水庫對河流生態系統服務功能影響的生態足跡評價研究

曹永強，張偉娜，張 林，游海林

（1.遼寧師范大學城市與環境學院，遼寧大連 116029；2.哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室，哈爾濱 150090；3河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210098；4.吉林省遼源市環境科學研究所，吉林遼源 136200）

水庫對河流生態系統服務功能影響的生態足跡評價研究

曹永強1，2，3，張偉娜1，張 林4，游海林1

（1.遼寧師范大學城市與環境學院，遼寧大連 116029；2.哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室，哈爾濱 150090；3河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210098；4.吉林省遼源市環境科學研究所，吉林遼源 136200）

基于層次分析法的基本原理，構建了水庫對河流生態系統服務功能影響的生態足跡評價指標體系，運用AHP確定各個評價指標權重。以大伙房水庫為例，進行了水庫對河流生態系統服務功能影響的綜合評價，最后應用生態足跡評價模型定量地核算了大伙房水庫4項生態供給足跡和3項生態需求足跡。

生態系統；服務功能；AHP；生態足跡模型

目前，與對森林、草原生態系統服務功能的研究相比，對河流生態系統服務功能尤其是水利工程對河流生態系統服務功能影響的研究相對要少［1］。我國國情決定了水利工程建設仍將繼續，為使已建、在建和擬建的水庫工程建設走可持續發展的道路，就要充分考慮水利工程的負面效應及其環境資源價值，因此對水庫工程進行環境影響評價并尋找生態補償措施方面的研究勢在必行［2］。

1 基于層次分析法的生態足跡評價研究

1.1 生態足跡的內涵及功能

生態足跡（Ecological Footprint），或稱生態空間占用，是指任何已知人口生產這些人口所消費的所有資源和消納這些人口所產生的所有廢棄物所需要的生物生產土地面積（包括陸地和海洋）。生態足跡代表著支持經濟活動和人類日常生活所需的生態基礎。

生態足跡分析提供了一種核算人類社會消費對自然環境影響的簡單而綜合的賬戶體系，因此，生態足跡指標是自然資源消耗（能源和物質）的一種綜合指標，它與經濟綜合指標非常類似。研究生態足跡的重要意義在于將人類對自然資源及其生態系統服務的消耗與環境影響關聯起來，用生態足跡來監視可持續發展進程，讓決策者、學者和公眾了解人類對自然資本利用的狀況，以便于確立可持續發展目標、監測資源的可持續利用和制定相關政策措施。

1.2 生態足跡評價研究

層次分析法是用來處理一些機理不清、難以精確量化的復雜問題的一種定性與定量相結合的決策分析方法［3］。其基本原理是將復雜問題分解成若干個層次，通過兩兩比較重要程度構造判斷矩陣，逐層進行判斷評分，利用判斷矩陣的特征向量，確定下層元素對上層元素的貢獻程度，從而得到基層元素對總體目標的重要性排序結果。層次分析法主要用于確定綜合評價的權重系數，所用的數學工具主要是矩陣運算。層次分析法具體步驟如下。

1.2.1 明確問題并建立層次模型

通過查閱大伙房水庫相關文獻資料，從實際情況出發，根據數據資料的可收集性和完整性，以及選取指標對結果影響大小程度，分析核算了大伙房水庫養殖、水力發電、調蓄洪水、水庫供水4項生態供給足跡和水庫泥沙淤積、工程占據、水庫淹沒3項生態需求足跡［4］，建立了水庫對河流生態系統服務功能影響的生態足跡評價的層次結構，如圖1所示。

1.2.2 構造判斷矩陣及層次單排序

判斷矩陣及各層次的單排序結果如表1至表3所示。（A代表層次模型結構第一層（總目標層），B代表層次結構模型第二層（準則層），C代表第三層（措施層））。

圖1 大伙房水庫對河流生態系統服務功能影響的生態足跡評價層次結構圖Fig.1 The stratum structure of ecological footprint assessment of impact of Dahuofang Reservoir on the river ecosystem service function

表1 判斷矩陣A-BTable1 Judgem entm atrix A-B

表2 判斷矩陣B1-CTable2 Judgementmatrix B1-C

表3 判斷矩陣B2-CTable3 Judgementm atrix B2-C

1.2.3 層次總排序

利用上面層次單排序的結果，綜合得到本層次各因素對更上一層的優劣，最終得到指標層對總目標層的優劣順序。對求出的各間接判斷矩陣的向量進行權重計算，并進行排序得到層次總排序結果見表4。經計算所得，層次總排序隨機一致性比例CR＝0.004，CR＜0.1，層次總排序的結果具有令人滿意的一致性。

大伙房水庫對河流生態系統服務功能影響的生態足跡研究評價因子指標劃分見圖2。從圖2可以看出，4項生態供給足跡權重排列是：水庫供水生態供給足跡＞調蓄洪水生態供給足跡＞水力發電生態供給足跡＞水庫養殖生態供給足跡。該結果與當初興建大伙房水庫的目的是一致的，說明大伙房水庫是以防洪、工業及城市供水、灌溉為主，兼顧發電、養魚、旅游等。

3項生態需求足跡權重排列依次是：水庫淹沒生態需求足跡＞水庫泥沙淤積生態需求足跡＞工程占據生態需求足跡。說明大伙房水庫投入使用之后，由水庫淹沒帶來的負面效應占據比例是最大的，接著依次是水庫泥沙淤積及工程占據所帶來的負面效應。

表4 層次總排序結果Tab le 4 The weights of every evaluation factor

圖2 大伙房水庫對河流生態系統服務功能影響的生態足跡研究評價因子指標劃分圖Fig.2 The index histogram of ecological footprint study assessment of impact of Dahuofang Reservoir on the river ecosystem service function

2 基于生態足跡模型［5-8］的生態足跡評價研究

2.1 生態供給足跡模型計算

2.1.1 水庫養殖生態供給足跡模型

大伙房水庫總養魚水面積近6 667 hm2，多年平均產商品魚84萬kg［9］。水庫養殖生態供給足跡的計算模型如下［10］：

式中：EFc為水庫養殖生態供給足跡（hm2）；r6為均衡因子，取0.2（水域［11］）；Qc為水庫正常運行時水庫養殖年均水產品的產量（kg）；ywc為世界水域的平均生產能力，取29 kg／hm2［8］。計算結果為EFc＝5 793.1 hm2。

2.1.2 水力發電生態供給足跡模型

大伙房水庫建庫50年來，累計發電19.92億kW·h，多年平均發電量4 065萬kW·h［9］。水力發電生態供給足跡的計算模型如下［4］：

式中：EFe為水力發電生態供給足跡（hm2）；r3為均衡因子，取1.1（林地）［11］；Qe為多年平均發電量（kW·h）；te為電力的能源折算系數，取11.84×106J／kW·h［12］；Ce為每公頃土地可以生產相當于800×108J的乙醇（替代法），或每公頃森林每年累積的可更新的生物質能源大約800×108J（自然資本存量法）［13］，取800×108J／hm2。計算結果為EFc＝6 617.8 hm2。

同理根據模型計算公式（2）可得，調蓄洪水生態供給足跡模型計算結果為75.917 3×104hm2，水庫供水生態供給足跡模型計算結果為80.403 7×104hm2。

2.2 生態需求足跡模型計算

修建水庫會淤積河流輸送的部分泥沙，削減河流生態系統輸送泥沙的能力，使其失去造地的功能。水庫泥沙淤積生態需求足跡的計算模型為

式中：EFs為水庫泥沙淤積生態需求足跡（hm2）；r2為均衡因子，取2.8（耕地）［11］；Qs為大伙房水庫正常運行后年均泥沙淤積量（m3）；ds為土壤表土平均厚度，取0.5 m［13］；y2為產量因子［10］，取1.66（耕地）。計算結果為EFs＝143 316.43 hm2。

同理根據模型計算公式（3）可得，工程占據生態需求足跡模型計算結果為125.43 hm2，水庫淹沒生態需求足跡模型計算結果為22 822.79 hm2。

生態足跡評價結果如表5所示。

表5 生態足跡模型評價結果Table5 The assessments result of ecological footprint model hm2／a

3 小 結

從生態足跡評價結果可以看出：水庫供水和調蓄洪水是大伙房水庫對河流生態系統的主要正面影響，而水庫泥沙淤積是其主要的負面影響。大伙房水庫4項生態供給足跡總計為1 575 620.92 hm2，3項生態需求足跡總計為166 264.652 hm2，生態供給足跡是生態需求足跡的9倍之多，說明從興建至今，大伙房水庫的生態效益遠大于其對環境的影響作用，在一定程度上促進了人與自然的和諧相處，實現了流域水資源、經濟、生態、社會的可持續發展。將生態足跡評價結果與AHP評價結果比較可以看出，兩種方法所計算出的各項指標排序是一致的，水庫供水和調蓄洪水是大伙房水庫的主要正面影響，而水庫泥沙淤積是大伙房水庫的主要負面影響。

由于反映大伙房水庫對河流生態系統服務功能影響的指標眾多，全部考慮十分復雜，本研究還存在一些局限和不足。如在評價指標的選取過程中，評價指標不夠全面，不能全方位地評價水庫對河流生態系統服務功能影響的實際情況；在計算過程中，主要資料為統計數據，計算結果對統計數據的準確性與精確性的依賴很大等。這些方面，在今后的研究中還需要進一步完善。

［1］ 魯春霞，謝高地，成升魁，等.水利工程對河流生態系統服務功能的影響評價方法初探［J］.應用生態學報，2003，14（5）：803-807.（LU Chun-xia，XIE Gao-di，CHENG Sheng-kui，et al.Approaches to evaluate the effects of hydraulic engineering on river ecosystem services［J］.Chinese Journal of Applied Ecology，2003，14（5）：803-807.（in Chinese））

［2］ 陳若緹.水壩工程環境影響后評價與環境資源價值損失核算［D］.西安：西北農林科技大學，2006.（CHEN Ruo-ti.The post-evaluation of environment influences for dam engineering and the accounting for the loss of value for environment resources［D］.Xi’an：Northwest Agriculture and Forestry Science and Technology University，2006.（in Chinese））

［3］ 徐建華.計量地理學［M］.北京：高等教育出版社，2006.（XU Jian-hua.Measurement Geography［M］.Beijing：Higher Education Press，2006.（in Chinese））

［4］ REESW E.Ecological footprint and appropriated carrying capacity：what urban economies leaves out［J］.Environment and Unbanization，1992，4（2）：121-130.

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［9］ 邰姍姍.大連市生態承載力與生態恢復研究［D］.大連：遼寧師范大學，2006.（TAIShan-shan.Study on ecological capacity and ecological restoration in Dalian［D］.Dalian：Liaoning Normal University，2006.（in Chinese））

［10］田萍萍.基于生態足跡分析的陜西關中地區生態安全與生態補償研究［D］.西安：西北大學，2006.（TIAN Ping-ping.Study on regional ecological security and compensation based on the analysis of ecological foot print in Guanzhong Region，Shanxi Province［D］.Xi’an：Northwest University，2006.（in Chinese））

［11］趙 娜.大伙房水庫對河流生態系統服務功能影響評價研究［D］.大連：遼寧師范大學，2009.（ZHAO Na.Study on the impactassessmentof Dahuofang Reservoir on the river ecosystem service function［D］.Dalian：Liaoning Normal University，2009.（in Chinese））

［12］邱大雄.能源規劃與系統分析［M］.北京：清華大學出版社，1995：48.（QIU Da-xiong.Energy planning and system analysis［M］.Beijing：Tsinghua University Press，1995：48.（in Chinese））

［13］陶在樸.生態包袱與生態足跡［M］.北京：經濟科學出版社，2003：168-169.（TAO Zai-pu.Ecological rucksack and footprint［M］.Beijing：Economic Science Press，2003：168-169.（in Chinese） ）

（編輯：羅玉蘭）

Ecological Footprint Assessment of Dahuofang Reservoir Im pact on River Ecosystem Service Function

CAO Yong-qiang1，2，3，ZHANGWei-na1，ZHANG Lin4，YOU Hai-lin1
（1.School of Urban Planning and Environmental Science，Liaoning Normal University，Dalian 116029，China；2.State Key Lab of Urban Water Resource and Environment（HIT），Harbin 150090，China；3.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；4.Liaoyuan Institute of Environmental Sciences，Jilin Province，Liaoyuan 136200，China）

On the basis of the fundamental principle of analytical hierarchy process（AHP），firstof all，an intex assessment system on ecological footprint of the impact of a reservoir on river ecological service functions is established，and then，theweights of every index are determined by AHP.The Danhuofan Reservoir in Fushun is taken as an illustration，the aggregate assessment on the influence of the reservoir on river ecological service functions is carried out.At the end，thementioned abovemodel is applied to quantitatively calculate four-item ecological footprints and 3-item ecological demands of the Danhuofan Reservoir.

ecosystem；service function；AHP；ecological footprintmodel

X171.4

A

1001-5485（2010）08-0016-04

2009-10-15

城市水資源與水環境國家重點實驗室（哈工大）開放基金2008年開放基金（HC200814）；水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室（河海大學）2008年對外開放基金（2008491111）

曹永強（1973-），男，內蒙豐鎮市人，副教授，主要從事水利經濟方面研究，（電話）13079816104（電子信箱）caoyongqing＠tsinghua.org.cn。