閩江流域水生態(tài)壓力分區(qū)評(píng)價(jià)*

陳 錦

閩江流域水生態(tài)壓力分區(qū)評(píng)價(jià)*

陳 錦

福建省環(huán)境科學(xué)研究院

構(gòu)建閩江流域水生態(tài)壓力分區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)流域控制單元水生態(tài)壓力進(jìn)行評(píng)價(jià)，將閩江流域劃分為壓力不同的分區(qū)，為開展流域水生態(tài)三級(jí)分區(qū)提供技術(shù)方法和經(jīng)驗(yàn)。

閩江流域 壓力評(píng)價(jià) 水生態(tài)功能分區(qū)

水生態(tài)功能分區(qū)是我國(guó)水環(huán)境管理的重要分區(qū)方法，由于自然環(huán)境和人類活動(dòng)的區(qū)域差異性，水生態(tài)系統(tǒng)特征具有區(qū)域差異性，而水生態(tài)功能分區(qū)可以根據(jù)水生態(tài)系統(tǒng)特征的區(qū)域差異性，并根據(jù)劃分的不同水生態(tài)區(qū)特點(diǎn)制定相對(duì)應(yīng)的管理措施和標(biāo)準(zhǔn)。水生態(tài)分區(qū)已逐漸成為國(guó)際上常用的水管理單元，也是生態(tài)管理技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的基礎(chǔ)。

近年來(lái)，閩江流域經(jīng)濟(jì)保持快速增長(zhǎng)，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化快速推進(jìn)，部分區(qū)域水體污染問(wèn)題突出，地區(qū)水生態(tài)健康衰退明顯，本研究通過(guò)構(gòu)建閩江流域水生態(tài)壓力分區(qū)體系，開展閩江流域水生態(tài)功能三級(jí)分區(qū)—區(qū)域水環(huán)境壓力分區(qū)的理論與方法試點(diǎn)研究。

1 水生態(tài)分區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

目前，我國(guó)流域控制水生態(tài)分區(qū)主要依據(jù)行政區(qū)邊界、控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況、排污強(qiáng)度、水環(huán)境改善需求、水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)水平、單元水環(huán)境問(wèn)題等因素進(jìn)行定性分區(qū)，本研究探索通過(guò)水環(huán)境壓力定量評(píng)價(jià)進(jìn)行水生態(tài)分區(qū)。

1.1 分區(qū)指標(biāo)篩選原則和方法

水環(huán)境壓力功能團(tuán)指標(biāo)的選擇決定了指標(biāo)體系的結(jié)構(gòu)框架，本研究在指標(biāo)選取上要求具有較強(qiáng)的代表性、概括性、可操作性和直觀性，主要原則有：全面性原則、科學(xué)性原則、簡(jiǎn)明性和可操作性、代表性原則。

為了確保評(píng)價(jià)指標(biāo)的科學(xué)合理性，需要采取嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆謪^(qū)指標(biāo)篩選程序。指標(biāo)篩選過(guò)程為：（1）通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，查找區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)、管理、分區(qū)中常用的指標(biāo)，建立水環(huán)境壓力指標(biāo)庫(kù)；（2）全面調(diào)查福建省各類統(tǒng)計(jì)年鑒與公報(bào)及各類污染物排放量，收集可以獲取的數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)完備性較高的指標(biāo)作為備選指標(biāo)；（3）計(jì)算各指標(biāo)數(shù)據(jù)近幾年來(lái)的變異系數(shù)及其與年份的秩相關(guān)系數(shù)，剔除變異系數(shù)大、秩相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值小，即難以由歷史數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)未來(lái)變化趨勢(shì)的指標(biāo)。

1.2 分區(qū)指標(biāo)篩選結(jié)果

通過(guò)上述指標(biāo)篩選過(guò)程，為更加客觀地反映出閩江流域的水環(huán)境壓力現(xiàn)狀，參考前人對(duì)于其他各流域研究所確定的指標(biāo)因子，研究確定閩江流域水環(huán)境壓力的評(píng)價(jià)指標(biāo)，主要以自然環(huán)境因素為主，綜合考慮人為因素，對(duì)水環(huán)境壓力進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，共選取了11個(gè)指標(biāo)作為水環(huán)境壓力評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系，如表1所示。

表1 控制單元分類型指標(biāo)體系表

2 流域水環(huán)境壓力評(píng)價(jià)

2.1 壓力分區(qū)指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

為了客觀評(píng)價(jià)各指標(biāo)的影響，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)轉(zhuǎn)化，使得轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)越大，此指標(biāo)對(duì)生態(tài)環(huán)境的作用越大。本研究對(duì)所選定的指標(biāo)進(jìn)行正規(guī)化、標(biāo)準(zhǔn)化處理。當(dāng)指標(biāo)與水環(huán)境壓力呈正相關(guān)時(shí)，采用公式（1）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，當(dāng)指標(biāo)與水環(huán)境壓力呈負(fù)相關(guān)時(shí)，則采用公式（2）。

（2）

在本研究所選取的11個(gè)指標(biāo)中，與水環(huán)境壓力呈正相關(guān)的指標(biāo)有：水土流失率、土地墾殖率、人口密度、人口增長(zhǎng)率、城鎮(zhèn)化率、人均GDP、單位水資源氨氮排放量以及氨氮水質(zhì)多年水質(zhì)均值；與水環(huán)境壓力呈負(fù)相關(guān)的指標(biāo)為：人均水資源、單位面積水資源以及人均水環(huán)境容量。依據(jù)式（1）和式（2）對(duì)各原始數(shù)據(jù)進(jìn)行正規(guī)化、標(biāo)準(zhǔn)化處理，處理后的各數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化值見表2。

表2 福建省閩江流域各縣市指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值

2.2 主成分分析

采用SPSS軟件對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的各數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，得到研究評(píng)價(jià)指標(biāo)的主成分，各主成分的貢獻(xiàn)率，確定主成分?jǐn)?shù)及各主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率（見表3）?？梢姡?個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率為90.59%，超過(guò)90%，僅有9.5%的信息損失，即選用前6個(gè)主成分所攜帶的數(shù)據(jù)信息已經(jīng)包括了原來(lái)11個(gè)變量所攜帶的絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)信息，無(wú)需再增加主成分，因而可確定主成分個(gè)數(shù)為6。

表3 各主成分的方差、貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率

2.3 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

在確定了主成分個(gè)數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)因子矩陣計(jì)算各評(píng)價(jià)因子的公因子方差Y，進(jìn)一步采用式（4）對(duì)各指標(biāo)的公因子方差Y進(jìn)行歸一化處理，得到各指標(biāo)的權(quán)重，見表4。

式中，為原始指標(biāo)個(gè)數(shù)，為主成分個(gè)數(shù)，為主成分總個(gè)數(shù)，在本研究中取6。

（4）

表4 各指標(biāo)因子權(quán)重

2.4 水環(huán)境壓力評(píng)價(jià)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)閩江流域水環(huán)境壓力的綜合評(píng)價(jià)，本文采用綜合評(píng)價(jià)法對(duì)各縣市水環(huán)境壓力進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算公式如下：

式中，為第個(gè)評(píng)價(jià)單元的水環(huán)境壓力值，其值位于0~1之間；為第個(gè)評(píng)價(jià)單元的第個(gè)指標(biāo)，為各指標(biāo)的權(quán)重。

根據(jù)各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值和各指標(biāo)的權(quán)重（表4），可由式（5）計(jì)算得到閩江流域各縣市的水環(huán)境壓力值，如表5所示，可見閩江流域總體平均水環(huán)境壓力為0.334，各縣市水環(huán)境壓力差異較明顯，其中福州市轄區(qū)的水環(huán)境壓力最大，為0.655，武夷山市水環(huán)境壓力最小，為0.195。

表5 閩江流域各縣市水環(huán)境壓力值

3 流域水環(huán)境壓力分區(qū)

根據(jù)各縣區(qū)水環(huán)境壓力值，運(yùn)用組間連接的聚類分析法，對(duì)閩江流域各縣區(qū)進(jìn)行分類，聚類結(jié)果如圖1所示。

聚類分析結(jié)果表明，閩江流域中各縣區(qū)的水環(huán)境壓力分為五類，進(jìn)一步分析閩江流域水環(huán)境壓力值，發(fā)現(xiàn)第一類的水環(huán)境壓力值均在0.5以上，表明水環(huán)境處于壓力大的狀況，其中福州市轄區(qū)的水環(huán)境壓力值在0.6以上，研究分析其原因，可能在于福州市轄區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高，人口密集，對(duì)水環(huán)境需求大，而福州市的水資源總量又相對(duì)較??；第二類的水環(huán)境壓力值基本上處于0.35~0.5，水環(huán)境處于壓力較大的狀況，該類中共有6個(gè)縣區(qū)，大多為經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高或工業(yè)較為發(fā)達(dá)地區(qū)；第三類中的水環(huán)境壓力值在0.3~0.35之間，水環(huán)境處于壓力中等狀況；第四類水環(huán)境壓力在0.2~0.3之間，水環(huán)境壓力相對(duì)較?。坏谖孱愃h(huán)境壓力均在0.2左右，水環(huán)境壓力小，該類中主要為武夷山市和將樂(lè)縣。

圖1 閩江流域水環(huán)境壓力聚類分析結(jié)果圖

4 結(jié)論

4.1 構(gòu)建流域水生態(tài)壓力分區(qū)指標(biāo)體系

本文建立了流域水生態(tài)壓力分區(qū)的二級(jí)指標(biāo)體系，選擇既能滿足層次等級(jí)對(duì)時(shí)空尺度的要求，又能突出生態(tài)區(qū)域特性的指標(biāo)，一級(jí)和二級(jí)指標(biāo)既反映了自然條件，又結(jié)合了人類活動(dòng)影響。

4.2 確定流域水生態(tài)壓力分區(qū)的方法

通過(guò)數(shù)據(jù)、主成分分析和聚類分析逐步細(xì)化形成流域水環(huán)境壓力分區(qū)，考慮分區(qū)結(jié)果的實(shí)際可操作性，以“生態(tài)特性的一致性” “行政區(qū)域的完整性” “流域子流域的完整性”等原則，調(diào)整分區(qū)邊界，提高分區(qū)結(jié)果的科學(xué)性和可操作性。

根據(jù)分區(qū)方法，將閩江流域按照壓力大小劃分為5個(gè)級(jí)別。其中，福州市轄區(qū)、長(zhǎng)樂(lè)市、梅列區(qū)等3個(gè)地區(qū)壓力大；武夷山市、將樂(lè)縣等市縣壓力小。

[1] SNELDER TONH, BIGGS BARRY J F. Mutiscale river environment classification for water resources management [J]. Journal of the American Water Resources Association, 2002, 38: 1226 -1239.

[2] 鄭樂(lè)平, 瞿書銳, 樂(lè)嘉斌. 河流水環(huán)境生態(tài)分區(qū)指標(biāo)體系的研究及對(duì)我國(guó)的啟示[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009, 37(16): 7737 -7739.

[3] 孟偉, 張遠(yuǎn), 鄭丙輝. 遼河流域水生態(tài)分區(qū)研究[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 27(6): 911-918.

[4] 王東, 王雅竹, 謝陽(yáng)村, 等. 面向流域水環(huán)境管理的控制單元?jiǎng)澐旨夹g(shù)與應(yīng)用[J]. 應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 20: 30-37.

[5] 尹民, 楊志峰, 崔保山. 中國(guó)河流生態(tài)水文分區(qū)初探[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 25(4): 423-428.

[6] 王超, 朱黨生, 程曉冰. 地表水功能區(qū)劃分系統(tǒng)的研究[J]. 河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2002, 30(5): 7-11.

[7] 夏青. 水環(huán)境保護(hù)功能區(qū)劃分[M]. 北京: 海洋出版社, 1989.

2015年國(guó)家環(huán)境保護(hù)公益性科研專項(xiàng)“基于環(huán)境容量和質(zhì)量約束的污染物總量控制體系研究及示范”（編號(hào)：201509076）。