基于SPIR概念模型的航道工程生態(tài)效應評價

吳小華，王鵬，申霞

（1.如皋市如皋港閘管理所，江蘇 南通 226532；2.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；3.南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029）

0 引言

近年來，隨著社會經(jīng)濟的迅猛發(fā)展以及人們對生態(tài)環(huán)境的日益重視，把生態(tài)治水的理念融入傳統(tǒng)航道工程建設(shè)，通過綠色低碳型生態(tài)技術(shù)、工程管理等措施，實現(xiàn)航道建設(shè)與生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，成為我國航道工程建設(shè)的趨勢和發(fā)展方向，并已在長江中下游及長江口航道治理工程中得以貫徹應用[1-4]，其對提升局地生境質(zhì)量和生物多樣性起到積極促進作用。

隨著生態(tài)型航道建設(shè)技術(shù)的進一步發(fā)展，如何定量評價航道整治生態(tài)化水平或效果成為當前及今后一段時間學者們研究的一個重要方向。

目前采用的評價方法有以下幾種：

1）通過現(xiàn)場生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對比分析生態(tài)工程對改善水質(zhì)和增加生物多樣性的效果[5-6]；

2）以構(gòu)成水生生物棲息地要素的水深、流速、底質(zhì)、水溫等為變量，建立目標物種生境適應度指數(shù)模型，模擬工程前后生境適宜度量值及范圍的變化[7]；

3）采用生態(tài)足跡法評價航道工程在社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境等多方面的正負效應，通過對比工程生態(tài)足跡和生態(tài)承載力增量，分析工程建設(shè)的綜合效益和可持續(xù)性[8]；

4）構(gòu)建具有航運功能河道的生態(tài)系統(tǒng)健康評價多層級體系，評價不同時間點的河流生態(tài)系統(tǒng)健康水平[9]；

5）基于壓力-狀態(tài)-響應（PSR）模式及其改進的驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應（DPSIR）模式建立評價指標體系[10]，將工程建設(shè)與生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟、政策措施等環(huán)節(jié)按因果關(guān)系有機整合，體現(xiàn)人與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的相互作用。

本文依托長江下游太倉—南通段12.5 m深水航道工程，基于PSR和DPSIR的邏輯框架，建立狀態(tài)-壓力-影響-響應（SPIR）概念模型，為選擇相關(guān)要素和指標、組織數(shù)據(jù)和信息提供了明確思路，保證關(guān)鍵要素和信息不被忽略，有助于系統(tǒng)分析和定量評估工程設(shè)計、施工、運行全過程采取減緩生態(tài)環(huán)境不利影響政策措施后產(chǎn)生的生態(tài)效應。

1 評價指標體系

壓力-狀態(tài)-響應（PSR）模型是目前國內(nèi)外較為流行的生態(tài)環(huán)境評價模式，最初由Tony Friend和David Rapport提出，用于分析人類與環(huán)境系統(tǒng)的壓力、現(xiàn)狀與響應之間的關(guān)系[11]。在此基礎(chǔ)上，歐盟環(huán)境署（EEA）提出了驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應（DPSIR）模型框架[12]，在不同的層面建立評價指標。

本文研究對象為長江下游太倉—南通段12.5 m深水航道工程，工程設(shè)計考慮生態(tài)友好型材料和結(jié)構(gòu)；施工嚴格執(zhí)行相關(guān)環(huán)保要求；施工結(jié)束后積極開展相應的生態(tài)補償和修復措施[13]。評價主要針對工程前、工程中、工程后3個時間點約2 a的時間。基于PSR和DPSIR模型思路，結(jié)合工程特點及評價的時空尺度，建立包含狀態(tài)-壓力-影響-響應（SPIR）四個準則層的概念模型，模型框架見圖1，基于SPIR概念模型的航道工程生態(tài)效應指標體系見表1。

圖1 航道工程生態(tài)效應評價SPIR概念模型Fig.1 SPIR conceptual model for ecological effect evaluation of waterway engineering

表1 基于SPIR概念模型的航道工程生態(tài)效應評價指標體系Table 1 Evaluation index system of ecological effect of waterwayengineeringbasedonSPIRconceptual model

基于航道工程生態(tài)效應評價SPIR概念模型，采用層層細化再統(tǒng)籌綜合的方式建立評價指標體系。指標的選取考慮體系的完整性、針對性、可行性，注重每個層次的主要特征要素以及指標的效應評價功能，共包括目標層、準則層、要素層和指標層。其中，狀態(tài)指某一時刻社會和自然系統(tǒng)所處的狀況；壓力指工程建設(shè)對所在區(qū)域的生態(tài)環(huán)境的脅迫；影響指系統(tǒng)所處狀態(tài)對人類健康、社會經(jīng)濟結(jié)構(gòu)、自然生態(tài)系統(tǒng)的影響；響應則表示人類在削減工程負面影響方面所采取的對策措施。

2 評價模型構(gòu)建

2.1 數(shù)據(jù)規(guī)格化處理

航道工程生態(tài)環(huán)境效應評價的指標包括定性和定量兩種，各指標量綱不一，對生態(tài)系統(tǒng)的影響方式不同，無法直接進行比較。通過將評價指標特征值矩陣和指標標準特征值矩陣進行規(guī)格化處理[14]，得到相對隸屬度矩陣，即可實現(xiàn)各指標因子的無量綱化。

2.2 層次分析法賦權(quán)重

多指標評價中涉及的指標賦權(quán)問題是評價中的一個重要環(huán)節(jié)，層次分析法[15]作為一種基于決策和智能的賦權(quán)方法，能夠利用較少的定量數(shù)據(jù)將人的思維過程數(shù)學化、系統(tǒng)化，解決航道工程生態(tài)效應多層次、多目標評價的問題。過程如下：1）采用SPIR框架將評價對象所包含的因素劃分為4個層次（見表1）；2）在同一級的指標中進行兩兩比較，構(gòu)造判斷矩陣，采用1~9標度法[16]對重要性程度進行賦值，并進行一致性檢驗；3）計算每個判斷矩陣的權(quán)重向量和全體判斷矩陣的合成權(quán)重向量。

2.3 模糊評價模型

模糊評價方法通過模糊尺度使元素的定性化向定量化逼近，模擬人腦對模糊現(xiàn)象的判斷。該方法較好地解決了評價因素的復雜性、評價對象的層次性、評價標準存在的模糊性、評價影響因素的不確定性等一系列問題，將定性因素進行了定量化處理，做到了定性和定量因素相結(jié)合，既顧及對象的層次性，使得評價標準、影響因素的模糊性得以體現(xiàn)，又在評價中充分發(fā)揮人的經(jīng)驗，使評價結(jié)果更符合實際情況。具體計算步驟詳見參考文獻[14]。

3 模型應用

3.1 數(shù)據(jù)來源

采用航道工程施工前（2012年9月）、施工中（2013年7月）、施工后（2014年7月）的水生生態(tài)調(diào)查數(shù)據(jù)，其中包括水質(zhì)、沉積物、浮游植物、浮游動物、底棲生物、潮間帶生物和漁業(yè)資源，以及河道水流泥沙、河岸帶狀況、航道工程設(shè)計管理資料等，開展航道工程建設(shè)的生態(tài)環(huán)境效應評價。其中，水質(zhì)采用水質(zhì)綜合指數(shù)表示；沉積物質(zhì)量對照GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》，分為一級、二級、三級；物種多樣性指數(shù)采用Shannon-Weiner指數(shù)計算。其余指標采用定性分析法定值。

3.2 評價標準及結(jié)果

評價標準采用5級分值，主要根據(jù)國家、地區(qū)、行業(yè)相關(guān)標準規(guī)范，以及長江下游河道水生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，并結(jié)合文獻和專家知識進行制定，見表2。

表2 長江下游航道工程生態(tài)效應評價標準Table 2 Evaluation standard for ecological effect of waterway engineering in the lower reaches of the Yangtze River

續(xù)表

將18種評價指標值與評價標準對照，對不同量綱的數(shù)據(jù)進行規(guī)格化處理，得到各指標工程前、工程建設(shè)中、工程后的特征值和相對隸屬度（見表3）。按照同樣的方法，對標準值進行規(guī)格化處理，得到指標標準優(yōu)秀、良好、中等、較差、很差對應的特征值分別為5、4、3、2、1，相對隸屬度分別為0、0.25、0.5、0.75、1。根據(jù)層次分析法權(quán)重確定過程，計算準則層和指標層權(quán)重，結(jié)果見表4。將權(quán)重代入模糊識別模型，得到工程前、工程中、工程后對應各個生態(tài)系統(tǒng)等級的隸屬度，采用最大隸屬度原則進行評定，結(jié)果見表5。

表3 規(guī)格化的指標特征值及相對隸屬度Table 3 Normalized index eigenvalue and relative membership degree

表4 不同層次的評價指標權(quán)重計算結(jié)果Table 4 The weight calculation results of evaluation indexes at different levels

表5 航道建設(shè)不同時間點河道生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的等級占比Table 5 The grade proportion of river ecosystem quality at different time points of waterway construction

從評價結(jié)果可見，工程前航段生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量處于中等；航道施工中由于廢水排放、植被破壞、疏浚導致底棲動物損失等原因，河道生態(tài)環(huán)境質(zhì)量降低；工程后，隨著施工期影響逐漸消失，再加上生態(tài)型材料及結(jié)構(gòu)效應逐漸體現(xiàn)，以及采取合適的生態(tài)補償措施，生態(tài)系統(tǒng)健康狀況得以提升。

4 結(jié)語

1）基于狀態(tài)-壓力-影響-響應4個準則層的概念模型，建立長江下游航道工程生態(tài)環(huán)境效應評價指標體系。以狀態(tài)為主線，分析和評價河流生態(tài)系統(tǒng)遭受施工壓力以及其后采取積極響應，生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)的變化。評價結(jié)果較好地解釋了工程建設(shè)不同階段對生態(tài)環(huán)境的脅迫，以及生態(tài)型工程建設(shè)對提升系統(tǒng)健康水平的貢獻。

2）河道生態(tài)系統(tǒng)演化周期較長，基于長時間序列監(jiān)測數(shù)據(jù)開展航道工程生態(tài)效應評價，是將來研究工作的重點。另外，評價指標的選擇、標準的制定仍存在一定的主觀性，給評價結(jié)果帶來不確定性，今后需開展多因子敏感性分析，作為關(guān)鍵指標識別、生態(tài)結(jié)構(gòu)研發(fā)、修復技術(shù)制定的參考依據(jù)。