基于壓力-狀態-響應模型的河南省水庫生態安全評估

王國重， 李中原， 張繼宇， 程煥玲， 郝 捷， 甘 容

(1.黃河水文水資源科學研究院， 河南 鄭州450004； 2.河南省水文水資源局， 河南 鄭州450003； 3.河南黃河河務局， 河南 鄭州 450003； 4.河南省水土保持監督監測總站， 河南 鄭州 450008； 5.鄭州大學， 河南 鄭州 450001)

1 研究背景

流域生態安全即流域生態系統在保持其物理、化學及生物完整性的基礎上，處于穩定、可持續狀態，能為人類提供不同的生態產品或服務，并對自然和人為干擾具有一定的自我調節和恢復能力，是流域生態系統完整性和健康水平的整體反映[1]。流域是人類生活和生產活動的重要載體[2]。隨著人口的增加和生產力水平的提高，人類對自然生態系統干預的范圍和程度愈演愈烈，使得流域內水體污染、生態環境逐步惡化。為了流域的可持續發展、恢復和管理流域生態，首先需要對流域生態安全進行評估。目前生態安全評估還處于探索階段，尚未形成系統的評估指標體系和評估方法。關于生態安全的評估，國內外通用的主要有國際經濟合作與發展組織提出的“壓力-狀態-響應(PSR)”評估體系[3]、聯合國可持續發展委員會建議的“驅動力-狀態-響應(DSR)”體系[4]、歐洲環境署的“驅動力-壓力-狀態-影響-響應(DPSIR)”體系[5]；相應的評估方法則以綜合指數法、層次分析法、模糊數學法、熵值法、灰色理論法等為主[6-7]。

“壓力-狀態-響應 (PSR)”方法考慮了社會經濟、環境生態、資源等方面的影響，指標體系較為完整且能夠清晰反映出各種因素之間的相關性，因而深受研究者的青睞，應用也最為廣泛[8-13]。但是這些應用往往局限于區域生態安全、某個流域或具體的某個水庫生態安全的評估，針對大范圍大量水庫的研究卻未見報道。河南省橫跨長江、黃河、海河、淮河四大流域，水庫眾多且分布廣泛，本研究采用PSR方法從壓力、狀態、響應3個方面建立水庫流域安全評價指標體系，利用熵值法確定各個指標的權重，通過綜合評價指數嘗試對河南省2005和2015年大型水庫流域的生態安全進行評估，為水庫環境的管理提供依據。

2 研究區概況及數據來源

2.1 研究區概況

河南省位于中國中東部、黃河中下游，介于北緯31°23′～36°22′，東經110°21′～116°39′之間，全省總面積16.7×104km2，屬北亞熱帶向暖溫帶過渡的大陸性季風氣候。河南省多年平均水資源總量403.5×108m3，不足全國的1.42%，人均水資源量不及全國平均水平的1/5，隨著人口增加、城鎮化的快速推進和社會經濟的高速發展，對水資源的需求與日俱增。同時，由于經濟發展和城市規模的擴大，污廢水排放量逐年增加，造成許多河流污染嚴重，逐漸喪失了飲用水功能，加劇了這種缺水態勢。作為優質水來源的水庫，總體水質優于河流，在很多區域尤其是嚴重缺水地區，已經逐步取代河流成為主要的飲用水水源地。因此，保護水庫水質就關系到全省飲水安全和經濟發展。

本文以河南省環保部門日常監測的22座大型水庫為例，對其2005、2015年的環境生態狀況進行評估，為水庫流域環境生態治理與水源區水質保護提供依據。這22座水庫的分布及特征參數如表1所示。

2.2 數據來源

采用的數據主要來自2005、2015年河南省統計年鑒、河南省水資源公報、河南省環境狀況公報、河南省水土保持規劃。由于不同的指標具有不同的變異程度和不同的單位，需要對這些數據進行無量綱化處理，以消除變量的變異影響、量綱影響及數據大小的影響。

3 研究方法

3.1 PSR模型與指標體系

借鑒國內外相關研究成果，依據科學性、完整性、目標性、可行性和數據的可獲得性原則及河南省的實際，從社會、經濟與資源環境等方面選取同水庫流域生態環境和水質密切相關的指標，并將評價指標體系分成4個層次：第1層為評價目標,即環境安全性；第2層為準則層,即壓力、狀態、響應3個方面；第3層為指標層；第4層為評價單元(水庫流域)。確定指標權重的常用方法主要有主成分分析、層次分析、AHP法、熵值法等[14-15]，這里采用熵值法，因為該法受主觀因素的影響較小。評估指標體系與各指標相應的權重見表2、3所示。

3.2 指標權重的確定

3.2.1 無量綱樣本矩陣的建立 設P1,P2,P3,…,Pn為評估區域生態安全的n個指標，S1,S2,S3,…,Sm為其中的m個樣本，樣本Si在指標Pj下的實測值為Qij，這樣就形成了m個樣本n個指標的矩陣(Qij)m×n。該矩陣中各指標的量綱、數量級以及指標之間的優劣程度u差異很大，需要對該矩陣中的數據做無量綱化處理，處理公式見公式(1)和(2)所示。

(1)

(2)

式中：Qij為第i個樣本中第j個指標的實測值；yij為經標準化處理后第i個樣本中第j個指標的值；(Qij)max、(Qij)min分別為Pj為正向指標時所取的

表1 河南省22座大型水庫的分布與特征參數

表2 2005年各評價指標的權重

表3 2015年各評價指標的權重

最大值和負向指標時所取的最小值。正向指標是指數值越大越好的指標，如發電量、產量、效益；負向指標則是指數值越小越好的指標，如投資、成本、土壤侵蝕模數等。

3.2.2 評估指標權重的確定 熵值理論計算各個指標的權重比較客觀，第j項指標的熵值Ej可由斯蒂林公式得到，詳見公式(3)。而某項指標的效用價值則取決于該指標的熵值Ej與1的差值，見公式(4)。

(3)

hj=1-Ej

(4)

式中： 常數k=(lnm)-1。

則第j項指標的權重為：

(5)

各指標經無量綱化處理后，再由公式(3)～(5)計算，就得到了2005、2015年各個指標的權重，見表2、3所示。

3.3 流域生態安全評估

生態安全綜合指數作為衡量區域生態環境狀況優劣程度的數量尺度，是由單個的要素指標綜合而成，能夠揭示區域生態環境狀況的變異，常常作為全面評估區域生態環境狀況和環境管理的依據，因此應用十分廣泛[16-20]。采用該方法對河南省22座大型水庫2005、2015年生態環境狀況進行評估。

各個指標加權求和就得到了流域的生態安全綜合指數，用公式表示為：

(6)

式中：Ai為第i個樣本(這里指水庫)的生態安全綜合指數；yij為各指標數據標準化后的數值；wj為第j項指標的權重。

經公式(6)計算可得到這22座水庫2005、2015年的生態安全綜合指數，見圖1、2及表4所示。

圖1 2005年22座大型水庫生態安全綜合指數

圖2 2015年22座大型水庫生態安全綜合指數

4 結果分析

從圖1、表4可以看出：2005年這22座大型水庫中，生態安全綜合指數在0.6以上的只有南灣水庫和宿鴨湖水庫；在0.5～0.6之間的有石山口、潑河、板橋、鲇魚山、鴨河口等5座水庫；在0.4～0.5之間的有五岳、石漫灘、薄山、昭平臺、白龜山、孤石灘、陸渾、宋家場、小浪底、丹江口等10座水庫；其余5座水庫在0.4以下，處于危險邊緣，如果不及時采取措施予以改善就有陷入不安全狀態的可能。從圖2、表4可知：2015年生態安全綜合指數在0.6以上也是2座：南灣和板橋水庫；石山口、五岳、潑河、宿鴨湖、鲇魚山、鴨河口這6座水庫的安全綜合指數在0.5～0.6之間；在0.4～0.5之間的有石漫灘、薄山、昭平臺、白龜山、故縣、陸渾、宋家場、小浪底、丹江口等9座水庫；白沙、孤石灘、窄口、三門峽、盤石頭等5座水庫的生態安全綜合指數在0.4以下，0.4～0.5之間的水庫較2005年還少了1座，這說明需要采取措施保護流域生態環境、確保水庫水質安全。

表4 22座水庫2005、2015年的生態安全綜合指數

注：2005年平均生態安全綜合指數為0.46846；2015年為0.47418。

這22座水庫的平均生態安全綜合指數：2005年為0.468 46, 2015年為0.474 18。2005年在平均值之上的水庫有12座：南灣、石山口、五岳、潑河、板橋、宿鴨湖、薄山、鲇魚山、白龜山、陸渾、鴨河口、丹江口，其余的10座低于平均值；2015年在平均值之上的有南灣、石山口、五岳、潑河、板橋、宿鴨湖、鲇魚山、陸渾、鴨河口、宋家場、丹江口等11座，另外的11座水庫在平均值以下。2015年的平均安全綜合指數比2005年有明顯的提高，說明水庫生態問題引起了一些地方的重視并采取了相應的措施，但生態安全綜合指數達到平均水平的水庫卻比2005年還少了1座，這也說明流域水環境安全不僅僅是采取些措施進行治理就可以好轉的，還需要出臺一系列的政策措施、保障措施。

比較圖1、2和表4不難看出：經濟發展水平與流域生態安全不是直接的正比關系。駐馬店和信陽的經濟發展水平在河南省處于中等偏下的位置，但其水庫的生態安全綜合指數卻很高，2005年信陽南灣水庫的生態安全綜合指數是0.613 89，居各大水庫之首，2015年為0.618 06，居于第2位；駐馬店的板橋水庫生態安全綜合指數，2005年為0.519 19，居于第5位，但2015年其生態安全綜合指數卻達到了0.621 05，居于首位。洛陽的經濟發展水平排在全省前列，但小浪底水庫的水生態安全卻與之相背：2005年的生態安全綜合指數為0.44657，在各水庫中居第15位，2015年為0.406 01，居于第17位，而且都低于平均值。這可能與粗放型的經濟發展方式有關，以犧牲環境來換取經濟發展最終將會得不償失。所以在發展經濟的同時還要注意對環境的保護。

5 結 論

通過PSR模型建立了河南省水庫生態安全評估的指標體系，采用熵值法確定了各個指標的權重，根據綜合評估指數對2005和2015年河南省22座大型水庫的生態安全進行了評估，主要結論如下：

(1)2015年22座水庫的平均生態安全綜合指數較2005年有明顯提高，但仍然有5座水庫(占總數的22.73%)的生態安全綜合指數在0.4以下，環境狀況處于危險邊緣。

(2)經濟發展水平與流域生態安全不是直接的正比關系，經濟發展水平較高的區域其水庫生態環境狀況往往較差。說明在發展經濟的同時，應該注意對環境的保護，實現人與自然和諧發展。

河南省水庫眾多且分布于長江、黃河、海河、淮河四大流域，在全國很具有代表性。實際的研究表明：PSR模型也可用于大范圍大量水庫的環境生態評估，拓寬了該方法的應用領域。