湖南省小流域生態(tài)安全綜合評價指標體系研究*

盛東,李桂元,徐義軍

(1.河海大學 水文水資源學院,南京 210098;2.湖南省水利科學研究所,長沙410007)

生態(tài)安全問題的提出,最早源于20世紀80年代,前蘇聯(lián)的切爾諾貝利核電站事故導致的人為環(huán)境災難,其次是90年代后凸顯的跨越國界的全球性環(huán)境公害,各國之間潛在的環(huán)境威脅增加[1-2],如沙塵暴、水污染、大氣污染、溫室效應、厄爾尼諾等。一個區(qū)域內(nèi)的多個國家,在環(huán)境問題上將形成一個整體,他們之間的政治關系將受到環(huán)境問題的影響[3]。如2005年11月松花江水污染事件涉及到沿江中俄兩國人民的飲水安全[4]。以上這些引起了世界各國對人類生存環(huán)境與國家利益之間關系的關注,使得人們對自身的“安全”和“威脅”的認識有了很大改變。而關于小流域生態(tài)安全的定義,迄今尚未有一個確切的定義。一般認為包括兩層基本含義:一是防止由于小流域生態(tài)環(huán)境退化對經(jīng)濟基礎構成威脅,主要指環(huán)境質(zhì)量狀況低劣和自然資源的減少和退化削弱了經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的支撐能力;二是防止由于小流域環(huán)境破壞和自然資源短缺引發(fā)人民群眾的不滿,特別是環(huán)境難民的大量產(chǎn)生,從而導致國家的動蕩[5-6]。自20世紀90年代初,國內(nèi)外學者開始研究探討流域生態(tài)安全評價問題,并作了大量的工作,但主要從生態(tài)環(huán)境方面進行評價,其方法也是定性的多,人為主觀隨意性較強,對其體現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的資源與環(huán)境可支撐性和系統(tǒng)運行穩(wěn)定性評價報道很少,實際上,小流域綜合治理的根本目標就是使系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境發(fā)生逆轉(zhuǎn),呈良性循環(huán),實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,因此,研究探討小流域生態(tài)安全評價方法,建立科學、有效的評價指標體系,對開展小流域綜合治理,實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,具有重要的理論和現(xiàn)實指導意義。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

湖南省地處長江中游,洞庭湖以南,南嶺以北。居東經(jīng) 108°47′-114°15′,北緯 24°39′-30°08′之間。東西寬667 km,南北長774 km。周鄰鄂、贛、粵、桂、黔 、渝 6省、市 。土地總面積211 829 km2,總人口6 438.92萬。屬中亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)農(nóng)業(yè)資源條件較好,水稻種植歷史悠久。現(xiàn)已發(fā)展為全國糧食主產(chǎn)省之一,糧食總產(chǎn)量居全國第6位,是一個農(nóng)業(yè)大省。由于地處東亞大陸的東南部,西北有武陵山脈,西南有雪峰山脈,南有五嶺山脈,北面為低平的洞庭湖平原,中部為“馬蹄形”的大盆地,構成了湖南省較為復雜的地形地貌,無論從位置、氣溫、降水等特點來看,湖南均屬于典型的中亞熱帶區(qū)域,區(qū)域內(nèi)集中了丘陵、平原、山地等中亞熱帶主要的地形地貌類型,是開展中國南方小流域生態(tài)安全評價、生態(tài)修復與治理及分區(qū)規(guī)劃研究的理想?yún)^(qū)域之一。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)主要以湖南省小流域?qū)嵉卣{(diào)研為基礎,以調(diào)查地區(qū)及湖南省近年統(tǒng)計年鑒資料為輔助;其中湘西地區(qū)選取桑植縣猛洞河流域上游兩岔小流域、車禾小流域、立烈小流域以及慈利縣輸贏溪小流域及后溪峪小流域;湘南地區(qū)選取祁陽縣古木堰小流域、長春水小流域、酒塘水小流域;湘東地區(qū)選取平江市公安小流域、曲溪小流域、大漁小流域進行重點調(diào)查。其所選取的指標含義清楚,概念明確,均可通過實地調(diào)查、測試等方法獲得。

表1 湖南省小流域生態(tài)安全現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)表

2 評價指標體系構建

2.1 評價指標體系設計原則

為使所建立的評價指標體系能夠綜合反映小流域安全評價的各個方面,進行小流域生態(tài)安全評價體系的構建中需要遵循一定的基本原則。小流域生態(tài)安全評價指標體系是一個復雜的系統(tǒng),其構建必須遵循以下基本原則:科學性;目的性;實用性和可操作性;全局性和可比性;定量和定性相結合;均衡性、層次性和簡潔性[7]。

2.2 指標體系框架

采用湖南省湘東、湘南、湘西北3個地區(qū)的11個小流域生態(tài)安全現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)(基本數(shù)據(jù)見表1),運用軟件對所選指標進行相關性分析。對一些相關程度較高的指標進行歸并。如評價指標中人均水域面積與人均水資源量(R2=0.7948);土地利用結構合理性與土地利用率(R2=0.9083);水土流失治理率與水土保持治理實施情況(R2=0.8894);人均基本農(nóng)田面積、15°以下耕地比例與人均耕地面積等。分析后,按指標體系構建原則,對一些相關性較強的指標進行歸并處理,得到新的評價指標集;根據(jù)其相關系數(shù)矩陣可知,相關系數(shù)絕對值＞0.5的有17項,占總體系數(shù)的9.2%,相關系數(shù)絕對值最大的為0.735 6,因此該評價指標體系整體上獨立性較強,無高度相關的情況。故此,得到最終評價指標的層次結構關系如表2。

表2 小流域生態(tài)安全綜合評價指標體系及生態(tài)評估指標閾值

2.3 小流域生態(tài)安全評價指標閾值確定

對于主要描述流域生態(tài)安全表征的指標,應確定在保證流域生態(tài)安全下的取值范圍或閾值應該是多少,在流域生態(tài)治理綜合效益最大化條件的合理目標應該是多少。湖南省小流域生態(tài)安全評價標準主要參照國家、行業(yè)和地方規(guī)定的標準,背景和本底標準及類比標準等因素綜合確定。評價標準確定及其依據(jù)如表2所示。

3 小流域生態(tài)安全綜合評價模型

3.1 評價指標權重的確定

評價指標權重的確定是對評價指標的重要性進行賦權,即對各評價指標在整個系統(tǒng)中的影響程度大小的進行度量,以區(qū)分其貢獻大小。小流域安全評價中評價指標權重的確定是一個十分重要的內(nèi)容,可以直接影響到綜合評價的結果。權重值確定的方法很多,常見的有層次分析法、頻數(shù)統(tǒng)計分析法、加權統(tǒng)計法、相關分析法和熵值法等。考慮小流域生態(tài)安全評價的多層次性、多因素性,且是一個定性與定量相結合的評價系統(tǒng),本文采用層次分析法來確定評價指標的權重[8-10]。通過理論分析方法,對指標進行頻度統(tǒng)計,在廣泛調(diào)查和大量征求專家意見的基礎上,聘請該領域?qū)＜覟楦鲗哟闻袛嘣u分,構建了小流域生態(tài)安全評價指標判斷矩陣,求得最大特征值及其對應的特征向量,對該向量歸一化處理后作為各指標的權重。

表3 小流域生態(tài)安全評價指標體系權重結果

3.2 評價指標隸屬度的確定

隸屬度函數(shù)是模糊綜合評判的應用基礎,正確構造隸屬度函數(shù)是能否用好模糊綜合評判的關鍵之一,本研究各指標的隸屬函數(shù)的采用均勻分布函數(shù),建立方法如下:

(1)第一級,即 j=1時,其隸屬函數(shù)為:

式中:xi——第i種因子的實測值;Sij——第i種因子j級的標準值;Si(j+1)——第 i種因子(j+1)級的標準值;Aij——系數(shù),用中值法求得。中值是即取相鄰兩個等級標準值的中間值,中值對于相鄰兩個等級的隸屬度為0.5,且由于中值可以用兩個評價指標標準值的均值代替,于是,將中值(即均值)與隸屬度0.5代入yij=Aij(xi-Si(j+1))中可求出 Aij。(xi-Si(j+1))＞0,Aij取正值;(xi-Si(j+1))＜0,Aij取負值。其計算公式如下:

(2)第二級至n級,即j=2,3,…,(n-1)時,其隸屬函數(shù)為:

式中:Si(j-1)——第 i種因子(j-1)級的標準值;Aij,A′ij— —系數(shù),計算公式如下:

符號意義同上。

(3)第末級,即 j=n時,其隸屬函數(shù)為:

式中:Aij——系數(shù),計算公式如下:

符號意義同上,正負向指標(效益型、成本型)均可適用,應用于負向指標,只需將取值范圍符號反向即可。依此方法,根據(jù)表1數(shù)據(jù)及表3評價標準值可寫出各小流域各項指標隸屬度矩陣。

3.3 評判結果與分析

由模糊變換中加權計算公式B=A?R(b1,b2,…,bm)(其中 A為權重矩陣,見表3;R為隸屬度矩陣)計算可得到評價結果如表4:

表4 小流域生態(tài)安全現(xiàn)狀模糊綜合評判結果

圖1 小流域生態(tài)安全綜合評價結果

由計算結果可知:兩岔河小流域隸屬于“基本安全”等級占0.473 2,大于隸屬于“不安全”等級為0.271 8,隸屬于“安全”等級為0.255 2,根據(jù)最大隸屬度原則,則判定該小流域生態(tài)安全狀況為“基本安全”級別,從計算過程上看,該小流域生態(tài)安全存在的主要問題是社會經(jīng)濟發(fā)展水平較低引起的“壓力”指標過大造成。各小流域生態(tài)安全綜合評價指數(shù)分布還與水土流失率分布范圍有較好的一致性,水土流失率大的流域,其生態(tài)安全綜合指數(shù)明顯偏低,兩者存在較強的負相關性。

4 小流域生態(tài)安全的障礙診斷分析

小流域生態(tài)系統(tǒng)安全分析評價的目的既在于對小流域系統(tǒng)安全狀況水平進行評判,更重要的是在于尋找系統(tǒng)安全的障礙因素,以便有針對性地對小流域進行生態(tài)環(huán)境整治和政策上的調(diào)整,因而,需進一步對小流域生態(tài)系統(tǒng)安全進行障礙因素確定。小流域系統(tǒng)障礙診斷是一項極為復雜的工作,為簡化問題的表達,本研究引入了“因子貢獻率 λj”、“指標偏離bj”、“障礙度 BI”的概念。因子貢獻率是單項因素對總體目標的影響程度,即單項因素對總體目標的權重;指標偏離度是單項指標與系統(tǒng)健康持續(xù)發(fā)展目標之間的差距,即單項指標因素與100%之差;障礙度是單項因素對小流域生態(tài)安全狀況水平的負面影響值,是障礙診斷的目標和結果,目標值取表3中安全等級標準值。

設xj和tj分別為一單項指標的實際值與目標值,則該單項指標量化值為:

當x為正作用(效益型)指標時

當x為負作用(成本型)指標時

式中:β——描述指標值模糊度的常數(shù),一般β≥1,該研究中取β=1。

表5 小流域生態(tài)安全障礙度計算結果 %

式中:ωj——第j個單項指標對目標層的綜合權重(見表3),其中(j=1,…,n)。由BIj大小排序即可確定小流域系統(tǒng)的障礙因素主次關系和各障礙因素對流域系統(tǒng)健康持續(xù)發(fā)展的負面影響程度。經(jīng)計算得到障礙度分析結果如表5。

從障礙度計算結果上來看,影響湖南省小流域生態(tài)安全的主要障礙因素為土壤侵蝕量、水土流失率、水土流失治理率及人均純收入等,各個不同流域,次序稍有不同。針對其主要障礙因素,在小流域的綜合治理過程中要注意:(1)增加資金投入和科技投入,加大水土流失治理力度,加強生態(tài)建設,優(yōu)化環(huán)境整治措施;(2)加強生態(tài)環(huán)保意識,建立以生態(tài)農(nóng)業(yè)為主的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式,減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中廢棄物的產(chǎn)生,減少農(nóng)業(yè)面源對河流水質(zhì)的污染;(3)實現(xiàn)從粗放經(jīng)營向集約化經(jīng)營的轉(zhuǎn)變,加快農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化進程;(4)注意土地利用規(guī)劃及相關規(guī)劃的實施,實現(xiàn)資源有效持續(xù)利用;(5)嚴格控制人口增長,提高人口素質(zhì),減輕資源環(huán)境壓力;(6)積極開展小流域的生態(tài)補償工作,促進流域上中下游協(xié)調(diào)發(fā)展。

5 結論

通過收集整理湖南省小流域基礎數(shù)據(jù),結合實際調(diào)查完成對湘東、湘西、湘南3個區(qū)域11個小流域生態(tài)安全評價指標的篩選,采用模糊層次分析評判方法(FAHP)構建基于水土資源、生態(tài)環(huán)境及社會經(jīng)濟3個方面的復合表征的小流域生態(tài)安全綜合評價指標體系及評價模型。評價指標體系及評價模型能夠準確、真實的描述流域生態(tài)現(xiàn)狀,并具有診斷影響流域生態(tài)安全障礙因素的功能。

(1)總體而言,湖南省各地區(qū)小流域生態(tài)現(xiàn)狀評價為基本安全,湘西地區(qū)的生態(tài)現(xiàn)狀安全程度要高于其他地區(qū),具體次序為:湘西較好,湘南次之,湘東較差。

(2)小流域生態(tài)安全綜合評價指數(shù)分布與水土流失率分布范圍有較好的一致性,水土流失率大的流域,其生態(tài)安全綜合指數(shù)明顯偏低,兩者存在較強的負相關性。

(3)通過小流域生態(tài)安全的障礙因素分析,影響湖南省小流域生態(tài)安全的主要障礙因素為土壤侵蝕量、水土流失率、水土流失治理率及人均純收入等。

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