密云水库水生态服务评价指标体系构建与应用

齐 娜

(北京市密云水库管理处，北京 101512)

水生态系统服务功能是指水生态系统与生态过程所形成及维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用[1]。20世纪70年代以来，国内对生态系统服务功能和评价逐渐拉开序幕，对不同地区的河流、湖泊水生态健康、环境审计等方面的评价较多[2- 6]，各省各地方也纷纷出台标准。北京市先后颁布了DB11/T1721—2020《水生生物调查技术规范》、DB11/T1722—2020《水生态健康评价技术规范》2个地方标准，对北京市水生态的监测和健康进行统一评价。但生态系统服务常常被定义为人们从自然所能获得的好处[7]。这些服务是根据它们对个人或社会的特定利益来定义的，因此，这个概念是“以人为本”的。它们被认为是生态系统服务是因为它们与产生它们的生态系统功能有直接的联系。根据联合国千年生态系统评估的分类方法，可以将这些服务分为4类: 供应服务(如食物、淡水、纤维、生物 和遗传资源等)、 调节服务(如调节洪水、干旱、疾病和水净化等)、支持服务(如土壤形成、养分循环、初级生产等)和 文化服务(如娱乐、旅游、文化艺术与精神体验等)。 近年来，对水生态健康评价的研究较多[3，8]，而对水生态服务评价的研究则较少[9- 10]。因此，本文根据水生态服务的特点，从供应、调节、支持和文化4个方面，构建密云水库水生态服务评价体系，为密云水库水环境的治理提供基础依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

密云水库位于北京市区东北80km，是潮白河水系上最大的水库，也是北京市最重要的地表饮用水源地。水库控制流域面积约15505km2，总库容43.75×108m3，相应水面面积188km2。水库所在流域地貌以山地、丘陵为主，属于中纬度大陆性季风气候，冬季干旱、春秋多风、夏季多雨，库区多年平均降水量为621.1mm，年际变化比较明显。密云水库水源涵养林面积为2.19万亩。水库库区植物资源丰富，乔木以油松、刺槐为主，灌木以荆条、酸枣为主，草本植物以苦荬菜、狗尾草为主。

1.2 数据获取与处理

本研究构建的指标体系中的数据来源于北京市水务统计年鉴、水土保持公报、泥沙公报、密云水库水生态服务保护区管理者提供数据以及向库区周边居民分发问卷的调查数据。根据数据的获取情况，选择2010年为初始年，2019年作为截止年，评价密云水库2019年水生态服务相对于2010年水生态服务状态的变化程度。

1.3 评价指标体系的构建

1.3.1构建原则

在遵守传统的指标体系构建原则的基础上，密云水库水生态服务评价指标体系还需要遵守以下原则：

(1)标准化原则：所有指标都应该直接体现水生态服务评价指标，与气候、面积、地理位置等因素无关。

(2)普适性原则：水生态服务之间的关系是相互作用，相互影响，并且普遍存在的。所选指标要满足当地基本情况。

1.3.2构建步骤

构建密云水库水生态服务评价指标是一项科学又严谨的工作，需要经过多重筛选才能得到科学实用的指标体系。因此，密云水库水生态服务评价的指标体系构建步骤如下：

(1)建立指标库

自然界水循环对动植物生存环境和人类的生产生活产生影响，而动植物和人类也会对各种水分条件有不同的适应性。对密云水库水生态系统来说，水库为人类提供了饮用水、丰富的鱼类资源、景观美感和文化价值。反之，人类通过建坝拦蓄、绿化造林和管理维护等方式为水库提供了充沛的水源，调蓄径流和洪峰，保证清水下山，净水入库。因此，综合考虑密云水库水生态系统现状，在查阅大量水生态评价指标体系等方面的资料[11- 12]的基础上，经过归类汇总，并剔除一部分非代表性指标[13- 14]，得到密云水库水生态服务评价的指标库，如图1所示。

图1 密云水库水生态服务评价指标库

(2)初步建立评价指标

通过征集专家、密云水库相关技术管理人员等多方面意见，对指标库中的各评价因子归类细化，遴选出有代表性的关键指标，初步形成4个一级指标、10个二级指标和23个三级指标的评价体系，详见表1。

表1 密云水库水生态服务评价初选指标

(3)确定指标体系

在收集密云水库水生态服务效应指标相关数据基础上，结合数据的可获取性，通过敏感性分析和相关性分析对初选指标体系进行调整，剔除三级指标中难以获取、不敏感或与其他指标相关性中等的指标，最终确定指标体系，见表2。

表2 密云水库水生态服务评价指标体系

1.4 指标权重的计算方法

密云水库水生态系统评价模型按以下步骤进行构建：

(1)对评价系统进行层次分析，建立目标层、准则层、方案层和指标层[15]。

将总目标A分为若干个准则Bi，i=1，2，3，4。即：A={B1，B2，B3，B4}，准则层Bi又包含m个方案Ci，i=1，2，3，4。即：B={C1，C2，C3，C4}，而方案层Ci又包含n个指标，n的具体数值由指标层下的指标数来决定，即Ci={D1，D2，...Dim}。

(2)确定各层次的权重值

为保证权重分配的合理性、科学性，本文采用德尔菲法(Delphi method)和层次分析(简称AHP)相结合的方式，确定各指标权重。首先建立递阶层次结构模型，如图1所示，采用Delphi法请专家就各指标的重要性程度进行打分；然后运用AHP法构造判断矩阵，利用yaahp12.5软件计算各判断矩阵的最大特征值并进行一致性检验；最后将准则层B、方案层C和指标层D这3层的单层权重按照隶属结构依次相乘，即可得到各三级指标在整个指标体系中的权重。

(3)标准化处理

对所获得三级指标的数据进行标准化处理。将各指标的各级标准在0～1范围内划分为5个区间，将最优的条件取值1分，超过1分的按1分记，最差的条件取值0分，低于0分的按0分算，其余均分别据此内插推算。各项指标经过标准化后都在0～1之间，指标标准化值越大，对生态效应的贡献越大。

(4)综合评价指数

得到各指标后，对各指标值标准化处理后与权重乘积求和，最终得到各水生态系统服务综合评价指数：

M=∑Ai×Wi

(1)

式中，M—水库水生态系统综合评价指数；Ai—水生态系统第i个指标值；Wi—水生态服务生态系统第i个指标所占权重。

1.5 评价指数分级

在查询国内外有关评价指数分级研究成果和广泛征求专家的基础上[12- 15]，结合密云水库水生态服务的具体情况，将密云水库水生态服务评价指数按照百分制分为[0， 30)、[30， 70)和[70， 100]，分别对应“好”、“中”和“差”3 个等级，见表3。

表3 密云水库水生态服务评价指数分级

2 结果与分析

2.1 评价指标分析

根据专家的意见得出各指标的相对重要性，据此建立判断矩阵。运用yaahp12.5软件对各矩阵进行一致性检验。结果显示，一致性指标Ci<0.1，满足矩阵的一致性，见表4。通过层次分析法对A-B模型各因子层进行分析并按照大小排序，水源涵养(0.4536)>调节径流(0.286)>净化水质(0.1602)>生态休闲(0.1002)。各三级指标中占整个体系中权重较高的排序为：年径流量(0.286)>水库蓄水总量(0.272)>林木覆盖率(0.121)。

表4 密云水库水生态服务评价指标权重

2.2 综合评价分析

将2010年和2019年各指标的状态值标准化处理后，与相应的权重值相乘得到该指标的指标值，见表5。

表5 密云水库2010年和2019年水生态服务评价三级指标评价结果

对各三级指标的指数值进行归类汇总，得到2010年和2019年密云水库水生态服务之间的指标值，各一级指标值累加后乘以100即可算出百分制下的生态效应总得分；也可以算出指标增量和指标增率。见表6。

表6 密云水库2010—2019年期间水生态服务评价结果

根据表3中密云水库水生态服务评价指数分级，确定2010年和2019年水生态服务总得分为36.306和49.008，等级均为中。

3 结论

(1)通过层次分析法对A-B模型各因子层进行分析并按照大小排序。这是因为近些年来，密云水库水域面积有增加趋势，一是由于近年来降水量丰沛，给水库增加天然水源；二是自2015年9月南水北调的反向输水工程启动以来，每天有近100万m3长江水经泵站提升，输送至密云水库，为密云水库的蓄水量持续增加提供新的来源；三是自2014年底南水北调中线工程通水，承担了北京市城区七成饮用水的供水任务，密云水库供水任务减少。

(2)各三级指标占整个体系中权重较高的排序。根据表6所示，密云水库2010—2019年期间调节径流的指标增率最高，达到38.9%。密云水库周边水源涵养林和其他防护林数量逐年增加，通过森林林冠层、枯枝落叶层和土壤层对自然水循环进行再分配，起到了较好的径流调节作用。

(3)密云水库水生态服务综合评价的结果表明，2010年和2019年水生态服务总得分等级均为中。密云水库水生态服务在稳中有变，越变越好。

(4)水生态服务生物指标选用森林覆盖率比较片面，因为生态系统是一个包含植物、动物和微生物的复杂系统。密云水库是人工水生态系统，较为脆弱。人类活动对生物的生长干预较大，建议在水库周围山地丘陵种植旱生乔木、灌木和草本植物，以减少因水土流失而进入水体的泥沙量；在库滨带选择具有净水功能的湿生、半湿生植物，以防护堤岸并为动物提供栖息地。在进一步保护水源和水质的基础上，增强密云水库生物多样性保护功能。后续研究宜纳入动物和微生物多样性指标，以全面反映水生态服务生物指标的多样性和异质性。

(5)由于密云水库作为北京市饮用水源地之一，承担着向北京城区供水的重要责任。密云水库被列入国家重点湿地名录，为北京市提供最大的水生态服务，库区文化发展潜能巨大。长期以来，水库一直采取封闭管理方式，附近居民对水库缺乏直观认识，对水库水生态服务更加缺乏了解。在今后的工作中，需要加强水生态服务相关知识的宣传，使得周边居民从“政府要我保护水库”的被动管护内化为“我要保护密云水库”的主动行为习惯。长此以往，形成主动管护、人人有责的行之有效的管理方式，使密云水库作为生态服务的提供者，展现出巨大的生态服务价值。