前，黑龍江省經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對(duì)較低，資源環(huán)境壓力較大，其根本原因是對(duì)資源的不合理配置及利用。因此政府與相關(guān)部門應(yīng)制定科學(xué)合理的水資源開發(fā)及配置方案，提高工農(nóng)業(yè)水資源利用效率，降低農(nóng)業(yè)用水、提高工業(yè)與生態(tài)環(huán)境用水，緩解由水資源短缺對(duì)工業(yè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境建設(shè)造成的影響。在生態(tài)環(huán)境方面，積極采取降低地下水開采強(qiáng)度、加強(qiáng)廢水治理和控制污水排放等有益生態(tài)安全建設(shè)的措施。

圖3 準(zhǔn)則層各系統(tǒng)歷年安全值Fig.3 Safety values of each system in the criterion layer

圖4 因素層各系統(tǒng)歷年安全值Fig.4 Safety values of each system in the factor layer

4 結(jié)論

研究從資源環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的角度構(gòu)建DPSIR評(píng)價(jià)體系，以熵權(quán)法與改進(jìn)物元可拓模型對(duì)黑龍江省2003—2016年水土資源生態(tài)安全狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。得出以下結(jié)論：

1) 所采用的權(quán)重確定方法具有較強(qiáng)的客觀性，有效避免了評(píng)價(jià)過(guò)程中目標(biāo)權(quán)重值具有人為偏好的問(wèn)題。改進(jìn)物元可拓模型能夠有效判定待評(píng)價(jià)對(duì)象所處安全狀態(tài)及等級(jí)，有效克服了關(guān)于傳統(tǒng)物元可拓模型同一待評(píng)對(duì)象不同安全等級(jí)綜合關(guān)聯(lián)度值之間差異小且易造成誤差大的問(wèn)題。

2) 2003—2016年黑龍江省水土資源生態(tài)安全水平整體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，增長(zhǎng)潛力大，整體處于Ⅱ級(jí)安全水平(危險(xiǎn)級(jí))。各系統(tǒng)中狀態(tài)系統(tǒng)與資源環(huán)境系統(tǒng)對(duì)水土資源生態(tài)安全影響最顯著。對(duì)水土資源生態(tài)安全影響最顯著的指標(biāo)有生態(tài)用水比例、農(nóng)業(yè)用水比例、農(nóng)業(yè)萬(wàn)元產(chǎn)值耗水量、工業(yè)萬(wàn)元產(chǎn)值耗水量、地下水開采強(qiáng)度和農(nóng)林水支出比例。分析得知，降低農(nóng)業(yè)用水比例、提高水資源利用效率、降低地下水開采強(qiáng)度、加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境治理仍是黑龍江生態(tài)安全工作的重點(diǎn)。

3) 水土資源生態(tài)安全涉及評(píng)價(jià)指標(biāo)較多，在指標(biāo)的選擇方面尚不能全部將其納入考慮范圍。不同地區(qū)的自然條件存在差異，經(jīng)典域與指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的良好匹配還需進(jìn)一步研究。