基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)的熵權(quán)-物元水生態(tài)文明評(píng)價(jià)模型

劉 暢，馮寶平※，張展羽，黃繼文，吳 東（1. 河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098；2. 河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；. 山東省水利科學(xué)研究院，濟(jì)南 25001）

·綜合研究·關(guān)鍵技術(shù)·

基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)的熵權(quán)-物元水生態(tài)文明評(píng)價(jià)模型

劉 暢1,2，馮寶平1,2※，張展羽1,2，黃繼文3，吳 東1,2
（1. 河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098；2. 河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；3. 山東省水利科學(xué)研究院，濟(jì)南 250013）

為了對(duì)區(qū)域水生態(tài)文明水平進(jìn)行評(píng)價(jià)，針對(duì)目前水生態(tài)文明評(píng)價(jià)存在的問題，探討水生態(tài)文明的內(nèi)涵和評(píng)價(jià)方法。運(yùn)用壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型（press-state-response，PSR）提出由3類要素20種指標(biāo)所組成的水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；利用客觀的熵權(quán)法求指標(biāo)權(quán)重，減少了人為主觀性對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的干擾；利用物元分析方法有效解決了評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊性和不相容性等問題，通過構(gòu)造水生態(tài)文明的經(jīng)典物元和節(jié)域物元，分析各個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度，構(gòu)建了基于PSR的熵權(quán)-物元水生態(tài)文明綜合評(píng)判模型。以濟(jì)南市南部郊區(qū)為例進(jìn)行研究，求得2010、2013、2015年水生態(tài)文明評(píng)價(jià)結(jié)果并對(duì)指標(biāo)進(jìn)行靈敏度分析，結(jié)果表明濟(jì)南郊區(qū)水生態(tài)文明水平總體在逐漸提升，但水生態(tài)系統(tǒng)的壓力沒有明顯減小，減少氨氮和化學(xué)需氧量污染物的排放是提升當(dāng)?shù)厮鷳B(tài)文明水平的關(guān)鍵措施。該文模型能夠揭示水生態(tài)文明現(xiàn)實(shí)狀態(tài)和存在的問題，評(píng)價(jià)方法可供類似區(qū)域開展水生態(tài)文明評(píng)價(jià)參考。

壓力；化學(xué)需氧量；氮；水生態(tài)文明；PSR模型；熵權(quán)；物元分析

0 引 言

生態(tài)文明是繼農(nóng)業(yè)文明、工業(yè)文明之后社會(huì)發(fā)展的新階段。水生態(tài)文明體現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展理念，是生態(tài)文明的重要組成部分[1]。水生態(tài)文明是指人類遵循人水和諧理念，以實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用，支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)和諧發(fā)展，保障生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)為主體的人水和諧文化倫理形態(tài)，是生態(tài)文明的重要組成部分和基礎(chǔ)內(nèi)容[2]。建立科學(xué)適合的水生態(tài)文明評(píng)價(jià)模型是研究水生態(tài)系統(tǒng)與人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)之間的關(guān)系和引導(dǎo)水生態(tài)文明的建設(shè)的關(guān)鍵步驟。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在水生態(tài)文明評(píng)價(jià)方面已經(jīng)做了大量的研究工作。國(guó)外方面，Dondeynaz等[3]對(duì)歐盟委員會(huì)提出的WatSan4Dev數(shù)據(jù)庫(kù)中的42個(gè)有關(guān)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和治理等方面的指標(biāo)進(jìn)行了分類（分為人類發(fā)展與貧困、人類活動(dòng)對(duì)水資源壓力、水資源、官方發(fā)展援助和國(guó)家環(huán)境問題五大類）。Gurgel等[4]等通過分析工業(yè)廢水排放的潛在影響，對(duì)巴西東北河口的水生態(tài)狀況進(jìn)行評(píng)估。Cook等[5]研究了保護(hù)動(dòng)植物棲息地和水質(zhì)的2項(xiàng)措施對(duì)恢復(fù)阿巴拉契亞中部的生態(tài)系統(tǒng)健康產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)性影響[5]。Terrones等[6]通過調(diào)查墨西哥加勒比地區(qū)的水質(zhì)來(lái)評(píng)價(jià)臨海地區(qū)水生態(tài)狀況[6]。Rebelo等[7]建立了水資源風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，用來(lái)評(píng)價(jià)污染物排放對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)健康產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。國(guó)內(nèi)方面，唐克旺[8]提出了由水生態(tài)系統(tǒng)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)所組成的水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，引入了彈性分級(jí)評(píng)分的評(píng)價(jià)方法。王建華等[9]提出了包括水生態(tài)系統(tǒng)、水供用系統(tǒng)、水管理系統(tǒng)和水文化系統(tǒng)的水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)體系框架，并結(jié)合水生態(tài)文明評(píng)價(jià)的基本條件和特色性指標(biāo)，形成了較為完整的水生態(tài)文明評(píng)價(jià)體系。崔東文等[10]利用層次分析法從水生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)中遴選出24個(gè)指標(biāo)、構(gòu)建3個(gè)層次的水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，建立基于隨機(jī)森林回歸算法的水生態(tài)文明評(píng)價(jià)模型，并構(gòu)建徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型作為對(duì)比模型，利用平均相對(duì)誤差絕對(duì)值等 3個(gè)指標(biāo)對(duì)模型性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。總體來(lái)看，目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)水生態(tài)文明評(píng)價(jià)大致有2點(diǎn)不足：由于水生態(tài)文明建設(shè)水平是一個(gè)模糊的概念，如何對(duì)其做定量評(píng)價(jià)目前還沒有廣泛認(rèn)可的科學(xué)方法；建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系普遍將水生態(tài)文明分為若干子系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立評(píng)價(jià)，忽略了子系統(tǒng)各要素之間的聯(lián)系與動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。本文從人水關(guān)系的分析入手，利用壓力-狀態(tài)-響應(yīng)（press-state-response，PSR）模型構(gòu)建水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)體系并用熵權(quán)法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，然后建立水生態(tài)文明評(píng)價(jià)物元模型對(duì)濟(jì)南市南部郊區(qū)的水生態(tài)文明水平進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以期為當(dāng)?shù)氐乃鷳B(tài)文明建設(shè)提供依據(jù)。

1 基于PSR模型的水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

PSR模型是由經(jīng)濟(jì)合作和開發(fā)組織與聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署在20世紀(jì)80年代共同提出了的概念模型[11]。PSR模型是目前應(yīng)用最廣泛的指標(biāo)體系之一。該模型已被應(yīng)用于濕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)、城市生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)、環(huán)境保護(hù)分析、土地質(zhì)量評(píng)價(jià)以及農(nóng)業(yè)發(fā)展評(píng)價(jià)等研究領(lǐng)域[12-16]。PSR模型以因果關(guān)系為基礎(chǔ)，在選取指標(biāo)時(shí)使用了壓力-狀態(tài)-響應(yīng)的邏輯思維過程，用壓力變量描述人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的威脅，用狀態(tài)變量描述由壓力變量引起的環(huán)境問題的可測(cè)特征，用響應(yīng)變量衡量社會(huì)改善環(huán)境問題的行動(dòng)，構(gòu)成了人類與環(huán)境之間的壓力-狀態(tài)-響應(yīng)關(guān)系[17-18]。PSR模型突出了生態(tài)環(huán)境受到破壞和生態(tài)環(huán)境退化之間的因果關(guān)系，壓力、狀態(tài)、響應(yīng)3個(gè)方面互相影響、互相制約，正是采取決策和制定對(duì)策措施的全過程[19]。人口的增長(zhǎng)、水資源的消耗和污染增大了各種水危機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)；另一方面隨著社會(huì)文明程度的提高，人類可以通過治理水污染、節(jié)水灌溉、水循環(huán)利用等技術(shù)的發(fā)展來(lái)改善水生態(tài)環(huán)境[20-21]。在對(duì)水生態(tài)文明建設(shè)的評(píng)價(jià)中，利用PSR模型不僅考慮到水生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，而且考慮到人類保護(hù)水生態(tài)系統(tǒng)的行為和人類對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的破壞程度。PSR模型的壓力-狀態(tài)-反饋的過程體現(xiàn)出了一段特定時(shí)期內(nèi)人水之間相互作用，相互影響的關(guān)系。因此利用PSR模型能夠科學(xué)全面的評(píng)鑒一個(gè)地區(qū)水生態(tài)文明建設(shè)狀況。

城市化的加速，用水量的增加、污染物的排放和城市的擴(kuò)張對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)施加一定壓力（pressure）。壓力可采用人均用水量、單位面積污水年排放量、單位面積化學(xué)需氧量（chemical oxygen demand，COD）年排放量、單位面積氨氮年排放量、非農(nóng)業(yè)用地比例等指標(biāo)來(lái)表現(xiàn)。人類的用水方式和水生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)（state）發(fā)生變化，可用農(nóng)業(yè)用水比例、萬(wàn)元GDP用水量、人均水資源占有量、濕地面積比例、淺層地下水位下降區(qū)面積比率、水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、水土流失程度等指標(biāo)來(lái)表現(xiàn)。人類對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的改變做出響應(yīng)（response）來(lái)實(shí)現(xiàn)人水和諧發(fā)展，可用節(jié)水器具普及率、工業(yè)用水重復(fù)利用率、灌溉水利用系數(shù)、水土流失治理比例、城市污水集中處理率、非常規(guī)水資源利用比例、人工濕地面積增加量、生態(tài)用水比例指標(biāo)來(lái)表現(xiàn)。

指標(biāo)的相對(duì)獨(dú)立性和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的全面性是構(gòu)建適合的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的重要因素[22]。在選取指標(biāo)時(shí)PSR模型使用了壓力-狀態(tài)-響應(yīng)的邏輯思維方式，保證了同一層次的各個(gè)指標(biāo)相互獨(dú)立，不同層次的各個(gè)指標(biāo)相互關(guān)聯(lián)。

本文以PSR模型為基礎(chǔ)框架，按照獨(dú)立性、全面性、動(dòng)靜結(jié)合性、定性與定量結(jié)合性、區(qū)域性等原則，構(gòu)建了由目標(biāo)層-要素層-指標(biāo)層組成的3個(gè)層次的濟(jì)南市南部郊區(qū)的水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（表1）。

表1 水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 1 Evaluation index system of water ecological civilization

2 水生態(tài)文明等級(jí)的判定方法

2.1 指標(biāo)權(quán)重確定

確定指標(biāo)權(quán)重的方法主要有主成分分析法、德爾菲法、層次分析法、熵權(quán)法等[23]。對(duì)比其他方法，熵權(quán)法具有客觀性，進(jìn)行指標(biāo)賦權(quán)可避免主觀誤差[24]。本文采用熵權(quán)法作為確定指標(biāo)權(quán)重的方法。熵權(quán)法是根據(jù)指標(biāo)變異程度來(lái)確定客觀權(quán)重。若評(píng)價(jià)指標(biāo)的信息熵越小，表明該指標(biāo)值的變異性越大，所能提供的信息越多，在整個(gè)評(píng)價(jià)中所能起到的作用也越大，所以賦予該指標(biāo)的權(quán)重也應(yīng)該越大[25]。假設(shè)評(píng)價(jià)對(duì)象有n個(gè)評(píng)價(jià)年，m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。評(píng)價(jià)體系原始數(shù)據(jù)矩陣可表示為X={xji}n×m(j=1,2,3…,n; i=1,2,3,…, m)。xji表示第j年第i個(gè)指標(biāo)值。用熵值法確立評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的主要步驟如下:

1）由于熵值法運(yùn)用了對(duì)數(shù)和熵的概念，負(fù)值和極值不能參與計(jì)算，所以在運(yùn)算過程開始前，應(yīng)先對(duì)初數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理?？紤]到指標(biāo)性質(zhì)不同，本文將評(píng)價(jià)指標(biāo)分為正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)。正向指標(biāo)值越大，對(duì)于水生態(tài)文明程度的提高越有利。負(fù)向指標(biāo)值越小，對(duì)于水生態(tài)文明程度的提高越有利。

若為正向指標(biāo)，則

若為負(fù)向指標(biāo)，則

式中yji為標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)值。

2）求各指標(biāo)的信息熵Ei：

2.2 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度

物元模型利用形式化的模型研究事物開拓規(guī)律和拓展可能性，可以解決不相容的復(fù)雜問題，適合于多因子的綜合評(píng)價(jià)[26-29]。水生態(tài)文明的涉及的指標(biāo)較多，單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果具有不相容性，本文利用物元分析法構(gòu)建水生態(tài)文明評(píng)價(jià)模型。

2.2.1 確定水生態(tài)文明物元

物元分析中所描述的對(duì)象 N及其特征向量 C和特征量值v共同構(gòu)成水生態(tài)文明物元R=(N、C、v)。假設(shè)水生態(tài)文明N有多個(gè)特征，則它以m個(gè)特征c1，c2，c3，…，cm和相應(yīng)的量值v1，v2，v3，…，vm，描述。則表示為

稱R為m維模糊物元。

2.2.2 確定水生態(tài)文明的經(jīng)典域和節(jié)域

水生態(tài)文明的經(jīng)典域物元矩陣可表示為：

式中Roh代表構(gòu)建的經(jīng)典物元；Noh代表水生態(tài)文明的第h個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)(h=1,2,…,k)；ci代表特征向量(i=1,2,…,m)；vohi代表關(guān)于第i個(gè)特征向量第h個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的量值區(qū)間范圍＜aohi,bohi＞，即經(jīng)典域。

水生態(tài)文明的節(jié)域物元矩陣表示為

式中Rp代表節(jié)域物元；＜api, bpi＞代表節(jié)域物元對(duì)應(yīng)特征向量ci的量值區(qū)間范圍，p代表水生態(tài)文明評(píng)價(jià)全部的等級(jí)，＜aoi,boi＞屬于＜api，bpi＞(i=1,2,…,m)。

2.2.3 確定關(guān)聯(lián)函數(shù)及關(guān)聯(lián)度

令有界區(qū)間Xo=[a,b]的模的定義為

式（8）～式（13）中xi、Xohi、Xpi分別表示水生態(tài)文明物元的量值、經(jīng)典域物元的第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)第h個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)所對(duì)應(yīng)的量值范圍和節(jié)域物元第i個(gè)指標(biāo)的量值范圍。

若Kh(xi)=max{Kh(xi)}(h=1,2,3,…, k)，則評(píng)價(jià)對(duì)象N關(guān)于指標(biāo)i的評(píng)價(jià)等級(jí)為h級(jí)。

2.3 確定水生態(tài)文明評(píng)價(jià)等級(jí)的綜合關(guān)聯(lián)度

水生態(tài)文明評(píng)價(jià)對(duì)象N關(guān)于第h評(píng)價(jià)等級(jí)的綜合關(guān)聯(lián)度為：

若Khmax=max{Kh}(h= 1,2,3,…, k)，則評(píng)價(jià)對(duì)象N的水生態(tài)文明評(píng)價(jià)等級(jí)即為h級(jí)。

關(guān)聯(lián)函數(shù)值的大小表示待評(píng)對(duì)象隸屬于水生態(tài)文明水平某一等級(jí)的程度。Kh(xi)值越大，表示該指標(biāo)或者評(píng)價(jià)對(duì)象在該等級(jí)中穩(wěn)定性越強(qiáng)。相反，若Kh(xi)值越小，則說明該指標(biāo)或者評(píng)價(jià)對(duì)象向其他等級(jí)轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)越強(qiáng)。

3 水生態(tài)文明評(píng)價(jià)實(shí)例

3.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于濟(jì)南市南部郊區(qū)（116°55′～117°22′E、36°19′～36°48′N），屬暖溫帶半濕潤(rùn)區(qū)的大陸性季風(fēng)氣候。多年平均氣溫14.3 ℃，多年平均降水量665.7 mm。降水空間分布不均，由東南往西北遞減。受季風(fēng)氣候影響，季節(jié)之間的降水量極不均勻，汛期6-9月的降水占全年的71.9%～76.7%。

隨著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化水平的加劇，水生態(tài)系統(tǒng)面臨巨大壓力。從2000-2010年，城市人口占總?cè)丝诘谋壤龔?4.4%增加到了57.7%；城市化率從30.7%增加到了58.6%。人均水資源量只有290 m3，遠(yuǎn)不到國(guó)際公認(rèn)的人均占有水資源量的臨界值（1 000 m3）。2010年河流湖泊現(xiàn)狀水質(zhì)達(dá)標(biāo)率處于較低水平，重點(diǎn)水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率只有42.6%。過量開采地下水和排放污廢水引起當(dāng)?shù)氐叵滤幌陆?，水質(zhì)惡化，繼而對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生威脅。加強(qiáng)水生態(tài)文明建設(shè)是當(dāng)?shù)厣鐣?huì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。

3.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究所采用的數(shù)據(jù)主要源于山東統(tǒng)計(jì)年鑒[30]、濟(jì)南統(tǒng)計(jì)年鑒[31]。對(duì)濟(jì)南市南部郊區(qū)2010、2013、2015年份進(jìn)行水生態(tài)文明評(píng)價(jià)。

3.3 數(shù)據(jù)處理

通過對(duì)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理和分析，首先根據(jù)式（3）求出各指標(biāo)的信息熵值。利用求得各指標(biāo)的信息熵，根據(jù)式（4）求得各指標(biāo)權(quán)重。然后利用所建立的水生態(tài)文明評(píng)價(jià)模型對(duì)研究區(qū)水生態(tài)文明水平進(jìn)行判定。本文所有計(jì)算利用SPSS 20.0軟件完成。

3.4 結(jié)果與分析

3.4.1 水生態(tài)文明評(píng)價(jià)結(jié)果

由于水生態(tài)文明評(píng)價(jià)具有可拓性，將水生態(tài)文明的程度描述為5個(gè)等級(jí)：優(yōu)秀、良好、中等、較差、差，分別用I、II、III、IV、V表示。確定水生態(tài)文明評(píng)價(jià)經(jīng)典域主要依據(jù)國(guó)際、國(guó)家行業(yè)相關(guān)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)、山東省平均水平。受地理自然條件的影響，如水資源量、水土流失程度等指標(biāo)地區(qū)之間差異性較大，對(duì)比性較差，確定經(jīng)典域標(biāo)準(zhǔn)是需要因地制宜、綜合考量。本文建立的水生態(tài)文明評(píng)價(jià)的物元經(jīng)典域矩陣和節(jié)域矩陣如表2所示。

表2 水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)經(jīng)典域、節(jié)域范圍、信息熵和權(quán)重Table 2 Classical domain scale, section domain scale, information entropy and index weight of water ecological civilization evaluation index

利用2010、2013、2015年水生態(tài)文明指標(biāo)的量值，求出各年份每個(gè)指標(biāo)關(guān)于每個(gè)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度（表3），并根據(jù)求得關(guān)聯(lián)度判定各年份每個(gè)指標(biāo)所處的評(píng)價(jià)等級(jí)。以2015年人均用水量(x1)為例，求得K1(x1)= -0.0120, K2(x1)= 0.0130, K3(x1)= -0.0052, K4(x1)= -0.0176, K5(x1)= -0.0289，K2(x1)取值最大，可判定2015年x1(人均用水量)處于II等級(jí)，即良好水平。同理可以判定出其他指標(biāo)所處的水平。

從表3看，單項(xiàng)指標(biāo)萬(wàn)元GDP用水量（x7）、水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率（x11）、水土流失程度（x12）的判斷等級(jí)都是處于逐步提高的趨勢(shì)，說明研究區(qū)在2010年到2015年從用水效率、水功能區(qū)保護(hù)和水生態(tài)修復(fù)方面在持續(xù)改善。單位面積COD排放量（x4）在2013年、2015年下降到IV等級(jí)，說明研究區(qū)工業(yè)污水排放量仍然需要有效控制，而污水集中處理率（x17）在2015年達(dá)到I等級(jí)，表示研究區(qū)污水處理能力已經(jīng)足夠高，這對(duì)當(dāng)?shù)厮|(zhì)狀況的改善起到了重要作用。

結(jié)合水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重（表2）和對(duì)應(yīng)的水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度（表3）得到水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合關(guān)聯(lián)度。判定2010、2013、2015年水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)的壓力關(guān)聯(lián)度、狀態(tài)關(guān)聯(lián)度、響應(yīng)關(guān)聯(lián)度和綜合關(guān)聯(lián)度所處的等級(jí)（表4）。

由表4可以看出，研究區(qū)2010、2013、2015年水生態(tài)文明水平分別處于良好、良好、優(yōu)秀水平。2010和2013年的水生態(tài)文明水平雖然都是處于II等級(jí)，但是2013年?duì)顟B(tài)水平要優(yōu)于2010年。這是由于2013年農(nóng)業(yè)用水比例（x6）萬(wàn)元GDP用水量（x7）、水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率（x11）、水土流失程度（x12）等指標(biāo)等級(jí)提升。2013年的水生態(tài)文明水平由II等級(jí)提升到2015年I等級(jí)的主要原因是狀態(tài)水平、響應(yīng)水平都從II等級(jí)轉(zhuǎn)化到了I等級(jí)。這表示著近年來(lái)人類社會(huì)對(duì)于水生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)能力明顯增強(qiáng)，水生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況大幅改善。值得注意的是水生態(tài)文明壓力水平一直處于II等級(jí)，表明人類社會(huì)對(duì)于水生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)荷仍然沒有減小，該區(qū)域的氨氮、COD等污染物的排放量仍然需要引起足夠的重視。研究區(qū)域水生態(tài)文明總體水平的逐步提高顯示出近年來(lái)濟(jì)南市對(duì)水生態(tài)文明建設(shè)重視。

表3 研究區(qū)水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度Table 3 Degree of correlation for evaluation index of water ecological civilization in research region

表4 研究區(qū)3a水生態(tài)文明評(píng)價(jià)綜合關(guān)聯(lián)度評(píng)價(jià)Table 4 Comprehensive correlation degree evaluation of water ecological civilization evaluation in research region for 3 years

3.4.2 水生態(tài)文明指標(biāo)敏感度分析

為了討論指標(biāo)值靈敏度問題，本文對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)于評(píng)價(jià)等級(jí)的靈敏度進(jìn)行了分析[32]。以2015年的指標(biāo)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)值，依次給各個(gè)指標(biāo)數(shù)值以一定增減幅度（分別為-5%，-10%，+5%，+10%），其他指標(biāo)保持不變，分析2015年水生態(tài)文明評(píng)價(jià)結(jié)果的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，部分單項(xiàng)指標(biāo)小幅度增減會(huì)改變?cè)撝笜?biāo)的所處等級(jí)，對(duì)水生態(tài)文明綜合評(píng)價(jià)結(jié)果沒有影響。由于篇幅限制，本文只給出了發(fā)生等級(jí)改變的指標(biāo)的靈敏度分析結(jié)果見表5。由表5可以看出，單位面積COD排放量（x4）、單位面積氨氮排放量（x5）、水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率（x11）指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)在5%變化幅度下就發(fā)生變化，屬于敏感性較強(qiáng)的指標(biāo)。濕地面積比例（x9）、水土流失程度（x12）、灌溉水利用系數(shù)（x15）、人工濕地面積增加量（x19）、生態(tài)用水比例（x20）指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)在10%變化幅度下發(fā)生變化，屬于相對(duì)敏感指標(biāo)。其他指標(biāo)可認(rèn)為是不敏感指標(biāo)。

表5 2015年指標(biāo)值變化下評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)變化Table 5 Variation of evaluation index grade under different index value in 2015

4 結(jié) 論

利用PSR模型構(gòu)建的水生態(tài)文明評(píng)價(jià)指標(biāo)體系具有全面性和邏輯性，適合用于水生態(tài)文明評(píng)價(jià)。利用熵權(quán)物元模型對(duì)水生態(tài)文明水平進(jìn)行評(píng)價(jià)不僅能夠判定整體評(píng)價(jià)對(duì)象所處的狀態(tài)及穩(wěn)定性，還可以揭示單個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)信息，有效克服了水生態(tài)文明由于概念的模糊性和主觀不確定性而不能定量評(píng)價(jià)問題。

通過對(duì)濟(jì)南南部郊區(qū)2010、2013、2015年的水生態(tài)文明綜合評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)近年來(lái)當(dāng)?shù)厮鷳B(tài)文明水平總體處于上升趨勢(shì)，特別是水生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)能力和水生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)一直在提升。但是，當(dāng)?shù)厮鷳B(tài)系統(tǒng)受到的壓力并沒有得到改善，減少氨氮和COD等污染物的排放是減輕水生態(tài)系統(tǒng)的壓力的重要措施。通過指標(biāo)靈敏度分析發(fā)現(xiàn)單位面積COD排放量、單位面積氨氮排放量、水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率等指標(biāo)屬于敏感性較強(qiáng)的指標(biāo)。

由于不同地區(qū)自然條件的差異性，選取不同的經(jīng)典域?qū)υu(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性具有一定影響，所以本評(píng)價(jià)方法更適用于同一區(qū)域不同時(shí)段之間或者自然條件相似的區(qū)域之間進(jìn)行水生態(tài)文明水平評(píng)價(jià)。對(duì)于其他地區(qū)的評(píng)價(jià)研究，需要針對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)發(fā)展?fàn)顟B(tài)和自然環(huán)境條件，將評(píng)價(jià)體系指標(biāo)的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。此外，將經(jīng)典域與指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)良好地匹配還有待進(jìn)一步研究。

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matter-element analysis

Evaluation model of water ecological civilization based on pressure-state-response matter element model

Liu Chang1,2, Feng Baoping1,2※, Zhang Zhanyu1,2, Huang Jiwen3, Wu Dong1,2
(1. College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2. Key Laboratory of Efficient Irrigation-drainage and Agricultural Soil-water Environment in Southern China, Ministry of Education, Hohai University, Nanjing 210098, China; 3. Water Conservancy Research Institute of Shandong Province, Jinan 250013, China)

The establishment of a suitable model for evaluating water ecological civilization plays an important role in researching the relationship between the water ecosystem and human social activities. As the water ecological civilization is a vague concept, quantitative evaluation is crucial for the water ecological civilization evaluation. In order to evaluate the level of regional water ecological civilization, the connotation and evaluation methods of water ecological civilization were discussed based on pressure state response (PSR) model. Water ecological civilization evaluation index system was proposed which consisted of 3 elements and 20 indicators. Index weight was determined by the entropy method to reduce the interference of human subjectivity on the evaluation results. The matter element theory was adopted to analyze and solve the fuzziness and incompatibility of the evaluation index by constructing the classical matter element and the section matter element of the water ecological civilization. The correlation of each index and evaluation grades were analyzed. The comprehensive evaluation model of the entropy weight based on PSR was built. The model can reveal the real state of water ecological civilization and the existing problems. Combined with the model and the collected data, the water ecological civilization evaluation results of the suburbs in Jinan city in 2010, 2013 and 2015 were calculated. In order to discuss the sensitivity of the index value, the sensitivity of the evaluation index to the judgement grade was analyzed. The index data of 2015 was used as the reference value. A certain value of each index was increased or decreased (respectively -5%, -10%, +5%, +10%) while other indicators remained unchanged. Then the grade of regional water ecological civilization evaluation was observed. The results showed the grade of the indexes including GDP water consumption, the standard rate of water functional zone and the degree of soil erosion were increasing rapidly. It meant that that this region was in continuous improvement in terms of the water resources utilization efficiency, water quality protection and water ecological restoration from 2010 to 2015. The index of COD emission per unit area decreased to a bad grade, indicating that industrial wastewater discharge in research region still need to be controlled in 2013 and 2015. The centralized sewage treatment rate reached an excellent grade in 2015. It indicated that the sewage treatment capacity of the study area was high enough, which played an important role in enhancing the local water quality. The water ecological civilization of research region in the overall level increased gradually. The ability of human beings to protect the water ecosystem was greatly improved. The health of the water ecosystem was enhanced. Reducing ammonia and COD emissions of pollutants is a key measure to improve local ecological civilization water level. The indexes including COD emission per unit area, ammonia nitrogen emissions per unit area and the standard rate of water functional zone were more sensitive. The indexes including the proportion of wetland area, the grade of soil erosion, water efficiency of irrigation, the increase of constructed wetland area and the proportion of ecological water utilization were sensitive relatively. The evaluation index system of water ecological civilization built base on press-state-response model was comprehensive and logical. It was suitable for evaluation of water ecological civilization. Using the entropy weighted matter-element model could not only determine the overall status and stability evaluation of the object for the water ecological civilization evaluation, but also reveal the single evaluation index information. The method solved the problems of subjective uncertainty and non quantization caused by water ecological civilization concept. The water ecological civilization evaluation method can be used as reference for similar areas.

pressure; chemical oxygen demand; nitrogen; water ecological civilization; PSR model; entropy weight;

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2017-07-06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51179050）；山東省水生態(tài)文明試點(diǎn)科技支撐計(jì)劃（ZC201450519）

劉 暢，男，山東泰安人，博士生，主要從事水土資源配置與評(píng)價(jià)研究。南京 河海大學(xué)水利水電學(xué)院，210098。Email：liuchanghhu@163.com※通信作者：馮寶平，女，山西懷仁人，副教授，博士，主要從事農(nóng)業(yè)水利規(guī)劃與管理研究。南京 河海大學(xué)水利水電學(xué)院，210098。

Email：Fengbaoping@hhu.edu.cn