基于不同模型在水生態(tài)健康評價中的應(yīng)用

郭昉晨

(遼寧省遼河防洪工程有限責(zé)任公司,沈陽 110179)

1 評價指標(biāo)體系建立

水生生態(tài)系統(tǒng)在本質(zhì)上是一個相對開放和活躍的生態(tài)系統(tǒng)類型[1],是受人類活動影響最大的生態(tài)系統(tǒng)之一;與河流水生態(tài)系統(tǒng)不同,文章所研究的流域水生態(tài)系統(tǒng)健康評價,除了包含河流生態(tài)健康的評價,還要綜合考慮人類健康與社會經(jīng)濟(jì)的因素。通過對這些因素的綜合分析,才能科學(xué)合理的得出流域水生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。

1.1 水生態(tài)系統(tǒng)活力

一個生態(tài)系統(tǒng)是否有活力是衡量一個生態(tài)系統(tǒng)能否可持續(xù)發(fā)展的重要指標(biāo)[2],生態(tài)系統(tǒng)的活力主要通過經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢,經(jīng)濟(jì)效率以及人口變化趨勢體現(xiàn)。

在經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面,本溪地區(qū)近些年社會經(jīng)濟(jì)水平變化較大,人均GDP在2010—2013年一直呈現(xiàn)上升趨勢,在2013—2016年有小幅下降。在經(jīng)濟(jì)效率方面,提升GDP的同時減少耗水量就可以減少生態(tài)系統(tǒng)的供水壓力。在人口變化趨勢方面,本溪地區(qū)隨著工業(yè)的衰退造成了人口流失,除2014年之外,近年來本溪地區(qū)的人口總數(shù)一直是負(fù)增長,人口的數(shù)量和生態(tài)系統(tǒng)的健康密切相關(guān),過多的人口會增加水生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。綜上所述,選取人均GDP、萬元GDP耗水量、人口自然增長率和人口密度作為水生態(tài)系統(tǒng)活力的評價指標(biāo)

1.2 水生態(tài)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)

水生態(tài)系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)包括構(gòu)成流域生態(tài)系統(tǒng)的生物部分及非生物部分。在水資源方面,與遼寧省的其他城市相比,本溪市地表水較為豐富,年平均降水量高于遼寧省平均水平,但受季風(fēng)氣候影響,水資源年季變化較大,降水主要集中在六、七、八月份;因此在旱季經(jīng)常出現(xiàn)中小河流斷流的現(xiàn)象,導(dǎo)致局部地區(qū)長期出現(xiàn)地下水超采,嚴(yán)重影響水生態(tài)健康。相關(guān)部門認(rèn)識到這一問題后已經(jīng)開始控制本溪地區(qū)對地下水的開發(fā)利用,近幾年地下水供水量逐年減少;與此同時水中的藻類細(xì)胞密度以及底棲動物的完整性可以比較客觀的反映出水生態(tài)系統(tǒng)的變化,藻類細(xì)胞生物作為最初級的生產(chǎn)者,是能量流動的起點,具有一定的預(yù)見性,經(jīng)常被用于水體富營養(yǎng)化的監(jiān)測,過量的氨氮等營養(yǎng)物質(zhì)排放會對藻類生長起促進(jìn)作用,而底棲動物是構(gòu)成水生態(tài)系統(tǒng)的組成部分[3-5],可以加速水生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)分解和營養(yǎng)循環(huán),底棲動物的種類越豐富,對于水生態(tài)系統(tǒng)的健康越有利;因為底棲動物的分布和數(shù)量對水源保護(hù)特別敏感,因此,它經(jīng)常被用作環(huán)境監(jiān)測的指示動物。綜上所述,選取地下水供水量、水體中藻類細(xì)胞密度、底棲動物完整性作為水生態(tài)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)的評價指標(biāo)。

1.3 水生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力

水生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)力強(qiáng)弱,是衡量生態(tài)系統(tǒng)能否穩(wěn)定發(fā)展的重要指標(biāo)[6-7],其中有害物質(zhì)的排放對流域生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)力影響較大。近幾年為了減少城鎮(zhèn)污水以及工業(yè)廢水的排放,政府和企業(yè)極其重視廢水的處理排放,城鎮(zhèn)污水以及工業(yè)氨氮的處理率都有了顯著提升,一定程度上反映出了相關(guān)部門對水環(huán)境保護(hù)的重視程度;同時根據(jù)之前三部分對水資源、水環(huán)境、水生態(tài)三個方面承載力的研究,發(fā)現(xiàn)這三方面的承載力基本可以達(dá)到一般承載,但從觀察影響承載力指標(biāo)的變化趨勢,可以看出近年來本溪市廢水的排放總量以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境之間的矛盾增加,成為限制這三方面承載力提高的主要因素,不利于地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)。 綜上所述,選取城市污水處理率、工業(yè)氨氮去除率、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)作為水生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力的評價指標(biāo)。

1.4 水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能

水生態(tài)系統(tǒng)同時也影響著自然條件和人類生活,水生態(tài)系統(tǒng)中可用的水資源總量決定著水資源的供給能力;水生態(tài)系統(tǒng)越健康,供水能力就越大。水生態(tài)系統(tǒng)也有調(diào)節(jié)氣候的能力,河流和湖泊的比熱容比陸地大,遇熱升溫慢,遇冷降溫也慢,而且河流和湖泊通過蒸發(fā),使空中水汽含量多,云量多,年平均降水量增加,濕度增大,有利于加快本溪地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的水循環(huán)。綜上所述,選取人均水資源量、年平均相對濕度、年平均降水量作為水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的評價指標(biāo)。水生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系,見表1;水生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)數(shù)據(jù),見表2。

表1 水生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系

表2 水生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)數(shù)據(jù)

2 模型的建立

2.1 評價等級的劃分

水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況受眾多條件影響,涵蓋自然地理,人類活動等諸多因素,文章通過結(jié)合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)和地方標(biāo)準(zhǔn),參考相關(guān)文獻(xiàn),計算相關(guān)指標(biāo)的發(fā)展趨勢以及對比專家以往的經(jīng)驗值4種方法,對水環(huán)境承載力指標(biāo)劃分成了5個等級,以定量直觀地反映各等級因素對承載力的影響程度。評價指標(biāo)極性及等級劃分表,見表3。

表3 評價指標(biāo)極性及等級劃分表

2.2 指標(biāo)權(quán)重的計算

為了避免主觀因素對指標(biāo)權(quán)重的影響,在權(quán)重計算時考慮人的價值,保證權(quán)重計算的全面性,因此,采用組合權(quán)重法確定指標(biāo)權(quán)重。首先采用模糊層次分析法確定主觀權(quán)重,然后采用熵權(quán)法計算客觀權(quán)重。最后,將2種方法得到的主客觀權(quán)重進(jìn)行耦合,得到水生態(tài)健康系統(tǒng)各指標(biāo)的綜合權(quán)重。根據(jù)表1確定的評價指標(biāo)體系以及表2中制定的數(shù)量標(biāo)度,建立水生態(tài)健康系統(tǒng)承載力的模糊一致判斷矩陣。

得出矩陣后,根據(jù)a=(n-1)/2,計算出準(zhǔn)則層a取1.5,4個指標(biāo)層a分別取1.5,1,1.5和1。再求得各指標(biāo)的主觀權(quán)重。接著用熵權(quán)法計算客觀權(quán)重,根據(jù)14個評價指標(biāo)2010—2018年的數(shù)據(jù)資料構(gòu)造熵權(quán)法的判斷矩陣R=(rij)n×m,然后根據(jù)指標(biāo)的極性,對得到的矩陣進(jìn)行歸一處理,得到新的標(biāo)準(zhǔn)化矩陣,再計算各指標(biāo)客觀權(quán)重及組合權(quán)重,利用各指標(biāo)客觀權(quán)重乘以其指標(biāo)實際值構(gòu)成準(zhǔn)則層判斷矩陣,根據(jù)熵權(quán)法得到準(zhǔn)則層標(biāo)準(zhǔn)化矩陣,最后得到準(zhǔn)則層的客觀權(quán)重及綜合權(quán)重。水生態(tài)健康評價指標(biāo)權(quán)重值,見表4。

表4 水生態(tài)健康評價指標(biāo)權(quán)重值

3 結(jié)果及分析

3.1 模糊綜合評判評價結(jié)果

將2010—2018年各個指標(biāo)的具體數(shù)值按照指標(biāo)極性和大小的分類,根據(jù)模糊綜合評判模型計算公式,得到本溪地區(qū)2010—2018年的隸屬度矩陣,將權(quán)重矩陣與隸屬度矩陣相乘得到模糊綜合評價矩陣,最后將矩陣進(jìn)行量化得出水生態(tài)系統(tǒng)健康評價的最終評價結(jié)果,本溪市水生態(tài)系統(tǒng)健康評價結(jié)果,見表5。

表5 本溪市水生態(tài)系統(tǒng)健康評價結(jié)果

由表5可以看出本溪地區(qū)的水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況呈現(xiàn)出逐漸變好的趨勢,且評價值基本在0.42到0.55之間波動,最后3a的評價數(shù)值均在0.5以上,說明水生態(tài)系統(tǒng)的健康有變好的趨勢。本溪市水生態(tài)系統(tǒng)健康評價結(jié)果MK趨勢結(jié)果為Z=10.4,表明可知2010—2018年間本溪市水生態(tài)系統(tǒng)健康評價有上升的趨勢,但未通過顯著性檢驗。

3.2 物元分析評價結(jié)果

將各個指標(biāo)的數(shù)據(jù)按照其所在的經(jīng)典域和節(jié)域分別進(jìn)行關(guān)聯(lián)度計算。2010—2018年各個指標(biāo)等級變化趨勢,各年份水生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)對應(yīng)各評價等級,見表6;各年份水生態(tài)系統(tǒng)對各評價等級的綜合關(guān)聯(lián)度,見表7。

表6 各年份水生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)對應(yīng)各評價等級

表7 各年份水生態(tài)系統(tǒng)對各評價等級的綜合關(guān)聯(lián)度

從表6可以看出近幾年人均GDP、萬元GDP水耗、地下水供水量、城鎮(zhèn)污水處理率、工業(yè)氨氮去除率五個指標(biāo)呈現(xiàn)出利于健康狀況變好的趨勢,而水體藻類細(xì)胞密度、年平均降水量則不利于健康狀況向好的方向發(fā)展。

根據(jù)表7的結(jié)果,可以看出各年的水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況均為一般。從綜合關(guān)聯(lián)度的數(shù)據(jù)分析可以看出,本溪地區(qū)近幾年的水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況極其穩(wěn)定,評價等級均為3級;而且觀察每年的綜合關(guān)聯(lián)度數(shù)值可以發(fā)現(xiàn),2010年,2015年和2018年的關(guān)聯(lián)度數(shù)值在-0.1～0之間,雖然為負(fù)數(shù)但與0很接近,說明雖然不完全符合一般的評價標(biāo)準(zhǔn),但極容易向一般的方向轉(zhuǎn)化。而其余年份的最大關(guān)聯(lián)度數(shù)值均為正數(shù),說明完全滿足健康狀況為一般的評價標(biāo)準(zhǔn)。各年份物元分析評價結(jié)果匯總,見表8。

3.3 評價結(jié)果趨勢分析

綜合上述的模糊綜合評價模型與物元分析模型得出的結(jié)論,可以看出兩種模型得出的最終結(jié)果一致,說明本溪地區(qū)的水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況一直穩(wěn)定在一般的水平,但從模糊綜合模型的數(shù)據(jù)變化趨勢上可以看出,本溪地區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況自2014年之后開始逐漸變好。在2012年之前,本溪地區(qū)廢水排放量較多且對于城鎮(zhèn)污水與工業(yè)廢水的處理率并不高;此外2011年的年平均降水量較少,導(dǎo)致對地下水的利用較多,因此最終的評價結(jié)果數(shù)值較小。近幾年本溪地區(qū)減少了對地下水的開發(fā)利用,加強(qiáng)了廢水的處理,使這兩方面對應(yīng)的指標(biāo)逐漸有利于水生態(tài)系統(tǒng)的健康,但是近幾年水體中藻類細(xì)胞密度和廢水排放總量又有逐漸增加的趨勢,限制了水生態(tài)系統(tǒng)向更好的等級轉(zhuǎn)化。

從表8可以看出單個指標(biāo)對應(yīng)的評價等級的變化趨勢,其中本溪地區(qū)的萬元GDP水耗以及人口自然增長率一直比較有利于水生態(tài)系統(tǒng)的健康,而人均GDP和年平均相對濕度則一直較差,不利于生態(tài)系統(tǒng)的健康;此外,人口密度和底棲動物完整性這兩個指標(biāo)數(shù)據(jù)一直處于3級經(jīng)典域,水資源、水環(huán)境與水生態(tài)承載力這3個指標(biāo)近幾年的波動并不大,因此這些指標(biāo)對水生態(tài)系統(tǒng)的健康影響不大。與之前較為穩(wěn)定的指標(biāo)相反,本溪地區(qū)地下水供水量、城鎮(zhèn)污水處理率和工業(yè)氨氮去除率均在政府和相關(guān)部門的管控下由差變好,但水體中藻類細(xì)胞密度、年平均降水量卻由好變壞,廢水排放總量在經(jīng)歷了2013與2014年的改善之后也逐漸變差。

4 結(jié) 語

要使本溪地區(qū)的水生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)健康的發(fā)展,使今后的健康狀況向較好甚至好的方向轉(zhuǎn)變,需要繼續(xù)堅持對地下水開發(fā)利用的保護(hù)和對廢水的高處理率,同時相關(guān)單位需重視近幾年廢水排放量的增加以及水體中藻類細(xì)胞的增多,注意協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境之間的矛盾。