基于PSR的城市水生态安全评价体系研究——以“五水共治”治水模式下的临海市为例

王繄玮,陈　星,朱　琰,熊雪珍,卢婉莹

(河海大学水文水资源学院,江苏 南京　210098)

基于PSR的城市水生态安全评价体系研究

——以“五水共治”治水模式下的临海市为例

王繄玮,陈星,朱琰,熊雪珍,卢婉莹

(河海大学水文水资源学院,江苏 南京210098)

摘要：以PSR模型和“五水共治”治水模式为基础,从治污、防洪、排涝、供水、节水和社会经济6个方面选择指标,建立城市水生态安全评价指标体系,对城市水生态安全状况进行定量分析。采用专家评分的层次分析法对评价指标赋权,采用综合指数法对临海市水生态安全状况进行综合计算;最后根据计算结果评价临海市水生态安全状况。结果表明,临海市水生态安全状况随“五水共治”治水模式的推进逐渐得到改善。

关键词：水生态安全;PSR模型;层次分析法;综合指数法;五水共治;临海市

水是人类社会生态和发展不可缺少、不可替代的自然资源,也是一种宝贵的战略资源。水资源作为生命之源、生产之要、生态之基[1],水生态安全已经成为21世纪社会经济发展的制约因素之一[2]。水生态安全问题的研究从20世纪70年代开始起步,直到目前,大多数研究仍集中于对其概念和内涵的讨论,也有学者开始对水安全问题进行定量评价,如英国生态与水文中心提出了由资源、途径、利用、能力和环境5个分指数组成的水贫困指数(WPI)来反映水资源短缺对人类的影响[3-4];夏军等[5]构建了水资源承载力的平衡指数(IWSD)来分析流域水资源安全的程度;韩宇平等[6]应用多层次多目标决策和模糊优选理论建立了区域水安全评价的模糊优选模型,并结合多层次的水安全评价指标体系对我国部分省级行政区进行水安全状况评价;张巧显等[7]从生命安全、经济安全、生态安全等6方面选取了一些指标对中国水安全问题进行研究。

浙江省提出的“五水共治”，突破了传统“就水论水”的思路,体现了水科学的多学科与多部门特征,对保障城市水生态安全具有积极意义。该模式从治污、防洪、排涝、供水、节水以及社会经济几方面对评价体系进行综合考虑,更具有全面性、科学性和前瞻性。本文基于这一治水模式,利用“压力-状态-响应(PSR)”框架模型并结合“五水共治”的治水模式建立城市水生态安全评价指标体系,对“五水共治”治水模式下的临海市水生态安全状况进行评价,旨在给区域水生态安全提升提供一个新的思路。

表1　水生态安全PSR指标体系

1城市水生态安全评价方法

1.1建立评价指标体系

城市水生态安全系统是一个复杂的系统[7-8],它的构建既要考虑社会经济发展对水的需求的功利性目标,又要考虑实现水环境自身及其周边环境系统功能和谐的理性目标,达到健康、可持续、循环利用的水生态状态。而“五水共治”模式下的水生态安全系统能够反映“治污、排涝、防洪、供水、节水”和社会经济几个方面的综合作用。为了达到这个目的,笔者以PSR模型[9]为基础构建评价指标体系。

城市水生态安全状态可以用压力指标、状态指标和响应指标来表现。随着经济的不断发展和人口的不断增多,水生态安全系统的压力也不断增大。这种压力影响着水生态安全系统的状态,水生态安全系统将这种状态反馈给人类社会,人类社会将做出响应。

根据PSR模型,结合“五水共治”的内涵,笔者从治污、防洪、排涝、供水、节水和社会经济6个方面构建城市水生态安全评价体系[9-10],分目标层、准则层和指标层来描述“五水共治”下的临海市水生态安全,具体见表1。

1.2归一化处理指标值

采用线性比例变换的方法对各指标层指标值进行归一化处理,得到无量纲指数。

线性比例变换法归一处理如下:

当xit为正效应时,

(1)

当xit为负效应时,

(2)

式中:xit为各指标值,分为具有正效应的正向指标和具有负效应的逆向指标;xit′为xit归一化后相对应的无量纲指数[11],ximax和ximin分别为各指标值中的最大值及最小值。

1.3确定系统及指标权重

根据Saaty[12]于1980年提出的层次分析法(AHP法),通过专家打分,同时参考相关水生态安全评价的资料,对各个系统层以及每个系统层中的各个指标进行重要性标度的评判,从而得到各系统层、各系统层中各个指标的相对重要性矩阵[13]。

1.4计算子系统安全指数

各子系统的安全指数是根据系统内各指标的归一化数值及其权重的乘积加权计算得到的[14]。

子系统安全指数计算公式为

(3)

式中:E为研究区各子系统安全指数;p(xi)为各指标的安全指数,即归一化后的指标值;Wi为各指标权重;n为指标总个数,i=1,2,…,n。

1.5综合安全指数计算

综合安全指数指根据各个子系统的安全指数与其权重的乘积加权计算得到的值。综合安全指数计算公式为

(4)

式中：ESCV为研究区水生态安全系统综合安全指数;Ei为各子系统安全指数;Wii为各系统权重;n为系统总个数，i=1,2,…,n。

2应用实例

临海市地处浙江省东南沿海,地理位置界于北纬28°40′～29°04′,东经120°49′～121°41′之间。东濒东海,南接台州市椒江区和黄岩区,西连仙居县,北与天台县、三门县相毗邻。当前临海市水生态安全状况不容乐观,主要表现为:水体质量较差,水资源分布和利用格局不平衡,开发程度不高,部分地区管网漏损率高,节水指标与国内外先进水平差距较大,现有水系格局不满足防洪排涝要求等。基于此现状,“五水共治”在截污减排、水资源保障、水系综合整治等方面均提出了相关规划,分近中远期实施。根据建立的评价模型,临海市随着“五水共治”的实施,达到各阶段的规划目标,更好地提高水生态安全服务,体现规划的合理性与科学性。

2.1数据计算

以《临海市“五水共治”综合规划》中的规划目标为基础进行计算,采用打分制的数据均为5分制。

经过归一化的各指标数据及各子系统安全指数见表2～3。

表2　各指标数据归一化结果

表3　子系统安全指数及综合安全指数计算结果

2.2评价结果

将各子系统安全指数及临海市水生态安全指数的变化表示出来,见图1和图2。对临海市水生态安全指数与各指标的相关性进行分析,相关系数见图3。

图1　各子系统安全指数不同时期变化情况

图2　不同时期水生态安全指数变化情况

图3　水生态安全指数与各指标的相关系数

由图1和图2可以看出,从现状年到远期规划年,临海市的子系统安全指数及水生态安全系统安全指数基本呈上升趋势。

现状条件下,临海市水生态安全状况一般,与规划期相比相差较大。其制约因素主要有排涝和供水两方面,说明当前临海市的排涝标准较低,供水能力不能满足需水要求。各子系统间相互制约,相互作用,共同对水生态系统产生影响。从现状年2013年到远期规划年2030年,随着“五水共治”治水模式的推进与深化,各项指标逐步达到国家相关规定或标准,近、中、远期临海市的水生态安全状况将逐步得到改善。

由图3可以看出,除人口密度外,其他指标均与临海市水生态安全指数具有较强的相关性。其中COD排放总量、NH3-N排放总量、城区生活污水处理率、规模化畜禽养殖废水治理率、万元GDP用水量、灌溉水利用系数、节水器具普及率、管网损失率、公共环保意识和人均GDP与水生态安全指数的相关性高达0.95,说明这些指标对水生态安全系统影响较大。因此,要提升临海市水生态安全,可以从COD排放量、NH3-N排放总量等这些与水生态安全指数相关性较高的指标入手。

3结论

基于PSR模型和“五水共治”理念,构建了“五水共治”治水模式下的城市水生态安全评价体系,并将其应用于临海市水生态安全评价中。与基于普通治水模式的评价体系相比,“五水共治”治水模式下的城市水生态安全评价体系具有一定的科学性和前瞻性,评价结果能较为全面、客观地描述在“五水共治”治水模式下临海市的水生态安全变化趋势。

评价结果表明:①目前临海市水生态安全状况一般,主要受排涝标准较低以及供水不能满足需求这两方面的影响。②随着“五水共治”治水模式的推进与深入实施,临海市水生态安全状态从现状年2013年到远期规划年2030年将得到较大提升,各子系统的安全程度均得到了一定程度上的改善。③提升临海市水生态安全可以从COD排放量、NH3-N排放总量等与水生态安全系统相关性较高的指标入手。④“五水”之间是相互作用、相互促进的,在“五水共治”的治水模式下,治污、防洪、排涝、供水、节水等方面均得到了显著改善,带动了整个临海市水生态系统安全状态的提升,将临海市水生态文明建设推向了一个新的高度。

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Study of urban aquatic ecological security evaluation system based on PSR model:a case study in Linhai City under mode of co-governance on fiver water categories

WANG Yiwei, CHEN Xing, ZHU Yan, XIONG Xuezhen, LU Wanying

(CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract：Based on the PSR model and the mode of co-governance on five water categories, the indices involving sewage treatment, flood control, drainage, water supply, water conservation, and social economy were selected to establish an urban aquatic ecological security evaluation system, which was used to quantitatively analyze the status of urban aquatic ecological security. The index weight was determined by using the AHP method based on expert evaluation, and the comprehensive index method was used to calculate the status of aquatic ecological security of Linhai City. Based on the calculation results, the status of aquatic ecological security of Linhai City was evaluated. Results of the study show that the status of aquatic ecological security of Linhai City has improved under the mode of co-governance on the five water categories.

Key words：aquatic ecological security; PSR model; AHP; comprehensive index method; co-governance on five water categories; Linhai City

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.02.017

基金项目:国家自然科学基金(51579148);苏州市水利科技计划(2014-7-6);江苏省科技支撑计划(BE2011697)

作者简介:王繄玮(1991—),女,硕士研究生,研究方向为水文水资源及生态水文。E-mail:wangyw@hhu.edu.cn 通信作者:陈星,讲师。E-mail:chenxing@hhu.edu.cn

中图分类号：X826

文献标志码：A

文章编号：1004-6933(2016)02-0082-05

(收稿日期：2015-12-28编辑：彭桃英)