环境科学  2021, Vol. 42 Issue (4): 2089-2100   PDF    
引用本文
万炳彤, 鲍学英, 赵建昌, 李爱春. 区域水生态文明建设绩效评价及障碍诊断模型的建立与应用[J]. 环境科学, 2021, 42(4): 2089-2100.
WAN Bing-tong, BAO Xue-ying, ZHAO Jian-chang, LI Ai-chun. Establishment and Application of Performance Evaluation and Obstacle Diagnosis Model for Regional Water Ecological Civilization Construction[J]. Environmental Science, 2021, 42(4): 2089-2100.
区域水生态文明建设绩效评价及障碍诊断模型的建立与应用
万炳彤, 鲍学英, 赵建昌, 李爱春     
兰州交通大学土木工程学院, 兰州 730070
收稿日期: 2020-08-04; 修订日期: 2020-09-29
基金项目: 国家自然科学基金项目（51768034）
作者简介: 万炳彤(1992~), 女, 博士研究生, 主要研究方向为区域水生态文明建设绩效评价, E-mail: 959375563@qq.com
通信作者: 鲍学英, E-mail: 813257032@qq.com
摘要: 科学评价区域水生态文明建设绩效并明确其障碍因子，是提升区域水生态文明建设绩效的理论依据.本文应用"驱动力-压力-状态-影响-响应-管理"这一思维逻辑解析了人类与区域水生态间的耦合关系，建立了基于DPSIRM模型的区域水生态文明建设绩效评价指标体系，结合未确知测度模型与障碍诊断模型，实证评估了石嘴山市近10年的水生态文明建设绩效并对影响当地建设绩效的障碍因子进行了诊断分析.结果表明：①石嘴山市水生态文明建设绩效逐年升高并呈现差且缓慢提升（2010~2014年）、中级但快速提升（2015~2017年）和良好且较快提升（2018~2019年）这3个发展阶段；②各子系统绩效指数演变趋势各异，但基本都呈现波动上升态势；③各子系统障碍度呈阶段性变化特征，2010~2014年，状态子系统、响应子系统和压力子系统其障碍度均值和达到58.81%，成为制约当地水生态文明建设绩效的主要障碍因子；2015~2017年，压力障碍度均值达到21.73%，是制约当地水生态文明建设绩效的最大障碍因子；2018~2019年，压力障碍度均值达到24.49%，仍是制约当地水生态文明建设绩效的最大障碍因子；④指标层障碍度列在前5位的障碍因子主要分布于压力子系统和状态子系统.综合出现频率和障碍度排序来看，以灌溉水利用系数和万元工业增加值用水量为代表的压力子系统是未来建设中的重点提升方向.本文的研究思路及方法可为类似区域水生态文明建设绩效评价及其障碍因子诊断分析提供理论参考.
关键词: 水生态文明建设      DPSIRM模型      未确知测度      障碍度      石嘴山市     
Establishment and Application of Performance Evaluation and Obstacle Diagnosis Model for Regional Water Ecological Civilization Construction
WAN Bing-tong , BAO Xue-ying , ZHAO Jian-chang , LI Ai-chun     
School of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China
Abstract: A scientific performance evaluation of the regional water ecological civilization construction and clarifying the obstacle factor are key points to improve the performance of regional water ecological civilization construction theory. This study analyzes the coupling relationship between humans and regional water ecology by applying the thinking logic of "driving force-pressure-state-influence-response-management." The regional water ecological civilization construction performance evaluation index system based on the DPSIRM model was established. Combining the unascertained measurement model and obstacle diagnosis model, the water ecological civilization construction performance of Shizuishan City during the past 10 years was empirically evaluated, and the obstacle factors affecting local construction performance were diagnosed and analyzed. The analytical results reveal the following points: First, the performance of the water ecological civilization construction in Shizuishan City gradually increased annually and revealed three development stages: the site visit and slow improvement (2010-2014), intermediate but fast improvement (2015-2017) and good and fast improvement (2018-2019). Second, each subsystem performance index trend varied, but generally, the fluctuations rose. Third, from 2010 to 2014, the average obstacle degree of the subsystem state, subsystem response, and subsystem pressure reached 58.81%, which became the main obstacles restricting the performance of the local water ecological civilization construction. From 2015 to 2017, the average pressure barrier degree reached 21.73%, which was the most significant obstacle to the construction performance. From 2018 to 2019, the average pressure barrier degree remained the largest obstacle by reaching 24.49%. Lastly, the index barrier of the obstacle degree among the top five factors are primarily distributed in the pressure subsystem. A comprehensive frequency ranking of the obstacles, the irrigation water use coefficient, and the pressure of the water consumption per ten thousand yuan of value-added by industry as a representative subsystem are the key directions to future construction. In this paper, the concepts and methods of the research can provide a theoretical reference for the performance evaluation of regional water ecological civilization construction and its obstacle factor diagnosis analysis.
Key words: water ecological civilization construction      DPSIRM model      unascertained measure      obstacle degree      Shizuishan City     

水生态文明建设是人类遵循人水和谐理念, 通过科学配置水资源、坚持水资源节约利用、实施水环境综合治理和推进系统修复水生态等措施, 实现“水资源可持续利用、水生态环境优美和水生态系统完整”的一项系统工程[1, 2].推进水生态文明建设是区域优化水资源利用模式、完善水生态保护格局和推动经济社会发展与水资源水环境承载力相协调的首要条件, 被纳入国家层面的战略部署[3].因此, 科学评价区域水生态文明建设绩效并明确其障碍因子, 为决策者制定区域水生态文明建设规划和政策提供理论依据, 已成为水生态文明研究领域的重要课题.

目前, 国外关于水生态文明方面的研究鲜有报道, 较多的是对水生态系统健康[4, 5]、河流健康[6, 7]和水资源管理[8, 9]等方面的研究.相比国外, 国内关于水生态文明方面的研究较多, 主要集中在水生态文明概念与内涵[3, 10]、水生态文明评价指标体系探讨[11, 12]、区域水生态文明建设规划[13]和水环境整治及水生态修复[14, 15]等方面, 上述研究与区域水生态文明建设绩效评价及其障碍因子诊断存在一定联系, 其中, 概念内涵与指标体系探讨是构建表征区域水生态文明建设绩效各方面特性的理论基础, 水生态文明建设规划和水生态修复则是障碍因子导向作用的具体体现.专项开展区域水生态文明建设绩效评价及其障碍因子诊断的研究偶有报道, 涵盖指标体系、评价方法以及评价内容等方面[2, 16~18].从指标体系来看, 多数学者立足于水生态系统保护及修复, 主张以生态环境效益作为评价的主要指标, 忽略了“人水和谐”是水生态文明建设的主旨, 这势必会影响区域建设有序的水生态运行机制, 难以实现区域水生态环境的良性循环.随着研究的进一步深入, 有学者考虑到了水生态文明建设的主旨所在, 提出了由水生态、水经济和水社会三大系统组成的水生态文明评价体系框架[19], 但还是将这3大子系统孤立起来进行评价, 忽略了各子系统间的内在联系, 无法清晰地反映人类活动与水生态系统间的耦合关系, 难以实现经济社会与水生态系统间的协调发展; 从评价方法来看, 一般多采用模糊综合评价法[16]、云模型[17]和熵值法[2, 18]等.以上评价方法在解决水生态文明建设绩效评价时均存在一定局限性, 例如模糊综合评价法在对水生态文明建设绩效进行评价时由于其因素集较大, 在权向量和为1的条件约束下相对隶属度权系数缩小, 权向量与模糊矩阵不匹配, 容易出现超模糊现象, 导致评价结果分辨率低, 难以区分评价对象的隶属度高低.云模型仅能判别出区域水生态文明建设的绩效等级, 对于该等级的隶属程度却不得而知, 导致评价结果缺乏直观性; 从研究内容来看, 现有研究更侧重于对区域水生态文明建设绩效及其演变趋势的探索, 而对于障碍因子诊断及其归纳分析方面的研究较为薄弱, 导致评价结果缺乏针对性和实践性.综上, 本文将能够刻画人水关系的DPSIRM模型作为构建区域水生态文明建设绩效评价指标体系的理论框架, 考虑到未确知测度模型在评价区域水生态文明建设绩效时能够对样本数据进行充分利用, 从而减少信息损失, 同时又能实现不同评价对象间的横向(同一年份)对比和同一评价对象的纵向(不同年份)分析, 使得评价结果与其他方法相比更具真实性和直观性, 故构建基于未确知测度模型的区域水生态文明建设绩效评价方法, 并以石嘴山市为研究对象, 对其近10年的水生态文明建设绩效进行评价研究, 同时引入障碍诊断模型对影响当地建设绩效的障碍因子进行诊断分析, 探寻提升石嘴山市水生态文明建设绩效的着力点和整治方向, 以期为类似区域水生态文明建设绩效评价研究及其障碍因子诊断分析提供理论参考.

1 材料与方法 1.1 DPSIRM模型框架

DPSIRM(驱动力-压力-状态-影响-响应-管理)模型[20, 21]是在欧洲环境署(EEA)提出的DPSIR(驱动力-压力-状态-影响-响应)模型[22]基础上发展而来的, 是一项用于研究可持续发展机制的框架体系, 它利用“驱动力-压力-状态-影响-响应-管理”这一思维逻辑解析了人类与生态环境间的耦合关系, 从而能够明确针对性地调控方向, 确保系统的可持续发展.与DPSIR模型相比, DPSIRM模型在其基础上添加了“管理”因子, 管理同响应一样, 都是指人类针对生态环境恶化采取的一系列改善措施, 区别在于响应因子是指人类为降低生态环境恶化产生的不良影响而采取的被动性补救措施, 管理因子是人类遵循发展理念主动采取相应的管理性措施从根源上对生态环境演化的全过程进行控制和调节, 并作用于各个影响因素.因此, 相比DPSIR模型, DPSIRM模型的优势在于：①考虑到了人类活动对系统各个部分产生的作用和影响, 突出强调了人类主观能动性在系统演变过程中的重要作用.②管理因子的加入解决了DPSIR模型的单一指向性, 提升了各因子间的联动性, 构建了一个完整的反馈回路, 从而更加利于整个系统趋向可持续发展.目前该模型已应用于区域水环境可持续发展指标体系研究[20]和生态安全指标体系研究[21]等领域.在DPSIRM模型中, 驱动力是指人类活动的发展趋势对系统变化产生了潜在动力; 压力是指由于人类活动消耗了资源和产生了污染, 进而对生态环境造成了一定影响; 状态是指在压力作用下生态环境问题的可测特征; 影响是指状态改变后导致生态功能发生变化, 进而对人类健康、经济社会和资源环境等造成一定影响; 响应是指决策者以状态和影响为依据, 采取相应措施应对产生的影响; 管理是指决策者为促进系统可持续发展从宏观上进行调控并作用于整个系统, 与响应相比具有主动性和预防性.各子系统间相互影响, 相互调节, 形成了人类与生态环境间的驱动力-压力-状态-影响-响应-管理关系(图 1).

虚线框表示DPSIR模型 图 1 DPSIRM模型框架 Fig. 1 DPSIRM model framework

1.2 水生态文明建设绩效DPSRIM评价指标体系

长划线箭头表示水生态文明演化的起因和产生的问题, 粗实线箭头表示DPSIRM模型作用过程, 细实线表示对应指标间相互关系, 圆点线箭头表示管理性措施作用过程区域水生态文明建设作为实现区域经济社会与水生态和谐发展的关键环节, 是一个人水关系复杂的系统, 属于可持续发展的领域, 故可将DPSIRM模型用于区域水生态文明建设绩效评价指标体系的研究.通过上述对DPSIRM模型的内涵解析可知, 随着区域人口和社会经济等驱动因素的持续发展使得人类对水资源的需求不断上升, 对水环境的污染不断加剧, 从而导致出现地下水超采过剩、化肥施用过多等压力, 当这些压力超出区域水资源和水环境的承载能力时, 随之出现的生态基流状况、水功能区水质状况等构成了水生态系统相对时期的现实状态, 新的状态特征反馈到经济社会中, 进而对人类的饮水安全、可利用水资源量等造成了一定影响.这些影响又促使人类做出一定响应, 通过水资源节约利用、水环境综合治理和系统修复水生态等措施来消除或降低影响造成的后果.同时, 为了系统实现有序运转, 呈现强可持续发展态势, 政府采取增强民众水生态文明建设意识、增加水环境治理投资和完善水资源管理制度等管理性措施从根源上起到缓解压力、调整状态和降低影响的作用.如此循环往复, 构成了区域水生态文明建设的DPSIRM模型(图 2), 推动区域社会经济和水生态趋向可持续发展.

长划线箭头表示水生态文明演化的起因和产生的问题, 粗实线箭头表示DPSIRM模型作用过程, 细实线表示对应指标间相互关系, 圆点线箭头表示管理性措施作用过程 图 2 基于DPSIRM模型的区域水生态文明演化机制 Fig. 2 Evolution mechanism of regional water ecological civilization based on DPSIRM model

基于区域水生态文明建设的DPSIRM模型, 秉持科学性、独立性和完整性等原则对国家水利部颁布的《水生态文明城市建设评价导则》(SL/Z-738-2016)[23]及相关文献[2, 16~18]中现有的水生态文明评价指标体系进行分析和整理：首先对共性指标进行合并或剔除, 其次查找统计年鉴、统计公报和水资源公报等资料, 按照可得性原则, 去掉指标值无法获得的指标, 然后根据DPSIRM模型中各因子的内涵解析将剩余指标进行梳理分类, 将其归类为D(驱动力)、P(压力)、S(状态)、I(影响)、R(响应)和M(管理)这6个类别, 构建较为完善的指标体系, 具体如下.

(1) 驱动力指标  驱动力定义为引发水生态环境变化的原始动力, 主要包括人口指标与经济指标.人类是水生态环境中的主导者, 人口的增减以及社会经济的发展趋势必然会对水生态环境的演变起到驱动性作用.因此选取人口密度、人均GDP和城镇化率作为驱动力指标.其中, 人口密度反映区域人口的承载状态, 人均GDP反映区域的经济发展状况, 城镇化率反映区域发展对水生态的压力.

(2) 压力指标  人类经济活动产生一定影响并直接作用于水生态系统, 所以压力指标可通过人类经济活动产生的影响来表征, 主要包括水资源压力和水环境压力.因此本文选取万元工业增加值用水量、灌溉水利用系数、化肥施用强度和地下水超采面积比例作为压力类指标, 其中, 万元工业增加值用水量反映区域工业发展对水资源产生的压力及工业用水效率, 灌溉水利用系数反映农业发展对水资源产生的压力及农业用水效率, 化肥施用强度反映化肥中氮、五氧化二磷和氧化钾对水环境造成的压力, 地下水超采面积比例反映地下水开发利用对水资源和地下水质造成的压力.

(3) 状态指标  状态指标是指在驱动力和压力共同作用下水生态文明的实际状况, 包含水环境、水资源和水生态等方面的物理或化学可测特征.所以选用河流生态基流满足程度、水生生物完整性指数和水功能区水质达标率作为状态类指标, 其中, 河流生态基流满足程度反映河流和河口生态系统的健康状况, 水生生物完整性指数反映区域水生生物的完整度及河流的健康状况, 水功能区水质达标率反映区域水功能区的水环境质量状况.

(4) 影响指标  影响指标是指状态改变后对人类发展和健康生存等造成的不利影响, 是对状态效应的一种具体度量.因此本文选用水生态质量公众满意度、集中式饮用水水源安全达标率和人均水资源量作为影响类指标, 其中, 水生态质量公众满意度反映人民群众对于水生态系统健康状况的直接感受, 人均水资源量反映对区域水资源充足程度的影响, 集中式饮用水水源安全达标率反映对人民群众用水安全的影响.

(5) 响应指标  为了改善水生态系统状态改变后对经济社会造成的影响, 人类采取一系列响应措施对水生态系统进行修复, 从而提升水生态文明水平.响应指标应该从水资源节约、水环境治理和水生态修复等方面来考虑.因此, 本文选用防洪堤达标率、废污水达标处理率、水土流失治理比例和工业用水重复利用率作为响应类指标.其中水土流失治理比例反映对区域水生态系统的修复强度, 防洪堤达标率反映区域防止洪水灾害的安全保障程度, 废污水达标处理率反映对区域污染控制采取的实际行动力度, 工业用水重复利用率反映区域工业发展对水资源的节约程度.

(6) 管理指标  管理指标是指政府部门为提升水生态文明水平主动实施的管理性措施, 包含制度建设、水资源管理和民众参与度等方面.因此本文选用水资源监控能力指数、水环境治理投资占GDP比重和水生态文明建设公众认知度作为管理类指标, 其中水资源监控能力指数反映对区域水资源的监控管理力度, 水环境治理投资占GDP比重反映政府部门对水生态文明建设的重视程度, 水生态文明建设公众认知度反映对人民群众关于水生态文明意识的普及情况.

基于以上分析, 按照层次分析法的思想构建以区域水生态文明建设绩效评价为目标层, 以驱动力、压力、状态、影响、响应和管理为准则层, 包含20项具体指标的3层结构评价指标体系, 如表 1所示.

表 1 区域水生态文明建设绩效评价指标体系 Table 1 Regional water ecological civilization construction performance evaluation index system

1.3 评价方法 1.3.1 区域水生态文明建设绩效未确知测度评价法

设有评价对象集O={O1, O2, …, On}, Oi∈O(i=1, 2, …, n)表示某区域第i个评价年份的水生态文明建设绩效.若存在m个具体属性S1, S2, …, Sm影响着第i个评价年份的水生态文明建设绩, 则将集合S={S1, S2, …, Sm}称作属性空间.评价对象Oi关于第j个属性的属性值记作xij(i=1, 2, …, n; j=1, 2, …, m), 从而评价对象Oi=(xi1, xi2, …, xim).若任意xij都具有q个绩效等级C1, C2, …, Cq, 则绩效等级空间E记作E={C1, C2, …, Cq}, 其中Ck是第k个绩效等级, 且k级绩效高于k+1级, 即Ck>Ck+1[24, 25].

(1) 单指标未确知测度

设μijk=μ(xij∈Ck)表示属性值xij属于绩效等级Ck的程度, 并满足以下条件：

(1)
(2)
(3)

则μ称作未确知测度, 简称测度, (μijk)m×q称作评价对象Oi的单指标测度评价矩阵, 表示为：

(4)

上述的μ可利用测度函数获得, 测度函数的构建原理为：如果绩效等级空间E具有q种绩效等级, 则在评价对象Oi属性值的分布区间上安插q-1个值, 表示为d1, d2, …, dq-1.若在dk左侧的值处于Ck等级, 当属性值从dk往dk+1提升时, 属性值处于Ck等级的程度持续减小, 至dk+1时属性值处于Ck等级的程度低至0.相应地, 属性值处于Ck+1等级的程度则持续增大, 至dk+1时属性值处于Ck+1等级的程度升高至1.依据上述安插点附近所处等级的变化特点, 可选用图 3中的曲线构建测度函数的表达式.

图 3 常见的测度函数 Fig. 3 Common measure function

(2) 多指标未确知测度

设μik=μ(Oi∈Ck)表示评价对象Oi属于绩效等级Ck的程度, 此时：

(5)

式中, wj为第j项评价指标权重, 本研究通过熵权法[26, 27]确定.称{μi1, μi2, …, μiq}是评价对象Oi的多指标综合测度评价向量.

(3) 置信度识别

因为C1>C2>…>Cq, 此时称{C1, C2, …, Cq}是绩效等级空间E上的一个有序分割类, 则可应用置信度识别准则：

(6)

式中, λ是置信度(λ≥0.5, 一般取0.6), 此时可识别评价对象Oi处于绩效等级Cr.

(4) 排序

已知C1>C2>…>Cq, 对Ck (k=1, 2, …, q)进行赋值, 令Ck= Ik, 且Ik> Ik+1, 此时：

(7)

式中, dOi是评价对象Oi的未确知绩效指数, dOi越大, 区域第i个评价年份的水生态文明建设绩效就越高.

1.3.2 区域水生态文明建设绩效障碍诊断模型

为明确影响区域水生态文明建设绩效的障碍因子, 进而介入针对性的调控措施, 引入“因子偏离度Ij”、“因子贡献度Fj”和“障碍度Bj”3个变量[28, 29], 建立区域水生态文明建设绩效的障碍诊断模型如下：

(8)
(9)

式中, Ij是指各因子的绩效指数ds与最优绩效指数d之间的差值, 故Ij可以表示为d与ds的差; Fj是指各因子对总目标的重要程度, 可以用各因子的权重wj表示; Bj是指各因子对区域水生态文明建设绩效的影响程度, 根据各因子Bj的大小排序即可获知区域水生态文明建设绩效障碍因子的主次关系.

2 案例分析——以石嘴山市为例

石嘴山市为宁夏回族自治区辖地级市, 位居黄河中游上段、宁夏回族自治区最北端(图 4), 北邻内蒙古鄂托克后旗, 南连宁夏银川, 西依贺兰山, 东接内蒙古鄂尔多斯市, 地势西高东低, 海拔在1 081.95~3 388.84 m之间, 总面积5 310 km2, 占宁夏自治区总面积的8.01%, 是典型的温带大陆性气候, 处于干旱半干旱地区.石嘴山市境内地表水系主要由河流、湖泊和黄河引水排水渠系等构成, 绝大多数水量属于黄河过境水, 其中河流有黄河干流和黄河一级支流都斯图河, 主要湖泊有沙湖、星海湖和镇朔湖等, 主要排水沟有第三排水沟和第五排水沟.由于石嘴山市常年降水少, 蒸发强, 地表水资源稀缺, 市居民生活用水和工业企业用水主要依靠开采地下水.“十二五”期间, 随着全市经济社会快速发展、城市化进程不断推进, 导致地下水超采严重, 2014年时超采量已高达2 796万m3, 超采区漏斗中心水位不断下降, 城市发展与水生态系统健康矛盾日益突出.2014年5月, 石嘴山市被列入全国水生态文明城市建设试点市, 借此契机, 石嘴山市通过推进节水型社会建设、落实最严格水资源管理制度和加强水生态修复与保护等措施, 致力打造与水资源相匹配的区域发展体系.石嘴山市境内水资源匮乏, 是典型的西北干旱地区城市, 研究其水生态文明建设状况对其它类似地区具有借鉴意义.

图 4 石嘴山市位置示意及水系分布 Fig. 4 Location map and water distribution of Shizuishan City

2.1 各指标分级标准

根据未确知测度模型计算原理, 把区域水生态文明建设绩效划分为5个等级, 此时评价空间E={C1, C2, C3, C4, C5}, 其中C1、C2、C3、C4和C5, 依次代表：优(Ⅰ)、良(Ⅱ)、中(Ⅲ)、差(Ⅳ)和极差(Ⅴ).各项评价指标具体的量化标准主要依据文献[2, 16~18, 23]来获取.因受经济结构、气候因素及水资源条件等多种因素的影响, 少部分评价指标如人均GDP、人均水资源量等各区域差异较大, 故此类指标的分级标准需要因地制宜和综合考量, 各项指标的分级标准如表 2所示.

表 2 水生态文明建设绩效评价等级和指标权重 Table 2 Performance evaluation grade and index weight of water ecological civilization construction

2.2 数据来源及权重确定

为全面了解试点期间的建设成效, 以石嘴山市2010~2019年的指标值为依据, 对其水生态文明状况的演化趋势进行评价分析.本研究所采用的数据主要来自文献[30]、石嘴山市国民经济和社会发展统计公报(2010~2019年)、宁夏回族自治区水资源公报(2010~2019年)、宁夏回族自治区水利厅网站、石嘴山市统计局网站以及新闻报道等, 其它数据依据以上资料计算合成.基于各年份的指标值, 利用熵权法得到各项指标的权重, 如表 2所示.

2.3 结果与分析 2.3.1 水生态文明建设绩效评价结果

根据指标值的分布特点和变化程度, 采用直线型测度函数：

(10)

基于各项指标的分级标准(表 2), 根据2.1节测度函数的构建原理, 建立各项指标的直线型测度函数.由于篇幅限制, 仅以指标S1为例, 其测度函数如图 5所示.依据各项指标的测度函数, 利用式(4)、式(5)和式(10)求出2010~2019年的多指标综合测度评价向量.然后, 令λ=0.6, 利用式(6)便可获得2010~2019年的绩效等级, 为直观对比各年份的绩效水平, 深入了解近10年的演化趋势, 再令C1=5, C2=4, C3=3, C4=2和C5=1, 利用式(7)求出2010~2019年的绩效指数, 如表 3所示.

图 5 指标S1的测度函数 Fig. 5 Measure function of index S1

表 3 水生态文明建设绩效评价结果 Table 3 Performance evaluation of water ecological civilization construction

2.3.2 综合绩效分析

由表 3得知, 石嘴山市水生态文明建设绩效指数在研究期内呈持续升高态势, 截至2019年, 其绩效指数已提升至4.144, 相比研究初期增加了1.72倍, 年均增长率为6.18%.从绝对层面来看, 立足于各年份的绩效等级, 石嘴山市水生态文明建设绩效绝对水平持续趋好, 完成了由差到中再到良的等级转变.从相对层面来看, 立足于各年份的绩效指数, 石嘴山市水生态文明建设绩效提升速度经过了缓慢提升, 快速提升和较快提升3个状态.依据绝对层面和相对层面的变化情况, 将石嘴山市水生态文明建设绩效演变过程划分成3个时间段来进行研究分析：

第1阶段(2010~2014年), 石嘴山市水生态文明建设绩效指数波动上升, 由2010年的2.415增加至2014年的2.938, 年均增长率为5.02%, 增速最慢, 绩效等级为Ⅳ级(差).“十二五”期间, 该市致力于以冶金产业和煤炭产业等高耗能、高污染项目为主的重工业发展, 导致境内水体污染严重, 化学需氧量和氨氮等污染物浓度严重超标, 第三排水沟和第五排水沟排入黄河断面的水质常年处于劣V类标准, 致使黄河石嘴山段水污染负荷持续增加.同时, 随着全市经济社会快速发展、城市化进程不断推进, 地下水开采量持续加大, 工业耗水量不断增加, 致使此阶段地下水超采面积比例和万元工业增加值用水量等指标值偏高.其中以2010年最为严重, 万元工业增加值用水量达到了69m3, 地下水超采面积比例达到了36.71%, 水生态系统面临巨大压力, 而工业用水重复率、水土流失治理比例和水环境治理投资占GDP比重等措施性指标值过小, 导致其综合绩效指数仅为2.415, 成为研究期内绩效指数最低值.在此期间, 虽然政府部门采取了一些应对措施, 如加大环境治理投资和增设污水处理厂等, 但结构性污染难以根本改变, 水生态文明水平在短时期内难有较大提高, 致使该阶段绩效指数增长缓慢.

第2阶段(2015~2017年), 石嘴山市水生态文明建设绩效指数呈逐年快速上升态势, 由2015年的3.152增加至2017年的3.807, 年均增长率为9.90%, 增速最快, 绩效等级处于Ⅲ级(中级).2015年初, 石嘴山市水生态文明建设工作全面开启, 建设期间, 该市持续强化水生态保护综合治理工程建设, 通过开展星海湖水系连通综合整治工程和北武当河综合整治工程, 有效提升了生态水量, 缓解了地下水超采问题, 截至2017年, 该市超采区超采量已降至154万m3, 与2014年相比压减开采量达2 642万m3.同时, 该市着力改善水环境质量, 通过污水处理厂改造、饮用水水源地保护和重点湖泊水生态修复等措施, 有效提升了当地水环境质量, 2017年时黄河石嘴山出入境断面(麻黄沟)全年水质类别已提升至Ⅱ类、沙湖平均水质类别提升至Ⅴ类.在此阶段, 由于该市多措并举, 有效改善了水资源短缺、水生态退化和水环境污染等问题, 致使该阶段绩效指数呈现快速上升趋势.

第3阶段(2018~2019年), 石嘴山市水生态文明建设绩效指数呈持续较快上升态势, 由2018年的4.009增加至2019年的4.234, 年均增长率为56.10%, 增速较快, 绩效等级处于Ⅱ级(良好).在此期间, 该市严格落实水资源管理制度, 全面推进节水型社会建设, 通过加强高效节水灌溉项目建设、关停供水范围内自备水源井、提升公众节水意识和制定取用水计划方案等措施, 实现了农业、工业和生活全方面节水, 2019年, 该市工业用水重复率已达到86.70%, 农田高效节水灌溉面积达到16.67 km2.同时, 为提升排水沟水质类别, 该市持续加强排水沟整治工作, 开展了多个生态湿地建设项目, 排水沟水质得到了有效进化, 截至2019年, 第三、第五排水沟水质类别均已提升至Ⅳ类, 水生态质量公众满意度达到96.10%. 2017年时石嘴山市水生态文明建设绩效已接近良好等级, 此时绩效指数基数略大, 绩效指数难以大幅提升, 导致绩效指数提升速度较第二阶段略有放缓.

根据水生态文明建设绩效评价结果并结合以上分析得知, 石嘴山市在各阶段的水生态文明建设政策落实到位, 治理措施科学有效, 近10年该市水生态文明建设水平得到了较大提升, 可作为水生态文明建设的典范之城.

2.3.3 子系统绩效分析

根据综合绩效计算过程, 同理可分别求出各子系统近10年的绩效指数, 从而建立6个子系统的绩效变化趋势(图 6).由图 6得知, 各子系统绩效指数演变趋势各异, 但基本都呈现波动上升态势, 其中, 从各子系统绩效指数大小来看, 截至2019年, 响应子系统绩效指数最大, 达到4.790, 管理子系统和驱动力子系统次之, 分别是4.710和4.150, 压力子系统最小, 仅为3.790.说明压力子系统、影响子系统和状态子系统仍具有较大提升空间, 尤其是压力子系统, 虽然近年来随着响应子系统和管理子系统绩效指数的增长呈现正相关性, 但仍处于较低水平, 因此, 在未来的水生态文明建设中石嘴山市应持续加强治理力度, 进一步减少人类活动对水生态环境施加的压力; 从各子系统绩效指数提升速度来看, 管理子系统绩效指数提升最快, 年均增长率达到了9.86%, 响应子系统和状态子系统次之, 分别是9.14%和8.40%, 影响子系统最慢, 仅为3.38%, 表明近10年来石嘴山市对于水生态文明建设的管理力度持续加大, 响应力度持续加强, 水生态系统状态得到了较大改善, 在未来的水生态文明建设中应更加注重影响子系统绩效指数的提升速度.

图 6 子系统绩效指数变化趋势 Fig. 6 Change trend of subsystem performance index

2.3.4 障碍因子诊断分析

依据式(8)~(9)对准则层各子系统障碍度及指标层各指标障碍度进行测算, 其中, 由于等级空间E划分为5个等级, 故依据2.2节原理最优绩效指数d的取值为5.根据各子系统和各指标障碍度的大小, 进行深入的障碍因子诊断分析(限于篇幅, 指标层只对障碍度列在前5位的主要障碍因子进行探讨).

(1) 准则层障碍因子诊断分析  由测算结果可知, 准则层各子系统障碍度呈阶段性变化特征, 2010~2014年[图 7(a)], 各子系统障碍度演变情况各异, 其中, 驱动力障碍度表现为先下降后上升态势, 由2010年的12.77%下降至2014年的12.42%, 压力障碍度表现为逐年递增态势, 由2010年的16.62%提升至2014年的18.31%, 状态障碍度表现为波动上升态势, 由2010年的19.70%提升至2014年的22.51%, 影响子系统表现为波动下降趋势, 由2010年的13.67%下降至2014年的11.94%, 响应障碍度基本保持稳定, 在17.98%~19.68%之间浮动, 管理障碍度表现为波动下降态势, 由2010年的19.13%下降至2014年的16.85%.由各子系统障碍度的变化情况可知, 2010~2014年间, 障碍度均值排序前3的依次是状态子系统、响应子系统和压力子系统, 其障碍度均值和达到58.81%, 说明此阶段状态子系统、响应子系统和压力子系统是制约当地水生态文明建设绩效的主要障碍因子; 2015~2017年[图 7(b)], 响应、管理和状态障碍度基本表现为逐年递减态势, 压力、影响和驱动力障碍度基本表现为逐年递增态势, 其中压力障碍度均值达到21.73%, 明显高于其它子系统障碍度, 说明2015~2017年间响应子系统、管理子系统和状态子系统对当地水生态文明绩效的影响程度持续减小, 压力子系统是制约当地水生态文明建设绩效的最大障碍因子; 2018~2019年[图 7(c)], 驱动力障碍度保持稳定, 响应障碍度和管理障碍度逐年递减, 截至2019年均低至10%以下, 压力、影响、状态障碍度逐年上升, 其中压力障碍度均值最大, 达到24.49%, 说明此阶段响应子系统和管理子系统对当地水生态文明建设绩效影响微弱, 压力子系统仍是制约当地水生态文明建设绩效的最大障碍因子, 未来建设应重点关注压力子系统, 从而进一步提升水生态文明建设绩效.

(a)2010~2014年各子系统障碍度; (b) 2015~2017年各子系统障碍度; (c) 2018~2019年各子系统障碍度; 数值表示障碍度值(%) 图 7 水生态文明建设绩效准则层各子系统障碍度 Fig. 7 Obstacle degree of each subsystem in the performance criterion layer of water ecological civilization construction

(2) 指标层障碍因子诊断分析  由表 4得知, 障碍度列在前5位的障碍因子主要分布于压力子系统和状态子系统.2010~2014年灌溉水利用系数(S6)、水功能区水质达标率(S10)、工业用水重复利用率(S16)和万元工业增加值用水量(S5)始终是影响石嘴山市水生态文明建设绩效的主要障碍因子, 2012年时河流生态基流满足程度(S8)替换了水环境治理投资占GDP比重(S18)排在了第5位直到2014年, 说明此阶段当地对水环境治理的投资不断加大, 管理子系统的阻碍程度不断降低, 状态子系统的阻碍程度不断上升, 这与准则层的障碍因子诊断结果基本一致; 2015~2017年, 前5位主要障碍因子发生了较大改变, 综合出现频率和障碍排序来看, 此阶段影响当地水生态文明建设绩效的主要障碍因子依次是灌溉水利用系数(S6)、万元工业增加值用水量(S5)和工业用水重复利用率(S16), 说明此阶段工农业节水绩效并未随总体绩效呈现正相关性, 加强工农业节水效率是以后建设期间的重点整治方向.在此阶段, 水功能区水质达标率(S10)的障碍度不断降低, 截至2017年时已不在前5位之列, 说明此阶段采取的水环境治理措施科学有效, 当地水环境质量持续改善, 状态子系统的阻碍程度不断降低; 2018~2019年, 相比上一阶段, 工业用水重复利用率(S16)已不在前5位之列, 说明此阶段当地的工业节水效率得到了较大提升, 但以灌溉水利用系数(S6)和万元工业增加值用水量(S5)为代表的压力子系统对石嘴山市水生态文明建设绩效的推进效果尚显不足, 仍是未来建设中的重点提升方向.

表 4 2010~2019年石嘴山市水生态文明建设绩效指标层主要障碍因子障碍度 Table 4 Obstacle degree of major obstacle factors in the performance indicator layer of water ecological civilization construction from 2010 to 2019

3 结论

(1) 本文基于DPSIRM模型刻画了区域经济社会与水生态趋向可持续发展的作用机制, 从驱动力、压力、状态、影响、响应和管理这6个准则出发构建了区域水生态文明建设绩效评价指标体系, 应用未确知测度模型和障碍因子诊断模型, 实证评估了石嘴山市近十年的水生态文明建设绩效并对影响当地建设绩效的障碍因子进行了诊断分析.结果表明：石嘴山市水生态文明建设绩效指数近10年呈持续升高态势, 截至2019年, 其绩效指数已提升至4.144, 相比研究初期增加了1.72倍, 年均增长率为6.18%.

(2) 各子系统绩效指数演变趋势各异, 但基本都呈现波动上升态势, 从其数值大小来看, 研究末期响应子系统绩效指数最大, 达到4.790, 管理子系统和驱动力子系统次之, 分别是4.710和4.150, 压力子系统最小, 仅为3.790.因此, 在未来的水生态文明建设中石嘴山市应持续加强治理力度, 进一步减少人类活动对水生态环境施加的压力; 从其年均增长率来看, 管理子系统绩效指数提升最快, 年均增长率达到了9.86%, 响应子系统和状态子系统次之, 分别是9.14%和8.40%, 影响子系统最慢, 仅为3.38%, 在未来的水生态文明建设中应更加注重影响子系统绩效指数的提升速度.

(3) 准则层各子系统障碍度呈阶段性变化特征, 2010~2014年, 障碍度均值排序前3的依次是状态子系统、响应子系统和压力子系统, 其障碍度均值和达到58.81%, 成为制约当地水生态文明建设绩效的主要障碍因子; 2015~2017年, 压力障碍度均值达到21.73%, 明显高于其它子系统障碍度, 是制约当地水生态文明建设绩效的最大障碍因子; 2018~2019年, 压力、影响和状态障碍度逐年上升, 其中压力障碍度均值最大, 达到24.49%, 压力子系统仍是制约当地水生态文明建设绩效的最大障碍因子.

(4) 指标层障碍度列在前5位的障碍因子主要分布于压力子系统和状态子系统.2010~2014年间灌溉水利用系数(S6)、水功能区水质达标率(S10)、工业用水重复利用率(S16)和万元工业增加值用水量(S5)始终是影响石嘴山市水生态文明建设绩效的主要障碍因子; 2015~2017年, 综合出现频率和障碍排序来看, 此阶段影响当地水生态文明建设绩效的主要障碍因子依次是灌溉水利用系数(S6)、万元工业增加值用水量(S5)和工业用水重复利用率(S16), 说明此阶段工农业节水绩效并未随总体绩效呈现正相关性, 加强工农业节水效率是以后建设期间的重点整治方向.2018~2019年, 以灌溉水利用系数(S6)和万元工业增加值用水量(S5)为代表的压力子系统仍是未来建设中的重点提升方向.

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