摘 要：

为了解三生空间视角下甘肃省大夏河流域水生态安全现状及其变化趋势，建立基于压力-状态-响应(PSR)模型的三生空间理念水生态安全评价指标体系。在运用熵值法和综合指数法评价水生态安全的基础上，进一步采用灰色GM(1,1)模型预测未来大夏河流域水生态安全状况。结果表明：2007—2012年水生态安全等级处于Ⅳ级(风险级),2013—2018年水生态安全等级处于Ⅲ级(敏感级),2019年水生态安全等级处于Ⅱ级(良好级),总体呈现稳定上升趋势。三生空间中生产空间对大夏河流域水生态安全的影响程度最大，其次是生态空间和生活空间；压力指数变化呈现“V”字型，状态指数变化呈波动上升趋势，响应指数变化趋势较不稳定；预测在2023年水生态安全水平将进入安全级，并保持逐年上升趋势。

关键词：

大夏河流域;水生态安全;三生空间;PSR模型;灰色GM(1,1)模型;

作者简介：

李若飏(1998—),女，硕士研究生，主要从事自然资源与环境管理方面研究。

*辛存林(1967—),男，教授，博士研究生导师，博士，主要从事自然资源与环境变化等方面研究。

基金：

国家自然科学基金项目(41262001);

甘肃省科技支撑计划项目(20CX9ZA043);

甘肃省水生态文明城市建设项目“民勤县水生态文明建设试点实施方案”;

甘南藏族自治州黄河流域生态保护和高质量发展规划项目;

引用：

李若飏，辛存林，陈宁，等． 三生空间视角下大夏河流域水生态安全评价与预测［J］. 水利水电技术( 中英文) ，2022，53( 7) : 82-93.

LI Ruoyang，XIN Cunlin，CHEN Ning，et al． Evaluation and prediction of water ecological security in Daxia River Basin on the perspective of Production-Living-Ecological Space［J］. Water Resources and Hydropower Engineering，2022，53( 7) : 82-93.

0 引 言

水生态安全是指水既满足生产和生活的需要，又使自然环境得到妥善保护的一种社会状态，其核心涵义是水生态系统自身的完整稳定和对人类社会发展可持续的支撑,对外界威胁的应对能力正是其生态安全的充分体现。随着中国水生态文明理念日趋完善，实施水生态环境保护、建设国家水生态安全保障体系，科学地评价水生态安全开始受到各政府部门和公民的广泛关注[3]。已有许多研究者在水生态安全评价指标体系、评价方法方面进行了积极的探索研究，为水生态安全评价提供了一定研究思路。但是当前对水生态安全评价研究大多依据自然系统—社会系统—经济系统进行指标筛选，缺乏从新视角来评价水生态安全。生产、生活、生态三种功能空间(简称三生空间)作为人类保护、利用自然资源实现自身发展的基本载体，体现出人类改造自然的能力和自身发展的水平。生态空间是提供生态产品和生态服务的具有重要生态功能的区域，在保障区域生态安全中发挥着重要作用;生产空间是以提供工业品、农产品和服务产品为主要功能的区域，主要包括工矿建设空间和农业生产空间;生活空间是提供承载和保障人居功能的区域，主要包括城市、建制镇和农村生活空间。以“三生”功能划分空间用途，逻辑清晰、易于识别，对于解释和阐述空间发展规律及主要矛盾的内在机制具有创新性意义。三生空间失衡往往会导致生态环境恶化、自然灾害频发、能源危机加剧等，严重影响可持续发展。现阶段对三生空间的研究主要集中在两个方面：一是对三生空间本身的研究，如刘燕认为想要克服弊端、促进社会发展，就必须坚持经济—社会—生态效益相统一和集中性—平衡性相统一的原则。二是对三生空间的空间优化研究，如李广东等指出三生空间功能的综合量化仍需与水、土地、生态问题等紧密结合。柳冬青等、赵筱青等分别对甘肃白龙江流域和抚仙湖流域的三生功能空间格局及其变化特征进行探索，为后续研究提供理论支撑。“三生”空间理念与国内外广泛认可的可持续发展 “三支柱”理念不谋而合，NICHOLS等、ZEITOUN、WHEATER等指出现有的水安全概念较多强调水的物理属性，当前还需考虑调解水安全相关因素的社会活动背景及其影响，更好地理解水系统的人类层面的挑战。SHEN等、KATTEL等、VEETTIL等认为生态环境和人类有着复杂的相互作用，人类发展方式的改变在很大程度上影响流域的生态安全水平。

流域是集自然资源、社会、经济于一体的重要地理单元,流域水生态安全与人类健康和社会经济可持续发展息息相关。大夏河流域属于黄河一级支流，是流经甘南高原和黄土高原丘陵地带的重要河流，对其进行水生态安全评价与预测可以为合理开发利用大夏河水资源以及大夏河流域水土保持治理等方面提供了基本水文依据,也是科学制定流域管理决策的基础。目前，针对大夏河流域的研究多集中于水文与环境特征分析、降水与径流量演变趋势、水质与地下水污染状况评价等自然系统的监测与分析，或针对流域治理的定性描述,关于该流域系统的综合性研究仍不多见且研究时段较早。目前大夏河流域水生态安全整体状况尚不清楚，与大夏河流域水生态安全密切相关的影响因子鲜有研究，缺少从人地关系角度出发的生态安全评价研究。将“三生空间”理念引入流域水生态安全评价中，结合大夏河流域水生态环境特点及实际情况，将 PSR模型和三生空间理念实现有机结合，构建三生空间视角下的大夏河流域水生态安全评价指标体系，对丰富和拓展流域水生态安全评价具有理论创新价值,对促进大夏河流域“三生空间”协调可持续发展、提升大夏河流域水生态环境综合管理水平具有现实指导价值。

1 研究背景

1.1 研究区概况

大夏河发源于甘南高原大不勒赫卡山,位于102° 02′E—103°23′ E、34°51′N—35°48′ N之间，源地海拔4 281 m, 属黄河第一支流。大夏河流经夏河县、临夏县、临夏市、东乡县注入刘家峡水库(见图1),全长215 km、流域面积7 169 km2,主要支流有咯河、牛津河、大滩河、铁龙沟、老鸦关河等。流域地处副热带气候区，上游和中下游在气候特征上差别较大;流域上游宽大、支流多长，下游狭小、支流短少。根据《甘肃省水资源公报》,2019年大夏河流域水资源总量10.13×108 m3,人均水资源量941.3 m3,比上年下降 27.4%;降水量36.51×108 m3,比上年下降21.9%,比多年平均值增长16.5%;总用水量1.570 7×108 m3,比上年下降19.4%。

图1 研究区示意

1.2 数据来源

研究原始数据主要来源于《甘肃省统计年鉴(2007—2019年)》《甘肃省水资源公报(2007—2019年)》《甘肃省水土保持公报(2007—2019年)》。

2 研究方法

2.1 大夏河流域水生态安全评价指标体系的构建

“压力-状态-响应”(Pressure-State-Response, PSR)模型最早由联合国经济合作开发署提出。生态环境状态发生改变的原因一部分来自于人类的生产生活，因而做出响应来防止生态环境退化、恢复其生态环境质量。该模型具有综合性、灵活性、科学性和可操作性等特质，并拥有清晰的因果逻辑关系，在流域生态安全评价、土地可持续利用评价等热门研究领域应用广泛。

影响水生态安全的指标极为综合，内容浩繁稠密，彼此关系复杂，往往需要在综合多方理论的前提下，创造性地探索体系方法，广泛进行实践归纳才能客观地给予评价。生产空间承载着地区工农业生产和社会服务，而水作为生产过程中不可或缺的关键要素，工业用水量、农田灌溉用水量、水资源开发利用效率等涉及水资源的需求利用程度的因素对建立大夏河流域水生态安全评价指标体系是至关重要的。生活空间承载了人类的吃穿住用行等日常交往活动，在以人为本的原则与前提下，日常生活的用水排污如生活用水量、人均用水量、生活污水排放量等因素和水生态的平衡与否直接关系着人与自然的和谐共生。生态空间为生产空间、生活空间提供生态前提，是任何生产活动顺利运转的先决条件,在建立大夏河流域水生态安全评价指标体系时应较全面地反映生态现状及其响应措施，如地上(下)水资源量、年降水量、城镇(农村)生态用水量等。将以问题为导向的研究思路与对水的新思考方式相结合,构建起以水为主线的三生空间系统框架，并结合PSR系统分析模型，赋予指标因果逻辑关系，提高指标体系的理论和实践价值。指标体系包括目标层、空间层、准则层和指标层，自上而下逐级进行指标选择。共筛选出26个指标构建流域水生态安全评价指标体系。大夏河流域水生态安全评价框架如图2所示，评价指标体系如表1所列。

图2 大夏河流域水生态安全评价框架

2.2 权重的确定

熵值法是多指标综合评价确定指标权重的常用方法，其作为客观赋权方法包含较少的主观因素，可计算出具有较强的说服力的权重结果。依据熵值判断各指标的离散程度，指标的离散程度大小与该指标对综合评价的影响(权重)大小成正比。主要步骤如下

(1)先通过极值法对原始数据进行标准化处理

式中， Xij为指标的原始数据；X′ij为标准化后的指标值；设有m个评价对象，每个评价对象有n个评价指标，其中i=(1,2,…,m),j=(1,2,…,n)。

(2) 求出第j项指标下的i个样本值的比重

(3) 求出第j项指标的熵值

式中，0≤ej≤1。

(4) 求出第j项指标的差异性系数

(5) 定义第j项指标的权重

2.3 综合指数评价法

综合指数评价法是在确定研究对象评价指标体系的基础上，通过一定方法确定权重，获取综合指数后再定量地进行综合评价。甘肃省大夏河流域水生态安全评价综合指数ESI计算模型为

式中，X′ij为标准化值；wj为第j个指标的权重；m为评价指标个数。综合指数ESI越大，水生态安全水平越高，反之则越低。

2.4 评价标准的确定和等级划分

计算所得的综合指数往往不能单纯用“好”和“差”来评定，需要将综合指数转换成不同层次的等级，从而将水生态安全指数与水生态安全状况相关联。根据国内外生态安全等级划分标准，参考游文荪等、左伟等、曲洋洋等的相关研究成果，将水生态安全状态分为五级(见表2)。

2.5 灰色预测模型

采用灰色预测GM(1,1)模型对原始数据进行生成处理来寻找系统变动的规律，建立相应的微分方程模型，从而预测事物未来发展趋势的状况。该模型适用于数据指标内容多，且相互制约和影响的复杂关系。

(1)收集原始数据形成数列X(0),对原始数列作一次累加生成处理，得到一个新的数列X(1)。

(2)GM(1,1)模型对应的微分方程为

式中，t为第n个序列的值；a为固定值数；u为发展灰数。

(3)利用最小二乘法求解参数向量

式中，B为数据矩阵；Y为数据向量。

(4)构建预测模型表达式

式中，t=(2,3,…,n)。

最终得到预测值

式中，Xˆ(1)(t)为预测累加值；Xˆ(0)(t)为评价指标第t个预测值。

(5)开展精度检验。建立的GM(1,1)模型与实际序列有着客观存在的偏差，通过求取模型的偏差精度来判断新建立模型的适用性和有效性。

①后验差检验模型精度

式中，C为后验差比值；S2为残差方差；S1为X(0)的方差。

给定C0>0,若C<C0成立，则模型(1)在C0水平上通过后验差检验。

②小误差概率p检验

给定P0>0,若p>p0成立，则模型(1)以概率p0通过小误差概率检验。

3 结果与分析

3.1 评价结果和分析

3.1.1 综合评价结果

运用熵值法确定各指标权重，计算结果如图3所示。由图3可以看出，对大夏河流域水生态安全影响程度最大的5项指标依次为：城镇环境生态用水量(X8)、农田实灌面积(X14)、地下水源供水量(X2)、有效灌溉面积(X15)、蓄水量(X7),累计权重达34.88%,为甘肃省大夏河流域水生态安全状况的最主要影响因子。农村环境生态用水量(X9)、单位GDP水耗(X16)、工业污水排放量(X13)指标权重较小，累计指标权重仅5.5%,为大夏河流域水生态安全状况的次要影响因子。

图3 各指标权重大小

2007—2019年大夏河流域水生态安全综合指数变化情况如图4所示。由图4可以看出，2007—2019年大夏河流域水生态安全水平呈现不断上升的趋势，水生态安全综合指数由0.348上升至0.682。根据水生态安全评价综合指数分级标准(见表2),可以看出甘肃省大夏河流域水生态安全等级在研究时段内实现了两次突破：第一次在2013年由风险级进入敏感级，第二次在2019年由敏感级进入良好级。水生态安全状态变化的发展历程经历以下三个阶段：2007—2012年，综合指数在0.348～0.396之间，水生态安全等级处于Ⅳ(风险级),此时期大夏河流域水生态服务功能呈现严重退化状态，流域水生态环境和生态系统结构破坏较严重，自我调节能力几近丧失，维持正常的生态功能较为困难；2013—2018年，综合指数在0.437～0.566之间，水生态安全等级处于Ⅲ(敏感级),此时期大夏河流域水生态服务功能呈现略为退化状态，流域水生态环境遭受一定程度的影响，生态系统结构基本功能勉强维持，受干扰后极易继续恶化；2019年，综合指数达到0.682,水生态安全等级处于Ⅱ(良好级),生态系统结构基本完整且生态服务功能较好，具备一定的自我调节能力，可抵御一般干扰，表明了甘肃省大夏河流域水生态安全水平呈逐步上升的态势。

图4 2007—2019年水生态安全综合指数变化趋势

3.1.2 三生空间评价分析

由权重计算结果可知，三生空间中生产空间对流域水生态安全的影响程度最大，达到0.384 9,说明大夏河流域生产活动对水生态安全干扰性较大。其中，农田实灌面积(X14)、有效灌溉面积(X15)和水资源开发利用效率(X18)的权重位于前列，权重值分别为0.073 2、0.066 4和0.053 1,说明在生产活动进行中水资源的利用状况对水生态安全产生较大影响。其次是生态空间，权重达到0.363 2。流域生态环境状态是生产生活的基础，生态环境的优劣制约着生产生活活动，且能直观反映出水生态安全水平。其中，城镇生态用水量(X8)、地下水源供水量(X2)的权重最大，分别为0.081 6、0.067 6,说明水资源的禀赋程度对水生态安全影响较大。生活空间的影响程度处于末位，大夏河流域人口相对较少且社会发展速度较慢，对水生态安全的影响程度不及生态、生产空间。其中，城镇化率(X23)、污水处理回用水量(X26)的权重较高，达到0.058 6、0.055 5,说明随着城镇节水意识的增强和污水处理能力的提升，水生态安全水平有所提升。

三生空间历年所占比重及其变化趋势如图5所示。由图5可以看出，生态空间综合指数处于波动状态，说明甘肃省大夏河流域历年水生态资源不稳定，对水生态安全的影响程度有所波动。生产空间综合指数整体呈现增长趋势，随着大夏河流域所在地区社会经济的不断发展，生产活动频率越来越高，对水资源的需求不断增加，对水生态安全的影响程度不断增大。生活空间综合指数呈现波动状态，其中2019年所占比重的增幅较快，对水生态安全的影响程度逐渐增大。

图5 三生空间所占比重及其变化趋势

3.1.3 PSR模型子系统评价指数分析

根据权重结果计算综合指数，PSR模型各子系统变化趋势如图6所示。从研究区压力指数的变化趋势看，压力指数走势整体呈“V”型，其中2007—2013年压力指数整体呈现下降趋势，从2007年的0.176下降到2013年的0.124,主要原因为地表水源供水量(X1)、引水量(X12)的逐年增加；2013—2016年呈现波动趋势，在2014年有小幅度上升，主要原因是2014年工业用水量减少；2016—2019年压力指数总体呈上升趋势，在2018年有小幅度下降；在压力指标中地下水源供水量(X2)的权重数值最高，表明地下水源供水量的逐年增加对流域水生态安全水平的影响最大，在之后的水生态保护中仍需密切关注，减少地下水的开采，积极倡导节水措施。状态指数整体呈现波动上升趋势，其中出现两个低值，2008年综合指数下降，主要影响因素为城镇化率(X23)和人均GDP(X24);在2015年出现低值主要原因是地下水资源量(X3)、地表水资源量(X4)和年径流量的降低(X5)。从2015年开始达到稳步上升，2017年以后增幅变大；随着节水意识的增强，出现农田实灌面积(X14)逐年增加、单位GDP水耗(X16)逐年减少等变化，水资源利用效率(X18)提高，在一定程度上改善着流域水生态安全水平。响应指数整体呈现上升趋势，但波动较大。其中在2013出现一个峰值，主要原因是其水资源开发利用效率(X18)的增加；2014年出现一个明显下降趋势，主要原因为农村生态用水量(X9)减少，影响流域水生态安全；2018年又出现大幅度下降，主要原因是水资源开发利用效率(X18)的减少。

图6 压力-状态-响应(PSR)变化趋势

3.2 大夏河流域水生态安全预测

为进一步了解甘肃省大夏河流域水生态安全状况，把握未来水生态安全趋势，以图3中2007—2019年的大夏河流域水生态安全综合指数作为原始数据，构成数列X(0),对原始数列作一次累加生成处理，得到一个新的数列X(1),构造矩阵B和YN

根据公式aˆ=(BTB)−1BTY=[a,u]T,求得aˆ=[−0.0634,0.2792]T,将aˆa^带入响应函数得到预测模型：Xˆ(1)(t)=4.755e0.063 4(t−1)−4.4065(t=2,3,⋯,n)。根据GM(1,1)模型的建立思路，预测2020—2030年大夏河流域水生态安全综合指数，模拟结果的后验差比值C=0.28,小误差概率p=1.0,均处于模型精度检验精度“好”范围。未出现异常拟合结果，模拟结果较接近实际情况，模拟水安全度与实际水安全度的拟合程度较好，表明灰色预测GM(1,1)模型可用于大夏河流域水生态安全预测分析，预测结果如表4、图7所示。

图7 2007—2030年水生态安全综合指数预测趋势

由图7可知，2020—2030年甘肃省大夏河流域水生态安全状况将不断上升，在2023年水生态安全等级由良好级进入安全级。说明在未来几年，大夏河流域“三生空间”协调发展，生态功能较为完善，生态系统结构健康，水生态系统自我调节能力强，无明显生态环境问题，发生生态灾害的概率较少。增强保护大夏河流域水生态安全的思想意识，积极加强生态文明建设，能够使流域水生态安全水平得到不断提高。从压力方面，合理控制对流域地表、地下水源的开采利用力度，降低自然环境的压力。从状态方面，增加农田实灌面积和有效灌溉面积、减少单位GDP水耗等体现对水资源的高效开发和利用，生态环境得到了改善。从响应方面，发展节水灌溉农业、增加生态用水量、提升污水处理回用量，是当前提高甘肃省大夏河流域水生态安全状况的有效措施；在未来治理中，应继续加大政策响应力度，为流域生态环境改善提供稳定支持。

4 结 论

(1) 甘肃省大夏河流域水生态安全面临来自生产空间、生态空间、生活空间内不同因素的制约，但水生态安全水平整体呈现逐步上升趋势。三生空间中生产空间对大夏河流域水生态安全的影响程度最大，其次是生态空间和生活空间。2007—2012年甘肃省大夏河流域水生态安全值处于Ⅳ(风险级),2013—2018年水生态安全值达到Ⅲ(敏感级),2019年水生态安全值达到Ⅱ(良好级)。

(2) PSR模型子系统中压力指数变化呈现“V”字型，状态指数变化呈波动上升趋势，响应指数变化趋势较不稳定。反映出大夏河流域生态环境处于良好发展状态，生产生活造成的压力与相关响应相互制约。

(3) 通过预测模型分析显示，2020—2030年甘肃省大夏河流域水生态安全水平呈逐年上升趋势，在2023年进入安全级；保持三生空间的协调发展，环境污染程度较小，生态系统结构完善，环境整体状况较好。

(4) 本文所采用的指标选取角度与以往研究有所差异，依据“三生空间”视角进行水生态安全评价对于解释和阐述空间发展规律及主要矛盾的内在机制具有创新性意义，进一步从不同视角分析有利于实现理念融合，将为早日构建统一完善的水生态安全评价指标体系提供更加科学全面的理论参考。在进行三生空间视角下指标选取时，若得以克服数据获取的困难，考虑更多具有重要意义且贴合理念的影响因素，将是未来工作的关键。甘肃省大夏河流域属生态脆弱区，对其进行水生态安全评价有利于实现流域可持续发展，针对重点影响因素所反映出的实际问题完善流域水资源开发利用管理体系。

水利水电技术（中英文）

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