基于信息熵的溢油對天然漁業(yè)可持續(xù)承載力損害的評估

嚴志宇, 王嘉琦, 孫 冰, 付紅蕊, 任 杰

(大連海事大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 遼寧 大連 116026)

海洋生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)能力是海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ), 其影響因素包括社會、經(jīng)濟、資源和環(huán)境等, 其中人類對資源的過度開采、對環(huán)境的事故型污染為生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展的可持續(xù)能力帶來的巨大壓力和風(fēng)險。在目前環(huán)境污染事件研究中, 人們關(guān)注的多為經(jīng)濟損失[1-3], 對環(huán)境可持續(xù)承載力的損害尚未引起足夠的重視, 然而對其準確評估是海洋保護和治理的關(guān)鍵。由于各因素之間關(guān)系復(fù)雜及生態(tài)系統(tǒng)本身存在著大量不確定性, 研究科學(xué)的、合理的評價方法具有重要意義。

1948年, Shannon[4]創(chuàng)立信息論, 提出了“信息熵”(Information Entropy)的概念, 用來表征系統(tǒng)的無序和混亂程度、判斷系統(tǒng)的演化方向。目前, 國內(nèi)外許多科學(xué)家將信息熵廣泛應(yīng)用于可持續(xù)發(fā)展分析,如: 環(huán)境管理、能源利用、經(jīng)濟系統(tǒng)質(zhì)量增長、人口密度演化、生態(tài)安全等方面[5-7]。將信息熵運用到海洋生態(tài)系統(tǒng)演化的研究成果卻很少[8-10], 用于其可持續(xù)承載力的損害評估尚未見報道。海洋生態(tài)系統(tǒng)是一個復(fù)雜體系, 在對其功能的非理性依賴和環(huán)境的肆意破壞中, 人類與海洋的相互作用不斷增大,形成“人—海”復(fù)合生態(tài)系統(tǒng), 各子系統(tǒng)之間內(nèi)在的協(xié)調(diào)性和修復(fù)能力體現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展能力的本質(zhì)特征[8]。溢油對海洋生態(tài)環(huán)境的影響是巨大、深刻和持久的, 因此作者以溢油事故為切入點, 以海洋天然漁業(yè)損害為實例, 從“人—海”復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)整體視角, 采用耗散結(jié)構(gòu)及信息熵的理論和方法, 將天然漁場生態(tài)系統(tǒng)的功能服務(wù)、污染事故、壓力代謝和修復(fù)治理等過程進行熵流、熵產(chǎn)生特征分析, 建立指標體系, 以綜合發(fā)展的觀點, 探索海洋生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)承載力損害評估的可行方法, 探討面臨突發(fā)性破壞下海洋生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展能力演變特征, 為生態(tài)損害評估、生態(tài)修復(fù)和環(huán)境管理決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 評估方法

熵是度量系統(tǒng)有序度的一個狀態(tài)參量, 其值越高, 表示系統(tǒng)越無序, 污染尤其事故型污染會使海洋生態(tài)系統(tǒng)熵值急劇增加。熵變包括熵流和熵產(chǎn)生,在生態(tài)系統(tǒng)中, 前者反映其與外界的協(xié)調(diào)性, 后者反映其內(nèi)部的活力[9], 污染事故發(fā)生后, 總的熵增反映其健康狀況惡化, 其可持續(xù)承載力受到了影響。本文用信息熵進行溢油損害評價中, 首先建立海洋天然漁業(yè)評價指標體系, 在狀態(tài)信息熵基礎(chǔ)上計算溢油前后海洋生態(tài)系統(tǒng)的熵流和熵產(chǎn)生, 對其有序度進行分析, 判斷溢油對其可持續(xù)承載力的影響。再利用指標信息熵確定的各個指標的權(quán)重, 可得到綜合評價數(shù)值, 以此可對海洋天然漁業(yè)的可持續(xù)承載力進行分析和評價。

1.1 計算方法

根據(jù)信息熵分析可持續(xù)發(fā)展的方法原理, 針對溢油事故特點, 作者對文獻[8, 9]中信息熵分析可持續(xù)發(fā)展的方法略做調(diào)整, 如: 年份信息熵用狀態(tài)信息熵替代, 數(shù)據(jù)的標準化方法按正向指標計算, 在綜合評價中加方向指數(shù)αf。

具體的方法如下:

信息熵的計算公式為:

式中,S為不確定性系統(tǒng)的信息熵,Pi表示不確定性系統(tǒng)狀態(tài)隨機變量X的概率,n為變量數(shù)。

如果, 目標層有k個次準則層, 每層l個指標,共n個指標, 評價系統(tǒng)的m個狀態(tài)。系統(tǒng)演變某個狀態(tài)總熵變?yōu)?

式中, ΔS為狀態(tài)信息熵;i為具體指標;n為總指標數(shù);qij為標準化的指標值;qj為第j個狀態(tài)的標準化指標值的總和。

評價指標的權(quán)重用指標信息熵計算:

式中,Ei為第i項指標的信息熵;m為狀態(tài)數(shù), 一般按年確定評價狀態(tài),m則為評價的年份數(shù);qi為第i項指標所有狀態(tài)的標準化數(shù)值之和;

i的熵權(quán)則為:

當評價指標體系一般分為目標層、準則層、次準則層和要素層, 則綜合評價為:

式中,G為綜合評價結(jié)果;Gf為次準則層f綜合評價結(jié)果;αf為次準則層f的方向指數(shù), 正向為1, 負向為-1;k為次準則層數(shù);l為次準則層中的指標數(shù),n=l×k。

數(shù)據(jù)標準化方法為:qij=xij/max(x) , (6)式中,xij為i指標各狀態(tài)的原始數(shù)據(jù); max(x)為x可能的最大值, 不一定為原始數(shù)據(jù)中的最大值。標準化后,數(shù)值在 0～1。

1.2 指標體系

針對溢油事故前后生態(tài)變化特點, 作者對海洋生態(tài)系統(tǒng)的熵變將從狀態(tài)、功能、損害、修復(fù) 4個方面(即k=4)構(gòu)建以下指標體系: 支持型輸出熵ΔeS1,反映海洋生態(tài)系統(tǒng)的功能和提供服務(wù)價值的支持能力; 污染型輸入熵ΔeS2, 反映溢油的污染強度和削弱的海洋可持續(xù)發(fā)展的能力; 壓力型代謝熵ΔiS2, 反映海洋生態(tài)系統(tǒng)的健康和應(yīng)對外界壓力的承載能力;修復(fù)型還原熵ΔiS1, 反映溢油污染治理和生態(tài)修復(fù),是可持續(xù)發(fā)展的恢復(fù)。支持型輸出熵指標和修復(fù)型還原熵指標定義為正向指標,α=1; 污染型輸入熵和壓力代謝型定義為負向指標,α=-1。針對天然漁業(yè)可持續(xù)承載力的評價, 確定的每個次準對應(yīng)至少 3個要素(即l＞3), 建立的指標體系如表1所示。

表1 海洋天然漁業(yè)可持續(xù)承載力變化評價指標體系Tab. 1 Evaluation index system for sustainable change of the sustainable bearing capacity of marine natural fisheries

2 應(yīng)用示例

2002年11月23日在天津大沽口東部海域馬耳他籍郵輪“塔斯曼海”輪發(fā)生原油泄漏, 200多噸輕質(zhì)原油進入水體, 污染面積按260 km2, 天然漁業(yè)資源損失為79.05萬元, 捕撈業(yè)損失為280萬元。該事故調(diào)查和賠償結(jié)果已被公開[11], 作者以此為示例, 探討天然漁業(yè)承載力損害評估方法的特點和可行性。

由于數(shù)據(jù)有限, 評價指標根據(jù)數(shù)據(jù)特征對表 1略有調(diào)整, 且只評價溢油前后兩個狀態(tài), 即m=2, 另外,溢油后狀態(tài)所處的具體時間根據(jù)獲得數(shù)據(jù)會有不同。本示例中建立的指標體系及數(shù)據(jù)標準化的結(jié)果見表2。

表2 “塔斯曼海”溢油前后指標值及權(quán)值計算結(jié)果Tab. 2 Calculation results of indicator values and weights before and after oil spills in the Tasman Sea

根據(jù)熵變計算公式, 溢油前后天然漁業(yè)熵變計算的結(jié)果見表3, 次準則層指標的綜合評價結(jié)果及總評價見表4。

從表3可看出, 溢油后支持型輸出熵流減少45.1%,顯然是和溢油造成的污染型輸入熵流增加331.7%有關(guān), 同時壓力型代謝熵明顯增加。修復(fù)還原型熵降低44.8%, 反映的是溢油治理效果, 和溢油造成的危害相比, 是遠遠不夠的。熵流增加49.3%, 反映溢油造成海洋生態(tài)系統(tǒng)與外界的協(xié)調(diào)性穩(wěn)定性降低。熵產(chǎn)生的大幅增加, 達 86.4%, 反映溢油后, 生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)部活力嚴重削弱, 即結(jié)構(gòu)和功能衰退, 自我調(diào)控能力下降。總熵變增加70.1%, 反映出天然漁業(yè)的可持續(xù)承載力的健康穩(wěn)定性遭到破壞的程度很嚴重。

從表 4的綜合評價結(jié)果可看出, 污染型輸入熵指標得分增加 3174%, 造成的支持型輸出熵指標綜合得分降低94.7%。結(jié)合修復(fù)還原熵指標, 總的評價結(jié)果仍然下降 194.9%, 說明溢油污染造成的天然漁業(yè)承載力的破壞, 并未因修復(fù)治理得到緩解。可見,對生態(tài)承載力損害進行評估是進行徹底的治理的保障, 這也是本論文的意義所在。

表3 溢油前后天然漁業(yè)熵變Tab. 3 Entropy change of the natural fishery before and after the oil spill

表4 溢油前后次準則層指標的綜合評價和總評價結(jié)果Tab. 4 Comprehensive evaluation and general evaluation results of sub-criteria index indicators before and after the oil spill

作者示例是在有限數(shù)據(jù)上進行的, 評價的是溢油發(fā)生一年內(nèi)的情況, 而且表 2根據(jù)數(shù)據(jù)的來源對表1進行了調(diào)整, 評價結(jié)果可用于參考。真正完整的溢油天然漁業(yè)可持續(xù)承載力的損失評估工作需要完整的數(shù)據(jù), 可根據(jù)表 1的指標體系的需求加強相關(guān)的監(jiān)測工作, 尤其是長期監(jiān)測, 這可使得溢油生態(tài)損害評估能從更長遠的角度來進行。在更全面和長期的溢油生態(tài)損害評估的指導(dǎo)下, 溢油的治理不僅僅能對短期海洋生態(tài)經(jīng)濟效益進行有效恢復(fù), 更能對海洋生態(tài)健康和發(fā)展做出長遠保護。

3 結(jié)論

作者建立了用信息熵評估溢油對天然漁業(yè)可持續(xù)承載力損害的指標體系, 并以“塔斯曼海”輪溢油事故為例, 進行計算和評估。根據(jù)綜合評價的結(jié)果可看出: 溢油使海洋生態(tài)系統(tǒng)的價值產(chǎn)出能力下降94.7%、總的承載力下降194.9%; 溢油治理和環(huán)境修復(fù)未能恢復(fù)天然漁業(yè)可持續(xù)承載力。本研究表明需要加強溢油對海洋生態(tài)損害的深刻認識, 才能更徹底、有效地進行環(huán)境治理和生態(tài)修復(fù)。在這方面, 本評價可成為對現(xiàn)有溢油損害評價的有利補充。