基于壓力-狀態-響應模型的黃柏河生態系統健康評價

彭　濤,王　珍,趙　喬,郭　倩

(1.三峽大學水利與環境學院,湖北 宜昌　443002; 2.水資源安全保障湖北省協同創新中心,湖北 武漢　430072)

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基于壓力-狀態-響應模型的黃柏河生態系統健康評價

彭濤1, 2,王珍1,趙喬1,郭倩1

(1.三峽大學水利與環境學院,湖北 宜昌443002; 2.水資源安全保障湖北省協同創新中心,湖北 武漢430072)

為定量評估黃柏河生態系統健康狀態,以壓力-狀態-響應概念模型為基礎,構建黃柏河生態系統健康評價指標體系,采用層次分析法確定指標權重,運用集對分析和屬性識別理論對黃柏河生態健康現狀進行綜合評價。結果表明:黃柏河生態系統綜合健康狀況處于中等水平,其中壓力子系統、狀態子系統和響應子系統的健康等級分別是良、中等和良,水體富營養化指數、農藥施用強度、水土流失率等是影響黃柏河生態健康狀況的主要因素。

河流健康評價;壓力-狀態-響應模型;集對分析;屬性識別理論;黃柏河

河流是連接陸地與海洋的重要廊道,在維系地球的物質循環、能量交換和信息傳遞方面發揮著重要的生態功能,同時具有灌溉、供水、發電、航運等綜合效益。但是隨著人口和經濟社會快速發展以及不合理的人類活動開展,河流生態系統的結構和功能遭到嚴重損害,引發了一系列的生態與環境問題,并使區域糧食安全、水資源安全和生態安全受到嚴重威脅,因此開展河流生態健康評價具有重要的現實意義。

近年來,河流健康評價已成為國內外河流生態系統研究的前沿問題和熱點領域[1-4]。河流生態系統健康評價方法主要包括指示物種法和指標體系法。前者以魚類、硅藻與大型無脊椎動物等指示物種的數量、生產力、結構功能指標的動態變化等描述河流生態系統的健康狀況。該類方法簡便易行,是評價自然河流生態系統的較好方法,常用方法有美國的生物完整性指數[5](index of biotic integrity,IBI)和英國的河流無脊椎動物預測和分類計劃[6](river invertebrate prediction and classification system,RIVPACS)。但指示物種法僅依靠某一類敏感物種判別，難以準確反映河流生態系統狀況,不應作為唯一的方法而單獨使用[7]。指標體系法根據河流生態系統特征及其功能建立指標體系進行定量評價,評價指標的選擇既考慮了生態系統自身特點,又考慮了人類活動的影響,較好反映了河流生態系統的過程,在河流生態系統健康評價中被廣泛應用。國外較具代表性的有澳大利亞的溪流狀況指數(index of stream condition,ISC)[8]和英國的河流生境調查(river habitat survey,RHS)[9]。國內在長江[10]、黃河[11]、珠江[12]等開展了河流健康評價指標體系研究,對于流域可持續管理與河流生態修復具有重要意義。

黃柏河是長江左岸的一級支流,是典型的峽谷型河流,承擔著宜昌城區百萬居民生活及宜東灌區百萬畝農田灌溉的用水重任,是溝通宜昌市北部山區與長江聯系的生態廊道。近年來流域經濟社會快速發展，水資源和礦產資源過度開發，流域水污染治理相對滯后,導致黃柏河水環境質量明顯惡化及生態功能退化。為此,筆者從壓力-狀態-響應(pressure-state-response,PSR)概念模型出發,建立黃柏河生態健康評價指標體系,運用集對分析與屬性識別理論進行河流健康現狀評價,為黃柏河生態修復及河流健康管理提供科學依據。

1　研究區域概況

黃柏河流域位于宜昌市西北部,全長162 km,流域面積2 016 km2。黃柏河分東西兩支,東支發源于宜昌市夷陵區的黑良山,長130 km；西支發源于夷陵區的曹家山,長78 km。東、西支在夷陵區兩河口匯合干流,長32 km,于葛洲壩三江上游引航道匯入長江。黃柏河流域屬于亞熱帶季風氣候,多年平均降水量1 138 mm,降水集中在6—9月,多年平均徑流量8.95億m3。流域水能資源豐富,黃柏河東支興建了玄廟觀、天福廟、西北口和尚家河4座大中型水庫,經梯級水庫群調節后,通過東風渠為官莊水庫及東風渠灌區提供水源,兩河口下游的湯渡河水庫則成為宜昌運河的引水源頭。目前,黃柏河流域已初步形成了具有防洪、灌溉、供水、發電等多種效益的水資源配置工程體系,在區域經濟社會的可持續發展中發揮著重要作用。

2　研究方法

2.1評價指標體系建立

由于人類經濟社會活動將顯著改變自然資源的數量與質量,即會對生態與環境產生一定的外部壓力,而社會將通過經濟、法律、政策等手段對這些壓力進行相應的響應,從而形成了問題預測、政策形成、監測、評估的反饋環。20世紀80年代末,經濟合作和開發組織(OECD)與聯合國環境規劃署(UNEP)共同提出PSR概念模型[13]。運用該模型可以針對具體研究對象、尺度建立問題產生原因、現狀及反應之間的邏輯關系,且簡便易行。PSR模型充分考慮了外界的壓力干擾、區域的狀態變化和人類的響應措施,目前已廣泛應用于土地利用規劃、資源可持續利用、環境評價等方面,但在河流生態系統健康評價領域應用還不多。

采用PSR模型構建黃柏河生態系統健康評價指標體系具有清晰的因果關系,人類活動對河流健康施加一定的壓力,從而導致河流健康狀態發生一定的變化,而另一方面人類社會對該變化做出響應。因此,筆者從PSR概念模型出發(圖1),遵循整體性、代表性、科學性、可度量性原則,在參考相關研究成果的基礎上,采用專家咨詢法(德爾菲法),邀請水文學、生態學和環境科學等領域的專家遴選評價指標,最后構建包括壓力子系統、狀態子系統和響應子系統3方面15個指標的黃柏河生態系統健康評價指標體系(表1)。

圖1　基于PSR模型的河流生態系統健康評價框架

2.2指標權重計算

目前計算權重的方法可分為客觀賦權法和主觀賦權法兩大類,前者如熵權法、主成分分析法、多目標優化法等;后者如層次分析法、德爾菲法(專家咨詢法)、二項系數法等。考慮到河流生態系統健康評價本身是一種主觀判斷,筆者選用層析分析法確定指標權重,具體步驟見文獻[14]。黃柏河生態系統健康評價指標的權重計算結果見表1。

2.3評價標準確定

由于目前河流生態系統健康尚無明確的或公認的評價標準,因此在實地考察、問卷調查和專家咨詢的基礎上,借鑒國內外河流健康評價研究成果[10-12,15-16],根據健康程度將河流生態系統健康劃分為優(Ⅰ級)、良(Ⅱ級)、中(Ⅲ級)、差(Ⅳ級)和極差(Ⅴ級)5個等級。黃柏河生態系統健康評價指標的分級標準見表2。

表1　黃柏河生態系統健康評價指標體系

表2　黃柏河生態系統健康評價標準

2.4綜合評價模型

河流生態健康評價存在許多不確定性因素,如河流生態系統自身的復雜性和動態性,評價等級標準界限的相對模糊性,評價結果的非線性問題等。1989年我國學者趙克勤[17]基于對立統一觀點提出了聯系數的概念,建立了集對分析理論(set pair analysis,SPA)。該方法能通過差異度系數,直觀反映評價樣本指標與對各級指標標準界限的聯系度,有效解決了評價中等級標準邊界模糊性問題,提高了評價結果的客觀性和可信度[18]。

給定集合A、B,設H=(A,B)是2個集合組成的集對,其基本表達式為

(1)

式中:μA～B為聯系度,又稱為三元聯系度;a、b、c分別為集對的同一度、差異度和對立度,a、b、c∈[0,1],為實數,且a+b+c=1;i為差異度系數,取值區間為[-1,1],體現不確定性,按照實際情況取值;j為對立度系數,通常情況下取定值-1,表示對立度c與同一度a相反。

利用其擴展式五元聯系度進行分析計算,其數學表達式為

(2)

式中:b1、b2、b3、c∈[0,1],且a+b1+b2+b3+c=1;b1、b2、b3為差異度;i1、i2、i3為差異度系數;其他符號同上。

將河流生態系統健康評價樣本的指標值xl(l=1, 2, …,m;m為評價指標數)看成一個集合,把相應指標的評價等級看作另一個集合Bk(k=1, 2, …,n;n為評價等級數),則xl與Bk構成一個集對H=(xl,Bk)。若指標類型為越小越優型指標,評價樣本的指標值xl與河流生態系統健康評價等級k之間的聯系度μl為[18]

(3)

式中:s1、s2、s3、s4為Ⅰ～Ⅴ級界限值。

同理可推得越大越優型指標的數學表達式,類似式(3)。

在此基礎上,計算評價樣本與評價等級k的五元綜合聯系度μk[18]。

(4)

式中:al為指標值xl與該指標第k級標準的同一度，bl,1為指標值xl與該指標第k級標準相差1級的差異度，bl,2為指標值xl與該指標第k級標準相差2級的差異度，bl,3為指標值xl與該指標第k級標準相差3級的差異度，cl為指標值xl與該指標第k級標準的對立度；wl為指標l的綜合權重;wl為指標的綜合權重。

為提高健康評價等級結果的準確性,采用屬性識別理論評判樣本的健康等級[19]。設F為評價對象X上的某類屬性空間,(G1,G2, …,Gk)為屬性空間F的分割。將河流生態系統健康評價等級分為5類,即優、良、中、差和極差,且彼此不相交,滿足G1>G2>G3>G4>G5,則(G1,G2, …,Gk)為屬性空間F的一個強序分割類,屬于有序分割類的識別問題。根據置信度準則,對置信度λ(一般取0.6<λ<0.8),ki計算公式為

(5)

取k值直到滿足式(5),則認為第i個評價樣本xi的健康等級屬于Gki類。根據實際情況,本次評價置信度取0.6。λ越大,則評價結果越傾向于穩妥。

3　結果分析

3.1數據來源

研究數據主要來源于《2014年宜昌市水資源公報》《2014年宜昌市夷陵區環境質量公報》《2014年宜昌市夷陵區國民經濟和社會發展報告》以及黃柏河流域專題調查。黃柏河生態系統健康評價指標現狀值見表3。

表3　黃柏河生態系統健康評價指標現狀結果

3.2評價結果分析

由式(3)計算評價指標與評價等級k之間的μl,在此基礎上,根據各指標權重計算評價樣本與評價標準等級k的綜合聯系度μk,結果見表4。經置信度準則驗證(λ=0.6)0.071+0.409+0.298>0.6,由此得到黃柏河生態系統綜合健康等級處于中等水平,表明黃柏河生態系統健康狀況形勢較為嚴峻。

按照上述計算步驟,可計算得到黃柏河生態系統健康子系統層的聯系度(圖2)。從子系統層來看,壓力子系統處于良好水平(采用置信度準則驗證0.017+0.589>0.6),但黃柏河生態系統仍存在潛在的外部壓力,主要脅迫因子是農藥施用強度、水資源開發利用率、人均綜合用水量、化肥施用強度等,狀態子系統屬于中等水平(經置信度準則驗證0+0.367+0.320>0.6),說明河流生態系統已經受到了較明顯的人類活動干擾,導致生態系統的結構和功能出現了一定程度的退化。20世紀90年代以來,隨著區域經濟社會快速發展,水資源大規模開發利用,流域內生活污水、工業廢水排放量持續增加,特別是礦產資源的過度開發,黃柏河水質狀況明顯下降,部分河段水體富營養化現象嚴重,生物多樣性降低[20]。響應子系統處于良好狀態(采用置信度準則驗證0.466+0.218>0.6),可見當地政府和公眾針對黃柏河的壓力和狀態采取了積極響應措施。

表4　黃柏河生態系統健康目標層評價結果

圖2　黃柏河生態系統健康子系統層評價結果

2005年以來,宜昌市全面啟動黃柏河流域綜合整治工作,關停并轉數十家污染企業,重點實施了五大水污染防治項目,使得黃柏河下游水環境質量發生明顯好轉,但是流域內礦業污染、農業面源污染、水土流失和河道淤積問題依然比較嚴峻,黃柏河流域生態與環境問題仍不容樂觀。2013年5月20日和21日黃柏河東支中上游的天福廟水庫和玄廟觀水庫相繼發生不同程度水華現象。因此,還需要持續開展黃柏河流域綜合整治,建立流域長效管理機制,大力實施控源截污,減輕流域水體污染負荷,加強梯級水庫群科學調度,協調好河道內生態用水與區域社會經濟系統用水之間的關系,同時完善相關政策法規,增強公眾保護環保意識,不斷改善黃柏河生態系統健康水平。

4　結論與討論

在專家咨詢、借鑒相關研究成果等基礎上,利用PSR框架模型建立了黃柏河生態系統健康評價指標體系,采用層次分析法計算各評價指標的權重,確定了各個指標的評價標準,構建了基于集對分析與屬性識別理論的黃柏河生態系統健康綜合評價模型,結果顯示,黃柏河生態系統綜合健康處于中等水平,表明系統受到了一定的外部壓力,河流生態系統的結構和功能逐漸退化,河流生態健康現狀不容樂觀。因此,為改善黃柏河的生態系統健康狀況,需要進一步提高黃柏河流域綜合管理水平、完善黃柏河流域水資源保護管理辦法,動員公眾積極參與流域環境保護,提高公眾環保意識,協調社會經濟發展與水資源保護之間的關系。

由于影響河流生態系統健康狀況的因素眾多,文中所選指標的完整性和代表性仍然存在一些不足,受數據資料所限并未將初級生產力、魚類完整性指數、河流脈動指數、側向連通性等重要指標納入評價指標體系。另外,由于缺少受人類活動影響相對較小歷史時期的監測資料,難以獲取針對研究區域狀況的參考背景值,確定符合研究區域實際情況的評價標準閾值范圍還存在較大困難,因此建立統一、長期的監測體系將是今后我國河流生態系統健康評價和可持續管理的迫切需要。

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Ecosystem health assessment for Huangbai River based on PSR model

PENG Tao1, 2, WANG Zhen1, ZHAO Qiao1, GUO Qian1

(1.CollegeofHydraulicandEnvironmentalEngineering,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China;2.HubeiCollaborativeInnovationCenterforWaterResourcesSecurity,Wuhan430072,China)

Based on the pressure-state-response (PSR) conceptual model, an assessment index system of river ecosystem health was established for quantitative assessment of the ecosystem health status of the Huangbai River. The analytic hierarchy process was used to determine the index weight. The ecosystem health status of the Huangbai River was evaluated comprehensively using set pair analysis and attribute recognition theory. The results show that the comprehensive ecosystem health status of the Huangbai River was at the medium level, with the health status of the pressure subsystem, the state subsystem, and the response subsystem at a high level, medium level, and high level, respectively. The main factors that affect the ecosystem health of the Huangbai River included the water eutrophication index, pesticide application intensity, and soil erosion rate.

river health assessment; PSR model; set pair analysis; attribute recognition theory; Huangbai River

10.3880/j.issn.1004-6933.2016.05.026

宜昌市自然基礎科學研究與應用專項(A16-302-a05);湖北省自然科學基金(2012FFB03802)

彭濤(1973—),男,副教授, 博士, 主要從事水文水資源及生態水文方面研究。E-mail: pengtao306@163.com

X826

A

1004-6933(2016)05-0141-05

2016-01-08編輯：徐娟)