基于DPSIR模型的水丰湖生态安全评估

董殿波，孙学凯，魏亚伟，王炜

(1.辽宁省环境科学研究院 辽河研究中心，辽宁 沈阳 110161；2.中国科学院沈阳应用生态研究所 大青沟沙地生态实验站，辽宁 沈阳 110016；3.沈阳农业大学 林学院，辽宁 沈阳 110866； 4.辽宁省大气污染防治管理中心 大气管理室，辽宁 沈阳 110161)

基于DPSIR模型的水丰湖生态安全评估

董殿波1，孙学凯2，魏亚伟3，王炜4

(1.辽宁省环境科学研究院 辽河研究中心，辽宁 沈阳 110161；2.中国科学院沈阳应用生态研究所 大青沟沙地生态实验站，辽宁 沈阳 110016；3.沈阳农业大学 林学院，辽宁 沈阳 110866； 4.辽宁省大气污染防治管理中心 大气管理室，辽宁 沈阳 110161)

为了科学合理评估水丰湖生态安全状况，在相关统计数据和研究基础上，基于DPSIR(驱动力-压力-状态-影响-响应)框架模型，从社会经济影响、水生态健康、生态服务功能、调控管理4个方面，选择了4个大项，33个小项构建了水丰湖生态安全评估指标体系.评估结果表明：2014—2016年，水丰湖流域生态安全指数(ESI)逐步升高，水丰湖生态安全大体上位于良好水平范围.但要维持生态安全水平不下降，需要制定多方面的措施.加强环保的力度，阻止破坏生态环境，完善湖泊环境基础设施建设，建立湖泊环境治理和监管体系，是提高湖泊生态安全，实现水丰湖流域可持续发展的重要途径.

水丰湖；DPSIR模型；生态安全

伴随国家一、二产业的高速发展以及城镇化规模的扩大，人民生活条件得到极大改善，同时也给生态环境带来了重大压力[1].工业生产过程中产生的废水和人们日常生活中排放污水量大幅度升高，人类开发湖泊流域活动频繁，以及长期以来人类环境意识淡薄，使得湖泊水体成为工农业生产废水和生活污水的纳污场所，进而导致湖泊生态系统健康严重受损，目前已经引起了各界的广泛关注[2].从国家和地方需求层面上考虑，要高度重视中国湖泊的保护和治理工作，针对中国重点湖泊水库的生态安全状况应逐一评价，并提出切实可行的综合治理措施.湖泊生态安全作为人类社会进步和经济良好运行的主要保障，保证湖泊资源的永久使用势在必行.

湖泊生态安全评价是科学制定湖泊管理决策的基础，目前国内仍处于评价概念体系方法的探索初期，没有形成比较完整的湖泊生态安全评估指标体系.在研究方法上，不同湖泊的评价方法差异较大，如RS和GIS综合方法、熵权灰色关联模型、PSR模型(压力-状态-响应)、DSR模型(驱动力-状态-响应)、DPSIR模型(驱动力-压力-状态-影响-响应)和DPSER模型(驱动力-压力-状态-暴露-影响-响应)等[3-5]，其中，DPSIR模型因其完整性和全面性的特点在复杂环境系统的评估中得到了普遍运用.在研究对象上，主要集中在巢湖、洞庭湖、焦岗湖、沙湖等[6-10].

水丰湖是中国与朝鲜的界河，位于鸭绿江中下游，保障其生态环境安全对于防止跨界水污染纠纷，促进中朝水资源开发利用等具有重要的意义.同时，水丰湖作为辽宁省丹东市重要的湖泊资源，在保护生物多样性及保障饮用水安全方面具有举足轻重的作用.然而，由于全球气候变化，经济社会发展与生态环境保护的不协调性，引发了水丰湖诸多水环境问题，如N、P面源污染、消落带生态环境退化等.因此，从现实和长远考虑，需要积极适应和准备，研究建立适宜于水丰湖生态安全评价的指标体系，评估生态安全状况，加快推进保护进程，为水丰湖生态安全的维系与管理提供重要参考和有力支撑.

1 水丰湖概况

水丰湖是东北地区最大的淡水湖，流域处于辽宁省东部，丹东市下辖的宽甸满族自治县，属于鸭绿江中下游.水丰湖流域属北温带大陆性气候，四季分明，空气清新.水丰湖多年平均流量789 m3/s，多年平均年径流量248.8×108m3.该县由于暴雨集中，有相当数量的耕地表土层变薄，肥力逐年减退.历年来经常造成山洪暴发、水土流失.水丰湖流域地处辽东断块山地丘陵区，为长白山脉与千山山脉过渡地带，地貌多变，地形起伏，山高坡陡，地形复杂.山、水、田构成大体为“九山半水半分田”.水丰湖流域森林茂盛，森林覆盖率74%，居全省首位.水丰湖物产丰富，动植物种类繁多*宽甸满族自治县国民经济统计年鉴(2014—2016年鉴)..

2 概念模型

生态安全评估将湖泊的健康状况列为核心，研究湖泊和周边环境的关系，符合DPSIR模型的定义[11-14](图1).DPSIR模型是生态评估中得到普遍应用的定性模型，将属于评价核心的作用与联系能够有效衔接起来.生态安全是相互变化关系和循环反馈的整体历程的评估.评估要组合和解析每个组成成分评估结果.

图1 湖泊生态安全评估的DPSIR模型Fig.1 DPSIR model of lake ecological security assessment

3 评估指标体系的构建

湖泊生态系统是由湖泊及其流域和其间生存的人组成的一个兼具自然属性和社会属性的复合系统.湖泊生态安全需要从人类与湖泊2个方面考虑：一是从人类方面，主要表现为湖泊所具有的生态服务功能安全；二是从湖泊方面，主要为湖泊能够承受人类带来的干扰活动.故此，湖泊生态安全的评估既考虑湖泊在正向稳态下具有良好的生态服务功能，也需要评估湖泊在反向风险状态下的生态系统灾变.生态安全评估方法依据DPSIR模型和风险评估建立了完整的指标评价体系，构建模型的指标层[15-19].湖泊生态安全评估指标的初选，应该在湖泊污染物归趋基础上，综合人类社会经济影响(驱动力、压力)、水生态健康(状态)、服务功能(影响)和管理调控(响应)4个方面进行选取.

4 生态安全的评估

4.1 参照标准的确定

开展湖泊生态安全评估，必须要拥有评价标准，依据对应的标准，判定各个评价指标专属的等级.评价标准值的选取，主要根据：1)现有的国家和国际标准；2)国内外具有良好特色的流域现状值；3)基于流域社会、经济协调发展的理论，现有的湖库定量化指标；4)缺乏有关指标统计数据，根据经验数据进行分级[20].

4.2 数据的预处理和标准化

环境与生态的质量-效应变化符合Weber-Fishna定律[21].根据该定律，进行指标标准化：

1) 正向型指标rmn=xmn/smn，

2) 负向型指标rmn=smn/xmn，

式中，xmn表示n采样点指标m的实际值；smn是参考对应的标准值；为无量纲化值，一般来说得到的rmn应该介于0和1之间，大于1则按1计算.

4.3 权重的确定

权重的确定采用Saaty[22]研究出的层次分析法(the analytic hierarchy process，简称AHP).它量化了人的客观判断的定性分析，保持决策者思维过程的一致性，利用数值化的方式来消除不同指标带来的差异，为使评价结果成为科学合理的决策提供依据.层次分析法将复杂问题中的各个指标归类为互相关联的有序层，通过对客观和实际的大概性判断，定量化计算每一层次的重要性.

1)建立系统的层次结构模型(图2、表1)

图2 水丰湖水生态安全评价指标体系Fig.2 Ecological security index system of Shuifeng Lake

总目标层目标层准则层指标层总目标层目标层准则层 指标层A水丰湖生态安全评估B1社会经济影响C1人口C2经济C3社会C4面源C5点源C6河流D1密度D2增长率D3人均GDPD4城镇化用地比重D5耕地比重D6COD负荷量D7总氮负荷量D8总磷负荷量D9COD负荷量D10总氮负荷量D11总磷负荷量D12COD负荷量D13总氮负荷量D14总磷负荷量A水丰湖生态安全评估B2水生态健康 B3生态服务功能B4调控管理C7水质C8富营养化C9水生态C10饮用水C11栖息地C12人文景观C13资金投入C14污染治理D15高锰酸钾指数D16总氮指数D17总磷指数D18叶绿素a指数D19综合营养指数D20浮游植物D21浮游动物D22底栖生物D23饮用水达标率D24安全人口比例D25水源涵养指数D26湿地面积比例D27自然保护区级别D28珍稀物种生境代表性D29环保投入指数D30工业废水达标率D31城镇生活污水处理率D32农村生活污水处理率D33水土流失治理率

2)明确评价目标和因素

U={U1，U2，…，Up}.

3)建立判断矩阵

判断矩阵元素的值体现了由人们认识的各元素相对重要性，利用1—9及其倒数的标度方法表示元素值，具体方法见表2[23].

表2 Satty标度法

根据上述方法建立正互反矩阵[24]：

①确定判断矩阵S的最大特征根λmax和特征向量

a) 正规化判断矩阵

(i，j=1，2，…，p).

b) 正规化后的判断矩阵各列按行相加

(i，j=1，2，…，p).

c) 正规化向量

通过计算获得的W=(W1，W2，…，Wp)则为各个指标在对应层次上的权重.

d)最大特征根λmax确定

式中(AW)i代表向量AW的处于第i个位置的元素.

②一致性检验

根据以上步骤，先对水丰湖生态安全评估的总目标层(A)以及环境目标层(B)之间通过专家打分法构造A-B评价矩阵(表3).

表3 环境目标层(B)相对于总目标层(A)的判断矩阵及相对权重

然后求出判断矩阵的特征向量W，W=[0.423 1，0.227 4，0.227 4，0.122 2].

大多研究中，四阶矩阵采用的RI为0.9.

CR=0.003 8<0.10.

结果表明，通过判断矩阵确定的权重合理，具体数值见特征向量W.根据上述方法，构建B-C和C-D矩阵，得到权重结果如下：B1[0.088 6，0.053 8，0.088 6，0.243 6，0.150 5，0.375 1]，B2[0.539 6，0.163 4，0.297 0]，B3[0.490 5，0.197 6，0.311 9]，B4[0.333，0.667]，C1[0.667，0.333]，C3[0.333，0.667]，C4[0.511 8，0.186 9，0.301 3]，C5[0.511 8，0.186 9，0.301 3]，C6[0.511 8，0.186 9，0.301 3]，C7[0.519 0，0.155 4，0.325 6]，C8[0.333，0.667]，C9[0.687 1，0.243 7，0.069 2]，C10[0.667，0.333]，C11[0.667，0.333]，C12[0.333，0.667]，C14[0.277 6，0.160 3，0.466 8，0.095 3].所有矩阵的CR值均小于0.10，说明通过专家打分构造的判断矩阵确定的权重科学合理.

4.4 生态安全分级标准

评估数值仅是评估结果的体现，尚不能表达生态系统的健康程度，因此需要通过对数值限值进行界定，才能表达出生态系统的安全状况.为此，本研究参考了中国重点湖泊水库生态安全评估的方法[26-29]，设置了生态安全指数等级划分标准(表4).

表4 生态安全指数等级划分标准

4.5 评估过程及结果分析

4.5.1 方案层评估

方案层评估主要从4个方面开展，即社会经济影响评估(A1)、生态健康评估(A2)、服务功能评估(A3) 和调控管理评估(A4).方案层评估主要是通过分级评分和逐级加权相结合的方式进行.主要有计算指标层分值、指标层的权重和方案层分值.本次评估过程中的数据指标值来源于2014—2016年宽甸满族自治县国民经济统计年鉴和辽宁省环境状况公报.

依据4.2方法，将评估指标的实测值和对应的标准值，进行指标标准化后得到评估指标的分值，即无量纲化值(rij).

指标层对方案层权重的确定主要通过下式

W(CA)i=Wi×W(BA)i，

式中，W(CA)i为C层指标相对A层的权重；Wi为C层指标对B层的权重；W(BA)i为B层对A层的权重.

将指标标准化后得到评估指标的分值和权重,利用下式计算出各分层的数值

式中，Bi为方案层i的结果；rij为指标标准化后得到评估指标的分值，应该处于 [0，1]；W(CA)i为C层指标相对A层的权重[30].

4.5.2 生态安全指数(ESI)计算

生态安全指数(ESI)计算通过加权求和法获得

式中，ESI为生态安全指数；Bi为方案层i的值；Wi为方案层i的权重[31].

湖泊生态安全评估结果如表5所示.

表5 2014—2016年湖泊生态安全评估

5 结论

5.1 安全指数分析

经计算，从2014—2016年水丰湖流域ESI值有所升高，依据生态安全分级标准，水丰湖流域的生态安全处于安全状态，生态服务功能尚好，生态环境毁坏程度不大，可以进行自我恢复，生态灾害处于控制范围之内.

湖泊生态安全评估结果表明，2016年水丰湖的生态安全指数为74.87，与前2年相比，流域生态安全指数略有提升(表5).这主要是由于当地政府加大了水丰湖的生态环境保护工作力度，实施削减污染负荷、调整经济结构、控制流域人口、加大环保投入、提升环境监管水平等工作，同时开展了保护水源地、治理生活和工业废水、保护鱼类等工程项目建设.

方案层生态安全指数从低到高排序为：社会经济影响<生态健康<调控管理<服务功能，间接说明水丰湖生态服务功能完好，社会经济发展是制约水丰湖生态安全的最大因素，水生态健康程度则是水丰湖生态安全的核心因素.近些年，进入水丰湖的污染物总量得到了有效的控制，人类活动也降低了流域生态安全压力，生态安全指数略有提升，但水质尚未得到明显改善.这主要是由于水丰湖地区农业面源污染、流域内采选矿企业的点源污染以及流域内的生活污水等引起的，进而影响和限制了水丰湖水生态安全指数大幅提升.因此，在发展社会经济的同时应严格控制入湖污染物，全面加强水生态健康建设.

5.2 对策及建议

目前，随着农村环境整治工作的推进，水丰湖流域具有完备的废弃物处理设施，区域内的点源污染也将在规划在建工程措施下得到有效控制；然而，流域内大多数农村环保基础设施缺乏，污水肆意排放和垃圾随意丢弃，农民使用大量的农药和化肥，将给农村环境带来极大的影响.如何维持一湖清水，成为水丰湖生态安全的关键.国内外跨境湖泊的保护已经开启了成功的先例[31-34]，主要是博登湖、日内瓦湖等[35-39].值得借鉴之处主要有以下几点：1)开展农村基础设施建设，加强农村污水处理和垃圾处理工作；2)进行农村畜禽养殖粪便的资源化利用；3)关停非法和环境隐患高的采选矿企业，整合升级流域内的小型采选矿企业，增强对采选废水排放监督；4)降低湖泊的内源污染负荷；5)高效开发水电资源；6)区域联动，共同治理和保护生态环境；7)建立流域生态保护机构，健全流域生态保护法律和法规；8)加强公众参与.

对水丰湖来说，减少生态风险，增强生态安全度，在借鉴现有经验基础上，还应：1)将农村环境连片整治结合起来，开展农村环境基础设施建设，推行农村环境保护管理规章制度；2)全面开展防治污染工作，落实“三同时”制度；3)开展流域经济产业结构的转型，在保证收入增长的前提下，将第一产业人口向其他产业转移，更大程度减缓对湖泊生态系统的毁坏，减轻湖泊生态环境的压力；4)制定符合实际情况的湖泊生态建设规划，加强对重要的生态功能区的生态保护工作，进一步提升湖泊系统的生态环境；5)加大对农村开发和环境保护的投入，大力推行生态农业，将发展和保护有效地结合起来，有效地开发湖泊资源，从源头上控制农业面源污染；6)建立湖泊的管理机构，健全生态保护监管机制，对各级政府的湖泊生态保护工作进行考核.总之，实现水丰湖的健康持续发展，必须将生态保护放在首位，使区域经济发展与生态环境保护双赢.

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AssessmentofecologicalsecurityforShuifengLakebasedontheDPSIRmodel

DONGDianbo1，SUNXuekai2，WEIYawei3，WANGWei4

(1.Liaohe River Research Center，Liaoning Academy of Environmental Sciences，Shenyang 110161，China;2.Daqinggou Ecological Station，Institute of Applied Ecology，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，China; 3.College of Forestry，Shenyang Agricultural University， Shenyang 110866，China; 4.Air Management Department，Liaoning Air Pollution Prevention and Control Management Center，Shenyang 110161，China)

In order to assess ecological security state of Shuifeng Lake basin scientifically，based on relevant statistical data and research findings，according to the DPSIR (driving force-pressure-state-impact-risk) model，an ecological security index (ESI) system of Shuifeng Lake was constructed from 4 aspects including the social and economic impact，water ecological health，ecological service，management and control，and the assessing system was built by 4 major items which include 33 indices.The result showed that the ESI was gradually increased from 2014 to 2016 and the assessment of ecological security of Shuifeng Lake basin was in good condition.To maintain the ecological security condition，a lot of measures must be taken from multi-aspects.Strengthening environmental protection，preventing the destruction of ecological environment，improving the lake environmental infrastructure construction and establishing lake environmental management and supervision system are important ways to improve the ecological security and realize the sustainable development of the Shuifeng Lake basin.

Shuifeng Lake：DPSIR model; ecological security

10.3969/j.issn.1000-1565.2017.06.011

2017-04-24

辽宁省自然科学基金资助项目(2015020594)；国家自然科学基金资助项目(41401262)

董殿波(1981—)，男，辽宁绥中人，辽宁省环境科学研究院高级工程师，主要从事污染生态方面的研究.

E-mail:dianbo99-21@163.com

孙学凯(1980—)，男，辽宁沈阳人，中国科学院沈阳应用生态研究所工程师，主要从事生态恢复与环境污染控制、生态系统碳氮养分循环的研究.E-mail: sunxuekai@iae.ac.cn

X824

A

1000-1565(2017)06-0630-10

赵藏赏)