基于層次分析法和熵權法綜合評價山東省水生態安全

楊天翼，趙 強，王奎峰，姚 天，劉玉玉

(1. 濟南大學水利與環境學院，山東濟南 250022； 2. 山東省地質科學研究院，山東濟南 250013)

目前世界范圍內水資源問題日益嚴重[1-3]，水生態安全面臨著嚴重的考驗[4-6]。山東省作為我國國內生產總值(GDP)總量排名第三的經濟強省，近年來經濟的快速發展給水環境帶來持續性的壓力，水資源短缺、水環境惡劣等問題十分明顯，水生態安全狀況受損嚴重[7-8]。當前，越來越多的國家開始重視水生態的保護與研究[9-11]，節水型社會的理念在許多國家得到推廣[12-13]。美國在20世紀90年代初就將節水變為供水管理的重要組成部分，通過供水、節水立法的實施約束用水行為[14]，而后又通過《美國水資源規劃法規》《供水法》等多部法規，組建了完善的節水政策管理體系[15]。國內外許多專家學者也致力于水生態安全評價研究[16-17]，Nichols等[18]以澳大利亞河流評估系統(AUSRIVAS)的開發為例，將河流健康的生物學評估與生態水安全評估聯系起來，采用國家生物評估方法評估生態水安全。Sullivan[19]提出了一種水貧乏指數的概念，結合多學科理念，為國家的水資源開發提供合理的標準化評級。彭濤等[20]通過構建集對分析與可變模糊集耦合的城市水資源安全評價模型，分析了廣州市水資源安全狀況及其主要障礙因子。

構建合理的水生態安全評價體系對揭示山東省水系統發展趨勢具有重要意義。本文中采用壓力-狀態-響應(pressure-state-response，PSR)模型對山東省水環境安全進行綜合評價，并結合相關標準，確定水生態安全等級，為該省水生態治理提供參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

山東省位于我國東部沿海地區，地理位置為北緯34°22.9′—38°24.01′、東經114°47.5′—122°42.3′，見圖1。

山東省地圖從國家標準地圖網站下載，地圖審批號 GS(2019)3333號(http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/browse.html? picId=%224o28b0625501ad13015501ad2bfc0210%22)， 經過ArcGIS10.6軟件數字化處理后得到。圖1 研究區概況圖

水資源主要來源于大氣降水，多年年平均降水量為676.5 mm，分布特點為南多北少[21]。省內湖泊主要集中在中南山地與魯西平原之間，蓄水量約為2.353×109m3。

1.2 數據來源

本文中的研究數據主要來源于《山東省統計年鑒》(2010—2019年)[22]、《山東省水資源公報》(2010—2019年)、《山東省環境統計公報》(2010—2019年)。由于部分統計公報中未列出2018年數據，因此沿用2017年數據進行計算。

2 PSR模型的構建

2.1 指標構建原則

遵循科學性、系統性、代表性等原則，本文中共設置壓力、狀態、響應3個準則層，選取28個水生態安全評價指標，其中壓力層、狀態層、響應層的指標個數分別為16、6、6。

2.2 評價模型選取

我國目前主要評價方法包括數學模型法(包括層次分析法[23]、主成分投影法[24]、灰色關聯度法[25])、生態模型法(生態足跡法[26])、景觀模型法[27]等。PSR模型建立在環境、經濟等層面的基礎上，指標體系比較完整，可以有效地闡述人與自然間相互作用關系，充分體現水資源的現狀與發展趨勢，清晰地展現各層次間動態關系[28]，因此，本文中采用該模型構建山東省水生態安全評價指標體系，從流域的整體角度出發，分析流域不同因子對水生態安全的影響。山東省水生態安全綜合評價指標體系概念框架如圖2所示。

3 水生態安全綜合評價

3.1 評價方法

3.1.1 指標數據標準化

本文中采用極差標準化法[29]對所選指標進行量化統一。

正向指標(數值越大越安全)計算公式為

(1)

負向指標(數值越小越安全)計算公式為

(2)

式中：Xij、Yij分別為第i年第j個指標標準化后正向、負向的數值，i=1，2，，m,j=1,2,,n,m、n為正整數；xij為第i年第j個指標的原始數值；xj,max、yj,min分別為第j個指標的最大值和最小值。

圖2 山東省水生態安全綜合評價指標體系概念框架

3.1.2 權重計算

采用熵權法對各項指標進行客觀賦權，并借助層次分析法計算各項指標主觀權重，最后引入偏好系數μ對計算出的2類權重進行綜合評價。

1)層次分析法計算主觀權重。采用層次分析法主觀分析指標的權重值時，首先根據各元素之間的相對重要關系，構建兩兩比較判斷矩陣A，結合判斷矩陣打分表打分[30]。

結合判斷矩陣A，計算判斷矩陣最大特征根λmax以及其所對應的經過歸一化后的特征向量W，相應的計算公式為

AW=λmaxW，

(3)

式中W=(w1,w2,,wn)，wj(j=1,2,,n)為各項指標的相應權重。

對判斷矩陣進行一致性檢驗，判斷一致性指標εcr的取值，計算公式為

(4)

(5)

式中：εc為判斷矩陣一致性指標；εr為隨機一致性指標。

2)熵權法計算客觀權重。采用熵權法對各項指標進行客觀權重計算。熵是一個系統的狀態函數，是系統無序度的一種度量工具[31]。

經式(1)、(2)歸一化的多目標決策矩陣X=(xij)m×n，形成新的判斷矩陣B=(bij)m×n。

定義第j個評價指標的熵值為Hj，則有

(6)

設第j個評價指標的熵權為βj，則客觀權重向量β=(β1,β2, ,βn)，即

(7)

3)綜合權重的確定。根據層次分析法所求權重αi與熵權法所求權重βi，采用偏好系數μ=0.5計算各項指標最終權重ωi，即

ωi=0.5(αi+βi)

。

(8)

3.1.3 綜合評價

在結合PSR模型、數據計算結果的基礎上對山東省水生態安全進行綜合評價。采用水生態綜合指數衡量該省水生態安全現狀，計算公式為

(9)

式中：Wi為第i年的綜合評價值；Aj為指標權重。

3.1.4 評價標準等級劃分

直接標準化后計算得出的數據無法直觀地對水環境生態狀況進行主觀的評價，因此需要將各指標的標準化值及其綜合指數轉化為等級值。借鑒國際、不同國家(地區)公認值的安全評價標準值，運用不等劃分法對綜合指數以及評判標準進行等級劃分，結果見表1[32]。

3.2 評價結果

3.2.1 系統權重評價

根據層次分析法和熵權法對2010—2018年所選取指標數據進行處理，計算得通過一致性檢驗后的各指標權重(見表2)，并對權重進行排序，對各系統的生態安全進行評價。

表1 水生態安全評判等級劃分[32]

表2 山東省水生態安全評價指標體系、指標性質及權重

1)壓力系統權重評價。在壓力準則層的指標中，工業總產值、農業總產值、農用化肥折純量、農藥施用實物量、城鎮生活污水排放量等6個指標的權重均大于0.045。由此可以看出，這些壓力指標對于水生態安全的影響較大，在今后山東省水生態的建設中，應重點對這些指標進行關注以及合理化治理。同時，如何平衡經濟與環境的關系也將是山東省下一階段的難題之一。其中農用化肥施用折純量、有效灌溉面積的綜合權重分別為0.079 61、0.025 21，結合統計年鑒中數據，2010—2018年山東省農藥化肥折純量從4.753 25×106t下降至4.203 49×106t，有效灌溉面積從4.955 3×106hm2上升至5.235 99×106hm2。這期間山東省在農業層面的積極調控，對農藥、化肥的使用進行強有力控制，增加有效灌溉面積，都在一定程度上減緩了水生態安全的壓力。其他指標權重較小，原因是在求權重時這些變化幅度小的指標相對比較穩定，例如年末人口、農業總產值等對山東省水生態有一定的影響。

2)狀態系統權重評價。狀態準則層中既有正向指標，也有負向指標，其中正向指標表示對水生態系統具有積極的作用，數值越大說明水環境生態安全狀況越好；負向指標則是對水生態系統具有消極的作用，數值越大說明對水生態系統的壓力越大。在正向指標中，水資源總量、地表水資源量、地下水資源量的綜合權重均大于0.021，水資源總量從2010年的3.091 2×1010m3下降至2017年的2.256 1×1010m3，直至2018年才上升至3.432 5×1010m3。地表水資源量也在2010—2017年間總體下降了31%左右，因此山東省現階段水生態問題仍不容忽視，水資源短缺等生態問題還需進一步解決，應努力使水資源相關指標維持2018年的水準并尋求進一步提升。酸雨檢出率綜合權重達到0.013 9，在2010—2016年間酸雨檢出率的變化幅度很不穩定，但在2017、2018年酸雨檢出率為0，可以看出山東省在這2年間所采取的措施有效降低了酸雨產出，但仍應防止酸雨反復出現。

3)響應系統權重評價。在響應準則層各項指標中，工業廢水治理投資、城市水功能區水質達標率、供水總量的綜合權重均超過0.038，9 a間山東省環境治理投資資金提升度達到96%，其占全省GDP的比重也有小幅度提升，但供水總量在2010—2018年呈現下降的趨勢，這種情況不利于山東省水環境生態安全的建設，在今后的發展過程中應予以注意。

3.2.2 綜合安全評價

山東省水生態安全評價結果見圖3。從圖中可看出，因為壓力準則層各項指標均為負向指標，所以其數值越小，壓力越大，水生態壓力在2013年達到最大值，并且在2015年以后呈現逐年下降的趨勢。

圖3 山東省水生態安全評價結果

2014、2015年狀態準則層水生態安全評價值均較小，分別為0.219 0和0.404 4，2011、2018年的評價值較大，分別為1.113 1和1.531 0，而2011、2014、2015、2018年山東省水資源總量分別為3.476 1×1010、1.484 4×1010、1.684 4×1010、3.432 5×1010m3，由此看出，水資源總量在水生態安全的維持體系中是一個重要的影響因素。

響應準則層指標近幾年呈現較大的波動態勢，其中2015年的指標值最小，為0.569 3，2012年的指標值最大，為1.502 1。綜合對比這2 a的數據可以發現，當環境污染治理投資、工業廢水治理投資等大幅增加時，響應層指標反饋也較好，表明資金的投入對于水生態維護具有重要意義。響應層指標值在2012—2015年持續減小，2016年開始逐年上升，說明山東省未來應采取更加合理、有效的措施來保證水生態系統的安全。

從綜合評價指標來看，2014、2015年的數值分別為3.383 0、3.073 8，其余幾年的數值均為4.219 9～5.929 1，結合相關統計數據，除2014、2015年山東省水生態安全狀況處于Ⅱ級，其余年份水生態安全狀況均處于Ⅲ級，即水生態服務功能已經出現退化，生態結構發生變化，可維持基本功能，但是生態環境問題已經顯現。水生態綜合評價值在2015年開始逐年上升，說明山東省的水環境狀況已經逐漸好轉。

此外，綜合評價曲線與狀態層評價曲線變化趨勢相似，水資源總量、地表水資源量等對狀態層評價指標值影響很大，因此未來應采取合理的措施，保障水資源免受污染與浪費。

不同年份各指標層評價值占綜合評價值的比重如圖4所示。由圖可見：各年份壓力層指標占比超過50%，2015年達到68.32%，表明山東省人口增長、全省國內生產總值增加和生活污水排放量增大導致了環境壓力增大，但工業廢水排放量及工業廢水中化學需氧量(COD)排放量的減少降低了對水生態系統的壓力，增強了水生態系統的安全性。在今后的環境治理中，山東省應將重點放在減小壓力層各指標對水環境的壓力方面，控制工業污水排放量與排放標準，嚴格管理農業種植方式。狀態層指標所占比重在2015—2018年呈現逐漸上升的趨勢，表明山東省水生態狀況已經逐漸有所好轉，水生態安全問題逐漸改善。響應層指標所占比重在2012年達到最大，接近32.8%。通過相關統計數據對比可以看出，與2011年相比，2012年的環境治理投資從6.14×1010元上升至7.39×1010元，環境污染治理投資占全省GDP的比重提高了0.13%，與2013年狀態評價值相比有所提升，說明對環境治理投資力度的加大收到了較好的環境狀態反饋，水生態環境有所好轉。2015—2018年響應層指標所占比重變化較小，仍需繼續加大環境治理投資力度。

圖4 不同年份各指標層評價值占綜合評價值的比重

4 結論

本文中對2010—2018年山東省水生態指標進行分析，并對水生態安全進行評價，得到結論如下：

1)2010—2018年山東省水生態安全綜合評價值略有波動，但總體處于上升的趨勢； 山東省水生態安全評判等級基本處于等級Ⅲ。雖然2018年水生態安全質量有了較大提升，但總體上看山東省水生態服務功能已經出現退化，生態問題已經凸顯。

2)山東省水環境壓力總體呈現先減小后增大的趨勢，且各項指標均為負向指標，因此現階段山東省水生態安全所承受的壓力不容忽視。這期間環境壓力值已經開始減小，下一步仍應研究更合理的科學手段緩解水生態壓力，促進經濟健康、快速發展。

3)狀態準則層評價指標和山東省水生態綜合評價指標變化趨勢基本一致，水資源總量對狀態層的響應具有至關重要的作用，因此應加強對全流域斷面水質、水量等的系統監測。

4)響應準則層評價指標值在2015年后持續增大，表明山東省在水生態問題上所采取相關措施已經逐漸發揮積極作用。