基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型的黃柏河生態(tài)系統(tǒng)健康評價

彭　濤,王　珍,趙　喬,郭　倩

(1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌　443002; 2.水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北 武漢　430072)

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基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型的黃柏河生態(tài)系統(tǒng)健康評價

彭濤1, 2,王珍1,趙喬1,郭倩1

(1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌443002; 2.水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北 武漢430072)

為定量評估黃柏河生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài),以壓力-狀態(tài)-響應(yīng)概念模型為基礎(chǔ),構(gòu)建黃柏河生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系,采用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重,運用集對分析和屬性識別理論對黃柏河生態(tài)健康現(xiàn)狀進行綜合評價。結(jié)果表明:黃柏河生態(tài)系統(tǒng)綜合健康狀況處于中等水平,其中壓力子系統(tǒng)、狀態(tài)子系統(tǒng)和響應(yīng)子系統(tǒng)的健康等級分別是良、中等和良,水體富營養(yǎng)化指數(shù)、農(nóng)藥施用強度、水土流失率等是影響黃柏河生態(tài)健康狀況的主要因素。

河流健康評價;壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型;集對分析;屬性識別理論;黃柏河

河流是連接陸地與海洋的重要廊道,在維系地球的物質(zhì)循環(huán)、能量交換和信息傳遞方面發(fā)揮著重要的生態(tài)功能,同時具有灌溉、供水、發(fā)電、航運等綜合效益。但是隨著人口和經(jīng)濟社會快速發(fā)展以及不合理的人類活動開展,河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能遭到嚴(yán)重損害,引發(fā)了一系列的生態(tài)與環(huán)境問題,并使區(qū)域糧食安全、水資源安全和生態(tài)安全受到嚴(yán)重威脅,因此開展河流生態(tài)健康評價具有重要的現(xiàn)實意義。

近年來,河流健康評價已成為國內(nèi)外河流生態(tài)系統(tǒng)研究的前沿問題和熱點領(lǐng)域[1-4]。河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法主要包括指示物種法和指標(biāo)體系法。前者以魚類、硅藻與大型無脊椎動物等指示物種的數(shù)量、生產(chǎn)力、結(jié)構(gòu)功能指標(biāo)的動態(tài)變化等描述河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。該類方法簡便易行,是評價自然河流生態(tài)系統(tǒng)的較好方法,常用方法有美國的生物完整性指數(shù)[5](index of biotic integrity,IBI)和英國的河流無脊椎動物預(yù)測和分類計劃[6](river invertebrate prediction and classification system,RIVPACS)。但指示物種法僅依靠某一類敏感物種判別，難以準(zhǔn)確反映河流生態(tài)系統(tǒng)狀況,不應(yīng)作為唯一的方法而單獨使用[7]。指標(biāo)體系法根據(jù)河流生態(tài)系統(tǒng)特征及其功能建立指標(biāo)體系進行定量評價,評價指標(biāo)的選擇既考慮了生態(tài)系統(tǒng)自身特點,又考慮了人類活動的影響,較好反映了河流生態(tài)系統(tǒng)的過程,在河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價中被廣泛應(yīng)用。國外較具代表性的有澳大利亞的溪流狀況指數(shù)(index of stream condition,ISC)[8]和英國的河流生境調(diào)查(river habitat survey,RHS)[9]。國內(nèi)在長江[10]、黃河[11]、珠江[12]等開展了河流健康評價指標(biāo)體系研究,對于流域可持續(xù)管理與河流生態(tài)修復(fù)具有重要意義。

黃柏河是長江左岸的一級支流,是典型的峽谷型河流,承擔(dān)著宜昌城區(qū)百萬居民生活及宜東灌區(qū)百萬畝農(nóng)田灌溉的用水重任,是溝通宜昌市北部山區(qū)與長江聯(lián)系的生態(tài)廊道。近年來流域經(jīng)濟社會快速發(fā)展，水資源和礦產(chǎn)資源過度開發(fā)，流域水污染治理相對滯后,導(dǎo)致黃柏河水環(huán)境質(zhì)量明顯惡化及生態(tài)功能退化。為此,筆者從壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(pressure-state-response,PSR)概念模型出發(fā),建立黃柏河生態(tài)健康評價指標(biāo)體系,運用集對分析與屬性識別理論進行河流健康現(xiàn)狀評價,為黃柏河生態(tài)修復(fù)及河流健康管理提供科學(xué)依據(jù)。

1　研究區(qū)域概況

黃柏河流域位于宜昌市西北部,全長162 km,流域面積2 016 km2。黃柏河分東西兩支,東支發(fā)源于宜昌市夷陵區(qū)的黑良山,長130 km；西支發(fā)源于夷陵區(qū)的曹家山,長78 km。東、西支在夷陵區(qū)兩河口匯合干流,長32 km,于葛洲壩三江上游引航道匯入長江。黃柏河流域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,多年平均降水量1 138 mm,降水集中在6—9月,多年平均徑流量8.95億m3。流域水能資源豐富,黃柏河?xùn)|支興建了玄廟觀、天福廟、西北口和尚家河4座大中型水庫,經(jīng)梯級水庫群調(diào)節(jié)后,通過東風(fēng)渠為官莊水庫及東風(fēng)渠灌區(qū)提供水源,兩河口下游的湯渡河水庫則成為宜昌運河的引水源頭。目前,黃柏河流域已初步形成了具有防洪、灌溉、供水、發(fā)電等多種效益的水資源配置工程體系,在區(qū)域經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。

2　研究方法

2.1評價指標(biāo)體系建立

由于人類經(jīng)濟社會活動將顯著改變自然資源的數(shù)量與質(zhì)量,即會對生態(tài)與環(huán)境產(chǎn)生一定的外部壓力,而社會將通過經(jīng)濟、法律、政策等手段對這些壓力進行相應(yīng)的響應(yīng),從而形成了問題預(yù)測、政策形成、監(jiān)測、評估的反饋環(huán)。20世紀(jì)80年代末,經(jīng)濟合作和開發(fā)組織(OECD)與聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)共同提出PSR概念模型[13]。運用該模型可以針對具體研究對象、尺度建立問題產(chǎn)生原因、現(xiàn)狀及反應(yīng)之間的邏輯關(guān)系,且簡便易行。PSR模型充分考慮了外界的壓力干擾、區(qū)域的狀態(tài)變化和人類的響應(yīng)措施,目前已廣泛應(yīng)用于土地利用規(guī)劃、資源可持續(xù)利用、環(huán)境評價等方面,但在河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價領(lǐng)域應(yīng)用還不多。

采用PSR模型構(gòu)建黃柏河生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系具有清晰的因果關(guān)系,人類活動對河流健康施加一定的壓力,從而導(dǎo)致河流健康狀態(tài)發(fā)生一定的變化,而另一方面人類社會對該變化做出響應(yīng)。因此,筆者從PSR概念模型出發(fā)(圖1),遵循整體性、代表性、科學(xué)性、可度量性原則,在參考相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上,采用專家咨詢法(德爾菲法),邀請水文學(xué)、生態(tài)學(xué)和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域的專家遴選評價指標(biāo),最后構(gòu)建包括壓力子系統(tǒng)、狀態(tài)子系統(tǒng)和響應(yīng)子系統(tǒng)3方面15個指標(biāo)的黃柏河生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系(表1)。

圖1　基于PSR模型的河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價框架

2.2指標(biāo)權(quán)重計算

目前計算權(quán)重的方法可分為客觀賦權(quán)法和主觀賦權(quán)法兩大類,前者如熵權(quán)法、主成分分析法、多目標(biāo)優(yōu)化法等;后者如層次分析法、德爾菲法(專家咨詢法)、二項系數(shù)法等?？紤]到河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價本身是一種主觀判斷,筆者選用層析分析法確定指標(biāo)權(quán)重,具體步驟見文獻[14]。黃柏河生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)的權(quán)重計算結(jié)果見表1。

2.3評價標(biāo)準(zhǔn)確定

由于目前河流生態(tài)系統(tǒng)健康尚無明確的或公認的評價標(biāo)準(zhǔn),因此在實地考察、問卷調(diào)查和專家咨詢的基礎(chǔ)上,借鑒國內(nèi)外河流健康評價研究成果[10-12,15-16],根據(jù)健康程度將河流生態(tài)系統(tǒng)健康劃分為優(yōu)(Ⅰ級)、良(Ⅱ級)、中(Ⅲ級)、差(Ⅳ級)和極差(Ⅴ級)5個等級。黃柏河生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表1　黃柏河生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系

表2　黃柏河生態(tài)系統(tǒng)健康評價標(biāo)準(zhǔn)

2.4綜合評價模型

河流生態(tài)健康評價存在許多不確定性因素,如河流生態(tài)系統(tǒng)自身的復(fù)雜性和動態(tài)性,評價等級標(biāo)準(zhǔn)界限的相對模糊性,評價結(jié)果的非線性問題等。1989年我國學(xué)者趙克勤[17]基于對立統(tǒng)一觀點提出了聯(lián)系數(shù)的概念,建立了集對分析理論(set pair analysis,SPA)。該方法能通過差異度系數(shù),直觀反映評價樣本指標(biāo)與對各級指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)界限的聯(lián)系度,有效解決了評價中等級標(biāo)準(zhǔn)邊界模糊性問題,提高了評價結(jié)果的客觀性和可信度[18]。

給定集合A、B,設(shè)H=(A,B)是2個集合組成的集對,其基本表達式為

(1)

式中:μA～B為聯(lián)系度,又稱為三元聯(lián)系度;a、b、c分別為集對的同一度、差異度和對立度,a、b、c∈[0,1],為實數(shù),且a+b+c=1;i為差異度系數(shù),取值區(qū)間為[-1,1],體現(xiàn)不確定性,按照實際情況取值;j為對立度系數(shù),通常情況下取定值-1,表示對立度c與同一度a相反。

利用其擴展式五元聯(lián)系度進行分析計算,其數(shù)學(xué)表達式為

(2)

式中:b1、b2、b3、c∈[0,1],且a+b1+b2+b3+c=1;b1、b2、b3為差異度;i1、i2、i3為差異度系數(shù);其他符號同上。

將河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價樣本的指標(biāo)值xl(l=1, 2, …,m;m為評價指標(biāo)數(shù))看成一個集合,把相應(yīng)指標(biāo)的評價等級看作另一個集合Bk(k=1, 2, …,n;n為評價等級數(shù)),則xl與Bk構(gòu)成一個集對H=(xl,Bk)。若指標(biāo)類型為越小越優(yōu)型指標(biāo),評價樣本的指標(biāo)值xl與河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價等級k之間的聯(lián)系度μl為[18]

(3)

式中:s1、s2、s3、s4為Ⅰ～Ⅴ級界限值。

同理可推得越大越優(yōu)型指標(biāo)的數(shù)學(xué)表達式,類似式(3)。

在此基礎(chǔ)上,計算評價樣本與評價等級k的五元綜合聯(lián)系度μk[18]。

(4)

式中:al為指標(biāo)值xl與該指標(biāo)第k級標(biāo)準(zhǔn)的同一度，bl,1為指標(biāo)值xl與該指標(biāo)第k級標(biāo)準(zhǔn)相差1級的差異度，bl,2為指標(biāo)值xl與該指標(biāo)第k級標(biāo)準(zhǔn)相差2級的差異度，bl,3為指標(biāo)值xl與該指標(biāo)第k級標(biāo)準(zhǔn)相差3級的差異度，cl為指標(biāo)值xl與該指標(biāo)第k級標(biāo)準(zhǔn)的對立度；wl為指標(biāo)l的綜合權(quán)重;wl為指標(biāo)的綜合權(quán)重。

為提高健康評價等級結(jié)果的準(zhǔn)確性,采用屬性識別理論評判樣本的健康等級[19]。設(shè)F為評價對象X上的某類屬性空間,(G1,G2, …,Gk)為屬性空間F的分割。將河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價等級分為5類,即優(yōu)、良、中、差和極差,且彼此不相交,滿足G1>G2>G3>G4>G5,則(G1,G2, …,Gk)為屬性空間F的一個強序分割類,屬于有序分割類的識別問題。根據(jù)置信度準(zhǔn)則,對置信度λ(一般取0.6<λ<0.8),ki計算公式為

(5)

取k值直到滿足式(5),則認為第i個評價樣本xi的健康等級屬于Gki類。根據(jù)實際情況,本次評價置信度取0.6。λ越大,則評價結(jié)果越傾向于穩(wěn)妥。

3　結(jié)果分析

3.1數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)主要來源于《2014年宜昌市水資源公報》《2014年宜昌市夷陵區(qū)環(huán)境質(zhì)量公報》《2014年宜昌市夷陵區(qū)國民經(jīng)濟和社會發(fā)展報告》以及黃柏河流域?qū)ｎ}調(diào)查。黃柏河生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)現(xiàn)狀值見表3。

表3　黃柏河生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)現(xiàn)狀結(jié)果

3.2評價結(jié)果分析

由式(3)計算評價指標(biāo)與評價等級k之間的μl,在此基礎(chǔ)上,根據(jù)各指標(biāo)權(quán)重計算評價樣本與評價標(biāo)準(zhǔn)等級k的綜合聯(lián)系度μk,結(jié)果見表4。經(jīng)置信度準(zhǔn)則驗證(λ=0.6)0.071+0.409+0.298>0.6,由此得到黃柏河生態(tài)系統(tǒng)綜合健康等級處于中等水平,表明黃柏河生態(tài)系統(tǒng)健康狀況形勢較為嚴(yán)峻。

按照上述計算步驟,可計算得到黃柏河生態(tài)系統(tǒng)健康子系統(tǒng)層的聯(lián)系度(圖2)。從子系統(tǒng)層來看,壓力子系統(tǒng)處于良好水平(采用置信度準(zhǔn)則驗證0.017+0.589>0.6),但黃柏河生態(tài)系統(tǒng)仍存在潛在的外部壓力,主要脅迫因子是農(nóng)藥施用強度、水資源開發(fā)利用率、人均綜合用水量、化肥施用強度等,狀態(tài)子系統(tǒng)屬于中等水平(經(jīng)置信度準(zhǔn)則驗證0+0.367+0.320>0.6),說明河流生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)受到了較明顯的人類活動干擾,導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能出現(xiàn)了一定程度的退化。20世紀(jì)90年代以來,隨著區(qū)域經(jīng)濟社會快速發(fā)展,水資源大規(guī)模開發(fā)利用,流域內(nèi)生活污水、工業(yè)廢水排放量持續(xù)增加,特別是礦產(chǎn)資源的過度開發(fā),黃柏河水質(zhì)狀況明顯下降,部分河段水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象嚴(yán)重,生物多樣性降低[20]。響應(yīng)子系統(tǒng)處于良好狀態(tài)(采用置信度準(zhǔn)則驗證0.466+0.218>0.6),可見當(dāng)?shù)卣凸娽槍S柏河的壓力和狀態(tài)采取了積極響應(yīng)措施。

表4　黃柏河生態(tài)系統(tǒng)健康目標(biāo)層評價結(jié)果

圖2　黃柏河生態(tài)系統(tǒng)健康子系統(tǒng)層評價結(jié)果

2005年以來,宜昌市全面啟動黃柏河流域綜合整治工作,關(guān)停并轉(zhuǎn)數(shù)十家污染企業(yè),重點實施了五大水污染防治項目,使得黃柏河下游水環(huán)境質(zhì)量發(fā)生明顯好轉(zhuǎn),但是流域內(nèi)礦業(yè)污染、農(nóng)業(yè)面源污染、水土流失和河道淤積問題依然比較嚴(yán)峻,黃柏河流域生態(tài)與環(huán)境問題仍不容樂觀。2013年5月20日和21日黃柏河?xùn)|支中上游的天福廟水庫和玄廟觀水庫相繼發(fā)生不同程度水華現(xiàn)象。因此,還需要持續(xù)開展黃柏河流域綜合整治,建立流域長效管理機制,大力實施控源截污,減輕流域水體污染負荷,加強梯級水庫群科學(xué)調(diào)度,協(xié)調(diào)好河道內(nèi)生態(tài)用水與區(qū)域社會經(jīng)濟系統(tǒng)用水之間的關(guān)系,同時完善相關(guān)政策法規(guī),增強公眾保護環(huán)保意識,不斷改善黃柏河生態(tài)系統(tǒng)健康水平。

4　結(jié)論與討論

在專家咨詢、借鑒相關(guān)研究成果等基礎(chǔ)上,利用PSR框架模型建立了黃柏河生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系,采用層次分析法計算各評價指標(biāo)的權(quán)重,確定了各個指標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn),構(gòu)建了基于集對分析與屬性識別理論的黃柏河生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評價模型,結(jié)果顯示,黃柏河生態(tài)系統(tǒng)綜合健康處于中等水平,表明系統(tǒng)受到了一定的外部壓力,河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能逐漸退化,河流生態(tài)健康現(xiàn)狀不容樂觀。因此,為改善黃柏河的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況,需要進一步提高黃柏河流域綜合管理水平、完善黃柏河流域水資源保護管理辦法,動員公眾積極參與流域環(huán)境保護,提高公眾環(huán)保意識,協(xié)調(diào)社會經(jīng)濟發(fā)展與水資源保護之間的關(guān)系。

由于影響河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的因素眾多,文中所選指標(biāo)的完整性和代表性仍然存在一些不足,受數(shù)據(jù)資料所限并未將初級生產(chǎn)力、魚類完整性指數(shù)、河流脈動指數(shù)、側(cè)向連通性等重要指標(biāo)納入評價指標(biāo)體系。另外,由于缺少受人類活動影響相對較小歷史時期的監(jiān)測資料,難以獲取針對研究區(qū)域狀況的參考背景值,確定符合研究區(qū)域?qū)嶋H情況的評價標(biāo)準(zhǔn)閾值范圍還存在較大困難,因此建立統(tǒng)一、長期的監(jiān)測體系將是今后我國河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價和可持續(xù)管理的迫切需要。

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Ecosystem health assessment for Huangbai River based on PSR model

PENG Tao1, 2, WANG Zhen1, ZHAO Qiao1, GUO Qian1

(1.CollegeofHydraulicandEnvironmentalEngineering,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China;2.HubeiCollaborativeInnovationCenterforWaterResourcesSecurity,Wuhan430072,China)

Based on the pressure-state-response (PSR) conceptual model, an assessment index system of river ecosystem health was established for quantitative assessment of the ecosystem health status of the Huangbai River. The analytic hierarchy process was used to determine the index weight. The ecosystem health status of the Huangbai River was evaluated comprehensively using set pair analysis and attribute recognition theory. The results show that the comprehensive ecosystem health status of the Huangbai River was at the medium level, with the health status of the pressure subsystem, the state subsystem, and the response subsystem at a high level, medium level, and high level, respectively. The main factors that affect the ecosystem health of the Huangbai River included the water eutrophication index, pesticide application intensity, and soil erosion rate.

river health assessment; PSR model; set pair analysis; attribute recognition theory; Huangbai River

10.3880/j.issn.1004-6933.2016.05.026

宜昌市自然基礎(chǔ)科學(xué)研究與應(yīng)用專項(A16-302-a05);湖北省自然科學(xué)基金(2012FFB03802)

彭濤(1973—),男,副教授, 博士, 主要從事水文水資源及生態(tài)水文方面研究。E-mail: pengtao306@163.com

X826

A

1004-6933(2016)05-0141-05

2016-01-08編輯：徐娟)