基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型的渾河生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)

祁天龍

(遼寧西北供水有限責(zé)任公司清河分公司，遼寧 鐵嶺 112300)

河流在維持地球的能量交換、物質(zhì)循環(huán)以及信息傳遞等方面具有重要的生態(tài)功能，它是連接海洋與陸地的重要廊道并兼有航運(yùn)、發(fā)電、供水、農(nóng)業(yè)灌溉等綜合效益。河流生態(tài)健康評(píng)價(jià)是由生態(tài)健康基本理論和內(nèi)涵發(fā)展而來(lái)的，其概念是指由自然、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)組成的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)并具有顯著的空間差異性和復(fù)雜性特征。近年來(lái)，隨著人類(lèi)不合理活動(dòng)的加劇、社會(huì)發(fā)展以及人口數(shù)量的增多，河流生態(tài)系統(tǒng)功能和健康循環(huán)規(guī)律已發(fā)生了顯著的改變，從而引發(fā)了許多環(huán)境與生態(tài)問(wèn)題，區(qū)域生態(tài)安全、水資源保護(hù)和糧食安全正面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，開(kāi)展河流生態(tài)健康具有重要的意義[1]。

我國(guó)水土面積遼闊，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)河流開(kāi)發(fā)狀況的影響程度存在一定的差異，故對(duì)其生態(tài)狀況的評(píng)價(jià)應(yīng)因地制宜選取合適的指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)，已成為當(dāng)前河流生態(tài)系統(tǒng)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和主要內(nèi)容。指標(biāo)體系法和指示物種法為河流健康評(píng)價(jià)的常用方法，其中指示物種法是通過(guò)指示大型無(wú)脊椎動(dòng)物、魚(yú)類(lèi)、海藻等物種的結(jié)構(gòu)功能、生產(chǎn)力、數(shù)量指標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化，從而反映河流的生態(tài)健康狀態(tài)。在自然河流生態(tài)系統(tǒng)中該方法具有良好的可行性，且計(jì)算簡(jiǎn)便，常用的有無(wú)脊椎動(dòng)物預(yù)測(cè)和分類(lèi)計(jì)劃、生物完整性指數(shù)兩種方法，但是該方法是通過(guò)判別某一類(lèi)敏感物種反映生態(tài)系統(tǒng)健康，因此不宜單獨(dú)使用。指標(biāo)體系法不僅考慮了河流的自身特性，而且體現(xiàn)了人類(lèi)活動(dòng)對(duì)河流的影響作用，從而能夠客觀系統(tǒng)的反映生態(tài)系統(tǒng)變化過(guò)程[2]。許多學(xué)者在長(zhǎng)江、珠江、黃河等流域開(kāi)展了大量研究，如耿雷華等[3]以瀾滄江河流為研究對(duì)象，基于河流健康內(nèi)涵層的25個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行了生態(tài)健康的定量評(píng)價(jià)分析；李國(guó)英等[4]分別從河道的排洪能力、水質(zhì)類(lèi)別、流量、灘地坡降比等9個(gè)方面對(duì)黃河的生態(tài)健康進(jìn)行了評(píng)價(jià)；趙彥偉等[5]通過(guò)分析水生物種、水質(zhì)、含水量、河岸帶和物理結(jié)構(gòu)5大特征對(duì)其生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行了評(píng)價(jià)；廖靜秋等[6]選取了物種多樣性評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行河流系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)研究，結(jié)果表明該方法可行性較強(qiáng)、且能夠反映河流健康程度的實(shí)際狀況；李文君等[7]結(jié)合水體連通性、水質(zhì)、防洪標(biāo)準(zhǔn)、水量、水體生物等因素建立了評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并提出一種新的理論和評(píng)價(jià)方法且表現(xiàn)出較強(qiáng)的適用性和可靠性。

渾河作為遼河流域的重要支流，承擔(dān)著撫順市農(nóng)田灌溉和城鎮(zhèn)居民生活用水的重要任務(wù)。近年來(lái)，流域水資源過(guò)度開(kāi)采以及區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，并且生態(tài)環(huán)境保護(hù)治理相對(duì)滯后，從而導(dǎo)致該河流生態(tài)功能退化和水環(huán)境質(zhì)量持續(xù)惡化[8- 10]。據(jù)此，本文以PSR概念模型為依據(jù)，結(jié)合河流實(shí)際狀況建立了指標(biāo)體系和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，然后利用屬性識(shí)別理論和集對(duì)分析法綜合評(píng)價(jià)了其健康狀態(tài)，以期為渾河流域生態(tài)恢復(fù)和資源管理提供一定參考。

1 渾河流域概況

渾河發(fā)源于撫順市東部，全長(zhǎng)415km，占地面積為2.5萬(wàn)km2，河寬2～5km，年均降水量718.3mm，蒸發(fā)量1805.4mm，徑流量為50億～70億m3。東面屬于富水區(qū)支流密集，西面處于缺水區(qū)支流較少，屬于典型的不對(duì)稱(chēng)水系。降水量是影響該流域洪水徑流的關(guān)鍵因素，汛期主要集中在7月和8月。該流域?qū)儆跍貛Ъ撅L(fēng)氣候，年際溫差較大，冬冷干燥而夏熱多雨，降水量時(shí)空分布不均勻主要表現(xiàn)為：東部降水較多，西部較少，其降雨規(guī)律為自東至西逐級(jí)遞減。渾河流域東至清原，流經(jīng)撫順、沈陽(yáng)、營(yíng)口等市縣，主要有大伙房、沈陽(yáng)、黃臘坨、邢家窩棚等水文監(jiān)測(cè)站。流域內(nèi)農(nóng)業(yè)人口數(shù)量增長(zhǎng)過(guò)快并導(dǎo)致對(duì)耕地需求量明顯增大，且土地被過(guò)度的開(kāi)墾，農(nóng)田灌溉用水急劇加大，水資源供需矛盾突出，并且渾河流域接納了沿岸大部分區(qū)域的工農(nóng)業(yè)廢水和生活污水的排放，其生態(tài)系統(tǒng)健康將直接影響著沿途居民的健康安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展[11- 12]。

2 生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)方法

2.1 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

自然資源的質(zhì)量和數(shù)量受人類(lèi)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的影響顯著，即生態(tài)與環(huán)境在人類(lèi)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)下產(chǎn)生外部壓力，而社會(huì)對(duì)這些壓力可利用政策、法律和經(jīng)濟(jì)等手段給予響應(yīng)，從而構(gòu)成了評(píng)估、監(jiān)測(cè)、政策響應(yīng)以及問(wèn)題預(yù)測(cè)的循環(huán)。PSR模型是一種用于研究分析水資源系統(tǒng)中環(huán)境壓力、現(xiàn)有狀態(tài)與響應(yīng)過(guò)程的理論方法，之后經(jīng)過(guò)改進(jìn)優(yōu)化用于環(huán)境報(bào)告方面。PSR模型中所涉及的指標(biāo)具有能夠反映自然資源、生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)之間的相互協(xié)調(diào)的關(guān)系特點(diǎn)，在生態(tài)安全、濕地健康以及工業(yè)污染評(píng)價(jià)等方面該模型具有廣泛的應(yīng)用前景，取得了理想的應(yīng)用效果，而在河流生態(tài)系統(tǒng)健康方面PSR模型的應(yīng)用研究還相對(duì)較少[13，14]。

對(duì)生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)利用PSR模型選取具有良好的因果關(guān)系，河流系統(tǒng)在人類(lèi)活動(dòng)下產(chǎn)生壓力，并引起其健康狀態(tài)發(fā)生改變，而針對(duì)這種變化人類(lèi)社會(huì)做出相應(yīng)的響應(yīng)。據(jù)此，本文在遵循可度量性、科學(xué)性、代表性和整體性原則的基礎(chǔ)上，依據(jù)PSR概念模型和相關(guān)研究資料，通過(guò)邀請(qǐng)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜也⒉扇?zhuān)家咨詢(xún)法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行選取，最終建立了包含15項(xiàng)典型指標(biāo)的體系，見(jiàn)表1。

2.2 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

主觀賦權(quán)與客觀賦權(quán)為目前指標(biāo)權(quán)重計(jì)算的常用方法，其中主觀法主要有二項(xiàng)系數(shù)法、專(zhuān)家咨詢(xún)法、乘此分析法等，客觀法主要包括多目標(biāo)優(yōu)化法、主成分法和熵權(quán)法等?？紤]到河流生態(tài)健康分析具有主觀性特征，因此本文對(duì)各指標(biāo)權(quán)重考慮采用層次分析法確定，具體的計(jì)算方法和流程參考文獻(xiàn)，指標(biāo)權(quán)重見(jiàn)表1。

表1 基于PSR概念模型的渾河生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)及權(quán)重

2.3 健康分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外流域健康評(píng)價(jià)相關(guān)研究，通過(guò)采取問(wèn)卷調(diào)查、實(shí)地考察以及專(zhuān)家咨詢(xún)等方法將系統(tǒng)健康劃分為Ⅰ～Ⅴ的5個(gè)級(jí)別，分別對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)健康優(yōu)、良、中、差和極差，各分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)下指標(biāo)取值區(qū)間見(jiàn)表2。

表2 河流健康評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.4 構(gòu)建模糊集對(duì)評(píng)價(jià)模型

模糊集對(duì)分析法是通過(guò)選取具有代表性、科學(xué)性和準(zhǔn)確性的指標(biāo)建立河流生態(tài)健康評(píng)價(jià)體系，結(jié)合評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境等所產(chǎn)生的影響確定生態(tài)健康狀態(tài)。

假設(shè)集對(duì)是由等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)集合B和評(píng)價(jià)指標(biāo)集合A構(gòu)成，并且集對(duì)具有N個(gè)特征主要包括的獨(dú)立性、差異性和同一性分別為P、F、S個(gè)，由此可構(gòu)建同異反連系度S/N+Fi/N+Pj+N，其中差異不不確定系數(shù)為i取值范圍為-1～1，并以j=-1表征為對(duì)立系數(shù)。為了簡(jiǎn)化計(jì)算并提高計(jì)算效率，引入a=S/N，b=S/N，c=P/N，并且a、b、c并符合統(tǒng)一化條件即a+b+c=1。因此可采用uA～B=a+bi+cj表示為評(píng)價(jià)指標(biāo)的聯(lián)系度，其中a、b、c分別代表該指標(biāo)量值xij與k級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的同一度、相差一級(jí)k級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的差異度和k級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)立度。然而等級(jí)與樣本間在同一指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)下的聯(lián)系度并未存在較大的意義，因此可利用模糊集理論對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理建立相對(duì)隸屬度。樣本的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可利用級(jí)別特征值的置信度準(zhǔn)則、加權(quán)和方法進(jìn)行確立，其基本過(guò)程如下。

(1)依據(jù)最大隸屬度原則對(duì)健康等級(jí)與各指標(biāo)評(píng)價(jià)樣本的單指標(biāo)關(guān)聯(lián)度uijk;i=1，2，，n;j=1，2，，m;k=1，2，，k進(jìn)行計(jì)算。單指標(biāo)聯(lián)系度的求解依據(jù)最大隸屬度原則可分為正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)，其中正向指標(biāo)即值越大則評(píng)價(jià)結(jié)果越優(yōu)型指標(biāo)可采用下式進(jìn)行求解：

(1)

對(duì)于負(fù)向指標(biāo)即值越小則評(píng)價(jià)結(jié)果越優(yōu)型指標(biāo)可采用下式求解：

(2)

式中，Sk，j—各評(píng)價(jià)等級(jí)的界限值，對(duì)于5個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的劃分區(qū)間上述公式可代表k等級(jí)與樣本i之間的同、異、反定量分析值，利用上述方法對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的3種不同關(guān)系進(jìn)行清晰的表征。對(duì)于缺少邊界值或不合理的狀況可將其值進(jìn)行舍去即可，例如對(duì)于最大界限值S5，j不存在Xij>S5，i的評(píng)價(jià)指標(biāo)的狀況，因此可將其舍去。

(2)對(duì)各評(píng)價(jià)等級(jí)與樣本之間的綜合聯(lián)度可利用下式進(jìn)行計(jì)算：

(3)

(3)利用可變模糊集基本理論對(duì)樣本隸屬于模糊集的相對(duì)隸屬度vik計(jì)算，其計(jì)算公式如下：

(4)

將其進(jìn)行歸一化處理可得到相對(duì)隸屬度：

(5)

(4)對(duì)河流生態(tài)健康等級(jí)hi進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文利用置信度準(zhǔn)則和級(jí)別特征值加權(quán)法以此提高評(píng)價(jià)等級(jí)的準(zhǔn)確性性，并規(guī)避評(píng)價(jià)指標(biāo)所包含的重要性信息隨最大隸屬度原則的模糊識(shí)別處理的丟失?？衫孟率竭M(jìn)行級(jí)別特征值的計(jì)算：

(6)

其中置信度準(zhǔn)則hi可采用下式表征：

(7)

式中，λ—置信度，其值取值范圍為0.5～0.7，λ值的大小代表了評(píng)價(jià)結(jié)果的穩(wěn)妥保守程度，值越大則越保守；反之，則風(fēng)險(xiǎn)越大評(píng)價(jià)結(jié)果可靠性降低。

3 結(jié)果分析

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

各指標(biāo)數(shù)據(jù)來(lái)源于撫順市水資源公報(bào)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)與國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展報(bào)告、環(huán)境質(zhì)量公報(bào)以及渾河流域?qū)ｎ}調(diào)查等，各指標(biāo)現(xiàn)狀值見(jiàn)表3。

表3 渾河生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)現(xiàn)狀值

3.2 生態(tài)健康評(píng)價(jià)結(jié)果

對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)與評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的聯(lián)系度ul利用文中所述公式進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)各指標(biāo)關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果得到綜合關(guān)聯(lián)度uk，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 渾河生態(tài)健康目標(biāo)層評(píng)價(jià)

按照置信度準(zhǔn)則λ為0.6驗(yàn)證各層級(jí)指標(biāo)，即0.072+0.408+0.296=0.776>0.6，結(jié)果顯示渾河生態(tài)系統(tǒng)健康屬于中等水平并面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。同理，可分別求得壓力、狀態(tài)、響應(yīng)各子系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)度，結(jié)果如圖1所示。

圖1 壓力、狀態(tài)、響應(yīng)子系統(tǒng)評(píng)價(jià)結(jié)果

由圖可知，壓力子系統(tǒng)的生態(tài)健康處于良好水平，但是仍存在較大的外部壓力，影響該子系統(tǒng)的因素有化肥與農(nóng)藥施用強(qiáng)度、人均綜合用水量以及水資源開(kāi)發(fā)利用率等。狀態(tài)子系統(tǒng)處于中等水平，人類(lèi)活動(dòng)已嚴(yán)重影響到河流的生態(tài)健康，并且系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)已發(fā)生了一定的改變。隨著渾河流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及各行業(yè)的快速發(fā)展，水資源開(kāi)發(fā)利用程度不斷加大，區(qū)域內(nèi)的工農(nóng)業(yè)廢水、生活污水的排放持續(xù)增大對(duì)河流水質(zhì)造成了顯著影響，河流生物多樣性和水體富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重。而影響子系統(tǒng)基本處于良好狀態(tài)，由此表明針對(duì)河流生態(tài)環(huán)境問(wèn)題公眾和當(dāng)?shù)卣扇×擞行У姆乐未胧?/p>

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合已有研究成果和專(zhuān)家咨詢(xún)意見(jiàn)，在遵循代表性、科學(xué)性以及系統(tǒng)性原則的基礎(chǔ)上依據(jù)PSR概念模型構(gòu)建了流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并基于屬性識(shí)別和集對(duì)分析理論建立了綜合評(píng)價(jià)模型，得出的主要結(jié)論如下。

(1)渾河生態(tài)系統(tǒng)健康屬于中等水平，流域生態(tài)健康不容客觀，系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)受人類(lèi)活動(dòng)和經(jīng)濟(jì)因素影響逐漸退化。壓力子系統(tǒng)的生態(tài)健康處于良好水平，但是仍存在較大的外部壓力，影響該子系統(tǒng)的因素有化肥與農(nóng)藥施用強(qiáng)度、人均綜合用水量以及水資源開(kāi)發(fā)利用率等。狀態(tài)子系統(tǒng)處于中等水平，人類(lèi)活動(dòng)已嚴(yán)重影響到河流的生態(tài)健康，并且系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)已發(fā)生了一定的改變。

(2)為改善該河流生態(tài)環(huán)境狀態(tài)，需要進(jìn)一步提高其綜合管理水平。繼續(xù)完善流域水資源保護(hù)方法，提高城鎮(zhèn)居民生態(tài)保護(hù)意識(shí)，積極參與河流環(huán)境保護(hù)和污水的處理排放。

(3)影響系統(tǒng)健康的因素較多，受數(shù)據(jù)資料限制本文未考慮魚(yú)類(lèi)、初級(jí)生產(chǎn)力、河流脈動(dòng)指數(shù)等指標(biāo)的影響，并且分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分時(shí)難以參考較為準(zhǔn)確的區(qū)域狀況背景紙，因此未來(lái)還需要不斷完善指標(biāo)體系并建立統(tǒng)一、長(zhǎng)期的流域監(jiān)測(cè)體系。