基于熵权的黄河流域生态环境演变特征

张金良,陈 凯,张 超,郭鹏程 (黄河勘测规划设计研究院有限公司,河南 郑州 450003)

流域是区域经济社会发展和生态系统的重要空间载体,是一个具有特定的结构和功能、相对独立完整的自然资源-生态环境-人类社会的复杂系统.生态环境子系统是流域巨系统的重要组成部分,其结构功能、格局过程受流域内自然和人为因素的不断影响,呈现出差异化的反馈状态.流域生态环境变化研究是当前区域综合研究的热点[1-5].李长安等[6]提出了长江流域生态环境系统演变的几个关键科学问题,如流域生态环境系统的演化过程与退化机理、山-河-湖互动规律及耦合关系等.王思远等[7]采用层次分析法和空间主成分法,构建了一套评价指标体系用以评价黄河流域生态环境,并进行了分级制图和动态研究.金斌松等[8]总结了鄱阳湖流域的基本特征,提出“山-江-湖”之间的生态过程、驱动力与流域生态健康是鄱阳湖流域的基本科学问题.李树元等[9]研究了海河流域生态环境关键要素的时空演变规律,认为人类活动已经取代自然条件成为影响海河流域的关键因子.Khadijeh等[10]利用DPSIR框架分析了乌鲁米耶湖流域不同驱动因子对生态系统服务对的影响,发现农业耕地的急剧扩张导致湖泊萎缩,并削弱了绝大多数生态系统服务.20世纪80年代,世界气候研究计划(WCRP,1980年)、国际地圈生物圈计划(IGBP,1987年)、生物多样性计划(DIVERSITAS,1991年)、国际全球环境变化的人文因素计划(HDP,1996年)4大全球环境变化研究计划先后成立,并于2001年联合组建了地球系统科学联盟(ESSP),从地球系统的全方位审视和研究全球环境变化问题及其影响,促进人类社会可持续发展[11].

近年来,以生态学视角审视黄河流域生态环境演变与发展的研究越来越多,研究方法也逐步由定性转为定量,由物理转向信息,由局部转向系统.张亚玲等[12]分析了1998～2012年黄河流域植被覆盖的时空特征,并通过流域生态系统植被降水利用效率验证了植被覆盖改善与退化的热点区域.刘晓君等[13]分析了黄河流域2个典型流域内水土流失和景观格局的关系,认为土壤侵蚀防治与生态治理应重视改善景观连接度和连通性.张琨等[14]关于黄土高原生态系统服务的研究发现碳固定和土壤保持功能在2000～2015年显著增强,植被覆盖改善区域生态系统服务功能的作用存在阈值效应.Zhang等[15]分析了黄河流域生态系统服务与驱动因子的关系,发现粮食、畜牧业和工业产量与土壤保持、碳固定、水源涵养等生态系统服务存在显著的高协同效应.Shi等[16]关于黄河流域上游的研究发现,农牧交错区存在景观多样化和破碎化,一些农业区改善了区域生态网络连通度,景观异质性是保护流域生态环境的关键.但是,相关研究多聚焦在河流[17-18]、水沙[19]、干旱[20]、水文[21-22]、污染[23]、经济[24]等单一领域或局部特征,站在流域巨系统角度进行整体性评价的研究十分有限,跨专业协同、多系统耦合的研究成果较少.2019年,黄河流域生态保护和高质量发展上升为重大国家战略,从战略高度、系统角度为重大国家战略提供科学支撑,迫切需要开展系统性、整体性的深入研究.

本研究以黄河流域生态环境演变特征为切入点,统计了黄河流域近 40a的主要生态环境数据,通过熵权分析计算得到流域环境发展指数(Environment Development Index,EDI),计量了黄河流域近 40a的生态环境演变特征,以期为新形势下黄河流域发展质量综合评估和决策提供科学依据.

1 数据与方法

1.1 研究区概况

黄河流域位于 32°～42°N、96°～119°E,西起巴彦喀拉山,东临渤海,南至秦岭,北抵阴山,流域面积79.5万km2(图1).黄河流域幅员辽阔,地貌差别很大,从西到东横跨青藏高原、内蒙古高原、黄土高原和黄淮海平原.地势西高东低,流域北部属干旱气候,中部属半干旱气候,南部属湿润、半湿润气候,多年平均降水量为476mm,且主要集中在6～9月.

图1 黄河流域概况Fig.1 Overview of the Yellow River basin

黄河流域生态环境整体较脆弱,多年来,防洪减灾、水沙治理、水土保持、生态保护和修复等人类活动对流域生态环境积极向好发展提供了重要的驱动力,但仍然存在上游水源涵养功能降低、中游水土流失严重和支流污染、下游湿地萎缩等突出生态环境问题.

1.2 数据来源与处理

本文中,黄河干流重要断面生态基流、黄河流域水网及水资源量空间数据集、水功能区及水体达标情况、主要支流水体达标统计、土壤侵蚀模数空间数据集、黄土高原水土流失治理面积等数据由水利部黄河水利委员会提供.土地利用、NDVI等空间数据集下载自中国科学院资源环境科学与数据中心(www.resdc.cn).典型区域湿地面积数据源来自美国陆地卫星Landsat 遥感影像,将影像数据进行筛选、拼接、裁剪等预处理后,采用 K-Means非监督分类方法自动分类后进行人工修正,最终完成解译并得到湿地面积.数据研究时间为1980～2019年.

1.3 研究方法

1.3.1 环境发展指数 采用张金良等[22]关于黄河流域发展质量研究提出的可能度函数信息熵算法得到相关指标的年度熵值,再利用熵权法计算生态环境系统熵.在此基础上,基于生态环境系统熵结果定义环境发展指数(EDI).

(1)熵权计算:信息熵是信息量和不确定性的度量,某指标带来的信息量越大,熵值越低,不确定性就越低,也就可以赋予其较大的权重.利用熵权分析方法计算指标权重可以减少主观判断、固有经验、随机事件等的干扰.熵权法更大的意义在于,随着各指标信息熵值的变化,每个指标在系统中的权重也随之变化,这些指标相互作用,动态互动,就可以实时监测指标在系统中重要性的变化,对系统指标的综合评价提供依据,与传统恒定人为赋权相比更具动态性和系统性.

基于每个指标 i(i=1,2,…,N)的信息熵值 Si,其权重wi用公式求得:

利用各指标的熵值和权重,经过加权求和,可以计算得出流域生态环境子系统总熵Ssys,如下所示:

(2)指数计算:环境发展指数是流域发展指数体系的重要指标,是生态环境子系统作为流域巨系统有机组成的关键内核之一.EDI从生态环境保护角度出发,量化研究生境质量、植被覆盖、土地胁迫、水网湿地等相关因素,是基于系统理论和熵权分析得到的用于评价流域生态环境发展质量的综合性指标.本文采用熵权法对 9项黄河流域生态环境子系统指标进行加权求和,就得到系统熵值,即EDI值,用来评价流域生态环境发展演变状况.EDI计算公式为:

式中:Si为各指标信息熵值;wi为各指标对应的熵权;N为指标数.

1.3.2 生态环境指标 研究从黄河流域生态保护发展目标出发,选取了能够充分反映流域生态环境特征且可获取的 9项指标,通过熵权法计算 EDI,相关指标如下:

(1)重要断面生态基流保证率(REBF),为满足生态基流的月份(年份)与总评价月份(年份)之比.是表征生态用水保障程度的指标,值越大,生态用水保障程度越高.重要断面包括黄河干流兰州、花园口、利津3处.

(2)重要水功能区水质达标率(RWQ),为水质达标的水功能区个数与水功能区总个数之比.该指标是区域尺度表征水质优劣的指标,值越大,水质越优.黄河流域重要水功能区 340个,计入水质达标率的为294个,详见各年度《黄河水资源公报》[23].

(3)重要支流水质达到或优于Ⅲ类河长比例(RSW),为水质达到或优于Ⅲ类河长与总评价河长之比.该指标是河流尺度表征水质优劣的指标,值越大,水质越优.重要支流包括:大夏河、洮河、湟水、大通河、汾河、渭河、北洛河、泾河、伊洛河、沁河、东平湖.

(4)生境质量指数(IHQ),评价区域内生物栖息地质量,利用单位面积上不同生态系统类型在生物物种数量上的差异表示.

式中:S林地、S草地、S水域湿地、S耕地、S建设用地、S未利用地分别为对应的生境类型面积(km2),根据土地利用空间数据集在ArcGIS平台上计算得到;S为区域面积(km2);Abio为生境质量指数的归一化系数,参考值为511.264[24].

(5)植被覆盖指数(IVC),评价区域植被覆盖的程度,利用区域单位面积归一化植被指数(NDVI)表示.式中:Pi为 5～9月象元 NDVI月最大值的均值,采用MOD13的NDVI数据,空间分辨率250m.Aveg为植被覆盖指数的归一化系数,参考值为0.012[24].

(6)水网密度指数(IWND),水网密度指数评价区域内水的丰富程度,利用评价区域内单位面积河流总长度、水域面积和水资源量表示.

式中:Ariv为河流长度(km)的归一化系数,参考值为84.370,Alak为水域面积(km2)的归一化系数,参考值为 591.791,Ares为水资源量(百万 m3)的归一化系数,参考值为86.387[24].

(7)土地胁迫指数(ILS),评价区域内土地质量遭受胁迫的程度,利用区域内单位面积上水土流失、土地沙化、土地开发等胁迫类型面积表示.

式中:S重度侵蚀、S中度侵蚀、S建设用地、S其他土地胁迫为对应类型土地面积(km2),S为区域面积,Aero为土地胁迫指数的归一化系数,参考值为236.044[24].

(8)黄土高原水土流失治理面积(SCWS)单位为km2.

(9)典型区域湿地面积变化率(RW),典型区域湿地指黄河源区、乌梁素海和黄河三角洲,分别位于流域上、中、下游.典型区域湿地面积变化率公式为:

式中:Si为第i年湿地面积(km2),Si+1为第i+1年湿地面积.

1.3.3 三次样条函数法 指将实测点坐标光滑连接,得到平顺趋势曲线的方法.本文采用三次样条函数法对1980～2019年黄河流域生态环境子系统EDI进行趋势拟合.已有实测点 x,y坐标,在原测量点处仍保持原测量值,曲线内所有测点(除两端点外)的一阶导数和二阶导数连续,如下式所示:

式中:i= 2, 3,…, n-1,将原测点的函数值、一阶导数、二阶导数求出后,根据需要,可以在两测量点之间插值计算无限个函数值、一阶导数和二阶导数.给定一个区间(闭合区间)为[a, b],共有 n个测点(n-1段),即:a=x1＜x2＜x3…＜xn-1＜xn=b,其内部的三次样条函数为Sp(∀,3),其中∀为闭合区间[a, b].约束条件如下:

可见,三次样条函数法可保证插值曲线曲率(近似于曲线的二阶导数)线性变化,从而防止曲线发生突变而造成插值的不确定性.

2 结果与讨论

2.1 熵权分析

图2为10项指标的熵权值,每年的各项指标熵权值和为1.与传统专家打分等权重指标体系方法不同,本文计算的黄河流域生态环境子系统的指标的权存在随时间序列的动态变化,说明不同指标对子系统状态的影响程度在不同时间存在差异.重要断面生态基流保证率熵权均值为 0.1390,其随时间变化整体呈“下降-上升”趋势,水网密度熵权变化趋势与之相似.生境质量指数熵权均值为 0.1222,整体呈平缓下降趋势;植被覆盖度指数熵权均值为 0.1249,整体呈平缓上升趋势;重要水功能区水质达标率熵权均值为 0.0919,在 1998～2019年间存在先减后增的波动.重要支流水质达到或优于Ⅲ类河长比例、土地胁迫指数、黄土高原水土流失治理面积、典型区域湿地面积变化率4项指标熵权,在21世纪初至今时间段的趋势相对一致,均为先减后增.

图2 1980～2019年黄河流域生态环境指标熵权变化Fig.2 The entropy weights of eco-environmental indicators in the Yellow River Basin from 1980 to 2019

图3为10项指标熵权箱线图,用以解析数据分布和整体状态.箱体内部虚线为中位数,叉为平均值.整体的指标权重排名为:重要断面生态基流保障率、植被覆盖度、生境质量指数、黄土高原水土流失治理面积、土地胁迫指数、水网密度指数、重要支流水质达到或优于Ⅲ类河长比例、典型区域湿地面积增长率和重要水功能区水质达标率.其中,重要断面生态基流保证率熵权存在一个异常值,为1997年的0.0553.这是因为1997年黄河下游断流导致花园口(75%)和利津(29%)生态基流保证率为历年最低,考虑到数据真实性,该异常值保留.各项指标在每年熵权结构中排名第一的有3项,分别是重要断面生态基流保障率,生境质量指数和植被覆盖指数,出现率分别为 57.5%、32.5%和 10.0%.每年熵权结构中排名第二的有4项,分别是植被覆盖指数、生境质量指数、重要断面生态基流保障率和水网密度指数,出现率分别为45.0%、27.5%、25.0%和2.5%.

图3 1980～2019年黄河流域生态环境指标熵权箱线图Fig.3 The box plots of entropy weights of eco-environmental indicators in the Yellow River Basin from 1980 to 2019

2.2 EDI分析

如图 4,黄河流域 1980～2020年 EDI演变情况.近 40a,黄河流域 EDI的平均值为 64.23,最大值为76.60(2019年),最小值为 56.64(1981年).流域 EDI总体呈现“稳定-增长”的变化趋势,2003年显著增长,之后EDI持续上升.

图4 1980～2019年黄河流域EDI演变Fig.4 The EDIs of the Yellow River Basin from 1980 to 2019

自 20世纪 60年代,黄土高原水土流失治理工程、“三北”防护林工程逐步实施,黄河三角洲、乌梁素海等重要自然保护区相继建立,流域生态保护和治理不断推进,促进了流域局部生态环境的好转,但保护和治理力度有限,系统性不足.1980～2002年EDI均值 60.54,低于全时段均值 64.40,流域整体生态环境状况处于相对较低的水平.1980～2002年,植被覆盖指数及生境质量指数作为影响EDI的重要指标,变化较为稳定(图6),而重要断面生态基流保障率存在波动(图5).

2003年后,随着黄河水量统一调度、生态文明建设、污染防治攻坚战等系统性更强的政策措施,以及退耕护岸林工程、天然林保护工程和小浪底工程等关键工程实施,同时考虑黄土高源水土流失治理工程、“三北”防护林工程、自然保护区建设等生态工程的后效性,多重因素综合推动了黄河流域生态环境质量的整体改善,EDI值显著上升并持续增长.重要断面生态基流保障率在2002年后,逐渐趋于平稳,并且相对稳定在100 %.2003年及之后的流域植被覆盖指数较 1980～2002年有较大增长,2019年较2002年的增幅达到21.26%,且正增长频度显著高于负增长.EDI的定量解析可以为黄河流域发展综合评估提供依据,但仍应认识到,黄河流域生态系统状况存在系统性、复杂性和波动性,主要特征指标的机理和相互影响尚不明确,在流域治理与重大工程的生态效应、驱动力、预案决策等方面的研究还有待进一步开展.

2.3 主要特征指标分析

基于上述熵权和 EDI分析,选取综合熵权排名前3项的生态环境指标进行分析.

2.3.1 重要断面生态基流保证率 由图 5可知,1980～2009年黄河兰州断面生态基流保证率均为100%,说明黄河干流上游生态水量较充足,为兰州鲇等重要土著保护鱼类提供了基本的栖息环境.花园口、利津均位于黄河下游,这里是黄河鲤等鱼类重要的栖息河道.可以看到花园口、利津生态流量在1980～2003年间存在显著缺口,特别是最下游的利津断面,个别年份生态基流保证率不足 30%,有 7年时间甚至低于花园口断面历史保证率最低值.随着黄河水量统一调度、小浪底调水调沙等的实施,特别是全流域水资源节约集约水平不断提高,从2004年至今,3个主要断面的生态基流保证率几乎全部达到100%.该指标的演化趋势直接体现了黄河干流生态水量的系统性改善,表征了流域生态环境子系统状况在持续向好发展.

图5 1980～2019年黄河流域重要断面生态基流保证率Fig.5 The annual assurance rates of ecological basic flow from the cross sections of important rivers in the Yellow River Basin from 1980 to 2019

2.3.2 植被覆盖度指数 如图6(a)所示,1980～2019年全流域植被覆盖度指数总体呈增长趋势,总体年均增长率 0.91%,仅有 1988、1990、1991、1999、2005、2009、2011、2014、2015等8a植被覆盖率变化率为负,这可能与城镇化扩张和气候变化有关.其中,内蒙古、山西、陕西三省的植被覆盖状况改善显著,年均增长率分别为 1.69%、1.65%和 1.47%,显著高于其他省;宁夏、甘肃年植被覆盖指数年均增长率分别为1.29%、1.17%,高于流域均值.说明相关省份在水土流失治理和林草保护与修复方面的工作效果显著.

2.3.3 生境质量指数 图 6(b)为黄河流域及域内各省范围生境质量指数变化率.1980～2009年全流域生境质量总体稳定,存在缓慢的波动变化,年均变化率不足0.1%,说明随着区域经济社会的不断发展,特别是城镇化、农业规模化等对自然生境的挤压,流域内生境质量总体稳定,重要野生动植物栖息地和生境得到了有效保护和修复.各省生境质量变化存在差异.变幅最显著的是内蒙古,初期波动较大,之后逐渐放缓,说明生境质量下降的趋势在逐渐遏制,这可能与内蒙古黄河流域地区退耕还林还草还湿系统工程的成效开始显现有关.河南黄河流域多为大堤内滩区范围,生境质量存在阶段性下降,但2006年之后已呈上升趋势,随着黄河下游滩区综合提升和生态廊道建设,生境质量有望进一步改善.

图6 1980～2019年黄河流域内各省及全流域植被覆盖指数和生境质量指数年变化率Fig.6 The annual variance ratio of vegetation coverage indexes and habitat quality indexes change in the Yellow River Basin from 1980 to 2019

3 结论

3.1 构建了用于评价流域生态环境子系统综合质量的指数EDI.EDI描述的核心要素特征综合作用于流域生态环境子系统,其变化趋势即为系统状况动态.黄河流域 1980～2019年 EDI总体呈现“稳定-增长”的变化趋势,2003年显著增长,之后 EDI持续上升.说明经过多年的保护与治理,流域生态环境负反馈效应正在显现,系统逐步由混乱无序向稳定有序发展,黄河流域生态环境整体向好.

3.2 黄河流域生态环境子系统各项指标的熵权变化存在随时间序列的动态变化.单一年度的指标权重结构随时间变化不断调整,各项指标在系统中的重要性非恒定.EDI指标权重综合排序为:重要断面生态基流保障率、植被覆盖度、生境质量指数、黄土高原水土流失治理面积、土地胁迫指数、水网密度指数、重要支流水质达到或优于Ⅲ类河长比例、典型区域湿地面积增长率和重要水功能区水质达标率.

3.3 重要断面生态基流保障率、生境质量指数、植被覆盖度指数等指标变化的规律呈现一定的时空差异.近 40a时间内,黄河干流生态水量由下游断面难以保证逐步变化为全段保证率100%,植被覆盖度整体持续增加,生境质量总体稳定,均表征了黄河流域生态环境子系统状况在持续向好发展.