基于EES-TOPSIS模型的水土生態安全評價與預測

趙疏航，何 剛,2，朱艷娜，李 潔，杜 宇

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

水是生命之源，土是萬物之本，水土資源是人類賴以生存發展的基礎資源.生態安全問題最早在20世紀80年代提出，起因于切爾諾貝利核電站事故引起的環境災難[1].我國關于生態安全問題的提出源于1990年代，一是因為國內生態環境惡化，尤其是西部大開發生態環境保護與建設[2]；二是因為受到西方國家先進的生態安全理念和實踐的影響[3].水土生態安全是指區域內的水土資源等很少受到外界因素的制約與影響，水土生態安全問題的根源來自于對水土資源等不合理的開發利用，已經嚴重威脅到生態文明建設和社會經濟發展[4].

近年來，隨著水土流失、水質惡化和土地荒漠化等一系列生態問題的爆發，國內外學者對水土生態安全越來越重視和關注.Sharpley A等[5]研究淡水富營養化引起的中國和美國的水質安全管理問題；Wu K等[6]運用壓力-狀態-響應(PSR)模型構建基于模糊優化的生態安全預警度判斷模型對安徽省生態安全預警現狀進行評價；Lu X等[7]基于壓力-狀態-影響-響應(PSIR)模型和地理信息系統(GIS)，對長白山地區土地利用與覆被變化(LUCC)下的生態安全狀況進行評價；OU Zhao-rong等[8]運用熵元模型和GIS空間法對云南省生態安全進行評價.大量研究結果表明：各地區水資源、土地資源的不合理開發與過度使用，已經導致我國水土生態安全面臨功能失調等危險.

在相關研究成果中，借助壓力-狀態-響應(PSR)模型[9-11]、驅動力-壓力-狀態-影響-響應(DPSIR)模型[12-14]、物元模型[15-17]的較多.王富強[9]、徐珊[10]和劉芳[11]運用PSR模型；萬生新[12]、朱蓮蓮[13]和孫德亮[14]基于DPSIR模型；徐海鵬[15]、邱凌婧[16]和汪倫焰[17]運用物元模型對區域資源的生態安全進行評價分析.此外，王大海[18]還結合EES模型、PSR模型和物元模型對哈爾濱市的土地生態安全進行研究.

綜上所述，將區域水資源和土資源相結合進行生態安全研究的學者較少，且選取的量化指標與水土生態安全的相關性也不高.本文考慮到水土生態安全的復雜性和不確定性，分別從經濟、環境和社會的角度構建EES概念模型，借助熵權法對指標進行賦權，使用TOPSIS法對安徽省水土生態安全水平進行評價，運用障礙度模型進行障礙因子診斷，并借助灰色GM(1,1)模型預測未來五年安徽省水土生態安全變化趨勢.研究結果真實反映安徽省近幾年水土生態安全的狀況，為提高安徽省水土生態安全水平提供理論支撐.

1 構建綜合評價指標體系

1.1 研究區概況

2018年安徽省水土流失面積為12 312.68 km2，水土流失率8.82%，其中輕度侵蝕面積占83.80%，中度侵蝕面積占7.87%，強烈侵蝕面積占3.05%，極強烈侵蝕面積占2.32%，劇烈侵蝕面積占2.96%.水土流失面積與2011年第一次全國水利普查結果相比較減少1 586.62 km2，減少幅度達到11.42%.國家水土保持重點建設工程投資16 600萬元，坡耕地水土流失投資3 615萬元，同時配合水利部打造水生態文明城市，推動水環境優美鄉村建設.

1.2 數據來源

本研究采用的原始數據來源于2012～2018年的《安徽省統計年鑒》、《安徽省環境狀況公報》、《安徽省國民經濟和社會發展統計公報》、《安徽省水資源公報》、《中國統計年鑒》、《中國國土資源年鑒》和《中國水資源公報》，部分評價指標數據是根據年鑒和公報的數據通過公式計算得出.

1.3 評價指標體系

結合前人的研究成果[19-22]，考慮到安徽省水土生態安全相關評價指標的可獲取性，遵循科學性、可操作性的原則，從經濟系統、環境系統和社會系統三個維度選取15個具有代表性的評價指標構建安徽省水土生態安全綜合評價指標體系，見表1.

1.4 等級判別標準

水土生態安全等級的標準直接影響到結果的準確性，本文根據吳一凡等人[23]的研究成果，將貼近度劃分為四種安全等級(見表2)，以此來評價安徽省水土生態安全等級.

表2 水土生態安全等級標準

2 水土生態安全評價方法

2.1 熵權法

確定指標權重的方法有AHP、Delphi法等，這些都為主觀賦權方法，主觀性太強.本文采用客觀賦權方法—熵權法[24]來確定指標權重，避免主觀誤差.假設有m個對象，n個評價指標，則aij表示第i個對象的第j項指標值，具體步驟如下：

1)首先進行數據標準化處理：

(i=1,2,…,m,j=1,2,…,n)

(1)

2)計算第i個指標值在第j個指標下所在比重Pij：

(2)

3)計算第j項指標的熵值ej：

(3)

4)計算差異性系數gi：

gi=1-ej

(4)

5)計算第j項指標在子系統權重Wj：

(5)

2.2 TOPSIS法

TOPSIS法[25-26]是1981年由Hwang和Yoon提出的一種近乎理想解的評價方法.通過將同趨勢化數據歸一化，得出最優和最劣方案，用熵權法進行賦權，計算各評價指標到最優方案和最劣方案的距離，得出各評價指標與最優方案的貼近度，具體步驟如下：

1)將數據進行同趨勢化處理，將低優指標采用倒數法進行轉化，得到B={bij}m×n.對同趨勢化處理后的數據歸一化，如公式(6)所示：

(6)

2)計算各項評價指標的正、負理想解Y+和Y-：

(7)

(8)

4)第i個評價指標與最優方案的接近程度(貼近度)Tj：

(9)

貼近度Tj取值范圍為[0，1]，越接近1，表示越趨向于最優水平，反之，越接0，表示越趨向于最劣水平.

2.3 灰色GM(1,1)

灰色理論系統預測是通過鑒別系統因素之間發展趨勢的相異程度，對原始數據進行生成處理來尋找系統變動的規律，生成有較強規律性的數據序列，然后建立相應的微分方程模型，從而預測事物未來發展趨勢的狀況.GM(1,1)模型[27]是灰色理論系統預測最常用的模型，其建模步驟如下：

1)累加生成

2)一次擬合參數

解GM(1,1)模型微分方程：

(10)

解方程(10)，可得時間響應函數：

t=1,2,…,n

(11)

3)確定預測值，預測函數為：

t=1,2,…,n

(12)

4)精度檢驗

驗證模型的可靠性，需要檢驗模型精度，本研究使用平均絕對誤差，利用公式(13)計算初始值和預測值的平均絕對誤差.

(13)

其中：t為年份值，a為發展系數，b為灰色作用量，一般將模型精度分為五級，見表3.

表3 精度檢驗等級參照表

2.4 障礙度模型

為了保障水土資源合理規劃與開發，制定和調整綜合治理政策，本研究運用障礙度模型[28]對影響水土生態安全的主要指標進行分析與診斷.具體公式如下：

(14)

其中：障礙度Oi表示指標對水土生態安全的影響程度；指標偏度SI=1-Xij，表示指標與最優值之間的差值；因子貢獻度Wi(權重)，表示指標對水土生態安全的貢獻大小.

3 實證研究

運用熵權法、TOPSIS法、灰色GM(1,1)模型和障礙度模型對2012～2018年安徽省水土資源的相關數據進行處理，實證研究安徽省水土生態安全的水平.

3.1 權重分析

基于公式(1)～(5)可計算出各評價指標和各子系統的權重，見表4.

表4 評價指標及各系統權重

從各子系統看，環保投資額比例在經濟系統中權重最大(0.326)；土地墾殖比例在環境系統中權重最大(0.462)；建成區綠地率在社會系統中權重最大(0.314)，說明這幾個指標對其子系統影響最大.從整體看，環境系統的土地墾殖比例權重最大(0.194)，經濟系統中工業萬元產值需水量權重最小(0.027)，說明土地墾殖比例對綜合系統影響最大，后者影響最??；環境系統在各系統中權重最大(0.420)，經濟系統權重最小(0.225)，說明環境系統對安徽省水土生態安全影響最大，后者則最小.

3.2 綜合評價結果分析

運用TOPSIS法，根據式(6)～(9)，計算得出2012～2018年安徽省水土生態安全及各子系統的貼近度，如圖1所示.

圖1 安徽省水土生態安全綜合評價結果

3.2.1 水土生態安全評價結果

安徽省的水土生態安全狀況變化趨勢相對平緩，整體呈上升趨勢.具體來看，2012～2014年安徽省水土生態安全水平呈下降態勢，但社會系統和經濟系統都呈上升趨勢，只有環境系統隨著綜合系統下降而下降，原因是水土資源供需矛盾突出.隨著人口的不斷增長，對耕地糧食和生活用水的需求日益增大，人均資源占有量不斷減少，同時水土流失嚴重，工業廢水排放增加對水土資源造成影響.如水土資源匹配系數從2012年的2.069 6×105t/km2降到2014年的1.941 6×105t/km2，下降了6.18%；土地墾殖比例由2012年的30.01%上升為2014年的41.932%，上升了39.72%；人均水土流失治理面積由2012年的374.916 m2降為2014年的279.796 m2，下降了25.37%，單位面積廢水排放量由0.182 t/m2上升為0.194 t/m2，上升了6.19%.

2014～2018年安徽省水土生態安全水平緩慢上升，由2014年的0.261上升為2018年的0.536，同比增長105.36%.取得這樣的成績得益于兩個原因：一是由于節能減排，響應國家“綠水青山就是金山銀山”的號召，注重科技創新，推進資源的循環利用，提倡使用低能耗低污染的能源，推動綠色城鎮化率，減輕對水土資源的嚴峻壓力.如環保投資額比例由2014的2.246%增加到2018年的3.185%，同比增長41.81%；城鎮化率由2014年的49.149%增加到54.694%，同比增長11.28%；二是源于修訂《安徽省實施<中華人民共和國水土保持法>辦法》，落實《安徽省水土保持規劃(2016～2030)》要求，并在2018年編制印發《安徽省水土流失動態監測規劃(2018～2022年)》，各市開展水土保持規劃編制工作，實現全覆蓋水土流失動態監測，提高水土資源的利用效率，全方位保障安徽省水土生態安全.

雖然安徽省經濟、社會系統方面增長較快，環境方面也在緩慢恢復中，但安徽省水土生態安全整體水平仍然較低，處于中級水平(0.536)，所以，要加大對安徽省水土生態安全的研究，把水土生態安全達到良好水平作為生態文明建設的目標之一.

3.2.2 子系統綜合分析

由圖1可以看出，經濟系統呈現出和社會系統一致的變化趨勢，都呈上升趨勢，但社會系統整體上升幅度更大.經濟系統和社會系統的安全水平在2012年基本相同，分別為0.139和0.128，處于低級水平；2012～2014年社會系統安全水平增長幅度高于經濟系統，但2014～2016年經濟系統安全水平上升幅度更大，并在2016年基本保持一致，分別為0.544和0.532，處于中級水平，2018年兩個系統都上升為優質水平.由此可知，安徽省的社會條件和經濟實力在不斷增強，從宏觀層面來看，得益于承接產業轉移與轉型升級、淮河生態經濟帶、長三角一體化和中部地區崛起等重大戰略機遇，從微觀層面來說，主要是2012～2018年的人均GDP實現了65.71%的增長，城鎮化率由2012年的46.494%上升為54.694%，第三產業貢獻率同比增長44.93%.但安徽省生水土生態安全水平一直處于中低水平，這說明對其影響最大的不是經濟系統和社會系統，而是環境系統.

環境系統呈現出的變化趨勢和安徽省水土生態安全保持一致，說明環境系統和安徽省水土生態安全顯著正相關.2012～2014年環境系統安全水平由0.669下降到0.261，下降幅度很大，安全水平由良好水平降為中級水平；2014～2018年環境系統安全水平略有回升，但是幅度很小，2018年仍處于中級水平.這說明安徽省在經濟可持續穩增長的同時，對生態環境造成巨大的壓力，如工業廢水的大規模排放，農用化肥、農用薄膜和農藥的不合理使用，不節約用水導致用水總量增加，人口增長對糧食的需求導致土地墾殖面積增大，這些都是安徽省水土生態安全面臨的巨大挑戰.

3.3 灰色預測分析

運用模型(12)預測2012～2018年的安徽省水土生態安全貼近度，擬合原始值和預測值，預測結果如圖2所示.

圖2 安徽省水土生態安全灰色預測擬合

從圖2的灰色預測曲線可以看出，擬合效果良好，根據公式(13)對模型進行精度檢驗，計算出模型的平均絕對誤差.計算得出預測值平均絕對誤差MAD等于5.811%，模型精度等級為三級(中等)，達到94.189%，同理，可以建立經濟系統、環境系統和社會系統的預測模型，并對模型進行精度檢驗，見表5.

表5 各系統灰色預測模型及其精度等級

綜上所述，各灰色預測模型精度檢驗符合預測要求，可以預測安徽省未來五年(2019～2023年)的水土生態安全水平，見表6.

表6 安徽省未來五年水土生態安全預測值

根據表6分析得出，未來六年經濟系統、社會系統水土生態安全水平是不斷上升的，都已經達到優質水平；環境系統呈緩慢上升趨勢，在2023年貼近度為0.572，才達到中級水平.但安徽省水土生態安全水平是逐年上升的，并在2021年達到優質水平，這說明未來五年安徽省水土生態安全雖然環境系統水平欠缺，拉低了安徽省水土生態安全水平，但總體平穩中向好發展.安徽省在社會快速發展和經濟平穩增長的同時，應當繼續加強對環境的生態保護與合理開發，實現3個子系統的協同發展.

3.4 障礙因子分析

根據式(14)并結合熵權法計算得出安徽省水土生態安全各項評價指標的障礙度和各子系統的障礙度，見表7、8.

3.4.1 指標層障礙度

將安徽省2012年和2018年水土生態安全障礙度進行排序，按照從大到小排列出前6位障礙因子(表7).

表7 安徽省水土生態安全主要障礙因子排序

結合表7可以看出，制約2012年安徽省水土生態安全的障礙因子主要集中在社會系統，具體障礙因子包括建成區綠地率、工農就業人員比例、人均用水量和人口自然增長率；而到2018年，制約安徽省水土生態安全的障礙因子集中在環境系統，具體障礙因子包括土地墾殖比例、人均水土流失治理面積和水土資源匹配系數，其次是經濟系統，其障礙因子包含城鄉人均可支配收入比和第三產業貢獻率.不論是2012年還是2018年，人均用水量一直都是排名前6的障礙因子，但是結合前文，其權重并不大，只有0.06，這說明雖然安徽省正在創建水生態文明城市，但水資源的合理開發與使用仍需要進一步推進.2018年障礙度土地墾殖比例排在第一位，其權重也是最大的，排在第二位是人均水土流失治理面積，2012年的建成區綠地率和環保投資額比例已經不是主要的障礙因素，由此可知，安徽省已經逐年加大對環保的投資額，但由于水土流失嚴重，治理效率不高，而且人口的飛速增長導致對糧食需要的增加，致使土地墾殖比例的上升，制約了安徽省水土生態安全的發展.

3.4.2 子系統障礙度

由表8可以看出，2012～2018年安徽省水土生態安全各子系統障礙度的變化趨勢存在一定的差異(表8).

表8 安徽省水土生態安全子系統障礙度

經濟系統和社會系統障礙度都呈下降趨勢，且社會系統障礙度呈波動下降趨勢，下降幅度更大，由2012年的0.590下降到2018年的0.024，下降了95.93%，而經濟系統由2012年的0.279降為2018年的0.199，只下降了28.67%.環境系統呈大幅度波動上升趨勢，在2012年只有0.131，上升至2018年的0.778，同比增長493.89%，成為制約安徽省水土生態安全水平的主要子系統.總之，在經濟新常態的大背景下，安徽省想要提高水土生態安全水平，就必須加大對環境系統的重視，強化生態環境監管，如自然保護地監管和生態保護紅線勘測等，推進生態文明建設示范創建，積極構建生態保護管控平臺，加快提升生態監管信息化水平，走水土保持良性發展的可持續道路.

4 討論與結論

4.1 討論

本文基于EES概念模型，將復雜的安徽省水土生態安全分為經濟、環境和社會三個子系統，并選取15個具有代表性的評價指標來構建安徽省水土生態安全綜合評價指標體系，充分考慮安徽省的實際發展狀況，將熵權法和TOPSIS法結合，對其進行綜合評價.運用灰色GM(1，1)模型預測未來五年的水土生態安全發展水平，并建立障礙度模型進行障礙因子診斷，預測結果精確度高，能夠準確反映出安徽省水土生態安全的發展趨勢.但是受到數據可獲得性和連續性等因素的影響，綜合評價指標體系有待改進與完善.本文只考慮了安徽省水土生態安全的整體水平，未考慮省內不同城市之間的地域差異，如地理環境差異，社會差異，經濟差異等，仍需要進一步研究分析.

4.2 結 論

1)從安徽省水土生態安全整體水平看，2012～2018年安徽省水土生態安全經歷大幅度下降(2012～2014年)、后慢速上升(2014～2018年)的變化過程，整體安全水平處于中級水平，有轉變為良好水平的發展態勢.

2)從各子系統安全水平看，經濟系統和社會系統安全水平變化趨勢基本保持一致，由低級水平上升為優質水平，環境系統與安徽省水土生態安全呈顯著正相關，環境系統對安徽省水土生態安全的影響更大.

3)未來五年(2019～2023年)內經濟系統、社會系統均達到優質水平，環境系統仍處于中級水平，安徽省水土生態安全在2021年達到優質水平.重視對生態環境的保護與治理，不能以犧牲生態環境為代價去實現經濟快速發展和提高社會生活水平，應當實現3個子系統的協同發展.

4)人均用水量一直制約安徽省水土生態安全水平，需要引起重點關注和采取措施解決.隨著社會經濟的發展，土地墾殖比例、人均水土流失治理面積和水土資源匹配系數已經成為制約安徽省水土生態安全的新障礙因子.

雖然安徽省水土生態安全水平呈上升趨勢，但受環境系統的限制，仍處于中級水平.在經濟-環境-社會矛盾日益突出的壓力之下，承接產業轉移與轉型升級，改變經濟發展模式，貫徹實施供給側結構性改革，以科技創新驅動經濟發展，加大財政對環保的投資力度，建立障礙因子動態監測管理機制，從而提高安徽省水土生態安全水平.同時安徽省應當把握好長江經濟帶，淮河生態經濟帶以及長三角經濟圈帶來的優勢，加快建設水生態文明城市的步伐；并且在實現經濟新常態的同時，加大能源調整力度，加強環保技術創新，推動生態文明建設，構建資源節約型和環境友好型社會，走可持續發展之路.