三峽水庫消落帶生態(tài)系統(tǒng)綜合評價指標(biāo)體系構(gòu)建

吳勝軍，呂明權(quán)，秦林，陳吉龍，溫兆飛，姜毅

（1.中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，重慶400714；2.中國科學(xué)院水庫水環(huán)境重點實驗室，重慶400714；3.長江師范學(xué)院三峽庫區(qū)環(huán)境監(jiān)測與災(zāi)害防治工程研究中心，重慶408100）

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三峽水庫消落帶生態(tài)系統(tǒng)綜合評價指標(biāo)體系構(gòu)建

吳勝軍1，2，呂明權(quán)1，2，秦林3，陳吉龍1，2，溫兆飛1，2，姜毅1，2

（1.中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，重慶400714；2.中國科學(xué)院水庫水環(huán)境重點實驗室，重慶400714；3.長江師范學(xué)院三峽庫區(qū)環(huán)境監(jiān)測與災(zāi)害防治工程研究中心，重慶408100）

水位周期性波動形成的三峽消落帶是位于水陸交錯帶的一類特殊生態(tài)系統(tǒng)，是一條生態(tài)脆弱帶遙如何科學(xué)地對這類生態(tài)系統(tǒng)進行健康評價是保護與開發(fā)這類生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)遙本文在以前學(xué)者的研究成果基礎(chǔ)上提出了消落帶生態(tài)系統(tǒng)健康評價的綜合指標(biāo)體系，針對以前學(xué)者研究結(jié)果中指標(biāo)差異較大的現(xiàn)實問題，對指標(biāo)的權(quán)重進行了重新分配，用隨機的方法構(gòu)建一批模擬系統(tǒng)檢驗綜合評價模型遙結(jié)果表明，綜合評價模型與以前學(xué)者構(gòu)建的模型偏差較小，可以很好地代替以前的模型遙

三峽；消落帶生態(tài)系統(tǒng)；評價指標(biāo)

消落帶是指水庫季節(jié)性水位漲落使庫區(qū)被淹沒土地周期性露出水面的區(qū)域［1］。消落帶分布于陸生和水生生態(tài)系統(tǒng)之間的過渡帶，是陸生生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)能量交換的必經(jīng)地帶。三峽水庫消落帶的形成和其獨特的水庫調(diào)度運行方案有關(guān)，在每年汛期（6-9月），水庫水位降至最低的145 m，并開閘放水排沙；而在汛期后（每年10月）的枯水季節(jié)開始蓄水，水位將升至最高175 m，處于145～175 m的水庫面積達348.9 km2的區(qū)域構(gòu)成庫區(qū)消落帶。這種夏季汛期水位低、冬季水位高的逆季節(jié)的水文情勢使其有別于河岸帶生態(tài)系統(tǒng)，是具有獨特水文、土壤、植被與生物特征的生態(tài)系統(tǒng)。

消落帶因生態(tài)功能不穩(wěn)定、生物多樣性不高、人類開發(fā)利用等原因造成的生態(tài)環(huán)境問題突出，屬于生態(tài)環(huán)境脆弱帶［2］，也是一類特殊的濕地生態(tài)系統(tǒng)，其生態(tài)系統(tǒng)健康條件對于維持整個區(qū)域的生態(tài)安全很重要。崔保山等［3］較早并系統(tǒng)地提出了濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系。周永娟等［4］進行了消落帶崩塌滑坡脆弱性、水力侵蝕脆弱性、污染脆弱性和景觀脆弱性的評價，在此基礎(chǔ)上進行了研究區(qū)各生態(tài)主題脆弱性的疊加分析，探討了三峽庫區(qū)消落帶這一特殊地理區(qū)域上生態(tài)脆弱性的高低分布規(guī)律及其在不同主導(dǎo)因子作用下生態(tài)脆弱性的空間分布特征。周諧等［5］基于壓力—狀態(tài)—響應(yīng)模型構(gòu)建三峽水庫消落帶生態(tài)環(huán)境綜合評價指標(biāo)體系，結(jié)合遙感影像解譯與調(diào)研數(shù)據(jù)，應(yīng)用層次分析法對三峽水庫消落帶的生態(tài)環(huán)境綜合狀況進行評價，度量消落帶生態(tài)環(huán)境綜合狀況指數(shù)。劉曉等［6］基于RRM模型評價了三峽庫區(qū)重慶開縣消落區(qū)土地利用生態(tài)風(fēng)險。，輝等提出了三峽庫區(qū)消落帶健康評價指標(biāo)體系［7］，并對三峽庫區(qū)消落帶保護利用模式及生態(tài)健康進行了評價。，輝等［2、7］和崔保山等［3］提出的生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系和評價方法是極其相似的，它們在對復(fù)雜的消落帶和濕地生態(tài)系統(tǒng)進行健康評價時，既對各個范疇進行獨立分析，又對整體進行綜合分析，力圖篩選出能反映消落帶和濕地生態(tài)特征、環(huán)境質(zhì)量以及功能特征的指標(biāo)，并對這些指標(biāo)進行定量或半定量的描述和判別。但這3個生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系不夠全面，權(quán)重確定差別很大。這里試圖基于已經(jīng)建立的3個消落帶和濕地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)健康評價指標(biāo)體系，建立三峽庫區(qū)消落帶生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)綜合平均模型。

1　消落帶生態(tài)系統(tǒng)的評價指標(biāo)體系

消落帶是一類位于水陸交錯帶的特殊生態(tài)系統(tǒng)，它既是一類獨立的生態(tài)系統(tǒng)，也受周圍的陸生和水生生態(tài)系統(tǒng)的影響。因此，在評價這類生態(tài)系統(tǒng)時需要從3方面考慮，首先是內(nèi)部生態(tài)特征，這類生態(tài)特征主要反映的是消落帶生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)結(jié)構(gòu)；其次是功能性指標(biāo)，消落帶生態(tài)系統(tǒng)是位于水生和陸生生態(tài)系統(tǒng)的一條過濾帶和緩沖帶，其功能對于穩(wěn)定整個庫區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)都具有重要的作用；這類生態(tài)系統(tǒng)受周圍區(qū)域的影響很大，因此外部的環(huán)境指標(biāo)也屬于消落帶生態(tài)系統(tǒng)健康評價范疇。

1.1內(nèi)部生態(tài)特征指標(biāo)

消落帶生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)部生態(tài)特征指標(biāo)包括：（1）水量，以淹沒時間長短表示；（2）水環(huán)境質(zhì)量，消落帶區(qū)域水質(zhì)以《地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）中Ⅲ類水域水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)評定；（3）水源保證率，以降水、河流等水源保證或補給率來計量；（4）坡度，水位變化程度；（5）沖刷/淤積，表示消落帶區(qū)域的穩(wěn)定狀況及泥沙的淤積程度；（6）消落帶植被，植被受擾狀態(tài)及蓋度變化，定性與定量相結(jié)合；（7）植物個體尺度，以優(yōu)勢植物的平均高度來衡量，同歷史數(shù)據(jù)比較，求其變化率；（8）生物量，以植物年均地上生物量來計算，求其歷史時段內(nèi)的變化程度；（9）生物多樣性，指消落帶生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和構(gòu)成；（10）生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，生態(tài)系統(tǒng)達到動態(tài)平衡時，自我調(diào)節(jié)和維持正常功能，并在很大程度上消除外來干擾的能力大小；（11）調(diào)節(jié)功能/凈化能力，生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部對能量流、物質(zhì)流、信息流的自我調(diào)節(jié)能力，系統(tǒng)物種數(shù)目多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)解能力強，包括廢物處理、污染控制、解除毒性等方面，以廢物處理率或凈化率的變化來表示；（12）大氣環(huán)境質(zhì)量；（13）地質(zhì)災(zāi)害，包括發(fā)生強度和頻率。

1.2功能特征指標(biāo)

消落帶功能特征指標(biāo)包括：（1）侵蝕控制，消落帶土壤被侵蝕量的強度，防止土壤被風(fēng)、水侵蝕，以風(fēng)蝕、水蝕變化率來表示；（2）棲息地，消落帶為其中的生物提供棲息地的面積和能力，野生動物棲息地和育雛地，以破壞或退化率來表示；（3）生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，提供原材料、害蟲控制、生物量生產(chǎn)綜合能力；（4）土地利用強度，各種消落帶利用（保護）模式所產(chǎn)生的社會功能及其對消落帶系統(tǒng)的影響程度；（5）生產(chǎn)能力（收獲量），可以是保護模式下消落帶內(nèi)生物產(chǎn)量，也可以是模式下農(nóng)產(chǎn)品收獲量；（6）休閑娛樂（消落帶的社會功能），各類利用（保護）模式對該區(qū)域景觀的影響狀況，旅游、釣魚活動，其他戶外游樂活動等。

1.3外部環(huán)境指標(biāo)

消落帶外部環(huán)境指標(biāo)包括：（1）人口素質(zhì)，以初中以上文化程度占周邊人口的百分比來表示；（2）人類活動強度，以人口密度表示；（3）人群健康狀況，以消落帶周邊人群中水介傳染病發(fā)病率計算；（4）物質(zhì)生活指數(shù)，以年人均收入計算；（5）人類活動對消落帶的干擾度，消落帶受到人類活動的干擾狀況，包括漁獵、割草、撿鳥蛋、墾殖、固體廢棄物污染等脅迫因子；（6）污水處理率，以污水、廢水處理率來表示，包括消落帶及其延伸區(qū)域；（7）農(nóng)藥使用率（利用率），以每年每公頃施用農(nóng)藥量統(tǒng)計，單位為kg/hm2，以農(nóng)藥利用率來衡量；（8）化肥使用率（利用率），以每年每公頃施用化肥量統(tǒng)計，單位為kg/hm2，以化肥利用率來衡量；（9）管理水平，定性與定量相結(jié)合，以消落帶管理隊伍的整體水平衡量；（10）公眾參與保護意識，以具有消落帶保護意識的人員占總?cè)丝诘谋壤齺碛嬎?；?1）政策法規(guī)貫徹力度，以接受到相關(guān)政策法規(guī)的人員占總?cè)丝诘谋壤y(tǒng)計。

2　消落帶生態(tài)系統(tǒng)的評價

表1　消落帶內(nèi)部生態(tài)特征指標(biāo)分級Table 1Classes of indices for the internal ecological characteristics of the Water-Level-Fluchuating Zone

在建立的評價指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，建立綜合評價集；應(yīng)用模糊關(guān)系原理從數(shù)量上對綜合評價集中每個元素進行刻畫性描述和評價，得到對應(yīng)每個元素的隸屬程度。它們的評價指標(biāo)均分為很健康、健康、較健康、一般病態(tài)、疾病5級，其標(biāo)準(zhǔn)為定量、半定量和定性評價相結(jié)合。見表1-4。對于定量化的指標(biāo)，可直接計算隸屬度；對于定性評判的指標(biāo)，可以根據(jù)對指標(biāo)的描述，用最低1分最高5分進行評價，然后計算隸屬度。采用多級模糊綜合評價方法，按層次由低向高逐級進行綜合評價，最后給出各級評價的綜合結(jié)論。

計算的具體方法如下。首先建立由n個單項指標(biāo)構(gòu)成的評價集u=（u1，u2，…，un），確定評語等級域：ν=｛v1，v2，…，vm｝，即m個等級集合。這里建立的評價集m=5，即v=｛v1，v2，v3，v4，v5｝=｛很健康、健康、較健康、一般病態(tài)、疾?。?，ν=｛v1，v2，…，vm｝。每個單項指標(biāo)ui被賦予相應(yīng)的權(quán)值ai（i=1，2，…，n），并構(gòu)成權(quán)重集A=（a1，a2，…，an） ，權(quán)重集A滿足歸一化條件

（1）式中：ai≥0，i=1，2，…，n。然后通過建立隸屬度方程計算各單項指標(biāo)對于評價標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度，建立各單項因子對于評價集的隸屬度評價矩陣R。

（2）式中：矩陣R中第i行第j列元素rij，表示某個被評事物從因素ui來看對vj等級模糊子集的隸屬度。為了綜合考慮所有因子的影響程度，每列元素都乘以相對應(yīng)因子的權(quán)重ai最后形成綜合評價集。

（3）-（4）式中：B中的元素表示對應(yīng)5個標(biāo)準(zhǔn)等級（很健康、健康、較健康、一般病態(tài)、疾?。┑碾`屬度，從而可以評價出三峽庫區(qū)消落帶生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。

表2　消落帶功能特征指標(biāo)分級Table 2Classes of indices for the functional characteristics of the Water-Level-Fluctuating Zone

表3　消落帶外部環(huán)境指標(biāo)分級Table 3Classes of indices for the external characteristics of the Water-Level-Fluctuating Zone

權(quán)重集A=（a1，a2，…，an）中各單項指標(biāo)權(quán)重的確定，主要根據(jù)問卷調(diào)查和分析，咨詢有關(guān)專家，以及參考國內(nèi)外濕地健康的評價體系。在環(huán)境質(zhì)量綜合評價中，涉及到大量的復(fù)雜現(xiàn)象和多種因素的相互作用，而且評價中存在大量的模糊現(xiàn)象和模糊概念。因此，權(quán)重的確定在很大程度上依賴于調(diào)查抽樣的群體和專家的知識和經(jīng)驗，具有一定的主觀性和隨機性。比較幾乎相同的指標(biāo)體系（1）［2］和指標(biāo)體系（2）［7］的單項指標(biāo)權(quán)重，在20項相同的指標(biāo)中，各單項指標(biāo)權(quán)重相對偏差的絕對值只有7項小于0.3；8項為0.3～0.55；4項為0.55～1；而有1項（消落帶服務(wù)功能）相差達到了3倍多。因此，非常有必要對相關(guān)指標(biāo)的權(quán)重進行重新確定。

為了使各單項指標(biāo)權(quán)重的估計更具有客觀性、合理性和一致性，更好地反映生態(tài)系統(tǒng)的客觀實際，從而提高模糊綜合評判結(jié)果的準(zhǔn)確性，在為確定這些權(quán)重進行的調(diào)查中，應(yīng)當(dāng)盡可能擴大抽樣群體和專家的范圍，獲取盡可能多的信息，使其具有廣泛性、代表性和專業(yè)性。但大樣本的抽樣調(diào)查常常受到人力和財力等各種條件的限制。已有的各種評價指標(biāo)體系都是建立在不同樣本規(guī)模、不同抽樣范圍的調(diào)查基礎(chǔ)上。基于這些已有的評價指標(biāo)體系，利用數(shù)據(jù)融合和挖掘技術(shù)，結(jié)合抽樣調(diào)查，構(gòu)建新的評價指標(biāo)體系，是一種可行的方法。步驟如下：

（1）建立綜合平均模型指標(biāo)體系。逐一分析3個指標(biāo)體系的指標(biāo)和隸屬度分級標(biāo)準(zhǔn)，保留共同的指標(biāo)和分級標(biāo)準(zhǔn)；篩選不同的指標(biāo)和分級標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)不同情況，分別采取保留、放棄、合并、調(diào)整和修正等不同處理方式。

（2）采用加權(quán)平均方法，計算綜合平均模型各單項指標(biāo)的平均權(quán)重。假設(shè)指標(biāo)體系k中（k=

1，2，3）的單項指標(biāo)uik被賦予相應(yīng)的權(quán)值aik（i=1，2，…，n）。該單項指標(biāo)的平均權(quán)重計算如下：

（5）式中：Ak是單項指標(biāo)uik所屬上一級指標(biāo)層的權(quán)重；δik是單項指標(biāo)uik在給定的指標(biāo)體系k中存在的數(shù)目，定義為

即存在時為1，不存在時為0?！鱥描寫單項指標(biāo)uik在全部指標(biāo)體系k=1，2，3中存在數(shù)目的總和，定義為

表4　消落帶評價指標(biāo)的權(quán)重Table 4The Weights of the assessment indices for the Water-Level-Fluctuating Zone

3　綜合平均模型的模擬檢驗

為了檢驗得到的綜合平均模型，可以對相應(yīng)于它的評價集，用隨機的方法構(gòu)造一批模擬系統(tǒng)，得到它們的樣本矩陣，即方程（2）中的隸屬度評價矩陣R。模糊數(shù)學(xué)用0～1間的數(shù)字，來刻劃評價集u=（u1，u2，…，un）的某個對象隸屬于給定等級論域ν=｛v1，v2，……，vm｝的某個概念的程度，這個數(shù)字就稱為隸屬度。因此，用在［0，1］區(qū)間均勻分布的偽隨機數(shù)來構(gòu)造模擬的隸屬度評價矩陣R。按照方程（3），分別利用各個原始指標(biāo)體系（Model 1-3）和構(gòu)建的綜合平均模型（Mean Model）的權(quán)重，計算這些樣本矩陣的綜合評價Bj，評價模擬系統(tǒng)的健康狀況。圖1比較由不同指標(biāo)體系得到的綜合評價向量Bj（j=1，2，3，4，5）。模擬樣本矩陣的總數(shù)為n=100。圖2顯示由各原始模型和綜合平均模型得到的綜合評價向量Bj的相對偏差，利用綜合平均模型和各原始模型的權(quán)重，分別計算每一模擬樣本矩陣的綜合評價向量Bj，圖中，第一個數(shù)字是對所有樣本矩陣平均的相對偏差，第二個數(shù)字是平均相對偏差的標(biāo)準(zhǔn)差。從中可以看到，綜合平均模型相當(dāng)好地代表了各原始模型。由綜合平均模型得到的綜合評價向量Bj與由各原始模型得到的相當(dāng)吻合，對所有樣本矩陣平均的相對偏差一般都小于1%，但對不同樣本矩陣，相對偏差的分布比較離散；平均相對偏差的標(biāo)準(zhǔn)差為7%左右，最大相差不超過25%。

圖1　比較由不同指標(biāo)體系得到的綜合評價Bj（j=1、2、3、4、5）Fig.1Comparison of the overall assessment vectors Bj（j 1，2，3，4，5）derived in different systems of assessment indices

圖2　由各原始模型（Model 1～3）和綜合平均模型（Mean Model）得到的綜合評價向量Bj（j=1、2、3、4和5）的相對偏差Fig.2 Relative deviations of the overall assessment vectors Bj（j=1，2，3，4，5）derived in the individual models（model 1，2，and 3）with respect to those derived in the comprehensive assessment index system（mean model）

4　結(jié)論與討論

消落帶是一類特殊的生態(tài)系統(tǒng)，其健康穩(wěn)定的消落帶系統(tǒng)對于維護整個三峽庫區(qū)的可持續(xù)發(fā)展極為重要。因此，提出一套科學(xué)合理的消落帶評價指標(biāo)體系和評價權(quán)重是評價消落帶生態(tài)系統(tǒng)的健康狀態(tài)的基礎(chǔ)。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，提出了消落帶評估的綜合平均模型，建立各個原始指標(biāo)體系的隸屬度評價矩陣R，按照方程（3）-（4），分別利用各個原始指標(biāo)體系和構(gòu)建的綜合平均模型的權(quán)重，計算這些實測矩陣的綜合評價Bj，評價消落帶生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。

在以后的研究中隨著對該類生態(tài)系統(tǒng)認(rèn)識更為深刻，數(shù)據(jù)的可獲得性更易時，還需要對該評價模型擴展，融合實際調(diào)查結(jié)果，融合更多必要的、可能的指標(biāo)：如水土流失率、土地退化指數(shù)、底泥污染物含量、土壤污染指數(shù)、融合更多模型。獲取更多的實測隸屬度評價矩陣R，按照方程（3）-（4），分別利用各個原始指標(biāo)體系和構(gòu)建的綜合平均模型的權(quán)重，計算這些實測矩陣的綜合評價Bj，評價觀察的生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，并比較這些綜合評價結(jié)果的一致性和差異性。

［1］刁承泰，黃京鴻.三峽水庫水位漲落帶土地資源的初步研究［J］.長江流域資源與環(huán)境，1999，8（1）：75-80.

［2］，輝，王里奧，黃川，等.三峽庫區(qū)消落帶保護利用模式及生態(tài)健康評價［J］.中國軟科學(xué)，2006，（5）：120-127.

［3］崔保山，楊志峰.濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系Ⅱ.方法與案例［J］.生態(tài)學(xué)報，2002，22（8）：1231-1239.

［4］周永娟，仇江嘯，王姣，等.三峽庫區(qū)消落帶生態(tài)環(huán)境脆弱性評價［J］.生態(tài)學(xué)報，2010，30（24）：6726-6733.

［5］周諧，楊敏，雷波，等.基于PSR模型的三峽水庫消落帶生態(tài)環(huán)境綜合評價［J］.水生態(tài)學(xué)雜志，2012，33（5）：13-19.

［6］劉曉，蘇維詞，王錚，等.基于RRM模型的三峽庫區(qū)重慶開縣消落區(qū)土地利用生態(tài)風(fēng)險評價［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2012，32（1）：248-256.

［7］，輝，王里奧，詹艷慧，等.三峽庫區(qū)消落帶健康評價指標(biāo)體系［J］.長江流域資源與環(huán)境，2006，15（2）：249-252.

［責(zé)任編輯：友清］

Comprehensive Assessment Index System of Eco-environment of the Water-Level-Fluctuating Zone in the Three Gorges Area

WU Sheng-jun1，2，LV Ming-quan1，2，QIN Lin3，CHEN Ji-long1，2，WEN Zhao-fei1，2，JIANG Yi1，2

（1.Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology，Chongqing 400714，China；2.Key Laboratory of Reservoir Aquatic Environment，Chinese Academy of Sciences，Chongqing 400714，China；3.Research Center for Environmental Monitoring and Hazard Prevention of Three Gorqes Reservoir，Yangtze Normal University，Chongqing 408100，China）

Water-Level-Fluctuating Zone（WLFZ）in the Three Gorges Area is formed by water level periodic fluctuation.WLFZ system is a transition zone between terrestrial ecosystem and water ecosystem.Because of impact of water level fluctuating，WLFZ system is very fragile.How to scientifically assess the WLFZ system is the basis of protecting and developing this type of ecosystem.Comprehensive assessment index system was proposed based on previous scholars'research results.There was a huge difference among index weights in previous WLFZ assessment papers.Index weight of WLFZ was redistributed，then simulation system constructed by random method was used to test comprehensive assessment model of WLFZ.The results showed that deviation between comprehensive assessment results and previous assessment results was small and comprehensive assessment model can replaced previous assessment models.

Three Gorges Area；water-level-fluctuating zone；assessment index

X171.1.719

A

2096-2347（2016）01-0052-08

2016-03-30

國家自然科學(xué)基金（41571497）；重慶市科委“121”項目。

吳勝軍（1971—），男，湖北武漢人，博士，研究員，主要從事消落帶生態(tài)環(huán)境研究。E-mail：wsj@cigit.ac.cn