基于PSR和G(1，1)模型的株洲市水生態(tài)安全評價研究

曲洋樣，呂儒云，楊劍鋒，李海瑞，廖劍宇

(湖南工業(yè)大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，湖南 株洲 412007)

1 研究背景

水生態(tài)安全對經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用，對一個地方的水生態(tài)安全進(jìn)行研究，不僅能夠認(rèn)識到該地區(qū)水生態(tài)安全問題并能夠提出亟需的相應(yīng)對策，更能夠防患于未然，促進(jìn)該地區(qū)水生態(tài)健康的快速發(fā)展。

我國水生態(tài)安全十分突出，已經(jīng)成為制約經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展與人們安居樂業(yè)的瓶頸[1]?，F(xiàn)有的水生態(tài)安全研究主要聚焦在水資源配置[1- 2]、水生境風(fēng)險評價[3]、水生態(tài)修復(fù)措施[4- 5]、水環(huán)境治理[6- 7]等方面。水生態(tài)安全評價研究作為水生態(tài)修復(fù)、治理的基礎(chǔ)，成為國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的研究重點。在水安全區(qū)域格局上，李夢娣等將研究重點著眼于河段山區(qū)上[8- 9]、徐紅玲等研究放在區(qū)域尺度上，通過構(gòu)建太湖流域湖泊生態(tài)健康評估體系為太湖流域的后續(xù)管理提供了理論參考[10]。Yaning Chen研究塔里木盆地，認(rèn)為流域地區(qū)經(jīng)濟(jì)增長與環(huán)境保護(hù)之間的矛盾尤為突出，必須建立一個涵蓋地表水和地下水的統(tǒng)一管理機(jī)制，并應(yīng)加快執(zhí)行政府將農(nóng)田恢復(fù)為天然植被的計劃[11]。戴文淵將研究放在市域上，認(rèn)為白銀市縣區(qū)水生態(tài)安全狀況不平衡，生態(tài)文明城市建設(shè)依舊面臨巨大挑戰(zhàn)[12]。在水生態(tài)安全評價方法方面，劉孝富運(yùn)用PSFR模型對東江流域生態(tài)安全進(jìn)行評價[13]、姚望等運(yùn)用PSR模型對貴州省水資源安全進(jìn)行診斷[14]、Susan J以澳大利亞河流評估系統(tǒng)(AUSRIVAS)的開發(fā)為例將河流健康的生物學(xué)評估與生態(tài)水安全評估聯(lián)系起來[15]。王永亮運(yùn)用D數(shù)理論對衡水市水生態(tài)安全狀況進(jìn)行評價[16]、張鳳太和蘇維詞用均方差-TOPSIS模型對貴州水生態(tài)安全評價進(jìn)行研究[17]。文章將現(xiàn)狀評價與預(yù)測評價相結(jié)合，運(yùn)用PSR模型對株洲市2011—2015年水生態(tài)安全作現(xiàn)狀評價，同時結(jié)合G(1，1)模型對株洲市水生態(tài)安全作預(yù)測評價。

目前國內(nèi)外關(guān)于水生態(tài)安全評價研究眾多，但隨著時間的推移，各個地區(qū)的生態(tài)環(huán)境都在發(fā)生變化，水生態(tài)安全狀況也將隨之更新，因此對各個區(qū)域水生態(tài)安全進(jìn)行研究是必不可少的工作。株洲市作為“長株潭”城市群的重要組成部分，2014年被國家水利部列為全國第二批水生態(tài)文明建設(shè)試點城市。通過對株洲市水生態(tài)安全評價研究，不僅能夠加強(qiáng)株洲市水生態(tài)文明建設(shè)、維護(hù)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展，同時為其他城市的生態(tài)文明建設(shè)提供參考。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

株洲古稱建寧，湖南省轄地級市，總面積11 262km2，2019年末常住人口人口402.85萬人。是新中國成立后首批重點建設(shè)的八個工業(yè)城市之一，是中國老工業(yè)基地。京廣鐵路和滬昆鐵路在株洲交匯成為中國重要的“十字型”鐵路樞紐建設(shè)綜合配套改革試驗區(qū)的一部分[18]。氣候上屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，四季分明，雨量充沛，光照充足。株洲市屬湘江水系，市域內(nèi)湘江一級支流較大的有洣水、淥水。

本文原始數(shù)據(jù)來源于《株洲市統(tǒng)計年鑒(2012—2016)》、《中國城市統(tǒng)計年鑒(2012—2016)》，株洲市水生態(tài)安全綜合指數(shù)2016—2025年數(shù)據(jù)來源于灰色G(1，1)模型預(yù)測。

3 研究方法

3.1 PSR模型

PSR模型是一種常用于環(huán)境中用于衡量發(fā)展和環(huán)境之間關(guān)系的指標(biāo)體系，可以有效反映出環(huán)境系統(tǒng)之間關(guān)系以及整合發(fā)展、資源、環(huán)境及生活之間要素。模型主要有3個影響因素(壓力、狀態(tài)、響應(yīng))組成，其中每個影響因素又由不同小分子組成。借鑒前人們對水生態(tài)安全評價指標(biāo)選取方法[19]，以PSR模型為框架，遵循科學(xué)性、普遍性、可操作性原則選取19項適用于株洲市的水生態(tài)安全評價指標(biāo)。對株洲市水生態(tài)系統(tǒng)而言，以社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人口增長作為壓力水生態(tài)安全的壓力、在壓力狀態(tài)下所表現(xiàn)出來的狀態(tài)，如人均水資源量、萬元GDP用水會對人類社會及生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，從而人類社會對不良環(huán)境做出響應(yīng)。

表1 株洲市水生態(tài)安全評價指標(biāo)及權(quán)重

3.2 綜合指數(shù)

綜合指數(shù)評價法是在確定研究對象評價指標(biāo)體系基礎(chǔ)上，運(yùn)用一定方法對權(quán)重進(jìn)行確定，利用綜合指數(shù)，定量地進(jìn)行綜合評價的方法。綜合指數(shù)評價法是一種相對簡單高效的方法，在環(huán)境評價、土地利用規(guī)劃領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[21- 22]。其評價模型為：

式中，ESI—綜合評價指數(shù)；Wi—第i個指標(biāo)的權(quán)重；Xi—其無量綱量化值；m—評價指標(biāo)個數(shù)。

經(jīng)上述方法得到的各準(zhǔn)則層綜合指數(shù)見表2。

表2 各影響因素綜合指數(shù)

對各影響因素作趨勢圖如圖1所示。

圖1 各影響因素綜合評價指標(biāo)趨勢

由于計算結(jié)果難以直觀的判斷水生態(tài)安全狀況，因此在商震霖[23]、陳華偉[24]等學(xué)者研究基礎(chǔ)上，將水生態(tài)安全等級劃為5個等級，見表3

表3 水生態(tài)安全等級

3.3 灰色G(1，1)模型

目前用于預(yù)測的模型主要有支持向量法、回歸分析預(yù)測法、系統(tǒng)動力學(xué)模型和GM(1，1)模型[25]，灰色G(1，1)模型能夠?qū)Χ嗄觌x散或連續(xù)的數(shù)據(jù)隱含的規(guī)律作趨勢分析。GM(1，1)模型的基本形式為：(1)x(0)(k)+az(1)(k)=b，其中，X(0)=(x(0)(1)，x(0)(2)，…，x(0)(n))為原始數(shù)據(jù)序列，Z(1)=(z(1)(1)，z(2)(2)，…，z(1)(n))為X(0)的1-AGO序列X(1)的緊鄰均值生成序列。

3.3.1模型檢驗

給定α，C0，P0的一組值，就確定了檢驗?zāi)Ｐ湍M精度的一個等級，模型的模擬精度分級參考標(biāo)準(zhǔn)如表4所示，模型檢驗結(jié)果見表5。

表4 灰色預(yù)測模型(1)精度等級

表5 水生態(tài)安全綜合指數(shù)G(1，1)模型檢驗結(jié)果

運(yùn)用MATLAB軟件進(jìn)行模型檢驗，檢驗結(jié)果顯示，相對誤差小于0.01，均方差為0.2688，小誤差概率為1，因此，模型預(yù)測精度為一級，預(yù)測精度高。

3.3.2指數(shù)預(yù)測

利用G(1，1)模型對株洲市2016—2025年水生態(tài)安全綜合指數(shù)進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果見表6。

表6 G(1，1)模型水生態(tài)安全綜合指數(shù)預(yù)測及真實性檢驗

通過模型真實性檢驗結(jié)果可以看出，預(yù)測值與真實值的相對誤差絕對值小于0.005，預(yù)測值可以反應(yīng)真實情況，可以作為株洲市水生態(tài)安全預(yù)測研究的依據(jù)。通過作真實值與預(yù)測值的趨勢圖，如圖2所示，可以更直觀感受G(1，1)模型預(yù)測精度及株洲市水生態(tài)安全狀況的變化。

4 結(jié)果分析

通過綜合指數(shù)法計算2011—2015年株洲市水生態(tài)安全綜合評價指數(shù)，變化趨勢如圖2所示。2011—2015年株洲市各影響因素綜合指數(shù)變化趨勢圖可以看出，株洲市在這5年間，水生態(tài)安全綜合指數(shù)由2011年的0.3757上升到0.7078，呈穩(wěn)步上升的趨勢。在2011—2013年期間，狀態(tài)(S)和響應(yīng)(R)指數(shù)發(fā)展趨勢較為平穩(wěn)；壓力(P)指數(shù)變化較大，從0.1404上升到0.3303，同時株洲市水生態(tài)安全綜合指數(shù)由0.3758上升到0.594，由此可見在2011—2013年期間，壓力因素指數(shù)成為影響株洲市水生態(tài)安全指數(shù)的主要影響因素。2014—2015年期間，壓力影響指數(shù)緩慢下降，同時狀態(tài)影響指數(shù)緩慢上升，響應(yīng)影響指數(shù)快速上升，在此期間，狀態(tài)和響應(yīng)成為提高株洲市水生態(tài)安全指數(shù)的主要影響因素，株洲市水生態(tài)安全綜合指數(shù)由2013年的0.594提升到0.7078。這可能與株洲市2014年開始被納入第二批全國水生態(tài)文明試點城市有關(guān)，株洲市在全省率先實行河長制，實現(xiàn)四級河長全覆蓋，為株洲市水生態(tài)文明建設(shè)、水資源的可持續(xù)利用、經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展提供了政策保障。

圖2 水生態(tài)安全綜合指數(shù)MATLAB預(yù)測

構(gòu)建PSR模型并運(yùn)用綜合指數(shù)法計算得株洲市水生態(tài)安全綜合指數(shù)可知，2011—2015年，水生態(tài)安全綜合指數(shù)由0.3758到0.7078，株洲市水生態(tài)安全狀況由風(fēng)險級向良好級轉(zhuǎn)變。運(yùn)用灰色G(1，1)模型對株洲市2016—2025年株洲市水生態(tài)安全狀況進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果顯示，水生態(tài)安全等級不斷提高，在2018年株洲市水生態(tài)安全等級由良好級進(jìn)入安全級，實現(xiàn)質(zhì)的飛躍。

5 結(jié)語

株洲市作為曾經(jīng)典型的老工業(yè)基地，光鮮背后是粗放式發(fā)展帶來的環(huán)境污染[26]。株洲因工業(yè)而生，也因工業(yè)而困，2013年，株洲以深化“兩型”綜合配套改革試驗，開始大力推動清水塘老工業(yè)區(qū)搬遷改造。2014年，株洲市作為第二批被納入全國水生態(tài)文明試點城市。文章以此為背景，從株洲獨(dú)特的區(qū)位性出發(fā)，選取2011—2015年株洲市19項水生態(tài)安全評價指標(biāo)，建立PSR模型、運(yùn)用綜合指數(shù)法對株洲市水生態(tài)安全狀況進(jìn)行現(xiàn)狀評價，評價結(jié)果顯示，株洲市在2011—2015年，水生態(tài)安全狀況在不斷改善，從2011年風(fēng)險級轉(zhuǎn)變?yōu)?015年的良好級。通過灰色系統(tǒng)G(1，1)模型對2016—2025年株洲的水生態(tài)安全作預(yù)測研究，研究結(jié)果顯示，株洲市水生態(tài)安全在2018年開始進(jìn)入安全級，此后至2025年，水生態(tài)安全指數(shù)不斷上升。

研究結(jié)果不僅揭示了株洲市在建設(shè)“水生態(tài)文明城市”過程中取得的成效。為株洲市水生態(tài)安全健康發(fā)展提供一定依據(jù)，同時可以為政府及相關(guān)部門建設(shè)“水生態(tài)文明城市”提供一定的指導(dǎo)，新常態(tài)下的株洲市，要繼續(xù)轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，提高水資源利用率，不斷為株洲市水生態(tài)安全注入活力。