基于TQR-EGM模型的水資源生態(tài)安全評價及動態(tài)預(yù)警

何 剛，趙疏航，杜 宇

(1.安徽理工大學 深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點實驗室，安徽 淮南，232001；2.安徽理工大學 經(jīng)濟與管理學院，安徽 淮南，232001)

1 研究背景

水資源時空上分布不均勻是我國的基本水情，須加強水污染共防聯(lián)治，從根本上改善水環(huán)境質(zhì)量[1]。隨著水資源存量短缺、水污染災(zāi)情嚴重和水生態(tài)環(huán)境惡化之間的矛盾日益突出，水資源生態(tài)安全已列為我國的重大生態(tài)問題之一。近年來，安徽省的生態(tài)環(huán)境問題逐漸凸顯，水環(huán)境問題尤為嚴重，已成為制約經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸，水資源狀況關(guān)系著安徽省全局發(fā)展，使淮河生態(tài)經(jīng)濟帶、長江經(jīng)濟帶也成為學術(shù)界及社會各方關(guān)注的熱門焦點。

水資源生態(tài)安全是指水資源對社會經(jīng)濟發(fā)展和人民生活質(zhì)量的保障程度[2]。近十年來，學術(shù)界關(guān)于水資源研究成果頗多，重點集中在水資源生態(tài)安全、水資源承載力、水污染治理效率、水資源利用效率等方面。由于經(jīng)濟社會發(fā)展速度的加快給水生態(tài)環(huán)境帶來的一系列問題，如用水量隨著人口增長而加大、工業(yè)廢水處理技術(shù)不成熟等，因而應(yīng)更加關(guān)注水資源生態(tài)安全。水資源生態(tài)安全評價包括構(gòu)建評價指標體系、選取研究以及預(yù)測方法等，目前研究對象主要集中在城市[2-3]、特殊地帶(巖熔地區(qū)[4]、三峽庫區(qū)[5])以及流域等[6]。從研究方法看，Couture等[7]使用水文模型、湖泊模型和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)來評估挪威南部的萬瑟湖未來生態(tài)狀況；許東陽等[2]運用PSO優(yōu)化投影尋蹤評價模型研究黑龍江省水資源生態(tài)安全；代穩(wěn)等[8]運用生態(tài)足跡定量評價六盤水市水資源生態(tài)安全；張鳳太等[4]運用灰色關(guān)聯(lián)方法和均方差法測度貴州省地下水資源生態(tài)安全；高媛媛等[9]采用層次分析法與聚類分析法評價泉州市水資源安全狀況。這些研究成果在豐富水資源生態(tài)安全理論體系的同時也為其水資源生態(tài)狀況的整改整治提供了指導(dǎo)，但在研究中忽視了以下幾點：(1)構(gòu)建指標體系沒有考慮內(nèi)部演變。(2)僅評測安全水平，不能鑒別其制約作用的障礙因素。(3)關(guān)于水資源生態(tài)安全的預(yù)測預(yù)警不多，而且不同評價方法所預(yù)測的演變趨勢不便于比較。

綜上所述，本文以安徽省為研究區(qū)，基于TQR(威脅-質(zhì)量-調(diào)控)概念模型構(gòu)建水資源生態(tài)安全評價指標體系，便于研究不同子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)度以及如何影響安徽省水資源生態(tài)安全水平。借助生態(tài)安全指數(shù)來評價水資源安全水平，利用障礙度模型診斷障礙因素，通過灰色預(yù)測模型進行動態(tài)預(yù)警，最后針對安徽省水資源生態(tài)安全的共防聯(lián)治提出建議，為生態(tài)文明建設(shè)提供理論支撐。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

安徽省位于中國大陸的中東部，沿江近海，地處華東腹地，行政區(qū)面積達140 139.85 km2，地跨長江、淮河、新安江三大流域，是長江經(jīng)濟帶、長三角城市群和淮河生態(tài)經(jīng)濟帶的重要構(gòu)成部分[10]，安徽省水系分布如圖1所示。2018年安徽省地下水開采比例為10.48%，相比2013年的9.20%增長了13.96%；同年人均水資源量達1 321.684 m3，相比2016年的2 009.635 m3減少了34.23%。長期粗放型的經(jīng)濟發(fā)展模式使得安徽省水資源需求和水生態(tài)狀況遭受到巨大壓力。因此，科學評價安徽省水資源生態(tài)安全，分析其時序變化趨勢，對安徽省制定有效的水資源生態(tài)安全保護政策有著重大的借鑒意義。

圖1 安徽省水系分布圖

2.2 數(shù)據(jù)來源

各項指標數(shù)據(jù)來源于2013-2018年的《中國水資源公報》《安徽省水資源公報》和《安徽省統(tǒng)計年鑒》，部分評價指標數(shù)據(jù)是根據(jù)年鑒和公報的數(shù)據(jù)通過計算得出。

2.3 研究方法

2.3.1 熵權(quán)法 主觀賦權(quán)的方法有AHP、Delphi法等，這些方法主觀意愿太強。本文采用熵權(quán)法[11]進行客觀賦權(quán)，以避免主觀誤差，其計算步驟如下：

(1)進行數(shù)據(jù)標準化處理。

(1)

(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

(2)

(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

(2)計算第j項指標的熵值ej。

(3)

(3)計算第j項指標的權(quán)重wj。

(4)

2.3.2 水資源生態(tài)安全指數(shù)及安全等級劃分 單一指標并不能反映各子系統(tǒng)和總系統(tǒng)的水資源生態(tài)安全狀況，要綜合各指標進行評價。各系統(tǒng)水資源生態(tài)安全指數(shù)s[12-13]的計算模型如下：

(5)

式中：xij為指標標準化后的值;wj為指標權(quán)重。

參考相關(guān)評價標準[13-15]，并結(jié)合安徽省的實情，將水資源生態(tài)安全等級和預(yù)警標準(警度)劃分5個等級，如表1所示。

表1 生態(tài)安全指數(shù)安全等級及安全預(yù)警標準

2.3.3 障礙度模型 為了保障水資源合理規(guī)劃與開發(fā)，制定和調(diào)整綜合治理政策，運用障礙度模型[14,16]分析與診斷影響水資源生態(tài)安全的主要障礙因素。具體公式如下：

(6)

Sij=1-xij

(7)

式中：o為障礙度，%，表示評價指標的影響程度；Sij為指標偏度，表示指標與最優(yōu)值的差值。

2.3.4 灰色預(yù)測 灰色預(yù)測(灰色理論系統(tǒng)預(yù)測)是通過因素間變化的相異度，將原數(shù)據(jù)變換成有規(guī)律的數(shù)列，并建立微分方程模型，用來預(yù)測發(fā)展趨勢。其中最常用的是GM(1,1)模型[15,17]，包含均值GM(1,1)模型(EGM)、原始差分GM(1,1)模型(ODGM)、均值差分GM(1,1)模型(EDGM)和離散GM(1,1)模型(DGM)4種基本形式，本文選用最常見的EGM模型，其計算步驟如下：

(1)得出時間響應(yīng)函數(shù)。

(8)

(t=1,2,…,n)

(2)確定預(yù)測值，預(yù)測函數(shù)為：

(9)

(t=1,2,…,n)

(3)精度檢驗。為了驗證模型的可靠性，需要檢驗?zāi)Ｐ途?。本研究以平均絕對誤差進行模型精度評價，利用公式(10)計算初始值與預(yù)測值的平均絕對誤差。

(10)

模型精度通常被劃分為精確、良好、合格和不合格4個等級[18-20]，其等級劃分標準如表2所示。

表2 模型預(yù)測精度等級劃分標準

3 結(jié)果與分析

3.1 構(gòu)建評價指標體系

借鑒前人的科研成果[2-9]，結(jié)合評價指標的可獲取性、有代表性和可操作性的原則，從威脅、質(zhì)量和調(diào)控3個子系統(tǒng)中選取20個指標構(gòu)建水資源生態(tài)安全綜合評價指標體系，并確定各評價指標的權(quán)重，詳見表3。

表3 水資源生態(tài)安全綜合評價指標體系

3.2 水資源生態(tài)安全評價與分析

2013-2018年安徽省生態(tài)安全指數(shù)與安全等級評價結(jié)果如表4所示。以下分別從縱向和橫向?qū)υu價結(jié)果進行分析。

表4 2013-2018年安徽省生態(tài)安全指數(shù)與安全等級

3.2.1 水資源生態(tài)安全縱向評價分析 由表4可見，2013-2018年安徽省生態(tài)安全綜合指數(shù)呈穩(wěn)步上升態(tài)勢，2013-2015年生態(tài)安全綜合指數(shù)為0.214～0.395，安全等級處于較不安全水平，原因是該時段水資源供需矛盾突出，經(jīng)濟模式為消耗資源、犧牲環(huán)境為主的粗放型經(jīng)濟，人均GDP雖實現(xiàn)逐年緩慢增長，但工業(yè)廢水排放量和城市污水排放量不斷增加，這些污染物排放于河流和土地中，給安徽省水資源生態(tài)安全造成巨大的壓力，再加上人口日益增長導(dǎo)致用水總量增大，過度開采地下水，易造成地質(zhì)災(zāi)害。2016年綜合指數(shù)漲幅最大，相比2015年增長45.82%，達到臨界安全水平，顯然安徽省長期受到“先污染后治理”粗放型經(jīng)濟的不良影響，雖然水資源利用效率有所提高，且改進了節(jié)水和排污技術(shù)，但人類對于水資源造成的破壞存量還有待進一步治理。2017-2018年綜合指數(shù)由0.600提高到0.791，均處于比較安全水平，該期間環(huán)保投資總額、生態(tài)環(huán)境補水總量、城市污水處理率和生活垃圾無害化處理率等均首創(chuàng)新高，有向非常安全水平發(fā)展的良好態(tài)勢，這得益于長江經(jīng)濟帶、長三角城市群和淮河生態(tài)經(jīng)濟帶的協(xié)同發(fā)展以及加強流域綜合治理和城市合作聯(lián)動的實施。

3.2.2 水資源生態(tài)安全橫向評價分析 水資源生態(tài)安全綜合指數(shù)可細分為威脅、質(zhì)量和調(diào)控3大指數(shù)。由表4可知，2013-2018年威脅指數(shù)呈波動上升趨勢，其中2015年略有下降，但是降幅很小。但隨著粗放型經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級和節(jié)能減排技術(shù)的提升，威脅指數(shù)呈良性發(fā)展的態(tài)勢；2013-2016年質(zhì)量指數(shù)平均每年增長43.82%，呈快速上漲趨勢，雖然2017年有所下降，但2018年又有好轉(zhuǎn)，整體發(fā)展向好。研究時段內(nèi)質(zhì)量系統(tǒng)中的人均GDP、城鎮(zhèn)化率、人均水資源量和地均降水量等指標整體保持增長，這與安徽省在新常態(tài)背景下，加快產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級有著密切關(guān)系；2013-2018年實施了建成區(qū)綠化和污水管道增加等調(diào)控措施，調(diào)控指數(shù)從0.024增大到0.374，年均增長率達81.06%，這說明安徽省政府落實“一二三四五”發(fā)展規(guī)劃，配合水利部加快水環(huán)境優(yōu)美鄉(xiāng)村建設(shè)，打造水生態(tài)文明城市取得了顯著的成效。

3.3 障礙因素判別

根據(jù)公式(6)、(7)計算2013-2018年安徽省水資源生態(tài)安全各評價指標和各子系統(tǒng)的障礙度，從而對障礙因素進行判別。

3.3.1 指標層障礙度 表5為2013和2018年安徽省水資源生態(tài)安全按照各評價指標障礙度大小排列為前7名的障礙因素。

表5 2013和2018年安徽省水資源生態(tài)安全主要障礙因素

由表5可知，2013年制約水資源生態(tài)安全的障礙因素主要聚集于調(diào)控子系統(tǒng)，包含污水管道比例和城市污水處理率等，其次是質(zhì)量子系統(tǒng)。而到2018年，障礙因素主要集中在質(zhì)量子系統(tǒng)，其次是威脅子系統(tǒng)，分別為飲用水源水質(zhì)達標率、人均污水排放量、人均水資源量、第三產(chǎn)業(yè)貢獻率、地均降水量、水土資源匹配系數(shù)和地下水開采量比例。從障礙度變化趨勢看，污水管道比例、城市污水處理率、人均GDP和環(huán)保投資比例上升幅度較大，單位GDP廢水排放量下降幅度較大，這些障礙因素對安徽省水資源生態(tài)安全的影響逐漸變??；飲用水源水質(zhì)達標率、第三產(chǎn)業(yè)貢獻率、人均水資源量和地均降水量整體上升幅度較小，人均污水排放量逐漸增大，但水土資源匹配系數(shù)不增反減，這些障礙因素對安徽省水資源生態(tài)安全的制約能力越來越強。雖然水土資源匹配系數(shù)權(quán)重較小，但障礙度排名卻很靠前，表明雖然政府逐年加大環(huán)保投資力度，加強固廢危廢污染聯(lián)防聯(lián)治，但由于缺乏有效的管制與治理，水土資源匹配系數(shù)依然較低，影響了水資源生態(tài)安全的提升。因此，安徽省在建立水生態(tài)文明城市的同時，應(yīng)健全區(qū)域環(huán)境治理聯(lián)動機制，整合各項障礙因素進行協(xié)同發(fā)展。

3.3.2 子系統(tǒng)障礙度 圖2為2013-2018年安徽省水資源生態(tài)安全各子系統(tǒng)障礙度。

由圖2可以看出，2013-2018年各子系統(tǒng)障礙度變化趨勢存在明顯差異。質(zhì)量子系統(tǒng)和威脅子系統(tǒng)呈波動上升趨勢，前者波幅較大，后者呈不明顯的“W”型，變化幅度較為平緩；調(diào)控子系統(tǒng)障礙度則呈先增大后減小的趨勢，于2018年降至0.6%。從整體上看，2016年以前，調(diào)控子系統(tǒng)障礙度占主導(dǎo)作用；2016年以后，威脅子系統(tǒng)和質(zhì)量子系統(tǒng)障礙度占據(jù)主導(dǎo)作用，并且質(zhì)量子系統(tǒng)障礙度影響更大。在經(jīng)濟新常態(tài)背景下，政府應(yīng)當加強水體水質(zhì)管控，加大對水資源的綜合開發(fā)治理，從系統(tǒng)論維度推進水資源生態(tài)安全的良性發(fā)展。

圖2 2013-2018年安徽省水資源生態(tài)安全各子系統(tǒng)障礙度 圖3 2013-2018年安徽省生態(tài)安全綜合指數(shù)擬合趨勢

3.4 生態(tài)安全動態(tài)預(yù)警

借助GSTA V7.0軟件，運用EGM模型預(yù)測2019-2023年安徽省水資源生態(tài)安全警情的演變趨勢，預(yù)測模型如公式(11)所示。為了檢驗預(yù)測模型的精度，首先對2013-2018年安徽省生態(tài)安全綜合指數(shù)原始值與預(yù)測值的擬合趨勢進行比較，如圖3所示。

(11)

由圖3可見，模型預(yù)測值與原始值較為吻合。經(jīng)計算，預(yù)測模型平均絕對誤差為5.92%，模型精度檢驗為良好，可達94.08%。

根據(jù)預(yù)測可得到2019-2023年安徽省水資源生態(tài)安全各子系統(tǒng)指數(shù)及綜合指數(shù)，結(jié)合表1的安全預(yù)警標準，將預(yù)測結(jié)果列于表6。

表6 2019-2023年安徽省水資源生態(tài)安全警情預(yù)測

從表6中各子系統(tǒng)來看，威脅子系統(tǒng)在2019年警情為“巨警”，2020-2023年均保持在“重警”級別；質(zhì)量子系統(tǒng)在2019-2021年警情為“重警”，2021年以后均為“中警”；調(diào)控子系統(tǒng)在2019年警情為“中警”，2020年已達到“輕警”，之后均為“無警”。結(jié)合表4和表6可以看出，2013-2015年安徽省水資源生態(tài)安全綜合指數(shù)警情為“重警”，2016年減輕為“中警”，2017-2018年警情為“輕警”，2018年以后已達優(yōu)質(zhì)水平，均為“無警”。隨著生態(tài)文明理念的增強和生態(tài)城市建設(shè)的推進，安徽省水資源生態(tài)安全會不斷好轉(zhuǎn)，但由于不可抗力因素的影響(比如自然災(zāi)害、政府行為等)，依然面臨著不可預(yù)測的挑戰(zhàn)。

4 討 論

由上述實證分析可知，提高區(qū)域生態(tài)安全水平的關(guān)鍵在于如何協(xié)調(diào)好各子系統(tǒng)之間的聯(lián)系，與參考文獻[21]得出的結(jié)論一致，但參考文獻[21]只評價了水資源安全水平，未對區(qū)域水資源生態(tài)安全進行預(yù)測和障礙因素診斷。本文得出的人均水資源量、第三產(chǎn)業(yè)貢獻率等已經(jīng)成為制約水資源生態(tài)安全水平發(fā)展的新障礙因素等結(jié)論與文獻[19]的結(jié)論一致，證明各省市存在的水資源生態(tài)安全問題存在共性。文獻[12]、[13]、[15]運用生態(tài)安全指數(shù)對森林、土地等進行評價并得出相應(yīng)結(jié)論，同理也可以適用于水資源的評價。本文基于TQR(威脅-質(zhì)量-調(diào)控)概念構(gòu)建模型，將生態(tài)安全指數(shù)與灰色預(yù)測模型相結(jié)合進行評價和預(yù)測，并利用障礙度模型進行障礙因素診斷，得出的研究結(jié)果可以相對客觀地反映安徽省水資源生態(tài)安全水平以及安全警情演變趨勢。

5 結(jié) 論

(1)2013-2018年安徽省水資源生態(tài)安全綜合指數(shù)呈穩(wěn)步上升態(tài)勢。2013-2015年生態(tài)安全等級處于較不安全水平；2016年生態(tài)安全綜合指數(shù)漲幅最大，達到臨界安全水平；2017-2018年生態(tài)安全等級持續(xù)提高至比較安全水平，有向非常安全水平發(fā)展的良好態(tài)勢。制約水資源生態(tài)安全的主要障礙因素是飲用水源水質(zhì)達標率、人均污水排放量等。

(2)2013-2016年，調(diào)控子系統(tǒng)障礙度占主導(dǎo)作用；2016-2018年，威脅子系統(tǒng)和質(zhì)量子系統(tǒng)障礙度占據(jù)主導(dǎo)作用，并且質(zhì)量子系統(tǒng)障礙度影響更大。2013-2015年安徽省水資源生態(tài)安全警情為“重警”，2016年減輕為“中警”，2017-2018年警情為“輕警”，2019-2023年生態(tài)安全警情預(yù)測均為“無警”。

(3)在經(jīng)濟新常態(tài)背景下，安徽省政府應(yīng)加大水資源綜合開發(fā)治理，嚴禁排放未經(jīng)處理的工業(yè)廢水和生活污水，減少對地下水的開采量，從而減輕對環(huán)境污染的壓力；加強研發(fā)節(jié)能減排等綠色科學技術(shù)，提高農(nóng)田的灌溉效率，保持生態(tài)環(huán)境補水，進而優(yōu)化水土資源匹配系數(shù)。安徽省應(yīng)緊緊抓住長江經(jīng)濟帶、長三角城市群和淮河生態(tài)經(jīng)濟帶協(xié)同發(fā)展的機遇，設(shè)置跨流域跨區(qū)域生態(tài)補償機制。同時健全區(qū)域環(huán)境治理聯(lián)動機制，加強流域綜合治理和城市合作聯(lián)動，提升生態(tài)環(huán)境共保聯(lián)治能力。不斷推進綠色新型城鎮(zhèn)化建設(shè)，配合水利部加快推動水環(huán)境優(yōu)美鄉(xiāng)村建設(shè)，打造水生態(tài)文明城市，從而提升安徽省水資源生態(tài)安全水平。