基于不同模型在水生态健康评价中的应用

2023-11-01郭昉晨

黑龙江水利科技 2023年10期

郭昉晨

(辽宁省辽河防洪工程有限责任公司,沈阳 110179)

1 评价指标体系建立

水生生态系统在本质上是一个相对开放和活跃的生态系统类型[1],是受人类活动影响最大的生态系统之一;与河流水生态系统不同,文章所研究的流域水生态系统健康评价,除了包含河流生态健康的评价,还要综合考虑人类健康与社会经济的因素。通过对这些因素的综合分析,才能科学合理的得出流域水生态系统的健康状况。

1.1 水生态系统活力

一个生态系统是否有活力是衡量一个生态系统能否可持续发展的重要指标[2],生态系统的活力主要通过经济发展趋势,经济效率以及人口变化趋势体现。

在经济发展方面,本溪地区近些年社会经济水平变化较大,人均GDP在2010—2013年一直呈现上升趋势,在2013—2016年有小幅下降。在经济效率方面,提升GDP的同时减少耗水量就可以减少生态系统的供水压力。在人口变化趋势方面,本溪地区随着工业的衰退造成了人口流失,除2014年之外,近年来本溪地区的人口总数一直是负增长,人口的数量和生态系统的健康密切相关,过多的人口会增加水生态系统的负担。综上所述,选取人均GDP、万元GDP耗水量、人口自然增长率和人口密度作为水生态系统活力的评价指标

1.2 水生态系统组织结构

水生态系统的组织结构包括构成流域生态系统的生物部分及非生物部分。在水资源方面,与辽宁省的其他城市相比,本溪市地表水较为丰富,年平均降水量高于辽宁省平均水平,但受季风气候影响,水资源年季变化较大,降水主要集中在六、七、八月份;因此在旱季经常出现中小河流断流的现象,导致局部地区长期出现地下水超采,严重影响水生态健康。相关部门认识到这一问题后已经开始控制本溪地区对地下水的开发利用,近几年地下水供水量逐年减少;与此同时水中的藻类细胞密度以及底栖动物的完整性可以比较客观的反映出水生态系统的变化,藻类细胞生物作为最初级的生产者,是能量流动的起点,具有一定的预见性,经常被用于水体富营养化的监测,过量的氨氮等营养物质排放会对藻类生长起促进作用,而底栖动物是构成水生态系统的组成部分[3-5],可以加速水生态系统中的物质分解和营养循环,底栖动物的种类越丰富,对于水生态系统的健康越有利;因为底栖动物的分布和数量对水源保护特别敏感,因此,它经常被用作环境监测的指示动物。综上所述,选取地下水供水量、水体中藻类细胞密度、底栖动物完整性作为水生态系统组织结构的评价指标。

1.3 水生态系统恢复力

水生态系统的恢复力强弱,是衡量生态系统能否稳定发展的重要指标[6-7],其中有害物质的排放对流域生态系统的恢复力影响较大。近几年为了减少城镇污水以及工业废水的排放,政府和企业极其重视废水的处理排放,城镇污水以及工业氨氮的处理率都有了显著提升,一定程度上反映出了相关部门对水环境保护的重视程度;同时根据之前三部分对水资源、水环境、水生态三个方面承载力的研究,发现这三方面的承载力基本可以达到一般承载,但从观察影响承载力指标的变化趋势,可以看出近年来本溪市废水的排放总量以及经济发展与生态环境之间的矛盾增加,成为限制这三方面承载力提高的主要因素,不利于地区的可持续发展和生态系统的恢复。综上所述,选取城市污水处理率、工业氨氮去除率、水资源、水环境、水生态作为水生态系统恢复力的评价指标。

1.4 水生态系统服务功能

水生态系统同时也影响着自然条件和人类生活,水生态系统中可用的水资源总量决定着水资源的供给能力;水生态系统越健康,供水能力就越大。水生态系统也有调节气候的能力,河流和湖泊的比热容比陆地大,遇热升温慢,遇冷降温也慢,而且河流和湖泊通过蒸发,使空中水汽含量多,云量多,年平均降水量增加,湿度增大,有利于加快本溪地区生态系统的水循环。综上所述,选取人均水资源量、年平均相对湿度、年平均降水量作为水生态系统服务功能的评价指标。水生态系统健康评价指标体系,见表1;水生态系统健康评价指标数据,见表2。

表1 水生态系统健康评价指标体系

表2 水生态系统健康评价指标数据

2 模型的建立

2.1 评价等级的划分

水生态系统健康状况受众多条件影响,涵盖自然地理,人类活动等诸多因素,文章通过结合现行国家标准和地方标准,参考相关文献,计算相关指标的发展趋势以及对比专家以往的经验值4种方法,对水环境承载力指标划分成了5个等级,以定量直观地反映各等级因素对承载力的影响程度。评价指标极性及等级划分表,见表3。

表3 评价指标极性及等级划分表

2.2 指标权重的计算

为了避免主观因素对指标权重的影响,在权重计算时考虑人的价值,保证权重计算的全面性,因此,采用组合权重法确定指标权重。首先采用模糊层次分析法确定主观权重,然后采用熵权法计算客观权重。最后,将2种方法得到的主客观权重进行耦合,得到水生态健康系统各指标的综合权重。根据表1确定的评价指标体系以及表2中制定的数量标度,建立水生态健康系统承载力的模糊一致判断矩阵。

得出矩阵后,根据a=(n-1)/2,计算出准则层a取1.5,4个指标层a分别取1.5,1,1.5和1。再求得各指标的主观权重。接着用熵权法计算客观权重,根据14个评价指标2010—2018年的数据资料构造熵权法的判断矩阵R=(rij)n×m,然后根据指标的极性,对得到的矩阵进行归一处理,得到新的标准化矩阵,再计算各指标客观权重及组合权重,利用各指标客观权重乘以其指标实际值构成准则层判断矩阵,根据熵权法得到准则层标准化矩阵,最后得到准则层的客观权重及综合权重。水生态健康评价指标权重值,见表4。

表4 水生态健康评价指标权重值

3 结果及分析

3.1 模糊综合评判评价结果

将2010—2018年各个指标的具体数值按照指标极性和大小的分类,根据模糊综合评判模型计算公式,得到本溪地区2010—2018年的隶属度矩阵,将权重矩阵与隶属度矩阵相乘得到模糊综合评价矩阵,最后将矩阵进行量化得出水生态系统健康评价的最终评价结果,本溪市水生态系统健康评价结果,见表5。

表5 本溪市水生态系统健康评价结果

由表5可以看出本溪地区的水生态系统健康状况呈现出逐渐变好的趋势,且评价值基本在0.42到0.55之间波动,最后3a的评价数值均在0.5以上,说明水生态系统的健康有变好的趋势。本溪市水生态系统健康评价结果MK趋势结果为Z=10.4,表明可知2010—2018年间本溪市水生态系统健康评价有上升的趋势,但未通过显著性检验。

3.2 物元分析评价结果

将各个指标的数据按照其所在的经典域和节域分别进行关联度计算。2010—2018年各个指标等级变化趋势,各年份水生态系统健康评价指标对应各评价等级,见表6;各年份水生态系统对各评价等级的综合关联度,见表7。

表6 各年份水生态系统健康评价指标对应各评价等级

表7 各年份水生态系统对各评价等级的综合关联度

从表6可以看出近几年人均GDP、万元GDP水耗、地下水供水量、城镇污水处理率、工业氨氮去除率五个指标呈现出利于健康状况变好的趋势,而水体藻类细胞密度、年平均降水量则不利于健康状况向好的方向发展。

根据表7的结果,可以看出各年的水生态系统健康状况均为一般。从综合关联度的数据分析可以看出,本溪地区近几年的水生态系统健康状况极其稳定,评价等级均为3级;而且观察每年的综合关联度数值可以发现,2010年,2015年和2018年的关联度数值在-0.1～0之间,虽然为负数但与0很接近,说明虽然不完全符合一般的评价标准,但极容易向一般的方向转化。而其余年份的最大关联度数值均为正数,说明完全满足健康状况为一般的评价标准。各年份物元分析评价结果汇总,见表8。

3.3 评价结果趋势分析

综合上述的模糊综合评价模型与物元分析模型得出的结论,可以看出两种模型得出的最终结果一致,说明本溪地区的水生态系统健康状况一直稳定在一般的水平,但从模糊综合模型的数据变化趋势上可以看出,本溪地区水生态系统健康状况自2014年之后开始逐渐变好。在2012年之前,本溪地区废水排放量较多且对于城镇污水与工业废水的处理率并不高;此外2011年的年平均降水量较少,导致对地下水的利用较多,因此最终的评价结果数值较小。近几年本溪地区减少了对地下水的开发利用,加强了废水的处理,使这两方面对应的指标逐渐有利于水生态系统的健康,但是近几年水体中藻类细胞密度和废水排放总量又有逐渐增加的趋势,限制了水生态系统向更好的等级转化。

从表8可以看出单个指标对应的评价等级的变化趋势,其中本溪地区的万元GDP水耗以及人口自然增长率一直比较有利于水生态系统的健康,而人均GDP和年平均相对湿度则一直较差,不利于生态系统的健康;此外,人口密度和底栖动物完整性这两个指标数据一直处于3级经典域,水资源、水环境与水生态承载力这3个指标近几年的波动并不大,因此这些指标对水生态系统的健康影响不大。与之前较为稳定的指标相反,本溪地区地下水供水量、城镇污水处理率和工业氨氮去除率均在政府和相关部门的管控下由差变好,但水体中藻类细胞密度、年平均降水量却由好变坏,废水排放总量在经历了2013与2014年的改善之后也逐渐变差。