基于压力-状态-响应模型的河南省水库生态安全评估

2018-09-11王国重李中原张继宇程焕玲

水资源与水工程学报 2018年4期

王国重，李中原，张继宇，程焕玲，郝捷，甘容

(1.黄河水文水资源科学研究院，河南郑州450004； 2.河南省水文水资源局，河南郑州450003； 3.河南黄河河务局，河南郑州 450003； 4.河南省水土保持监督监测总站，河南郑州 450008； 5.郑州大学，河南郑州 450001)

1 研究背景

流域生态安全即流域生态系统在保持其物理、化学及生物完整性的基础上，处于稳定、可持续状态，能为人类提供不同的生态产品或服务，并对自然和人为干扰具有一定的自我调节和恢复能力，是流域生态系统完整性和健康水平的整体反映[1]。流域是人类生活和生产活动的重要载体[2]。随着人口的增加和生产力水平的提高，人类对自然生态系统干预的范围和程度愈演愈烈，使得流域内水体污染、生态环境逐步恶化。为了流域的可持续发展、恢复和管理流域生态，首先需要对流域生态安全进行评估。目前生态安全评估还处于探索阶段，尚未形成系统的评估指标体系和评估方法。关于生态安全的评估，国内外通用的主要有国际经济合作与发展组织提出的“压力-状态-响应(PSR)”评估体系[3]、联合国可持续发展委员会建议的“驱动力-状态-响应(DSR)”体系[4]、欧洲环境署的“驱动力-压力-状态-影响-响应(DPSIR)”体系[5]；相应的评估方法则以综合指数法、层次分析法、模糊数学法、熵值法、灰色理论法等为主[6-7]。

“压力-状态-响应 (PSR)”方法考虑了社会经济、环境生态、资源等方面的影响，指标体系较为完整且能够清晰反映出各种因素之间的相关性，因而深受研究者的青睐，应用也最为广泛[8-13]。但是这些应用往往局限于区域生态安全、某个流域或具体的某个水库生态安全的评估，针对大范围大量水库的研究却未见报道。河南省横跨长江、黄河、海河、淮河四大流域，水库众多且分布广泛，本研究采用PSR方法从压力、状态、响应3个方面建立水库流域安全评价指标体系，利用熵值法确定各个指标的权重，通过综合评价指数尝试对河南省2005和2015年大型水库流域的生态安全进行评估，为水库环境的管理提供依据。

2 研究区概况及数据来源

2.1 研究区概况

河南省位于中国中东部、黄河中下游，介于北纬31°23′～36°22′，东经110°21′～116°39′之间，全省总面积16.7×104km2，属北亚热带向暖温带过渡的大陆性季风气候。河南省多年平均水资源总量403.5×108m3，不足全国的1.42%，人均水资源量不及全国平均水平的1/5，随着人口增加、城镇化的快速推进和社会经济的高速发展，对水资源的需求与日俱增。同时，由于经济发展和城市规模的扩大，污废水排放量逐年增加，造成许多河流污染严重，逐渐丧失了饮用水功能，加剧了这种缺水态势。作为优质水来源的水库，总体水质优于河流，在很多区域尤其是严重缺水地区，已经逐步取代河流成为主要的饮用水水源地。因此，保护水库水质就关系到全省饮水安全和经济发展。

本文以河南省环保部门日常监测的22座大型水库为例，对其2005、2015年的环境生态状况进行评估，为水库流域环境生态治理与水源区水质保护提供依据。这22座水库的分布及特征参数如表1所示。

2.2 数据来源

采用的数据主要来自2005、2015年河南省统计年鉴、河南省水资源公报、河南省环境状况公报、河南省水土保持规划。由于不同的指标具有不同的变异程度和不同的单位，需要对这些数据进行无量纲化处理，以消除变量的变异影响、量纲影响及数据大小的影响。

3 研究方法

3.1 PSR模型与指标体系

借鉴国内外相关研究成果，依据科学性、完整性、目标性、可行性和数据的可获得性原则及河南省的实际，从社会、经济与资源环境等方面选取同水库流域生态环境和水质密切相关的指标，并将评价指标体系分成4个层次：第1层为评价目标,即环境安全性；第2层为准则层,即压力、状态、响应3个方面；第3层为指标层；第4层为评价单元(水库流域)。确定指标权重的常用方法主要有主成分分析、层次分析、AHP法、熵值法等[14-15]，这里采用熵值法，因为该法受主观因素的影响较小。评估指标体系与各指标相应的权重见表2、3所示。

3.2 指标权重的确定

3.2.1 无量纲样本矩阵的建立设P1,P2,P3,…,Pn为评估区域生态安全的n个指标，S1,S2,S3,…,Sm为其中的m个样本，样本Si在指标Pj下的实测值为Qij，这样就形成了m个样本n个指标的矩阵(Qij)m×n。该矩阵中各指标的量纲、数量级以及指标之间的优劣程度u差异很大，需要对该矩阵中的数据做无量纲化处理，处理公式见公式(1)和(2)所示。

(1)

(2)

式中：Qij为第i个样本中第j个指标的实测值；yij为经标准化处理后第i个样本中第j个指标的值；(Qij)max、(Qij)min分别为Pj为正向指标时所取的

表1 河南省22座大型水库的分布与特征参数

表2 2005年各评价指标的权重

表3 2015年各评价指标的权重

最大值和负向指标时所取的最小值。正向指标是指数值越大越好的指标，如发电量、产量、效益；负向指标则是指数值越小越好的指标，如投资、成本、土壤侵蚀模数等。

3.2.2 评估指标权重的确定熵值理论计算各个指标的权重比较客观，第j项指标的熵值Ej可由斯蒂林公式得到，详见公式(3)。而某项指标的效用价值则取决于该指标的熵值Ej与1的差值，见公式(4)。

(3)

hj=1-Ej

(4)

式中：常数k=(lnm)-1。

则第j项指标的权重为：

(5)

各指标经无量纲化处理后，再由公式(3)～(5)计算，就得到了2005、2015年各个指标的权重，见表2、3所示。

3.3 流域生态安全评估

生态安全综合指数作为衡量区域生态环境状况优劣程度的数量尺度，是由单个的要素指标综合而成，能够揭示区域生态环境状况的变异，常常作为全面评估区域生态环境状况和环境管理的依据，因此应用十分广泛[16-20]。采用该方法对河南省22座大型水库2005、2015年生态环境状况进行评估。

各个指标加权求和就得到了流域的生态安全综合指数，用公式表示为：

(6)

式中：Ai为第i个样本(这里指水库)的生态安全综合指数；yij为各指标数据标准化后的数值；wj为第j项指标的权重。

经公式(6)计算可得到这22座水库2005、2015年的生态安全综合指数，见图1、2及表4所示。

图1 2005年22座大型水库生态安全综合指数

图2 2015年22座大型水库生态安全综合指数

4 结果分析

从图1、表4可以看出：2005年这22座大型水库中，生态安全综合指数在0.6以上的只有南湾水库和宿鸭湖水库；在0.5～0.6之间的有石山口、泼河、板桥、鲇鱼山、鸭河口等5座水库；在0.4～0.5之间的有五岳、石漫滩、薄山、昭平台、白龟山、孤石滩、陆浑、宋家场、小浪底、丹江口等10座水库；其余5座水库在0.4以下，处于危险边缘，如果不及时采取措施予以改善就有陷入不安全状态的可能。从图2、表4可知：2015年生态安全综合指数在0.6以上也是2座：南湾和板桥水库；石山口、五岳、泼河、宿鸭湖、鲇鱼山、鸭河口这6座水库的安全综合指数在0.5～0.6之间；在0.4～0.5之间的有石漫滩、薄山、昭平台、白龟山、故县、陆浑、宋家场、小浪底、丹江口等9座水库；白沙、孤石滩、窄口、三门峡、盘石头等5座水库的生态安全综合指数在0.4以下，0.4～0.5之间的水库较2005年还少了1座，这说明需要采取措施保护流域生态环境、确保水库水质安全。

表4 22座水库2005、2015年的生态安全综合指数

注：2005年平均生态安全综合指数为0.46846；2015年为0.47418。

这22座水库的平均生态安全综合指数：2005年为0.468 46, 2015年为0.474 18。2005年在平均值之上的水库有12座：南湾、石山口、五岳、泼河、板桥、宿鸭湖、薄山、鲇鱼山、白龟山、陆浑、鸭河口、丹江口，其余的10座低于平均值；2015年在平均值之上的有南湾、石山口、五岳、泼河、板桥、宿鸭湖、鲇鱼山、陆浑、鸭河口、宋家场、丹江口等11座，另外的11座水库在平均值以下。2015年的平均安全综合指数比2005年有明显的提高，说明水库生态问题引起了一些地方的重视并采取了相应的措施，但生态安全综合指数达到平均水平的水库却比2005年还少了1座，这也说明流域水环境安全不仅仅是采取些措施进行治理就可以好转的，还需要出台一系列的政策措施、保障措施。

比较图1、2和表4不难看出：经济发展水平与流域生态安全不是直接的正比关系。驻马店和信阳的经济发展水平在河南省处于中等偏下的位置，但其水库的生态安全综合指数却很高，2005年信阳南湾水库的生态安全综合指数是0.613 89，居各大水库之首，2015年为0.618 06，居于第2位；驻马店的板桥水库生态安全综合指数，2005年为0.519 19，居于第5位，但2015年其生态安全综合指数却达到了0.621 05，居于首位。洛阳的经济发展水平排在全省前列，但小浪底水库的水生态安全却与之相背：2005年的生态安全综合指数为0.44657，在各水库中居第15位，2015年为0.406 01，居于第17位，而且都低于平均值。这可能与粗放型的经济发展方式有关，以牺牲环境来换取经济发展最终将会得不偿失。所以在发展经济的同时还要注意对环境的保护。