基于压力-状态-响应模型的黄柏河生态系统健康评价

彭　涛,王　珍,赵　乔,郭　倩

(1.三峡大学水利与环境学院,湖北 宜昌　443002; 2.水资源安全保障湖北省协同创新中心,湖北 武汉　430072)



基于压力-状态-响应模型的黄柏河生态系统健康评价

彭涛1, 2,王珍1,赵乔1,郭倩1

(1.三峡大学水利与环境学院,湖北 宜昌443002; 2.水资源安全保障湖北省协同创新中心,湖北 武汉430072)

为定量评估黄柏河生态系统健康状态,以压力-状态-响应概念模型为基础,构建黄柏河生态系统健康评价指标体系,采用层次分析法确定指标权重,运用集对分析和属性识别理论对黄柏河生态健康现状进行综合评价。结果表明:黄柏河生态系统综合健康状况处于中等水平,其中压力子系统、状态子系统和响应子系统的健康等级分别是良、中等和良,水体富营养化指数、农药施用强度、水土流失率等是影响黄柏河生态健康状况的主要因素。

河流健康评价;压力-状态-响应模型;集对分析;属性识别理论;黄柏河

河流是连接陆地与海洋的重要廊道,在维系地球的物质循环、能量交换和信息传递方面发挥着重要的生态功能,同时具有灌溉、供水、发电、航运等综合效益。但是随着人口和经济社会快速发展以及不合理的人类活动开展,河流生态系统的结构和功能遭到严重损害,引发了一系列的生态与环境问题,并使区域粮食安全、水资源安全和生态安全受到严重威胁,因此开展河流生态健康评价具有重要的现实意义。

近年来,河流健康评价已成为国内外河流生态系统研究的前沿问题和热点领域[1-4]。河流生态系统健康评价方法主要包括指示物种法和指标体系法。前者以鱼类、硅藻与大型无脊椎动物等指示物种的数量、生产力、结构功能指标的动态变化等描述河流生态系统的健康状况。该类方法简便易行,是评价自然河流生态系统的较好方法,常用方法有美国的生物完整性指数[5](index of biotic integrity,IBI)和英国的河流无脊椎动物预测和分类计划[6](river invertebrate prediction and classification system,RIVPACS)。但指示物种法仅依靠某一类敏感物种判别，难以准确反映河流生态系统状况,不应作为唯一的方法而单独使用[7]。指标体系法根据河流生态系统特征及其功能建立指标体系进行定量评价,评价指标的选择既考虑了生态系统自身特点,又考虑了人类活动的影响,较好反映了河流生态系统的过程,在河流生态系统健康评价中被广泛应用。国外较具代表性的有澳大利亚的溪流状况指数(index of stream condition,ISC)[8]和英国的河流生境调查(river habitat survey,RHS)[9]。国内在长江[10]、黄河[11]、珠江[12]等开展了河流健康评价指标体系研究,对于流域可持续管理与河流生态修复具有重要意义。

黄柏河是长江左岸的一级支流,是典型的峡谷型河流,承担着宜昌城区百万居民生活及宜东灌区百万亩农田灌溉的用水重任,是沟通宜昌市北部山区与长江联系的生态廊道。近年来流域经济社会快速发展，水资源和矿产资源过度开发，流域水污染治理相对滞后,导致黄柏河水环境质量明显恶化及生态功能退化。为此,笔者从压力-状态-响应(pressure-state-response,PSR)概念模型出发,建立黄柏河生态健康评价指标体系,运用集对分析与属性识别理论进行河流健康现状评价,为黄柏河生态修复及河流健康管理提供科学依据。

1　研究区域概况

黄柏河流域位于宜昌市西北部,全长162 km,流域面积2 016 km2。黄柏河分东西两支,东支发源于宜昌市夷陵区的黑良山,长130 km；西支发源于夷陵区的曹家山,长78 km。东、西支在夷陵区两河口汇合干流,长32 km,于葛洲坝三江上游引航道汇入长江。黄柏河流域属于亚热带季风气候,多年平均降水量1 138 mm,降水集中在6—9月,多年平均径流量8.95亿m3。流域水能资源丰富,黄柏河东支兴建了玄庙观、天福庙、西北口和尚家河4座大中型水库,经梯级水库群调节后,通过东风渠为官庄水库及东风渠灌区提供水源,两河口下游的汤渡河水库则成为宜昌运河的引水源头。目前,黄柏河流域已初步形成了具有防洪、灌溉、供水、发电等多种效益的水资源配置工程体系,在区域经济社会的可持续发展中发挥着重要作用。

2　研究方法

2.1评价指标体系建立

由于人类经济社会活动将显著改变自然资源的数量与质量,即会对生态与环境产生一定的外部压力,而社会将通过经济、法律、政策等手段对这些压力进行相应的响应,从而形成了问题预测、政策形成、监测、评估的反馈环。20世纪80年代末,经济合作和开发组织(OECD)与联合国环境规划署(UNEP)共同提出PSR概念模型[13]。运用该模型可以针对具体研究对象、尺度建立问题产生原因、现状及反应之间的逻辑关系,且简便易行。PSR模型充分考虑了外界的压力干扰、区域的状态变化和人类的响应措施,目前已广泛应用于土地利用规划、资源可持续利用、环境评价等方面,但在河流生态系统健康评价领域应用还不多。

采用PSR模型构建黄柏河生态系统健康评价指标体系具有清晰的因果关系,人类活动对河流健康施加一定的压力,从而导致河流健康状态发生一定的变化,而另一方面人类社会对该变化做出响应。因此,笔者从PSR概念模型出发(图1),遵循整体性、代表性、科学性、可度量性原则,在参考相关研究成果的基础上,采用专家咨询法(德尔菲法),邀请水文学、生态学和环境科学等领域的专家遴选评价指标,最后构建包括压力子系统、状态子系统和响应子系统3方面15个指标的黄柏河生态系统健康评价指标体系(表1)。

图1　基于PSR模型的河流生态系统健康评价框架

2.2指标权重计算

目前计算权重的方法可分为客观赋权法和主观赋权法两大类,前者如熵权法、主成分分析法、多目标优化法等;后者如层次分析法、德尔菲法(专家咨询法)、二项系数法等。考虑到河流生态系统健康评价本身是一种主观判断,笔者选用层析分析法确定指标权重,具体步骤见文献[14]。黄柏河生态系统健康评价指标的权重计算结果见表1。

2.3评价标准确定

由于目前河流生态系统健康尚无明确的或公认的评价标准,因此在实地考察、问卷调查和专家咨询的基础上,借鉴国内外河流健康评价研究成果[10-12,15-16],根据健康程度将河流生态系统健康划分为优(Ⅰ级)、良(Ⅱ级)、中(Ⅲ级)、差(Ⅳ级)和极差(Ⅴ级)5个等级。黄柏河生态系统健康评价指标的分级标准见表2。

表1　黄柏河生态系统健康评价指标体系

表2　黄柏河生态系统健康评价标准

2.4综合评价模型

河流生态健康评价存在许多不确定性因素,如河流生态系统自身的复杂性和动态性,评价等级标准界限的相对模糊性,评价结果的非线性问题等。1989年我国学者赵克勤[17]基于对立统一观点提出了联系数的概念,建立了集对分析理论(set pair analysis,SPA)。该方法能通过差异度系数,直观反映评价样本指标与对各级指标标准界限的联系度,有效解决了评价中等级标准边界模糊性问题,提高了评价结果的客观性和可信度[18]。

给定集合A、B,设H=(A,B)是2个集合组成的集对,其基本表达式为

(1)

式中:μA～B为联系度,又称为三元联系度;a、b、c分别为集对的同一度、差异度和对立度,a、b、c∈[0,1],为实数,且a+b+c=1;i为差异度系数,取值区间为[-1,1],体现不确定性,按照实际情况取值;j为对立度系数,通常情况下取定值-1,表示对立度c与同一度a相反。

利用其扩展式五元联系度进行分析计算,其数学表达式为

(2)

式中:b1、b2、b3、c∈[0,1],且a+b1+b2+b3+c=1;b1、b2、b3为差异度;i1、i2、i3为差异度系数;其他符号同上。

将河流生态系统健康评价样本的指标值xl(l=1, 2, …,m;m为评价指标数)看成一个集合,把相应指标的评价等级看作另一个集合Bk(k=1, 2, …,n;n为评价等级数),则xl与Bk构成一个集对H=(xl,Bk)。若指标类型为越小越优型指标,评价样本的指标值xl与河流生态系统健康评价等级k之间的联系度μl为[18]

(3)

式中:s1、s2、s3、s4为Ⅰ～Ⅴ级界限值。

同理可推得越大越优型指标的数学表达式,类似式(3)。

在此基础上,计算评价样本与评价等级k的五元综合联系度μk[18]。

(4)

式中:al为指标值xl与该指标第k级标准的同一度，bl,1为指标值xl与该指标第k级标准相差1级的差异度，bl,2为指标值xl与该指标第k级标准相差2级的差异度，bl,3为指标值xl与该指标第k级标准相差3级的差异度，cl为指标值xl与该指标第k级标准的对立度；wl为指标l的综合权重;wl为指标的综合权重。

为提高健康评价等级结果的准确性,采用属性识别理论评判样本的健康等级[19]。设F为评价对象X上的某类属性空间,(G1,G2, …,Gk)为属性空间F的分割。将河流生态系统健康评价等级分为5类,即优、良、中、差和极差,且彼此不相交,满足G1>G2>G3>G4>G5,则(G1,G2, …,Gk)为属性空间F的一个强序分割类,属于有序分割类的识别问题。根据置信度准则,对置信度λ(一般取0.6<λ<0.8),ki计算公式为

(5)

取k值直到满足式(5),则认为第i个评价样本xi的健康等级属于Gki类。根据实际情况,本次评价置信度取0.6。λ越大,则评价结果越倾向于稳妥。

3　结果分析

3.1数据来源

研究数据主要来源于《2014年宜昌市水资源公报》《2014年宜昌市夷陵区环境质量公报》《2014年宜昌市夷陵区国民经济和社会发展报告》以及黄柏河流域专题调查。黄柏河生态系统健康评价指标现状值见表3。

表3　黄柏河生态系统健康评价指标现状结果

3.2评价结果分析

由式(3)计算评价指标与评价等级k之间的μl,在此基础上,根据各指标权重计算评价样本与评价标准等级k的综合联系度μk,结果见表4。经置信度准则验证(λ=0.6)0.071+0.409+0.298>0.6,由此得到黄柏河生态系统综合健康等级处于中等水平,表明黄柏河生态系统健康状况形势较为严峻。

按照上述计算步骤,可计算得到黄柏河生态系统健康子系统层的联系度(图2)。从子系统层来看,压力子系统处于良好水平(采用置信度准则验证0.017+0.589>0.6),但黄柏河生态系统仍存在潜在的外部压力,主要胁迫因子是农药施用强度、水资源开发利用率、人均综合用水量、化肥施用强度等,状态子系统属于中等水平(经置信度准则验证0+0.367+0.320>0.6),说明河流生态系统已经受到了较明显的人类活动干扰,导致生态系统的结构和功能出现了一定程度的退化。20世纪90年代以来,随着区域经济社会快速发展,水资源大规模开发利用,流域内生活污水、工业废水排放量持续增加,特别是矿产资源的过度开发,黄柏河水质状况明显下降,部分河段水体富营养化现象严重,生物多样性降低[20]。响应子系统处于良好状态(采用置信度准则验证0.466+0.218>0.6),可见当地政府和公众针对黄柏河的压力和状态采取了积极响应措施。

表4　黄柏河生态系统健康目标层评价结果

图2　黄柏河生态系统健康子系统层评价结果

2005年以来,宜昌市全面启动黄柏河流域综合整治工作,关停并转数十家污染企业,重点实施了五大水污染防治项目,使得黄柏河下游水环境质量发生明显好转,但是流域内矿业污染、农业面源污染、水土流失和河道淤积问题依然比较严峻,黄柏河流域生态与环境问题仍不容乐观。2013年5月20日和21日黄柏河东支中上游的天福庙水库和玄庙观水库相继发生不同程度水华现象。因此,还需要持续开展黄柏河流域综合整治,建立流域长效管理机制,大力实施控源截污,减轻流域水体污染负荷,加强梯级水库群科学调度,协调好河道内生态用水与区域社会经济系统用水之间的关系,同时完善相关政策法规,增强公众保护环保意识,不断改善黄柏河生态系统健康水平。

4　结论与讨论

在专家咨询、借鉴相关研究成果等基础上,利用PSR框架模型建立了黄柏河生态系统健康评价指标体系,采用层次分析法计算各评价指标的权重,确定了各个指标的评价标准,构建了基于集对分析与属性识别理论的黄柏河生态系统健康综合评价模型,结果显示,黄柏河生态系统综合健康处于中等水平,表明系统受到了一定的外部压力,河流生态系统的结构和功能逐渐退化,河流生态健康现状不容乐观。因此,为改善黄柏河的生态系统健康状况,需要进一步提高黄柏河流域综合管理水平、完善黄柏河流域水资源保护管理办法,动员公众积极参与流域环境保护,提高公众环保意识,协调社会经济发展与水资源保护之间的关系。

由于影响河流生态系统健康状况的因素众多,文中所选指标的完整性和代表性仍然存在一些不足,受数据资料所限并未将初级生产力、鱼类完整性指数、河流脉动指数、侧向连通性等重要指标纳入评价指标体系。另外,由于缺少受人类活动影响相对较小历史时期的监测资料,难以获取针对研究区域状况的参考背景值,确定符合研究区域实际情况的评价标准阈值范围还存在较大困难,因此建立统一、长期的监测体系将是今后我国河流生态系统健康评价和可持续管理的迫切需要。

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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

宜昌市自然基础科学研究与应用专项(A16-302-a05);湖北省自然科学基金(2012FFB03802)

彭涛(1973—),男,副教授, 博士, 主要从事水文水资源及生态水文方面研究。E-mail: pengtao306@163.com

X826

A

1004-6933(2016)05-0141-05

2016-01-08编辑：徐娟)