基于DPSIR模型的廣州市增城區(qū)水庫(kù)生態(tài)安全評(píng)價(jià)

，, , ,

(1. 中山大學(xué)水資源與環(huán)境研究中心，廣東廣州510275; 2. 廣東省華南地區(qū)水安全調(diào)控工程技術(shù)研究中心，廣東廣州510275；3. 黃岡中學(xué)廣州學(xué)校, 廣東廣州510800；4. 廣東省水文局湛江水文分局，廣東湛江537609；5. 廣州市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，廣東廣州510620)

水庫(kù)是一種重要的水體存在形式，水庫(kù)水資源的優(yōu)劣稀缺密切影響著庫(kù)區(qū)周邊城鎮(zhèn)的發(fā)展[1-2]。隨著庫(kù)區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長(zhǎng)，水庫(kù)生態(tài)安全受到威脅，部分水庫(kù)的生態(tài)平衡被打破，富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題凸顯[3]，影響了水庫(kù)的供水、灌溉、養(yǎng)殖等功能。因此，對(duì)湖庫(kù)生態(tài)安全進(jìn)行調(diào)查評(píng)估，診斷水庫(kù)生態(tài)存在問(wèn)題，有重要的現(xiàn)實(shí)意義[4]。

湖庫(kù)生態(tài)安全評(píng)估的方法體系是從流域生態(tài)安全評(píng)估體系中沿用發(fā)展而來(lái)[5]，余波[6]等構(gòu)建了基于熵權(quán)法的湖庫(kù)水生態(tài)健康模糊綜合評(píng)價(jià)模型，對(duì)巢湖水生態(tài)安全健康等情況進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析；李景保[7]等對(duì)湖南省大型水庫(kù)的部分服務(wù)功能進(jìn)行了定量化評(píng)估；聞常玲[8]等采用了基于PSR框架模型的多因素綜合評(píng)判指標(biāo)，對(duì)天臺(tái)縣桐坑溪水庫(kù)飲用水水源地進(jìn)行了生態(tài)安全評(píng)價(jià)；李亞男[9]等基于DPSIR概念模型，對(duì)浙江省六大水庫(kù)進(jìn)行了生態(tài)安全綜合評(píng)估。由于對(duì)水庫(kù)的特殊性、系統(tǒng)性缺乏認(rèn)識(shí)[4]，如何科學(xué)準(zhǔn)確地評(píng)估水庫(kù)生態(tài)安全，尚未有一套系統(tǒng)的方法和理論，需要繼續(xù)探索比較。

為保證區(qū)域水資源的供給質(zhì)量和數(shù)量，響應(yīng)〈優(yōu)良水質(zhì)的水庫(kù)生態(tài)安全評(píng)估指南(試行)〉通知[10]，本文以廣州市增城區(qū)3個(gè)優(yōu)良水質(zhì)中小型水庫(kù)為例，結(jié)合“驅(qū)動(dòng)力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)”(Driving force-Pressure-Status-Impact-Response，DPSIR)模型與“社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響、生態(tài)健康、生態(tài)服務(wù)功能和調(diào)控管理”(Social and economic impact, Ecological health, Ecological service function and Control management, SEEC)框架建立評(píng)估指標(biāo)體系，綜合層次分析法和熵權(quán)法賦值指標(biāo)權(quán)重，參考湖泊生態(tài)安全與流域生態(tài)安全評(píng)價(jià)，建立各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)參考值數(shù)據(jù)庫(kù)，使用綜合指數(shù)法[11]和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)各水庫(kù)生態(tài)安全現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)估，綜合得出水庫(kù)生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果，為各水庫(kù)生態(tài)安全管理提出相應(yīng)對(duì)策。

1 研究方法

1.1 生態(tài)安全評(píng)估概念模型

生態(tài)安全評(píng)估是對(duì)“驅(qū)動(dòng)力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)”(DPSIR)[12]各組分之間動(dòng)態(tài)聯(lián)系和循環(huán)反饋全過(guò)程的評(píng)估[7]。圖1為水庫(kù)生態(tài)安全評(píng)估概念框架與模型，以水庫(kù)為主體，考察水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)與周邊環(huán)境的相互聯(lián)系。

表1為本次評(píng)估指標(biāo)體系。由1個(gè)目標(biāo)層、4個(gè)方案層、16個(gè)評(píng)估要素及25項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)組成。指標(biāo)體系中，水庫(kù)周邊生態(tài)系統(tǒng)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，如人口密度、城鎮(zhèn)化率等增大是驅(qū)動(dòng)力，會(huì)加大廢水排放、污水處理等方面的壓力；壓力作用于水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)，當(dāng)水庫(kù)承受的壓力大于其自我調(diào)節(jié)和恢復(fù)的能力時(shí)，生態(tài)系統(tǒng)無(wú)法自行恢復(fù)，通過(guò)水質(zhì)參數(shù)等來(lái)體現(xiàn)；水庫(kù)當(dāng)前狀態(tài)改變，水體的服務(wù)功能受到影響，飲用水、水產(chǎn)品供給無(wú)法得到滿(mǎn)足；人類(lèi)采取相應(yīng)的措施，如提高監(jiān)管能力，加大資金投入等對(duì)水庫(kù)環(huán)境進(jìn)行改善，達(dá)成人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展。DPSIR模型描述了人類(lèi)活動(dòng)與水庫(kù)環(huán)境的因果鏈，體現(xiàn)了兩者之間相互制約、相互影響的過(guò)程。

借鑒DPSIR流域生態(tài)安全評(píng)估概念框架，建立基于“社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響、生態(tài)健康、生態(tài)服務(wù)功能和調(diào)控管理”(SEEC)的水環(huán)境安全預(yù)警概念模型。兩者的指標(biāo)體系對(duì)應(yīng)銜接：社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響是生態(tài)安全的推動(dòng)因素，與驅(qū)動(dòng)力(D)指標(biāo)和壓力(P)指標(biāo)對(duì)應(yīng)；生態(tài)健康反映了水質(zhì)與水生態(tài)2個(gè)方面的狀態(tài)，與狀態(tài)(S)指標(biāo)相對(duì)應(yīng)；生態(tài)服務(wù)功能是水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、公眾生活及人群健康的影響，與影響(I)指標(biāo)相對(duì)應(yīng)；調(diào)控管理反映當(dāng)超出水庫(kù)承載范圍時(shí)，人們所采取的對(duì)策和措施，與響應(yīng)(R)指標(biāo)相對(duì)應(yīng)。

1.2 指標(biāo)權(quán)重的確定

本文采用層次分析法和熵權(quán)法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重。層次分析法(The analytic hierarchy process)經(jīng)歷構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型、建立判斷矩陣、檢驗(yàn)一致性、計(jì)算重要性排序以及結(jié)果分析決策幾個(gè)步驟[13]。本文層次結(jié)構(gòu)模型分為目標(biāo)層(V)、方案層(A)、方案層(B)，經(jīng)過(guò)以上步驟得到各項(xiàng)指標(biāo)最后權(quán)重W。

熵是系統(tǒng)無(wú)序程度的度量，可度量已知數(shù)據(jù)所包含的有效信息量和確定權(quán)重[14]。熵權(quán)法計(jì)算水庫(kù)生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重步驟如下：構(gòu)建n個(gè)樣本m個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)的判斷矩陣R；對(duì)R進(jìn)行歸一化處理，得到歸一化判斷矩陣。

R=(Xij)n×m

(1)

分為越大越優(yōu)、越小越優(yōu)兩類(lèi)：

越大越優(yōu)：

rij=(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

越小越優(yōu)：

rij=(Xmax-Xij)/(Xmax-Xmin)

(3)

式中Xmax、Xmin——指標(biāo)在樣本中最優(yōu)與最劣值。

得到相對(duì)隸屬度矩陣：

R=(rij)n×m

(4)

式中rij——指標(biāo)j相對(duì)于i樣本的隸屬度。

計(jì)算評(píng)估指標(biāo)比重Pij和各指標(biāo)熵值Hj。

(5)

Hj=-k∑PijlnPij

(6)

計(jì)算差異系數(shù)gi和權(quán)重wj[15]。

gj=1-Hj

(7)

(8)

層次分析法代表一種主觀權(quán)重，熵權(quán)法是一種客觀權(quán)重，采用主觀權(quán)重與客觀權(quán)重合理結(jié)合及公式(9)，得到綜合權(quán)重值aj[16]，各指標(biāo)所占權(quán)重結(jié)果見(jiàn)表2。社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響層、生態(tài)健康層、生態(tài)服務(wù)功能層和調(diào)控管理層所占權(quán)重分別是0.2、0.4、0.2、0.2。

(9)

1.3 水庫(kù)生態(tài)安全評(píng)估

水庫(kù)生態(tài)安全系統(tǒng)是一個(gè)多層次的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，本文采用模糊綜合評(píng)價(jià)法和綜合指數(shù)法對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。

1.3.1模糊綜合評(píng)價(jià)法

模糊綜合評(píng)價(jià)法將被評(píng)事物的模糊指標(biāo)通過(guò)確定隸屬度進(jìn)行量化，構(gòu)造等級(jí)模糊子集[17]，建立模糊關(guān)系矩陣Rl×m，根據(jù)評(píng)價(jià)因素的模糊權(quán)向量A，結(jié)合公式(10)計(jì)算綜合評(píng)判矩陣B，得到隸屬度Si，確定生態(tài)安全等級(jí)。隸屬度確定等級(jí)存在有效性問(wèn)題[18]，本文在最大隸屬度失效的情況下，采用加權(quán)平均原則求隸屬相對(duì)等級(jí)B*[19]。

表2 水庫(kù)生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

B=A·R=

s1,s2,…,sl

(10)

(11)

式中運(yùn)算符號(hào)“·”為合成算子，m=5，表示本次評(píng)價(jià)分為5個(gè)等級(jí)，評(píng)估等級(jí)及賦分標(biāo)準(zhǔn)參考《湖泊生態(tài)安全調(diào)查與評(píng)估技術(shù)指南》《流域生態(tài)健康評(píng)估技術(shù)指南》等，見(jiàn)表3。

1.3.2綜合指數(shù)法

綜合指數(shù)法將各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)轉(zhuǎn)換成相同度量的綜合指數(shù)，通過(guò)綜合指數(shù)得到生態(tài)安全狀況的等級(jí)[20]。在綜合評(píng)估中，通過(guò)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，本次標(biāo)準(zhǔn)化采用一級(jí)安全標(biāo)準(zhǔn)賦分(表3)，得到各方案層得分，逐級(jí)加權(quán)，最后采用加權(quán)求和計(jì)算生態(tài)安全指數(shù)ESI：

(12)

式中Ak——第k個(gè)方案層的得分值；Wk——第k個(gè)方案層對(duì)目標(biāo)層的權(quán)重系數(shù)。

生態(tài)安全評(píng)估以ESI作為最終結(jié)果，等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4。

表3 指標(biāo)評(píng)估等級(jí)及賦分標(biāo)準(zhǔn)

表4 生態(tài)安全指數(shù)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

2 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 研究區(qū)概況

增城區(qū)位于廣東省廣州市東部，地處北緯23°05′～23°37′，東經(jīng)113°32′～114°00′(圖2)，總面積1 616.47 km2。增塘水庫(kù)是一座以防洪蓄澇為主，結(jié)合灌溉、養(yǎng)魚(yú)及生活用水的綜合利用水庫(kù)，位于增城區(qū)中部，隸屬石灘鎮(zhèn)；百花林水庫(kù)以灌溉為主，緩解旱季下游農(nóng)田的受旱情況，位于增城區(qū)中東部，屬于荔城鎮(zhèn)；石馬龍水庫(kù)所在區(qū)域?qū)儆谝患?jí)水源保護(hù)區(qū)，承擔(dān)流域內(nèi)防洪、灌溉、生態(tài)及旅游等功能，是周邊村莊重要的飲用水源和灌溉水源，位于增城區(qū)北部，屬于派潭鎮(zhèn)。本次水庫(kù)評(píng)價(jià)基本單元按一級(jí)行政單元即水庫(kù)所在鎮(zhèn)劃分，監(jiān)測(cè)斷面包括入庫(kù)區(qū)、岸邊區(qū)、庫(kù)心區(qū)、出水區(qū)、排渠等。

收集往年水庫(kù)水質(zhì)數(shù)據(jù)，從各水庫(kù)上游來(lái)水水質(zhì)情況看，3個(gè)水庫(kù)上游來(lái)水水質(zhì)大部分超過(guò)Ⅱ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，水庫(kù)集雨區(qū)域污染源增多，嚴(yán)重威脅水庫(kù)水質(zhì)。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所涉及的數(shù)據(jù)主要來(lái)源于廣東統(tǒng)計(jì)年鑒[21]、廣州統(tǒng)計(jì)年鑒[22]和采樣點(diǎn)檢測(cè)報(bào)告。調(diào)控管理數(shù)據(jù)來(lái)源于廣州市環(huán)境保護(hù)科學(xué)院組織專(zhuān)家評(píng)估的結(jié)果。對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[23]，計(jì)算方法見(jiàn)表5，結(jié)果見(jiàn)表6。

表5 水庫(kù)生態(tài)安全評(píng)估指標(biāo)計(jì)算方法

表6 水庫(kù)生態(tài)安全評(píng)估各指標(biāo)數(shù)值(2016年)

3 結(jié)果與分析

3.1 水庫(kù)生態(tài)安全評(píng)價(jià)

綜合指數(shù)法計(jì)算的水庫(kù)生態(tài)安全指數(shù)見(jiàn)表7，模糊綜合評(píng)價(jià)法得到的水庫(kù)相對(duì)等級(jí)，見(jiàn)表8。

結(jié)合SEEC模型，從方案層進(jìn)行分析，水庫(kù)在生態(tài)健康(A2)和生態(tài)服務(wù)功能(A3)中的得分相對(duì)其他層低。在生態(tài)健康評(píng)價(jià)中，增塘水庫(kù)得分為41.24，為三水庫(kù)中最低，接近Ⅱ級(jí)欠安全狀態(tài)。增塘水庫(kù)周邊村莊、工業(yè)的排污，使得來(lái)水質(zhì)量低，加上水庫(kù)水體流動(dòng)性差，造成水中重金屬等物質(zhì)沉淀，營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(C71)和重金屬風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(C81)都遠(yuǎn)大于其他水庫(kù)。百花林水庫(kù)生態(tài)健康得分為51.8，處于一般安全狀態(tài)，石馬龍水庫(kù)生態(tài)健康狀況相對(duì)較好，屬于較安全級(jí)別。從社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響層(A1)看，百花林水庫(kù)得分較低，百花林水庫(kù)流域所在的荔城街道人口密度大、城鎮(zhèn)化率高，經(jīng)濟(jì)發(fā)展快速，導(dǎo)致水庫(kù)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響壓力較大；增塘水庫(kù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響(A1)得分52.86，單位土地面積TN、TP負(fù)荷(C32、C33)，上游來(lái)水中高錳酸鉀指數(shù)(C54)等對(duì)水體污染負(fù)荷壓力較大。石馬龍水庫(kù)周邊無(wú)城鎮(zhèn)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)污染源排放入庫(kù)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響層(A1)狀態(tài)相對(duì)良好。從調(diào)控管理方案層(A4)上看，各水庫(kù)得分都為80分以上，處于安全范圍，人類(lèi)對(duì)水庫(kù)調(diào)控起到了一定的作用。

對(duì)比表7與表8，A1層的指數(shù)得分為：石馬龍水庫(kù)>增塘水庫(kù)>百花林水庫(kù)，A1層中三水庫(kù)的模糊評(píng)價(jià)等級(jí)為：增塘水庫(kù)>石馬龍水庫(kù)>百花林水庫(kù)，類(lèi)似地，各方案層評(píng)價(jià)結(jié)果略有差異。從整體來(lái)說(shuō)，各水庫(kù)相對(duì)等級(jí)為：石馬龍水庫(kù)(4.12)>百花林水庫(kù)(3.03)>增塘水庫(kù)(3.02)，百花林水庫(kù)與增塘水庫(kù)的模糊評(píng)價(jià)等級(jí)非常接近。各水庫(kù)生態(tài)安全指數(shù)ESI為：石馬龍水庫(kù)(69.15)>百花林水庫(kù)(55.17)>增塘水庫(kù)(53.56)，對(duì)應(yīng)的安全等級(jí)分別為Ⅴ、Ⅲ、Ⅲ級(jí)，處于較安全、一般安全和一般安全的狀態(tài)，模糊綜合評(píng)價(jià)法與綜合指數(shù)法的評(píng)估結(jié)果一致。

綜合指數(shù)法在計(jì)算上相較于模糊綜合評(píng)價(jià)法更為簡(jiǎn)單，后者在使用上存在有效性的問(wèn)題，其結(jié)果需要通過(guò)最大隸屬度原則進(jìn)行判斷。

表7 水庫(kù)生態(tài)安全指數(shù)

表8 水庫(kù)生態(tài)安全模糊評(píng)價(jià)等級(jí)

3.2 水庫(kù)生態(tài)安全評(píng)估

將社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響層拆分為驅(qū)動(dòng)力和壓力，圖3為基于DPSIR模型的各水庫(kù)生態(tài)安全指數(shù)評(píng)估結(jié)果。結(jié)果中，百花林水庫(kù)受到的驅(qū)動(dòng)力最大，其次是石馬龍水庫(kù)和增塘水庫(kù)；增塘水庫(kù)承受壓力最大；當(dāng)前狀態(tài)、影響都是石馬龍水庫(kù)最優(yōu)，其次是百花林水庫(kù)和增塘水庫(kù)；石馬龍水庫(kù)響應(yīng)部分得分最高。3個(gè)優(yōu)良水質(zhì)水庫(kù)各項(xiàng)評(píng)分處于一般安全級(jí)別以上，只有百花林水庫(kù)驅(qū)動(dòng)力部分處于欠安全狀態(tài)。

增塘水庫(kù)庫(kù)區(qū)早期圍網(wǎng)養(yǎng)魚(yú)情況較多，養(yǎng)魚(yú)投種不當(dāng)，使得水庫(kù)水質(zhì)下降；農(nóng)業(yè)面源及生活污水排放(C31、C32、C33)導(dǎo)致水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重；根據(jù)水庫(kù)的實(shí)際情況，需開(kāi)展河口自然濕地建設(shè)、庫(kù)區(qū)底泥疏浚、水體藻類(lèi)控制等水生態(tài)修復(fù)和建設(shè)工程。百花林水庫(kù)流域所在地使得其承受的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力較大，導(dǎo)致水庫(kù)流域污染負(fù)荷壓力加大、水庫(kù)水質(zhì)下降、生態(tài)服務(wù)功能受損；需加強(qiáng)建設(shè)污水處理設(shè)施，控制當(dāng)?shù)爻擎?zhèn)化帶來(lái)的污染物的影響。石馬龍水庫(kù)為一級(jí)水源地，近年來(lái)無(wú)人為污染直接排入，水庫(kù)生態(tài)安全狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定；隨著水庫(kù)周邊的旅游設(shè)施的完善，游客量的飛速增長(zhǎng)，一定程度上將對(duì)石馬龍水庫(kù)的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響；需加強(qiáng)流域內(nèi)旅游環(huán)境容量管理，控制旅游生活污染，緩解旅游業(yè)發(fā)展給水庫(kù)帶來(lái)的壓力。

4 結(jié)論

基于“驅(qū)動(dòng)力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)”(DPSIR)的流域生態(tài)安全評(píng)估模型，建立了以“社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響、生態(tài)健康、生態(tài)服務(wù)功能以及人類(lèi)活動(dòng)調(diào)控管理”(SEEC)為框架的4個(gè)層次的指標(biāo)體系。對(duì)比使用綜合指數(shù)法和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)3個(gè)水庫(kù)生態(tài)安全進(jìn)行評(píng)價(jià)，主要結(jié)論與展望如下。

a) 3個(gè)水庫(kù)屬于優(yōu)良水質(zhì)水庫(kù)，生態(tài)安全評(píng)估結(jié)果為石馬龍水庫(kù)>百花林水庫(kù)>增塘水庫(kù)，都處于一般安全級(jí)別以上，對(duì)應(yīng)的安全等級(jí)分別為Ⅴ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅲ級(jí)。

b) 水庫(kù)在生態(tài)健康和生態(tài)服務(wù)功能中得分相對(duì)其他層低；社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響層中，百花林水庫(kù)得分受人口密度(C11)、城鎮(zhèn)化率(C12)等驅(qū)動(dòng)力指標(biāo)的影響，而增塘水庫(kù)在此方案層得分主要受污染排放層(B3)中壓力指標(biāo)的影響。

c) 模糊綜合評(píng)價(jià)法與綜合指數(shù)法對(duì)水庫(kù)整體評(píng)價(jià)結(jié)果一致，在各方案層評(píng)價(jià)中略有差異，后者在計(jì)算上更簡(jiǎn)單，前者在使用上存在有效性問(wèn)題，需要通過(guò)最大隸屬度原則進(jìn)行判斷。

d) 水庫(kù)生態(tài)安全評(píng)估是一個(gè)復(fù)雜的綜合性過(guò)程，需要多方面的理論知識(shí)和研究經(jīng)驗(yàn)，評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)體系的確立也還需更深一步的研究。