小流域生态安全动态评估方法体系研究——以思蒙河小流域丹棱段为例

田晓刚，谢　强，翟世明，刘馨越

(1.四川省环境保护科学研究院，成都　610041；2.成都市锦江区环保局，成都　610000)

· 生态环境 ·

小流域生态安全动态评估方法体系研究
——以思蒙河小流域丹棱段为例

田晓刚1，谢强1，翟世明2，刘馨越1

(1.四川省环境保护科学研究院，成都610041；2.成都市锦江区环保局，成都610000)

针对小流域生态环境动态变化的特点以及区域生态安全评估的基本特征，基于层次分析法、DPSR概念模型、灰色靶分析以及模糊数学理论，通过算法的耦合及改进，开发了小流域生态安全动态评估方法体系。思蒙河是四川省重点整治的32条小流域之一，通过将该方法体系应用于2013年思蒙河小流域丹棱段的生态安全评估，验证了方法体系的系统性、适应性以及动态性。结果表明：2013年思蒙河小流域丹棱段控制单元整体的生态安全处于较不安全等级，生态环境恶化趋势尚未得到有效遏制；在未来思蒙河小流域丹棱段的生态保护及环境治理中，畜禽粪便的综合利用、化肥施用量的控制、水环境污染的综合治理以及小流域生态景观的打造与优化等四个方面的措施需要进一步加强。

生态安全；动态评估方法体系；小流域；思蒙河丹棱段

1　引　言

小流域是一个相对的概念，目前尚无统一的划分标准，在美国是指面积小于1000km2的流域，欧洲和日本则将其面积界定为50～100km2，而我国小流域面积都以小于100km2为限[1]。随着小流域社会经济的快速发展，小流域生态安全面临的压力也日趋增大。小流域生态安全的综合评估是小流域生态环境管理的决策基础，对小流域的可持续发展具有重要的意义。目前，国内外学者在区域生态安全评估领域开展广泛的研究[2～6]，而针对小流域生态安全的研究则相对较少，国内外关于小流域生态安全评估方法的研究主要有：基于线性规划模型的小流域生态脆弱性评估[7]，基于生态足迹模型对小流域生态累积影响的评估[8,9]，基于遥感和GIS技术的小流域生态安全评估[10,11]，基于PSR模型(及其衍生模型)与层次分析法的小流域生态安全评估[12～16]等。小流域生态安全评估是一个多层次、多关联性以及多影响因素的动态过程，而目前针对小流域生态安全评估的方法体系大多采用单一的定量化模型对小流域生态安全进行静态评估，因此难以达到理想的评估效果。本文基于小流域特征，通过层次分析法和DPSR概念模型的耦合构建了小流域生态安全评估体系，并结合灰色靶分析理论和模糊数学理论，通过对传统模型理论进行算法改进和算法耦合开发出小流域生态安全动态评估方法体系。本文以思蒙河小流域丹棱段为例，对构建的小流域生态安全动态评估方法体系进行实证研究，以期对小流域生态环境管理提供决策依据。

2　动态评估方法体系的构建

2.1动态评估方法体系基本框架

小流域生态安全动态评估方法体系由三个模块组成，即：评估指标体系构建模块、评估指标权重核算模块以及生态安全评分模块，如图1所示。

2.2评估指标体系构建

DPSR模型作为PSR模型的一类衍生模型[17～20]，已经广泛应用于生态环境评估领域。DPSR模型较PSR模型对指标体系进行了更为细化的分类，进一步识别出了对系统具有驱动作用的因子，并动态反映了指标之间的联系，提升了整个评估过程的系统性。本研究将DPSR模型与层次分析法相结合构建评估指标体系。

(1)基于DPSR概念模型的评估指标分类

根据小流域的实际情况，结合《生态环境状况评价技术规范(试行)》和小流域生态环境评估体系构建备选指标库，根据各项评估指标的对于小流域生态环境的影响特征，应用PSR概念模型的衍生模型即DPSR概念模型对所确定的小流域生态环境评估指标按照驱动力、压力、状态、响应等4个子系统进行分类，如图2所示。

图1　小流域生态安全动态评估方法体系框架Fig.1　The framework of methodology for dynamic assessment of ecological security of small watershed

图2　基于DPSR模型的思蒙河小流域控制单元生态评估指标构成Fig.2　The index system of assessment of ecological security of the study area based on DPSR model

(2)基于层次分析法的灰色动态评估体系构建

根据DPSR概念模型对小流域各控制单元生态环境评估指标的分类，基于层次分析法基本原理，建立以评估指标灰色序列为基准的动态评估体系层次结构(图3)。该层次结构分为3个层次：其中目标层为小流域各控制单元生态环境状态，准则层为由DPSR模型分类的小流域4个评估子系统(驱动力子系统、压力子系统、状态子系统、响应子系统)，方案层为4个评价子系统分别对应的相关评估指标。由此可见，4个评价子系统和其对应的各项指标在同一时期内是相互作用的，低层评估指标变化必然引起相应评价子系统变化从而影响整个思蒙河小流域各控制单元生态环境状态；同时，在同一时期内各个评价子系统之间也相互影响，这种评价子系统之间横向的相互作用同样将影响小流域各控制单元生态环境状态。

图3　思蒙河小流域生态评估指标体系层次结构Fig.3　The hierarchy system for dynamical assessment of ecological security of the study area

基于所确定的18项动态评估指标，应用DPSR概念模型将其分为驱动力、压力、状态、响应4个评价子系统，并结合层次分析法的基本框架结构构建小流域生态评估体系。该评估体系的目标层为思蒙河小流域生态环境安全状态；评价子系统层次包括驱动力、压力、状态以及响应等4个评价子系统。

2.3评估指标权重核算

(1)灰色靶(Grey Target Theory)[21,22]分析

基于小流域生态评估各项指标灰色序列，通过灰色靶分析，将小流域生态评估子系统层次以及评估指标层次的各项指标的极性进行统一；并通过分析同一时期内评估体系各层次指标(或子系统)之间的动态相互作用，确定各层次指标(或子系统)所对应的灰色关联度。

在以小流域生态评估为目标层的灰色层次结构中，包括两个灰色层次即：评价子系统层次及其所对应的动态评估指标层次。在小流域生态评估指标层次，包含了部分指标从正面反映思蒙河小流域生态环境状况，而另一部分指标则从负面反映思蒙河小流域生态环境状况，因此不同的评估指标所对应的灰色序列具有两种不同的极性。

其中从正面反映小流域生态环境状况的代表性指标包括：森林覆盖率、溶解氧、饮用水源水质达标率等，这类指标的对应值越大反映思蒙河小流域生态环境状况越好，因此这类指标所对应灰色序列具有极小值极性。相反从负面反映思蒙河小流域生态环境状况的代表性指标包括：COD浓度、氨氮浓度、畜牧养殖业COD排放强度、畜牧养殖业氨氮排放强度等，这类指标的对应值越大反映思蒙河小流域生态环境状况越差，因此这类指标所对应灰色序列具有极大值极性。

小流域生态评估体系中评价子系统层次和评估指标层次各项指标在连续4年中对小流域生态环境状况的影响程度及其相关程度表示为灰关联系数，如下所示：

γ(1)(xi(0),xi(k1))=

(1)

γ(2)(xi(0),xi(k2))=

(2)

(2)灰色判断矩阵分析

层次分析法(即AHP法)算法结构将被应用于连接由灰色靶(GTT)分析所得到的小流域生态评估子系统层次及其对应的评估指标层次的灰贡献度矩阵，并应用于确定各层次指标(或子系统)所对应的最终权重值。本研究采用灰色靶分析取代了传统层次分析法专家对各层次指标评分的过程，并将灰色靶分析所得到的评价子系统层次指标灰贡献度作为该层次各子系统对于小流域生态环境状况影响程度赋值。根据所构建的灰色判断矩阵进行层次分析运算，得到小流域生态评估子系统层次判断矩阵所对应的最大特征向量，如式(3)：

(3)

根据小流域生态评估子系统层各项指标最大特征向量可以计算得到所对应动态评估指标层判断矩阵最大特征向量组，如式(4)：

(4)

基于AHP法的算法原理通过一致性比例C.R.计算对灰色判断矩阵的一致性进行检验，并计算得到反映评估指标层次各项指标对小流域生态环境状况影响程度的权重值。

(5)

其中，Hk2为第k2项动态评估指标对小流域生态环境状况影响的程度，H值越大则说明该项评估指标对思蒙河小流域生态环境状况的影响越大，由此可以确定影响各个评价子系统以及影响整个思蒙河小流域生态环境状况的关键评估指标。通过灰色靶分析所得到的小流域生态评估体系各项指标的权重值将作为小流域生态环境状况安全评分提供基础数据。

2.4生态安全评分

确定小流域生态安全评估各项动态评估指标的安全值区间是整个小流域生态安全评估的关键环节，根据动态评估的需要，各项评估指标的安全值区间由上限值和下限值而划定，即：安全和不安全。基于国家颁布的《生态环境状况评价技术规范(试行)》、《流域生态安全评估技术指南(征求意见稿)》以及《生态县、生态市、生态省建设指标(修订稿)》，结合以往小流域生态环境评估指标体系的相关研究确定评估指标相应标准值，并应用以下原则确定小流域生态安全评估指标安全值的上限值与下限值：

①当评估指标相应标准值自身具备上线值与下限值时，可直接将其作为评估指标安全值区间的上下限；

②当评估指标相应标准值只有上限值或下限值时候，根据其上限值或下限值上下浮动10%，从而确定该项指标的安全值区间。

③参考各项评估指标分级标准及赋分一般水平的上限值和下限值，例如：水质达标率指标的安全值区间采用其分级标准的“一般”水平上下限值，即：[40%～60%]。

基于小流域生态评估体系，小流域生态安全评分包括3个部分：一是对各项小流域生态评估指标安全现状评分；二是对小流域4个生态安全评价子系统安全现状进行评分；三是对思蒙河小流域生态安全整体状况进行评分。根据小流域生态评估指标安全值区间，应用模糊数学理论通过标准化过程确定指标层次各项评估指标安全水平标准化值，其过程如下所示：

首先，根据小流域生态评估指标极性的不同，确定从正面反映小流域生态安全状态评估指标相应的安全水平标准化值表示为：

确定从负面反映小流域生态安全状态评估指标相应的安全水平标准化值表示为：

(8)

(9)

其中wij表示第i项属于第j个小流域生态评估子系统的评估指标的最终权重值，Pij和Qj分别表示小流域生态评估相应评价子系统以及评估指标的安全评分。最后基于小流域生态评估各个评价子系统安全评分可以计算得到小流域整体生态安全状态的评分。小流域生态安全评分可以分为5个等级，即：不安全、较不安全、临界安全、较安全、安全，如表1所示。

表1　小流域生态安全评分等级

3　实例研究

3.1研究区概况

思蒙河是岷江的一级支流，又名芙蓉溪，发源于丹棱、东坡区与蒲江县交界的长丘山脉，流经丹棱县、东坡区、青神县3个区县，最后汇入岷江。思蒙河小流域属河源丘陵地区，小流域汇流口高程约381.1m，河长82.8km，河床平均比降2.2‰，年平均流量12.2m3/s，流域面积738.86km2。本次研究选择思蒙河小流域的丹棱段控制单元作为研究对象，该控制单元流域面积122.71km2，包括：顺龙乡、石桥乡、双桥镇、丹棱镇、杨场镇5个乡镇的24个行政村，如图4所示。

图4　思蒙河小流域丹棱段控制单元Fig.4　Danlin section of Simeng watershed

3.2模型应用及结果分析

基于思蒙河小流域丹棱段控制单元的实际情况，选取人均GDP值(人/元)、环保投资占GDP比重(%)、水资源利用强度(%)等17项指标构建小流域生态安全评估体系，如表2所示。

表2　思蒙河小流域丹棱段控制单元生态评估指标安全值区间

将各项指标的2008年～2011年的基础数据输入系统模型，得到各层次指标的权重值，如表3所示。基于个层次指标的权重值，应用模糊数学模型，得到各层次指标相应的生态安全评分，如表4所示。

表3　思蒙河小流域丹棱段控制单元2013年指标权重值

表4　思蒙河小流域丹棱段控制单元2011年生态安全评分

由表4可知，思蒙河小流域丹棱段控制单元整体的生态安全评分为0.2358，处于较不安全等级，说明思蒙河小流域丹棱段生态破坏及环境污染的趋势不容乐观。其中驱动力子系统中生态安全评分较低的指标为畜禽粪便综合利用率，说明在促进思蒙河小流域丹棱段生态安全提升的过程中，畜禽粪便的治理及其综合利用是关键的措施。压力子系统中面源污染负荷排放指数的安全评分为0，说明面源污染对思蒙河小流域丹棱段生态环境造成的负面影响最大，而化肥的大量施用和畜禽养殖废水的排放则是该区域面源污染的主要原因。状态子系统中水质达标率指标安全评分为0，说明思蒙河小流域丹棱段的水环境污染问题较为严重，水环境问题是导致该区域生态系统退化重要因素，也是该区域的主要生态环境问题。响应子系统中景观破碎度的生态安全评分最低，是该子系统中需要重点优化的指标，说明在思蒙河小流域丹棱段的开发建设中，对小流域的生态景观破坏较为显著。

综上所述，基于思蒙河小流域丹棱段控制单元的生态安全评估，在未来小流域的生态保护及环境治理方案中需要重点加强的环节包括：畜禽粪便的综合利用、化肥施用量的控制、小流域水环境污染的综合治理以及小流域生态景观的打造与优化等4个方面。

4　结　语

本文充分考虑了小流域生态环境动态变化的特征，基于层次分析法、DPSR概念模型、灰色靶分析以及模糊数学理论，通过算法的耦合及改进，提出了小流域生态安全动态评估方法体系。通过将该方法体系应用于思蒙河小流域丹棱段的生态安全评估，验证了方法体系的系统性、适应性以及动态性，为小流域生态安全的动态评估提供了基本的框架性思路，并为小流域的生态环境管理提供了重要的决策依据。

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Methodology for Dynamic Assessment of Ecological Security of Small Watershed——Taking Danlin Section of Simeng Watershed as an Example

TIAN Xiao-gang1, XIE Qiang1, ZHAI Shi-ming2, LIU Xin-yue1

(1.SichuanResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Chengdu610041,China;2.JinjiangEnvironmentalProtectionBureau,Chengdu610000,China)

This study developed a systematic methodology for dynamic assessment of ecological security of small watershed, base on analytic hierarchy process, DPSR conception model, grey target model and fuzzy mathematic theory, considering the characteristics of both dynamic change of small watershed and assessment of regional ecological security. Simeng river is one of the 32 key small watersheds for pollution control in Sichuan province. This systematic methodology was applied for assessment of ecological security of Danlin section of Simeng watershed. The results showed that: the whole Danlin section of Simeng watershed was leveled to the less safe class in 2013, the deterioration of the eco-environment is not improved recent years. Comprehensive utilization of animal manure, controlling of chemical fertilizer, improvement of water environmental quality and ecological landscape would be the four key measurements for improving ecological security of Danlin section of Simeng watershed.

Ecological security; methodology for dynamic assessment; small watershed; Danlin section of Simeng watershed

2015-03-04

田晓刚(1983-)，男，山西神池县人，2012年毕业于南开大学环境科学专业，博士，工程师。主要研究方向为生态环境规划与管理、数学模型在生态环境管理中的开发与应用。

谢强，709066017@qq.com。

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A

1001-3644(2015)04-0042-08