基于PSR模型的辽河流域盘锦河段生态系统健康评价及其驱动因素分析

杨訸晴,胡慧琴,张勤旭,秦梦恩,张明亮,2*,侯 军

(1.大连海洋大学海洋科技与环境学院,辽宁 大连 116023;2.辽宁省近海生态环境与灾害防护工程技术创新中心,辽宁 大连 116023;3.盘锦市林业和湿地保护管理局,辽宁 盘锦 124010)

流域是一个复杂的生态系统,以水为桥梁,由水、土壤、生物等自然元素和经济、社会等人文元素构成,不仅为人类日常生活、工农业活动提供水源,还支撑着商业、交通、文娱等诸多服务功能,同时也保证着生态系统内物质和能量正常循环,维持着生态系统的平衡[1]。然而,本文研究区域辽河流域盘锦段,随着城市化和工业化的迅猛发展,生态环境不断遭到破坏,河流水系单位面积内的污水浓度大幅增加,河流生态系统健康问题严峻[2]。对流域的生态系统健康状况进行评价,可以为流域生态系统政策法规的制定及保护措施的实施提供理论依据,从而更好地促进该流域朝着更健康良好的方向发展。因此,本文生态系统健康评价的研究对于促进辽河流域生态系统的健康稳定发展十分重要。

目前,流域生态系统健康评价的研究在世界范围内广泛开展。如Jabbar等[3]对河流生态质量的评价采用多样化指标,主要涉及到岸边植被、水生物种、水中污染物等,通过评价提供有关水质、河流形态和生物完整性的信息,确定河流生态健康情况。美国环保署[4]提出从景观形态、生物现状、化学物理指标、自然干扰情况、水文地貌状况和生态过程这6个方面构成综合评价体系进行流域的生态系统健康评价。但是上述方法存在评价指标归类标准不明确等问题,对人文因素造成的河流不连续性的评价研究不足,导致评价体系不能广泛应用[5]。为了改进以上方法的不足,加拿大学者提出了压力-状态-响应(Pressure-State-Response)模型[6],后续学者采用相关方法对不同的流域进行生态系统健康评价[7-8],并取得较好的评价效果。此外,杨志等[9]在PSR模型的基础上构建DPSRC模型,提出在模型中增加驱动生态系统和人类控制措施等因素,如增加了D驱动力和C控制指标义;在PSR模型的基础上,苏毅等[10]使用Fishnent网格法,采取遥感影像和野外调查数据筛选出12个生态指标,构建了三峡库区典型小流域——兰陵溪小流域的健康评价体系,可以直观地反映出健康状况的空间特征;汪小钦等[11]使用EHN框架与PSR模型相结合,对新疆开孔河流域构建网状指标体系并进行生态系统健康评价,基于筛选的指标计算了其EHCI指数,得出开孔河流域总体生态健康趋势向好的结论。综合来看,评价指标体系的构建是河流生态系统健康评价中的重要内容,但是目前对于生态系统健康评价的指标体系的构建还没有统一标准,评价指标的选取也有局限性。进行流域生态系统健康评价的对象应该选取综合多层次的观测目标,才可以全面地把人类活动和生态系统等因素考虑其中。本研究从辽河流域特点出发,采用多衡量指标基于PSR模型的框架,利用景观格局指数构建了流域的生态系统健康评价体系,使评价成果更好地服务生态文明建设。

辽河的盘锦段是辽河流域的重要部分之一,承担着盘锦市农田灌溉和城镇居民生活用水的重要任务,辽东湾海域环境质量较差,因此辽河的水环境入海通量是整个辽河流域治理工作的难点和重点,本文选取盘锦段为研究区。本文以PSR概念模型为依据,选取了辽河流域盘锦段2010、2012、2014、2016、2018、2020年6个时间段来自压力、状态、响应3个层次的13个评价指标进行研究,综合分析评价其流域健康状态,并研究主要驱动因素,为其生态恢复和资源管理提供一定参考。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区概况

辽河流域位于中国东北地区的西南部,是中国七大流域之一,流域地理坐标东经116°54′～125°32′,北纬40°30′～45°17′,见图1。辽河总长1 390 km,流域面积达21.9万km2,于盘锦市汇入辽东湾。选取的研究区域——辽河流域盘锦段位于辽河最下游,盘锦市内部分辽河干流总长124.3 km[12]。盘锦市城乡人口共计138万,沿河城市人口比较密集,这是由于一些城区依江河干流而建,其中双台子区、兴隆台区人口最为密集。盘锦市是石油化工型城市,是中国重要的工业基地,原油开采、石油加工和精密化工是当地的支柱产业,因此城市污染物负荷较重。

图1 辽河流域盘锦段示意

1.2 研究方法的选取

PSR模型可以多准则、多指标进行河流生态系统健康评价,通过数学模型计算的健康指数非常具有代表性与实用性,体现了人类社会活动与生态环境紧密联系的逻辑关系,该方法能定性、定量的对生态系统健康进行分析与评价[13]。本文选取了PSR模型对辽河流域盘锦段生态系统健康水平进行全面分析。整个评价指标体系分为3层(图2):第一层是压力层,由人类活动引起的生态系统环境资源的压力;第二层是状态层,因为生态系统内的压力改变了其原有的状态;第三层是响应层,是通过人类的政策制定或技术手段对这些变化做出改变[14]。每种指标都有相应的测评因子。

图2 辽河流域(盘锦段)PSR基础框架模型

1.3 评价体系的构建

指标构建原则遵循系统整体性、分区指导性、时空动态性,因此在选取指标进行评价之前要对生态系统进行整体综合的评价,面对多因素干扰时找出主导因素;并且考虑到生态环境的资源是动态变化的,所以在评价时指标要不断更新和完善状态[15]。压力层的指标选取遵循人类活动对生态系统的影响,包括直接压力如工业废水排放量,和间接压力如人口数量、人类活动等。状态层的指标选取考虑辽河流域(盘锦段)的流域自然特征,水资源和水环境的状况,选取了海水中特征污染物含量作为指标更为直观。响应层的指标从人类近些年针对辽河流域(盘锦段)主要治理措施入手。综合上述因素,本文将选取的13个评价指标,建立了压力、状态、响应3层结构的评价指标体系[16]。

1.4 健康评价标准的划分

综合评价指数(CEI)可以非常直观地评价流域的生态健康状况,结合目前研究成果,按生态健康评价指数大小,将综合评价指数分为5个等级:非常不健康、不健康、一般健康、健康、非常健康,并采用[0,1]这样连续的实数区间,来表示流域生态健康的各个等级数值[17]。

2 数据来源与数据处理

2.1 数据的来源

辽河流域(盘锦段)人文数据、社会经济数据、城市建设数据等,主要来自《盘锦市统计年鉴》与《盘锦市水资源公报》;水质、水文数据主要来自于辽宁省海洋渔业水域环境监测报告及本研究团队相关科研报告,从中得到2010、2012、2014、2016、2018、2020年辽河流域盘锦段的各项指标数据的实际值。分级标准的选取根据流域生态系统健康评价要求[18-19],将评价指标进行分级:非常健康(Ⅰ)、健康(Ⅱ)、一般健康(Ⅲ)、不健康(Ⅳ)、非常不健康(Ⅴ),见表1。

表1 生态系统健康评价指标体系

2.2 数据处理与权重确定

2.2.1数据归一化处理

通过文献查阅、实地考察、数据整理分析,对2010、2012、2014、2016、2018、2020年6个时间段的PSR模型中准则层内各评价指标进行整理归纳和统一处理,见表2—4,依据辽河流域生态系统健康评价指标分级标准,建立模糊矩阵。建立模糊关系矩阵可用式(1)表达:

表2 压力层指标隶属度与综合评价指数

表3 状态层指标隶属度与综合评价指数

表4 响应层指标隶属度与综合评价指数

(1)

对生态系统健康评价中各指标的隶属度计算见式(2)—(7)。

对于正项指标:

ri1=1,ri2=ri3=ri4=ri5=0,xi

(2)

(3)

ri5=1,ri1=ri2=ri3=ri4=0,xi>si,1

(4)

对于负向指标:

ri1=1,ri2=ri3=ri4=ri5=0,xi>si,1

(5)

(6)

ri5=1,ri1=ri2=ri3=ri4=0,xi

(7)

2.2.2熵值法确定权重

权重计算方法众多,常见有熵值法、德尔菲法、层次分析法、因子分析和主成分法等。熵值法的原理是通过构建决策矩阵给出的信息直接计算权重,所以决策者的主观意识对计算结果未能产生影响,综合考虑熵值法精度较高、客观性更强,能够更好地解释所得到的结果。因此,在了解辽河流域盘锦段整体情况的前提下,根据各评价指标对流域生态系统健康的影响,通过熵值法计算得到评价指标权重值。熵值法表达式如下。

a)整个信息(设有n个)的不确定度量:

(8)

式中Pj——j个信息不确定度;S——熵;K>0。

b)建立多属性决策矩阵:

(9)

c)所有方案对属性X的贡献总量:

(10)

d)各指标权重如下:

(11)

式中,dj=I-Ej,为第j属性下各方案贡献度的一致性程度。当dj=0时,第j属性可以剔除,其权重等于0。

2.3 生态健康评价指数计算

通过模糊综合评判方法将数据归一化处理得出各指标的评判矩阵并将其与权重相结合,据此得出式(12):

Bi=Wi×Ri=(Wi1,Wi2,…,Win)×

(12)

式中 (Wi1,Wi2,…,Win)——指标权重;

本文主要采用生态健康评价指数来表示辽河流域盘锦段生态系统健康状况,对13个评价指标(表5)进行标准化处理,定量地反映出流域生态系统的健康状况,综合性指数常用式(13)进行估定:

表5 生态系统健康评价指标权重

(13)

式中b1、b2、b3、b4、b5——评判向量的隶属度。

通过查阅大量资料文献,将流域生态系统健康综合评价指数进行归纳总结,可以将流域生态系统健康程度分为5个等级[20-21],每个等级对应的健康评价指数区间见表6。

表6 综合评价指数分级标准

3 计算结果与分析

3.1 评价结果

根据健康评价模型可以得出各年份的健康值见表7,2000—2020年辽河流域盘锦段生态系统健康状况为呈曲折上升趋势,主要表现为2010—2020年每两年的CEI指数分别为:0.343 5、0.340 6、0.279 1、0.425 3、0.417 9、0.464 2,经历了2012、2014、2018年3次的小幅度下降,但整体指标朝着上升趋势发展,说明辽河流域盘锦段生态系统健康状况好转。可以看出:2010—2020年的辽河流域盘锦段生态系统健康状况由“不健康”水平变为“一般健康”水平,流域生态系统健康状况逐渐好转,但是距离“非常健康”水平较远。

表7 各标准层CEI指数

3.2 压力分析

从选取的指标来看,压力主要来源于人口、资源与社会3个方面。由表7数据可得2010—2020年压力层CEI指数从0.111 7降至0.043 1,下降幅度逐渐减缓,其中2016、2020年有小幅度上升,增幅分别为0.001 5、0.001 6;说明这段时间辽河流域盘锦段内人类的一些经济和社会活动对辽河的负面作用逐渐增大,健康状况并不乐观。其中,占权重最大的工业废水排放量主要是由于人为因素的影响,日常未对生活污水和工农业废水进行集中的收集处理,直接排入河道中,进而造成严重的水污染。由表7数据变化来看2016年后虽仍是下降趋势但明显减缓,这是由于盘锦市深入推进能源生产和消费改革,“十三五”期间加快实施污染减排和环境治理措施,新增污染物的增加幅度逐渐减少,响应能力的提高使污染逐步得到了控制。在环保的同时,盘锦市社会经济仍旧持续发展,人均GDP逐年攀升,城镇化率控制在较好的幅度内变化。

3.3 状态分析

对于状态S子系统,CEI指数呈现曲折变化见表7。2010—2020年CEI指数分别为:0.171 0、0.209 2、0.166 0、0.265 4、0.248 4、0.271 4,历经“上升—下降—上升—下降—上升”变化。由指标来看,水资源总量权重占到0.209 7,是主要驱动因素,水资源总量的变化与CEI指标大体呈正相关趋势。2014年盘锦市的水资源总量较2013年下降了1.5亿m3,辽河中的水中化学需氧量上升了0.258 mg/L是导致这一年CEI指数下降的主要因素;同样在2018年,盘锦市水资源总量较2013年下降了1.74亿m3,辽河水中无机氮含量上升了0.176 mg/L导致了这一年CEI指数的下降。近些年,政府不断提供支撑,辽河治理工作大力开展如2017年的生态屏障建设工程,在水系交汇处增加绿地建设,构建生态绿地网络,形成生态屏障,还有同年的河道生态治理工程,实施岸坡整治、生态护岸等河道整治工程,使辽河流域水环境质量得到改善。然而,流域水污染的情况仍然是长期、复杂的问题,整个流域水环境质量仍不能持续稳定达到健康水平,基础设施建设仍具有一定缺陷,对于污水的收集和管理效率低下,因此生态环境难以达到较高的健康水平。水资源匮乏无法保证生态基流,水生态保护处于探索的初级阶段,这是影响治理效果稳定性和可持续性的重要原因。

3.4 响应分析

对于响应R子系统,由表7可得2010—2020年呈曲折递增的趋势,每两年的CEI指数分别为:0.060 8、0.070 1、0.056 5、0.101 8、0.128 0、0.149 7,呈上升趋势。可见社会和政府越来越重视辽河流域盘锦段的生态环境保护工作,并对辽河流域生态系统的恢复和改善采取了积极的应对措施。如2016年健康指数增幅达0.045 3,主要是因为这一年进入到“十三五”计划的第一年,节能减排的大力推进,有效地改善了环境恶化问题。而后2018年盘锦市划定了生态保护红线,对生态保护的重点类型和重要区域进行了规范,但是全面实施还处于起步阶段。目前水环境保护工作科学技术手段有限,环境状态还未达到一个较高水平,响应层CEI数值也较难到达更高一层。

3.5 驱动力分析

辽河流域盘锦段生态系统健康变化受到自然和人类活动的共同影响。通过分析权重数据得出主要驱动因素如下:水资源总量占到20.97%,政策法规及保护区建设占到17.97%,景观多样性占到14.19%,工业废水量占到13.68%,水中化学需氧量占到10.63%。由上述数据可知,影响该流域健康的原因来源于人文因素和自然因素,而自然因素中水文及水质健康起到主导作用,因此本文对其进行重点分析。

在生态系统健康评价驱动因素分析中,工业废水排放量、水中化学需氧量、无机氮含量、活性磷酸盐含量等均起到负向驱动作用,即数值越小越有利于健康评估;水资源总量起正向驱动作用,即数值越大越有利于健康评估。水资源总量可以直接反映流域水源状况,其变化对流域的存亡至关重要。由图3a可知2010—2020年工业废水排放量呈快速上升趋势,10 a间增幅达3 924万t/a;由图3b可知水资源总量呈折现波动,整体来说并未达到比较充足的水平;由图3c可知水中活性磷酸盐、无机氮、化学需氧量的浓度均处于折现波动,整体有下降趋势但仍处于较高浓度水平,综合来看水文及水质状况整体仍存在较大风险。“十三五”以来盘锦市每年有约6 000万t的工业污水和生活污水排入辽河盘锦段,盘锦市盘锦区工业废水排放量为1 400万t,占废水总量的22%,4 800万t城市污水排放到辽河,占废水78%左右[22]。落后的传统产业、缓慢的技术更新导致高能耗、高耗水量是水污染的主要来源。

a)工业废水排放量

4 结论与建议

通过对辽河流域盘锦段生态系统健康的实际情况进行调查分析,以PSR模型为基础,从压力、状态和响应3个方面选取13个评价指标,构建辽河盘锦段生态系统健康评价模型,根据评价结果来看整体由“不健康”水平变到“一般健康”水平,但距“非常健康”水平仍较远。从各子系统健康指数来看,压力层CEI指数最低,存在问题较大,这一层面中的工业废水排放量超额较大。从各子系统权重值来看,对辽河流域盘锦段生态健康的贡献情况大小为:状态S子系统>响应R子系统>压力P子系统。通过计算,由表5可知状态S子系统、响应R子系统、压力P子系统权重值分别为:0.588 5、0.233 4、0.178 0,通过本文研究可知水资源总量不足、工业废水排放是影响辽河盘锦段生态系统健康的重要因素。因此,要使辽河流域盘锦段的生态健康等级达到更高的水平,流域内生态系统实现良性循环,就必须要从水文、水环境的治理和调控着手。结合盘锦市生态建设进程与目标要求,在城市面源污染治理方面,加大投资力度,加大污水处理厂建设和其他环境基础设施建设,开展城市环境综合治理工作。建立完善的法律治理体系加以警示规范。明确各方水管理职责,完善流域水环境相关事宜的解决流程。其次加大科学技术的投入,提高科技支撑能力,使环境保护工作更加科学性、规范性、法治性。