基于PSR模型的磁湖流域生态系统健康评价

蒋衡，刘蓬，刘琳，朱家栋，仇梦璇，李海波，徐银

(1．湖北大学资源环境学院， 湖北 武汉 430062； 2．黄石市生态环境局， 湖北 黄石 435000；3．武昌理工学院， 湖北 武汉 430223)

0 引言

随着环境保护工作的不断深入，湖泊生态系统健康状态愈发受到人们的重视．对湖泊生态系统进行健康评价，一方面有助于分析影响湖泊生态系统健康的主要因素；另一方面也有利于促进生态系统的良好稳定发展.

“压力-状态-响应” (Pressure-State-Response，PSR)模型是生态系统健康评价中常用的一种评价模型[1-3]．最初是由加拿大统计学家David J. Rapport和Tony Friend(1979年)提出，后由经济合作与发展组织(OECD)和联合国环境规划署(UNEP)于20世纪八九十年代共同发展起来，用于研究环境问题的框架体系．本研究以PSR模型构建磁湖流域生态系统健康评价指标体系，对2014—2018年连续5年磁湖生态系统健康状况进行评价，找出影响磁湖流域生态健康的主要因素，旨在为磁湖流域保护与管理提供科学依据.

1 研究对象与方法

1.1 研究区概况磁湖位于长江中下游南岸、是黄石市最大的城中湖．地理位置介于东经114°57 ′～115 °06 ′，北纬30°10 ′～30°15′之间，流域面积62.19 km2，水面面积8.3 km2，湖面东西最长5.1 km，南北最宽 4.5 km，湖岸线总长37.8 km，多年平均水位17.86 m，相应湖容2 120万m3．磁湖以杭州路为界，分为南、北两个半湖，如两叶“绿肺”镶嵌在黄石城区中央，如图1所示.

图1 磁湖流域地理位置图

1.2 研究方法本文中所采用的PSR模型回答了“发生了什么、为什么发生、我们将如何做”三个可持续发展的基本问题，该模型应用了三类指标，即压力指标、状态指标和响应指标．其中，压力指标(P)表征人类经济和社会活动对环境的作用；状态指标(S)表征特定时间阶段的环境状态和环境变化情况；响应指标(R)指社会和个人对已经发生的不利于人类生存发展的生态环境变化进行补救的措施．将PSR模型引入到研究区生态系统健康评价中，构建磁湖流域PSR基础框架模型，如图2所示.

图2 磁湖流域PSR基础框架模型

1.3 评价指标的构建本研究将指标分为压力P、状态S、响应R 3个评价类别(子系统)，选取14个指标要素建立具有三层结构的评价指标体系，见图3.

图3 磁湖流域生态健康评价指标体系

压力P子系统中，万元GDP水耗是反映水资源消费水平和节水降耗状况的主要指标；人口密度表征人口对流域的压力状况；城镇化率反映了流域人口的聚集过程与程度；人口增长率则体现人口增长趋势和速度.

状态S子系统中，COD、氨氮、总氮、总磷4项指标反映了水体的受污染程度；植被覆盖率是衡量森林资源和绿化水平的重要指标；富营养化程度指标体现水体中营养物质的富集程度；人均水资源量则代表可利用水资源的丰富程度.

响应R子系统中，污水处理率反映磁湖流域污水集中收集处理的程度；环保投资指数与建成区绿化覆盖率分别表征政府对污染治理及城市绿化的重视程度.

1.4 健康等级的划分生态健康评价指数(CEI)是评价湖泊流域生态健康的重要依据．结合现有研究成果[4-7]，按生态健康评价指数大小，将湖泊流域生态健康状况等级分为五级：非常健康、健康、一般健康、不健康、非常不健康，并用连续的实数区间[0,1]来表示湖泊流域生态健康各个等级的标准值，如表1所示：

表1 健康分级标准

1.5 数据来源本研究所涉及的磁湖流域人口数据、社会经济数据、农业数据、城市建设数据等，主要来自《黄石市统计年鉴》与《黄石市水资源公报》；所涉及水质数据主要来自于黄石市生态环境局监测月报．查阅统计年鉴、水资源公报以及水质监测月报得到2014—2018年磁湖流域的各项指标数据.

1.6 数据处理与权重确定本研究采用熵权法计算各个指标的权重．一般来说，若某个指标的信息熵Ej越小，表明指标值的变异程度越大，提供的信息量越多，在综合评价中所能起到的作用也越大，其权重也就越大，反之亦然．利用信息熵这个工具，计算出各个指标的权重，然后通过加权求和，计算磁湖流域生态健康评价指数(CEI)，为磁湖流域生态健康评价提供依据.

由于指标的量纲不同，需要对各个指标进行归一化处理．指标值归一化时，取序列中各时间点中的相对最佳值为1，以实际指标值与最佳值的比值作为归一化值.

结合磁湖实际情况以及参考相关研究成果[8-13]，确定磁湖流域各指标最佳值如表2所示，指标归一化后的数据如表3所示.

表2 磁湖流域各评价指标最佳值

表3 磁湖流域2014—2018年各评价指标归一化数据表

运用熵权法求指标权重，计算方法如下：

1)构建n个样本m个评价指标的判断矩阵bij=(xji)n×m；

2)将判断矩阵归一化处理，得到归一化判断矩阵Iij，Iij中元素的表达式为：

(1)

式中：xmax与xmin为同指标不同样本中最满意与最不满意指标(正向指标越大越满意，负向指标越小越满意)；

3)根据信息论中信息熵的定义，一组数据的信息熵计算式为：

(2)

式中：

(3)

然后，通过信息熵计算各指标的权重：

(4)

1.7 生态健康评价指数计算磁湖流域生态健康评价指数(CEI)计算公式为：

(5)

式中，Ii为第i个指标的归一化值；Wi为指标i的权重.

2 计算结果与分析

2.1 磁湖流域生态健康综合评价由上述计算方法，磁湖流域各评价指标信息熵计算结果见表4，指标权重计算结果见表5，磁湖流域2014—2018年CEI指数计算结果见图4.

表4 各评价指标信息熵一览表

表5 各评价指标权重一览表

图4 磁湖流域2014—2018年(CEI)指数

由表5可知，对磁湖流域生态健康影响程度最大的指标分别为总氮 >人口增长率 > 富营养化程度 > 总磷 > COD．各子系统对磁湖流域生态健康贡献大小依次为：状态S子系统 > 压力P子系统 > 响应R子系统，状态S子系统权重达到51.83%，表明其对磁湖流域生态健康评价的作用最为显著.

如图4所示，磁湖流域2014—2018年CEI指数分别为：0.43、0.45、0.45、0.46、0.44，处于0.4～0.5之间，为一般健康状态．2014—2017年的CEI指数略微上升，而2018年的CEI指数较2017年略微下降，但总体看，五年来的CEI指数大致平稳，其原因在于评价体系中各个指标波动性不大，增长或下降趋势均较为平缓.

2.2 磁湖流域生态健康影响分析对各子系统及各项指标进行CEI综合分析，结果如图5所示.

图5 各子系统CEI评价指数

对于压力P子系统，除2014年外，2015—2018年评价指数呈逐年增加的趋势，说明磁湖流域的经济和社会活动对磁湖的负面作用在持续减小；压力P系统中，人口增长率指标权重最大，对于状态S子系统，2017年的评价指数最高，2015年与2016年的评价指数次之，2014年与2018年的评价指数最差．说明磁湖流域环境状况存在较大的不稳定性；对于响应R子系统(图5c)，2014—2018年的评价指数呈逐年增高的趋势，说明社会、政府对磁湖流域的环境保护工作愈发重视，对磁湖生态系统修复与完善采取了一定的积极响应措施。

对系统中各项指标归一化结果进行分析可得，归一化值在0.4以下的指标主要有万元GDP水耗、人口密度、氨氮、总氮、总磷，其中，总磷归一化值最低，在0.07～0.09之间，其次为总氮，在0.10～0.11之间，说明人口压力过大、湖泊氮、磷含量过高以及水资源利用效率过低等问题是影响磁湖流域生态健康的主要因素。城镇化率、植被覆盖率、人均水资源量、环保投资指数与建成区绿化覆盖率指标的归一化值在0.4～0.6之间，说明磁湖流域城镇化率偏高，植被覆盖率略有不足，人均水资源量不够丰富，环保投资有待提高。

3 结论

1) 本研究采用压力-状态-响应(PSR)评价模型，进行磁湖流域2014—2018年的生态系统健康评价，计算了磁湖流域2014—2018年CEI指数．结果表明，磁湖流域连续5年CEI指数分别为0.43、0.45、0.45、0.46、0.44，其生态系统健康等级均处于一般健康状态.

2) 各子系统对磁湖生态健康贡献大小分别为：状态S子系统 > 压力P子系统 > 响应R子系统，其中，状态S子系统权重达到51.83%，表明其对磁湖流域生态健康评价的作用最为显著.

3) 各指标健康评价结果显示，人口压力过大、湖泊氮、磷含量过高以及水资源利用效率过低等问题是影响磁湖流域生态健康的主要因素．因此，要想提高磁湖流域的生态健康等级，实现磁湖流域的生态系统良性循环，需要从上述指标的管理与整治着手.