基于DPSIR模型的沂河流域水生態安全評價方法

萬生新,王悅泰

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基于DPSIR模型的沂河流域水生態安全評價方法

萬生新1,王悅泰2

1. 咸陽師范學院經濟與管理學院, 陜西 咸陽 712000 2. 山東省新泰市泉溝鎮農技站, 山東 新泰 271207

準確對流域水生態安全進行定量評價，明確流域水生態安全的限制因素。對DPSIR(驅動力-壓力-狀態-影響-響應)模型中“狀態”和“影響”指標的選取進行辨析后建立了流域水生態安全評價多層次指標體系，采用改進的群組AHP法確定各層指標權重并最終計算水生態安全指數。以沂河流域臨沂段為例，對該流域2015年水生態安全狀況進行評價。結果表明：流域內水生態安全狀態良好區域占45.2%，一般區域占54.8%，整體處在一般區間頂部，其水生態安全指數為0.573。水生態系統結構和功能仍較穩定，但面臨著流域內經濟水平亟須提高的威脅以及施肥強度過大的壓力，在生態投入與措施采取中，恢復水生態系統沿岸濕地是重點工作。

水生態安全; 評價; DPSIR模型; 沂河流域

20世紀80年代以來，各領域學者從全球安全、國家安全、以及人類自身安全的角度認識到了生態安全的重要性[1]，并不斷發展生態安全評價的理論與方法，其評價指標體系也從單因子發展到了多指標綜合體系[2-6]。90年代以來，我國學者在區域、流域、資源等生態安全評價方面取得了重大成果[7-10]，形成了以區域為核心，流域、生態脆弱區為輔的生態安全評價研究格局[11]。但目前為止，由于對生態安全概念及評價內容等方面沒有達成統一，所以生態安全評價的研究依然處在指標體系的構建和評價方法的探究階段[12]。水循環是流域內物質、能量循環的重要承載者，對流域的植被、氣候產生重要影響。水體中溶解性物質的侵蝕是造成流域內水土流失的重要因素。水力、物種多樣性等為流域內居民提供了巨大服務功能。但伴隨社會、經濟的發展，流域水生態正在遭受人為的強烈干擾，另一方面，關于流域水生態的安全評價鮮有報道。

水源不僅對于是動植物的生存必需，同時也是生產生活的必需品，在人類社會生活方面起著無可替代的作用，對于江河等水流域而言，其生態安全直接制約著人類社會生活的方方面面[13-15]，人類活動或多或少都會對水域產生一定的影響，無論是有利影響還是不利影響，都難以避免地對水域生態結構產生一定作用，只有水域能夠穩定地為人類社會生產生活提供足夠的支撐，才能說明其具有穩定的可持續發展能力，其對外界威脅的應對能力正是其生態安全的充分體現，也是高于生態健康的體現，這也是生態學研究中常用的流域水生態安全。這種分析方法側重于水域的生態安全，利用水的因果聯系DPSIR來進行多層次的評價；之后通過AHP法對指標權重進行確定，然后對指標數據進行標準化賦值，并在權重的基礎上對影響水生態安全的因素予以明晰；此外，通過實例分析的方式對沂河流域臨沂段開展水域安全方面的探究，從而為提升水域安全水平提供有益參考和借鑒。

1 評價方法

1.1 DPSIR模型

該模型評價建立在以往的PSR模型之上，這種壓力-狀態-響應關系鏈的評價方法在環境問題分析中效果明顯，該模型在此基礎上融入了“驅動力”和“影響”指標，從而更加全面地分析生態環境社會問題；在這種因果關系鏈分析的方式之下，人類社會活動對生態環境的相互作用及影響能夠多層次的加以分析評價[16]，不僅僅社會生產生活能夠顯著影響水域結構及安全等方面，而水域生態的變化也會直接對社會生活產生反作用，二者之間具有明顯的關系鏈，在該模型分析之下通過“狀態”分析能夠對水域當前狀態有效識別，同時結合“驅動力”、“壓力”指標分析來對其面臨的威脅及壓力加以識別，在“影響”分析機制下判別其對相應生態及社會活動等方面的制約效果，“響應”識別能夠分析維持生態安全所需保障；綜合來看，該模型能夠多方面、深層次地開展水域生態安全分析。

在DPSIR模型的應用中，“狀態”和“影響”指標的選取一直較難區分。例如，在流域生態安全評價方面：徐藝揚等[17]將森林覆蓋率定義為流域生態的“狀態”指標，而張松等[11]認為森林覆蓋率是河流健康狀態造成的影響，所以將其定義為“影響”指標；姚遠[18]將生物多樣性定義為流域生態的“狀態”指標，而趙振亞等[19]認為生物多樣性為植被蓋度等狀態造成的“影響”。在水資源安全評價方面：肖新成等[20]將水質指標定義為水資源的“狀態”，而陳洋波等[21]認為水質的下降是水資源超載影響的結果，所以將水質指標列入“影響”范疇。究其原因，這是由于評價對象內部因果關系的多重性和復雜性導致的，即評價對象的水質指標既是水資源超載影響的結果，同時水質又作為狀態對水生生物、植被覆蓋等要素產生影響。為明確流域水生態安全評價中“狀態”與“影響”指標的選擇，該評價方法對于水生態系統內部指標僅關注評價時刻的靜態狀態，即忽略水生態系統內部指標因果關系的作用過程，皆定義為“狀態”指標。“影響”則主要關注水生態系統此刻狀態對與其緊密聯系的生態系統以及社會經濟、人類健康造成的影響。

圖 1 DPSIR模型示意

1.2 評價單元

在進行流域水生態整體評價的同時也要考慮其空間差異性，需將評價對象劃分為次級單元進行評價。以行政區劃作為次級評價單元具有可操作性強、易于將評價結果反饋于管理的優勢。依據水系和流域邊界確定次級評價單元在體現空間差異性的同時不會破壞流域水生態的連續性[13]。在評價時可從可操作性等方面選取合適的次級評價單元。

1.3 評價指標體系的構建

對水域生態分析建立在全面、可靠的指標分析基礎上，前提是準確把控生態安全內涵，之后在此基礎上開展相應的研究分析；在水域生態分析過程中不僅僅具有“目標”、“準則”層次，還要有“要素”、“指標”層次，在合理、全面的基礎上選取的指標共22個，具體如表1所示。

1.4 權重的確定

各指標在評價過程中的重要程度不同，該評價方法采用改進的群組AHP法確定各層指標權重。主要步驟為：①各位專家構建兩兩判斷矩陣獲得個體排序向量；②根據專家所構造判斷矩陣的一致性程度，并結合聚類分析思想得到每位專家的權重；③加權平均得到綜合排序向量，即指標權重。詳細計算過程見文獻[22]，所得權重見表1。

表 1 水生態安全評價指標體系及權重

1.5 評價指標標準化處理

考慮到指標的取值性難度以及研究的可操作性，同時考慮到不同指標之間的量綱差異較大[23]，因此在本研究過程中對流域的綜合評析采取量化分級的形式，根據實際測量值的優劣分為優秀、良好、一般、較差、差五級，并進行相應的標準化賦值，具體定義等如表2所示。

（1）建設用地比例：在人類長期影響下形成的人為景觀格局，可表征流域內物質、能量循環的阻礙。以陸域面積中建設用地的比例表示。

（2）水資源開發利用強度：水資源的過度開發會影響水文循環進而導致流域內濕地面積減少、過渡帶退化、湖泊萎縮等負面反應[29]。

區域水資源開發強度=年平均農業、工業以及生態用水量/區域水資源的總量×100% (1)

（3）工業廢水排放強度：表征流域內點源污染壓力，以評價年單位面積的工業廢水排放量表示。

（4）施肥強度：流域內的水資源是農業發展的有利條件，但較低的化肥利用率使農業成為非點源污染的罪魁禍首。以單位農作物播種面積(公頃)的化肥施用量(折純、千克)表示。

（5）河道連通性：水利工程以其隔斷效應干擾了水生生物的洄游及不同水域水生生物群體間的遺傳交流，致使生物多樣性降低[30-31]。以每公里的閘壩、水電站等水利工程個數表示。

（6）平水期水量狀況：以平水期水流淹沒河道范圍的百分比來表示評價目標的生態需水滿足度。

（7）消落帶濕地退化指數：消落帶濕地可有效攔截面源污染。

消落帶濕地退化指數=(歷史濕地面積數據-當前濕地面積)/目前濕地面積×100% (2)

（8）底泥重金屬風險指數：重金屬是富集性污染物，底泥是水中重金屬遷移的歸宿，也是造成水中重金屬二次污染的源頭。

式中：為潛在生態風險指數；為第種重金屬的潛在生態風險系數；為第種重金屬的毒性響應系數；為第種重金屬的污染系數；為第種重金屬的實測值；為第種重金屬的參比值，可選用當地重金屬背景值。

（9）水生生物可以綜合反映水生態系統的健康狀況。該評價方法選擇魚類物種多樣性綜合指數，詳細計算見《流域健康評估指南》[23]。

（10）森林覆蓋率：森林是豐富的物質、能量、資源庫，是陸域生態系統的重要組成，以其表征水生態對陸域生態系統的影響。

森林覆蓋率=森林面積/陸域總面積×100% (4)

（11）水生態公眾滿意度：流域內生活居民對水生態現狀、措施、宣傳教育的滿意程度，通過調查問卷的方式實施。

（12）退耕還濕地率：濕地是水生態系統的屏障，能有效控制面源污染，退耕還濕具有重要意義。以評價對象當年水生態系統沿岸退耕面積比例表示。

表 2 流域水生態安全評價指標量化標準

1.6 水生態安全指數計算

式中，X表示第個準則層的第個指標的標準化值，B為第個準則層的計算標準化值，W為第個指標的權重。

式中，W為第個準則層的權重。

1.7 水生態安全等級劃分

按照優秀、良好、一般、較差、差5個等級劃分水生態安全等級（表3）

表 3 水生態安全等級

本研究過程中涉及的統計數據取自于臨沂市統計年鑒及職能部門數據；通過遙感影像來獲取遙感數據，并采取高分一號；課題組2015年采樣數據作為環境監測數據。

2 沂河流域(臨沂段)水生態安全評價

2.1 研究區域

臨沂因地臨沂河得名，位于北緯34°22′~36°13′，東經117°24′~119°11′之間。臨沂境內沂河流經沂水縣、沂南縣、蒙陰縣、平邑縣、費縣、蘭山區、河東區、羅莊區、郯城縣，全長約333 km，流域面積11820 km2。近年來，臨沂市社會經濟發展迅速，水利興建、耕地向建設用地轉變、水資源大量開發以及點源、面源污染導致水體出現富營養化，水生態安全面臨威脅。評價對象及其次級評價單元劃分見圖2。

圖 2 評價區域

2.2 數據來源

研究區數據包括統計數據、遙感影像數據和環境監測數據。其中統計數據來源于山東省臨沂市各相關職能部門及統計年鑒，遙感影像為覆蓋全流域的高分一號數據，環境監測數據來源于課題組2015年的采樣監測。

3 結果分析

3.1 流域整體分析

沂河流域(臨沂段)水生態安全指數為0.573，處在“一般”區間頂部，水生態系統結構尚完整、功能可保證，但已出現一定威脅。繪制準則層“驅動力、壓力、狀態、影響、響應”的得分雷達圖，如圖3。由圖3可知：①“驅動力”得分為0.523，處在“一般”區間，在準則層中得分較低。究其原因，較低的人均GDP(標準化值為0.290)將會對該流域水生態產生較大威脅。②“壓力”、“狀態”得分分別為0.646和0.600，處在“良好”區間，水生態面臨的直接壓力較小、處在較健康狀態。施肥強度(標準化值為0.520)是目前該流域水生態面臨的較大直接壓力。周期性淹水以及人類活動的影響使得消落帶內濕地數量減少，消落帶濕地退化指數(標準化值為0.327，處在較差區間)為“狀態”的限制因素。③“影響”的計算得分為0.459，處在“一般”區間，是準則層中的得分最低項。除水災害損失占GDP比例的標準化值處在良好區間，其余各指標標準化值皆處在一般區間。

圖 3 準則層評價結果

3.2 空間差異性分析

次級評價單元間具有差異性，水生態安全狀況“良好”區域面積占45.2%，“一般”區域面積占54.8%，詳見圖4。從空間差異性來看：①處在上游的沂水縣、蒙陰縣，政策上限制高強度工業、推行生態化農業，在較小壓力下，水生態系統結構、功能穩定，水生態安全狀況處在“良好”區間。②流域中上游的費縣、平邑縣、沂南縣，水環境狀態與生物種群狀態成為水生態安全的限制因素，水生態安全狀況處在“一般”區間。③蘭山區與河東區處在流域中游，近年來政府部門加大生態投入，嚴格執行環保措施，水生態安全狀態明顯改善，處在“良好”區間。④位于中下游的羅莊區，重工業為其支柱產業，較大的水資源利用及工業廢水排放強度對水生態造成了較大壓力，并在此壓力下造成了水環境狀態和生物種群狀態的下降，水生態安全狀況處在“一般”區間。⑤郯城縣位于羅莊區下游，水環境狀態受到上游影響，水生態安全狀況處在“一般”區間。各次級評價單元的準則層得分及水生態安全指數見表4。

圖 4 次級評價單元水生態安全評價結果

表 4 各次級評價單元準則層得分及水生態安全指數

4 結論

1) DPSIR模型不僅可以識別水生態目前的健康狀態，又可預見水生態面臨的潛在威脅，以及在人類保護下水生態可持續發展的能力。DPSIR模型是進行水生態安全評價的適合模型。

2) 提出了DPSIR模型在水生態安全評價過程中“狀態”和“影響”指標的選擇原則：對于水生態系統內部指標，忽略其因果關系的作用過程，皆定義為“狀態”指標，“影響”指標則主要關注水生態系統此刻狀態對與其緊密聯系的生態系統以及社會經濟、人類健康造成的影響。

3) 該方法以DPSIR模型為基礎構建包含22個指標的流域水生態安全評價指標體系，采用改進的群組AHP法確定各層指標權重，并建立指標標準化標準，形成系統的流域水生態安全評價方法。

4) 沂河流域臨沂段水生態安全指數為0.579。其中“狀態”得分為0.621，水生態處于較健康狀態，但人均GDP標準化值低至0.290，存在流域內經濟水平亟待提高的威脅。在水生態當前健康狀態下，陸域生態系統中存在水土流失比例較大(標準化值為0.42)現象，水生態對與其緊密聯系的生態系統造成了一定消極影響。

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The Method Assessing Water Eco-security in Yi River Based on DPSIR Model

WAN Sheng-xin1, WANG Yue-tai2

1.712000,2.271207,

In order to quantitatively assess the water eco-security and determine the limiting factors of it, this method established a multi-level index system by discriminating the selection of the "state" and "impact" in the DPSIR (Drives-Pressures-State-Impact-Responses) model. After establishing the index system, the improved group AHP method was used to determine the weight of each index and water eco-security index was calculated finally. Taking the Linyi section of Yi River watershed as an example, the water eco-security in 2015 was assessed. The results show that the good regions of assessment object accounted for 45.2%, the general areas accounted for 54.8%, and the water eco-security index of the assessment object is 0.573, at the top of the general interval. The structure and function of the water ecosystem are stable, but it is facing the threat of increasing the economic level and the pressure of excessive fertilization. The restoration of wetland in water ecosystem is priority for the process of ecological investment and measures taking.

water ecological security; assessment; DPSIR model; Yi River Watershed

X826

A

1000-2324(2019)03-0502-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.03.032

2018-03-24

2018-04-11

教育部人文社會科學研究青年基金:社會資本、組織結構與農民用水合作組織發展研究(13YJC790135);陜西省社會科學基金:基于成員退出行為的關中灌區農民用水合作組織發展研究(2016D026)

萬生新(1975-),男,博士,副教授.主要研究方向:農業與農村發展. E-mail:287405457@qq.com