基于突變基數法的遼河重污染支流生態(tài)安全研究

湯 潔，劉巖巖，王 博，林曉晟，張愛麗

（吉林大學 環(huán)境與資源學院，長春130012）

生態(tài)安全是指能夠維持和保障人類社會可持續(xù)發(fā)展，同時不損害和威脅生態(tài)系統(tǒng)本身健康和完整性的生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)，是人與自然生態(tài)環(huán)境達到高度和諧的狀態(tài)［1－2］。生態(tài)安全具有雙重含義，首先是生態(tài)系統(tǒng)本身安全，其結構沒有受到破壞；其次是生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)安全，能保障人類社會和經濟的發(fā)展，生態(tài)系統(tǒng)所提供的服務能滿足人類生存需要。只有這雙重含義都得到滿足才認為達到了生態(tài)安全的程度［3］。

生態(tài)安全已經同國家安全和經濟安全并稱為國家的“三大安全”。生態(tài)安全研究是當前環(huán)境、資源可持續(xù)利用研究的前沿課題［4］，是可持續(xù)發(fā)展研究的核心之一。在眾多生態(tài)系統(tǒng)類型中，流域生態(tài)系統(tǒng)由于其復雜的特點，已引起人們的高度關注［5］，但關于流域生態(tài)安全狀況的研究仍然較少。

隨著突變理論研究的深入，突變級數法在研究系統(tǒng)發(fā)生不連續(xù)變化的現(xiàn)象時應用較好，李艷［6］，魏婷等［7］運用突變級數法對生態(tài)系統(tǒng)健康進行了研究，黃玉平等［8］運用此方法評價了城市土地利用生態(tài)適宜度，徐美等［9］運用突變理論對土地生態(tài)安全格局進行了研究，李發(fā)榮等［10］采用突變級數法對我國西部城市環(huán)境承載力進行了研究，更多的學者［11－12］應用此法在災害預測和預警方面做了較多、較深入的研究，但在流域生態(tài)安全方面的研究很少。

遼河流域自“九五”以來就是我國重點治理的“三河”之一。雖然經過多年的治理，但是污染狀況仍未得到根本改善，嚴重制約了流域經濟社會發(fā)展，威脅著下游300多萬人的飲水安全。本文擬通過對吉林省遼河的重污染支流——招蘇臺河流域生態(tài)安全研究，以期為流域環(huán)境管理和決策提供科學依據，從而實現(xiàn)區(qū)域經濟的可持續(xù)發(fā)展和經濟效益、環(huán)境效益、社會效益的和諧統(tǒng)一。

1 研究區(qū)概況

招蘇臺河是吉林省遼河流域的重要支流之一，發(fā)源于梨樹縣三家子鄉(xiāng)相屯土們嶺，在遼寧省昌圖區(qū)通江口附近匯入遼河，在吉林省境內河長103 k m，流域面積為1 147 k m2。流域處于松遼平原中部，兼有低山、丘陵和平原，海拔高程611～120 m，屬溫帶大陸性季風氣候，四季分明。河流多年平均徑流量為0.455億m3，主要由降雨補給，年內季節(jié)性變化明顯，枯水期流量減少明顯，有些河段甚至斷流。水質整體較差，2010年三個監(jiān)測斷面水質均為劣Ⅴ類。天然徑流量較小且分布不均，自凈能力差。1999—2010年，流域所在的梨樹縣人口密度在200人／k m2左右，最低的2005年也達到了196人／k m2，遠高于聯(lián)合國提出的在半干旱的農牧區(qū)人口密度不應大于20人／k m2的人口密度標準，巨大的人口數量給流域資源與環(huán)境造成了較重的壓力，已嚴重威脅流域的生態(tài)安全狀況。

“十二五”期間，梨樹縣的畜禽養(yǎng)殖量持續(xù)大幅增加，已成為經濟發(fā)展的巨大推動力。1999—2010年，大牲畜存欄數由23.59萬頭增加到48.15萬頭，僅牛的存欄量就由18.21萬頭增加到42.77萬頭，增幅3倍多，農業(yè)產值從22.89萬元增加到38.84萬元，人均GDP增長5.7倍。農業(yè)和畜禽養(yǎng)殖業(yè)的迅猛發(fā)展，在帶來經濟效益的同時，大量化肥、農藥的施用和大量持續(xù)增加的畜禽糞便污水，造成農業(yè)面源污染情況日益嚴重，已對其生態(tài)安全等級產生了重要影響。結合招蘇臺河流域的實際情況，確定招蘇臺河干流主要流經梨樹縣的孟家?guī)X鎮(zhèn)、蔡家鎮(zhèn)、十家堡鎮(zhèn)、郭家店鎮(zhèn)、白山鄉(xiāng)、梨樹鎮(zhèn)、四棵樹鄉(xiāng)、喇嘛店鎮(zhèn)8個鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為本文的研究區(qū)。

2 研究方法與數據來源

2.1 研究方法

突變理論（實變理論）最早是由法國數學家倫尼·湯姆于1968年首先提出的，該思想一經提出便引起了世界的關注。突變理論是運用拓撲學、奇點理論和結構穩(wěn)定性等數學工具研究自然界里各種形態(tài)及結構不連續(xù)的突然變化［9］。突變級數法是一種基于突變理論的重要評價方法，該方法僅考慮各指標的相對重要性，不需要考慮各指標的權重，從而減少了綜合評價時的主觀性和復雜性，使得評價結果更科學、客觀，且計算過程較其它方法較為方便［13－14］。突變級數法的計算過程如下：

（1）建立層次評價結構模型。根據評價的總目標，向下逐層分解相關影響因素，排列成樹狀的層次結構，最后使復雜、難于量化的上層指標分解為簡單、便于量化的指標。評價所需的層次和指標確定后，同一層次的指標需按相對重要性從前到后的順序進行排列。因為，初等突變類型的控制變量不多于4個，所以要求各層次的評價指標數量不超過4個，超過4個應該根據相對重要性進行取舍［9］。

（2）確定各層次突變模型類型。在突變模型中，當狀態(tài)變量不超過2，控制變量不大于4時，共有7種突變形式，稱為初等突變，其中應用較廣泛的是狀態(tài)變量只有1個的折疊型突變、尖點型突變、燕尾型突變、蝴蝶型突變四種基本初等突變模型，見表1［6－7，15－16］。

（3）運用勢函數確定分歧集方程歸一化公式。勢函數為突變理論的研究對象，其所有臨界點集合將構成一個平衡曲面，可以通過將勢函數V（x）分別求一階V′（x）和二階倒數V″（x），并將V′（x）＝0和V″（x）＝0兩個方程聯(lián)立，消去x，即可求得該突變模型的分歧點集方程［17］。

（4）運用歸一化公式進行綜合評價。因為突變模型中的狀態(tài)變量和控制變量取值范圍不同，為了進行評價和比較，需將狀態(tài)變量和控制變量進行歸一化處理，使其取值范圍在0～1之間。通過對分歧集方程進行推導可以得出4種初等突變模型的歸一化公式［17］。結合突變理論中的互補性和非互補性運算原則，運用歸一化公式由下到上進行遞歸運算，最后可得到突變系統(tǒng)總的隸屬函數值，用于綜合評價和分析。

表1 4種基本突變模型

2.2 數據來源

研究區(qū)社會、經濟相關數據主要來源于2004年、2008年、2010年《四平統(tǒng)計年鑒》；平均植被覆蓋指數、林地和水域面積等生態(tài)環(huán)境的數據是取自時段分別為：2004-06-28，2008-07-13，2010-09-10，分辨率為30 m×30 m，云覆蓋低于5%的T M／ET M衛(wèi)星遙感影像，經去云、幾何校正等前期處理，采用5，4，3波段進行假彩色合成，通過目視解譯獲得；單位面積耕地農藥、化肥施用量源于梨樹縣農業(yè)面源污染調查的相關數據。

由于評價指標的數據單位和量綱不相同，不能將其進行互相比較，因此，本文采用Micr osoft Excel軟件將基礎數據進行歸一化處理，便于代入突變模型進行綜合評價。

原始基礎數據包括生態(tài)安全的正向指標和負向指標兩類：正向指標值越大越有利于生態(tài)安全可采用進行歸一化處理；負向指標值越小生態(tài)安全越有利，

進行歸一化處理。

3 流域生態(tài)安全評價

3.1 生態(tài)安全評價指標體系的構建

隨著生態(tài)安全研究的深入，以聯(lián)合國經濟開發(fā)署（OCED）和環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）開發(fā)的壓力—狀態(tài)—響應模型（PSR：Pressure-State-Response）應用最廣。壓力—狀態(tài)—響應模型可以在一定程度上反映生態(tài)安全這一復雜概念，模型中的壓力因素體現(xiàn)了人類活動的加劇和過量開發(fā)與利用資源對生態(tài)環(huán)境產生的巨大壓力；狀態(tài)因素是生態(tài)環(huán)境所處的狀態(tài)；響應因素則是人們?yōu)榱朔乐购捅Ｗo生態(tài)環(huán)境所采取的措施。本文以傳統(tǒng)的壓力—狀態(tài)—響應模型為基礎，充分考慮招蘇臺河流域的經濟和社會背景，結合突變級數法的要求，構建自上而下由3個層次組成的綜合評價指標體系。

3.2 評價模型的選擇

根據某一個突變單元中控制變量的個數來選擇突變模型的類型，控制變量數目的不同對應不同突變模型類型。所以，對于最頂層的突變單元是由A，B1，B2，B3構成，A為狀態(tài)變量，B1，B2，B3為控制變量，控制變量數目為3，故以A為中心的突變單元選擇突變理論中的燕尾模型。同理，可分別確定以B1，B2，B3為中心的單元突變模型類型。綜上，形成了一個準則成為C1—C10，中間層為B1—B3，目標層A，具有三層結構的招蘇臺河流域生態(tài)安全突變模型，見圖1。

圖1 招蘇臺河流域生態(tài)安全研究突變模型

3.3 評價標準

參考我國學者對生態(tài)安全研究的五級分級標準［18］，將招蘇臺河流域生態(tài)安全分為生態(tài)安全良好、較好、預警、中警、重警五個級別。分別將各評價指標的生態(tài)安全隸屬度取0.2，0.4，0.6，0.8計算各分級值。

當生態(tài)安全度值均取為0.2時，突變單元xB1、xB2分別構成蝴蝶模型，按照互補性原則：

xB1＝0.606，xB2＝0.606；突變單元xB3構成燕尾模型，按照互補性原則：3＝0.567；突變單元xA構成燕尾模型，按照非互補性原則：xA＝）＝0.778。同理可分別計算生態(tài)安全度取值為0.4，0.6和0.8時的生態(tài)安全綜合隸屬度，見表2。

表2 基于突變理論的招蘇臺河流域生態(tài)安全分級表

3.4 評價結果及分析

3.4.1 生態(tài)安全的時間趨勢變化 運用所建立的突變模型，分別計算出流域8個鄉(xiāng)鎮(zhèn)2004年、2008年、2010年三年的生態(tài)安全綜合隸屬度，見圖2。

圖2 招蘇臺河流域生態(tài)安全評價結果對比

生態(tài)安全評價結果表明，全流域各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生態(tài)安全變化可劃分為上升型、下降型和波動型三種類型，上升型僅有孟家?guī)X鎮(zhèn)，下降型有梨樹鎮(zhèn)、喇嘛甸鎮(zhèn)和白山鄉(xiāng)，其余為波動型。2004年研究區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)安全隸屬度的綜合值在0.888 4～0.944 3范圍內波動，其中郭家店、喇嘛甸鎮(zhèn)、蔡家鎮(zhèn)、白山鄉(xiāng)生態(tài)安全等級處于較好狀態(tài)，梨樹鎮(zhèn)、十家堡鎮(zhèn)、孟家?guī)X鎮(zhèn)、四棵樹鄉(xiāng)為預警狀態(tài)。2008年的綜合值在0.879 6～0.957 0范圍內，與2004年相比，郭家店和蔡家鎮(zhèn)仍處于較好狀態(tài)，且綜合值呈上升趨勢；十家堡鎮(zhèn)、孟家?guī)X鎮(zhèn)和四棵樹鄉(xiāng)已由預警狀態(tài)上升為較好狀態(tài)；梨樹鎮(zhèn)仍處預警狀態(tài)，且綜合值呈下降趨勢；白山鄉(xiāng)、喇嘛甸鎮(zhèn)從較好狀態(tài)下降為預警狀態(tài)。2010年綜合值為0.836 7～0.949 9，與2004年相比，僅有十家堡鎮(zhèn)、孟家?guī)X鎮(zhèn)保持上升趨勢，其余均呈下降趨勢，其中喇嘛甸鎮(zhèn)和四棵樹鄉(xiāng)的生態(tài)安全狀況較差，生態(tài)安全等級降至比較嚴重的中警狀態(tài)。2010年流域內各地區(qū)的生態(tài)安全狀況較2004年整體呈現(xiàn)下降的趨勢，其中喇嘛甸鎮(zhèn)、白山鄉(xiāng)、四棵樹鄉(xiāng)下降較為明顯，生態(tài)安全綜合指數分別下降了0.099 3，0.068 0，0.062 3。

3.4.2 生態(tài)安全的空間格局變化 根據2004年、2008年、2010年招蘇臺河流域生態(tài)安全空間格局分布圖可知，流域生態(tài)安全空間格局差異顯著，見圖3。2004年，生態(tài)安全預警等級主要集中在流域中下游部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)，上游的蔡家鎮(zhèn)、郭家店鎮(zhèn)生態(tài)安全等級較好；2008年處于生態(tài)安全預警等級的鄉(xiāng)鎮(zhèn)沿流域向下游移動，上游的部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)安全等級有好轉的趨勢；2010年處于流域最下游的喇嘛甸鎮(zhèn)和四棵樹鄉(xiāng)生態(tài)安全等級最差，中上游的鄉(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)安全狀況相對較好。2004—2010年，流域上游到下游生態(tài)安全等級下降趨勢明顯，上游位置的蔡家鎮(zhèn)、孟家?guī)X鎮(zhèn)、十家堡鎮(zhèn)生態(tài)安全狀況較好，流域中下游生態(tài)安全狀況下降比較明顯，其中喇嘛甸鎮(zhèn)、四棵樹鄉(xiāng)生態(tài)安全等級最差，已降至中警等級。

圖3 招蘇臺河流域生態(tài)安全空間格局分布

3.4.3 結果分析

（1）人口數量的增長給流域生態(tài)環(huán)境帶來了巨大壓力。流域內8個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的人口總數由2004年的356 205人增加到2010年的378 469人，凈增加人口22 264人，增幅達6.25%。2010年，8個鄉(xiāng)鎮(zhèn)平均人口密度為325.48人／k m2，遠超過了聯(lián)合國提出的在半干旱區(qū)農牧人口密度最高值為20人／k m2。該流域大部分的財政收入來源于農業(yè)，在人口數量和人口密度增加的同時，為了能夠持續(xù)增加糧食產量，人們不斷增加化肥和農藥的施用量，從而使農業(yè)面源污染強度增強，生態(tài)安全的壓力指數上升，對研究區(qū)生態(tài)安全產生了不利影響。

（2）畜禽養(yǎng)殖量的大幅增加加重了水體污染。近10 a來，招蘇臺流域畜牧業(yè)發(fā)展快速，畜禽養(yǎng)殖量大幅增加，畜禽飼養(yǎng)場的數量也越來越多，調查數據顯示2010年招蘇臺河流域就有230個中小型畜禽飼養(yǎng)場［19］。大牲畜存欄數由2004年的23.59萬頭增加到2010年的48.15萬頭，2010年牛的存欄量達到42.77萬頭，豬達到57.60萬頭。畜禽養(yǎng)殖場產生大量的畜禽糞便隨意堆放，糞便沖洗產生的污水未經處理直接進入水體，污染招蘇臺河水體，對流域生態(tài)安全造成巨大威脅。

4 結論與展望

招蘇臺河流域生態(tài)安全等級整體不容樂觀，生態(tài)系統(tǒng)結構破壞較大，生態(tài)系統(tǒng)的服務功能退化嚴重，制約了當地的經濟發(fā)展速度，需要采取增加環(huán)境保護資金投入，建立鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠，提高畜禽糞便處理能力等生態(tài)安全響應措施，提高生態(tài)安全等級，實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)，促進該流域的經濟、社會、環(huán)境的和諧發(fā)展。

突變理論中的突變級數法適合于影響因素較多、生態(tài)系統(tǒng)類型較為復雜的流域生態(tài)安全研究。由于該方法未引入權重，減少了其他評價方法因人為賦權帶來的主觀偏差，使其研究結果更加科學和合理，且計算方法較目前常用的模糊數學綜合評價、灰色關聯(lián)度等方法計算過程更為簡單，對于研究生態(tài)環(huán)境演變規(guī)律，及時預警流域生態(tài)環(huán)境狀態(tài)，維護生態(tài)系統(tǒng)平衡具有重要的指導意義。

本文僅以招蘇臺河流域為例建立了評價指標體系，但不同流域環(huán)境特征和社會經濟水平有較大差異，為此，基于突變理論的流域生態(tài)安全評估指標體系選取的規(guī)范性、程序化以及如何擴大其適用范圍將成為未來研究的重點和發(fā)展方向。

［1］ 高清竹，許紅梅，康慕誼，等.黃河中游砒砂巖地區(qū)生態(tài)安全綜合評價［J］.資源科學，2006，28（2）：132-139.

［2］ 李闖，劉吉平.霍林河流域中下游土地利用變化及生態(tài)安全響應［J］.水土保持研究，2012，19（1）：221-225.

［3］ 鄒長新，沈渭壽.生態(tài)安全研究進展［J］.農村生態(tài)環(huán)境，2003，19（1）：56-59.

［4］ 易武英，蘇維詞.基于屬性識別模型的重慶市生態(tài)安全動態(tài)評價［J］.水土保持研究，2013，20（2）：207-212.

［5］ 饒清華，邱宇，王菲鳳，等.福建省山仔水庫生態(tài)安全評價［J］.水土保持研究，2011，18（5）：174-178.

［6］ 李艷，陳曉宏，張鵬飛.突變級數法在區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康評價中的應用［J］.中國人口·資源與環(huán)境，2007，17（3）：50-54.

［7］ 魏婷，朱曉東，李揚帆，等.突變級數法在廈門城市生態(tài)安全評價中的應用［J］.應用生態(tài)學報，2008，19（7）：1522-1528.

［8］ 黃玉平，張慶國，胡三中.基于突變級數法的城市土地利用生態(tài)適宜度評價：以合肥高新技術開發(fā)區(qū)為例［J］.安徽農業(yè)大學學報，2013，40（1）：1-5.

［9］ 徐美，朱翔，周軍.基于突變理論的湖南省土地生態(tài)安全格局分析［J］.自然災害學報，2012，21（6）：199-207.

［10］ 李發(fā)榮，劉菊梅，仝紀龍，等.基于突變級數法的我國西部城市環(huán)境承載力研究［J］.環(huán)境工程，2010，28（增刊）：338-342.

［11］ 楊東，焦金魚，田娜.基于突變理論的岷縣山區(qū)泥石流危險性區(qū)劃研究［J］.水土保持研究，2008，15（4）：5-9.

［12］ 劉朝峰，蘇經宇，王威，等.區(qū)域地震災害承載力評價的突變模型［J］.中國安全科學學報，2011，21（11）：8-15.

［13］ 王楓，劉小玲，袁中友.區(qū)域土地生態(tài)安全突變評價模型及其實證［J］.統(tǒng)計與決策，2009（24）：85-87.

［14］ Su S，Li D，Yu X，et al.Assessing land ecological security in Shanghai（China）based on catastrophe theor y［J］.Stochastic Environmental Research and Risk Assessment，2011，25（6）：737-746.

［15］ 陳道煒，劉金福，洪偉，等.福建省土地生態(tài)安全動態(tài)評價［J］.水土保持通報，2011，31（5）：115-119.

［16］ 湯潔，林年豐，黃奕龍.尖點突變模型在研究洪水引起環(huán)境突變中的應用［J］.環(huán)境科學學報，2002，22（4）：443-447.

［17］ 鄭雯，劉金福，王智苑，等.基于突變級數法的閩南海岸帶生態(tài)安全評價［J］.福建林學院學報，2011，31（2）：146-150.

［18］ 左偉，王喬，王文杰，等.區(qū)域生態(tài)安全評價指標與標準研究［J］.地理學與國土研究，2002，18（1）：67-70.

［19］ 李云飛.招蘇臺河流域畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染防治對策研究［D］.長春：吉林大學，2012.