福建省山仔水庫(kù)生態(tài)安全評(píng)價(jià)

饒清華，邱 宇，王菲鳳，許麗忠，張江山

（1．福建師范大學(xué) 福清分校 生物與化學(xué)工程系，福建 福清350300；2．福建省環(huán)境科學(xué)研究院，福州350013；3．福建師范大學(xué) 環(huán)境科學(xué)研究所，福州350007；4．福建師范大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，福州350007）

隨著人口的快速增長(zhǎng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境的壓力不斷增大，由環(huán)境退化和生態(tài)破壞及其所引發(fā)的環(huán)境災(zāi)害與生態(tài)災(zāi)難對(duì)區(qū)域發(fā)展、國(guó)家安全、社會(huì)進(jìn)步的威脅越來(lái)越大，生態(tài)安全問題已受到世界各國(guó)的高度重視。生態(tài)安全及評(píng)價(jià)已在世界范圍內(nèi)成為多學(xué)科、多領(lǐng)域的熱門課題。學(xué)者們圍繞著生態(tài)安全的概念［1－4］、問題評(píng)述［5－7］及指標(biāo)取舍［8－12］等方面進(jìn)行了大量的研究，但尚未形成系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，定量評(píng)價(jià)的方法與準(zhǔn)則的確定仍處于探索階段。

在生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系方面，由于指標(biāo)體系有其自身的特點(diǎn)，其關(guān)注的是社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、自然子系統(tǒng)在“關(guān)系”上的協(xié)調(diào)［13］。因此，從社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、自然3個(gè)子系統(tǒng)的分析出發(fā)構(gòu)建指標(biāo)體系，綜合考慮區(qū)域系統(tǒng)的生態(tài)需求與生態(tài)承載力，客觀反映社會(huì)－經(jīng)濟(jì)－自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)之間的相互作用機(jī)理，從整體上體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)程度和可持續(xù)發(fā)展能力。在生態(tài)安全評(píng)價(jià)方法方面，常用的評(píng)價(jià)方法有綜合指數(shù)法、層次分析法、熵權(quán)法、模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法和灰色理論評(píng)價(jià)法等［14－17］。生態(tài)安全評(píng)價(jià)的本質(zhì)就是根據(jù)研究區(qū)域可持續(xù)發(fā)展對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的要求，建立區(qū)域生態(tài)安全指標(biāo)體系和安全等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將研究區(qū)域各評(píng)價(jià)指標(biāo)轉(zhuǎn)換成一維實(shí)數(shù)的綜合安全指數(shù)，進(jìn)而對(duì)各區(qū)域生態(tài)安全等級(jí)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。如何合理地確定這些評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重是生態(tài)安全評(píng)價(jià)最主要的難點(diǎn)之一，而傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法在確定指標(biāo)權(quán)重時(shí)，主觀隨意性較強(qiáng)，其評(píng)價(jià)結(jié)果的合理性和科學(xué)性就值得探討。全排列圖示指標(biāo)法是多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)方法的一種，與傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單加權(quán)法相比，不用專家主觀評(píng)判權(quán)系數(shù)的大小，只要確定與決策相關(guān)的上限、下限和臨界值即可，減少了主觀隨意性［13］。

本文以福州市第二水源地山仔水庫(kù)為例，提出基于經(jīng)濟(jì)狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)和社會(huì)狀態(tài)3個(gè)子系統(tǒng)指標(biāo)耦合的指標(biāo)體系，衡量復(fù)合生態(tài)體系的生態(tài)安全等級(jí)。并采用全排列圖示指標(biāo)法，對(duì)指標(biāo)體系的量化數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得到生態(tài)環(huán)境安全等級(jí)的量化綜合指標(biāo)，為生態(tài)環(huán)境規(guī)劃和建設(shè)提供依據(jù)。

1 研究方法

全排列多邊形圖示指標(biāo)法［13，18－20］具體定義為：設(shè)共有n個(gè)指標(biāo)（標(biāo)準(zhǔn)化后的值），以這些指標(biāo)的上限值為半徑構(gòu)成一個(gè)中心n邊形，各指標(biāo)值的連線構(gòu)成一個(gè)不規(guī)則中心n邊形，這個(gè)不規(guī)則中心n邊形的頂點(diǎn)是n個(gè)指標(biāo)的一個(gè)首尾相接的全排列，n個(gè)指標(biāo)總共可以構(gòu)成（n－1）／2個(gè)不同的不規(guī)則中心n邊形；綜合指數(shù)定義為所有這些不規(guī)則多邊形面積的均值與中心多邊形面積的比值。

指標(biāo)值標(biāo)準(zhǔn)化采用雙曲線標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)：

F（x）滿足：

式中：U——指標(biāo)x的上限；L——指標(biāo)x的下限；T——指標(biāo)x的臨界值。根據(jù)上面3個(gè)條件，可得：

由F（x）性質(zhì)可知，標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)F（x）把位于區(qū)間［L，U］的指標(biāo)值映射到［－1，＋1］區(qū)間。標(biāo)準(zhǔn)化后的值改變了指標(biāo)的增長(zhǎng)速度，當(dāng)指標(biāo)值位于臨界值以下時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)增長(zhǎng)速度逐漸降低，當(dāng)指標(biāo)位于臨界值以上時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)增長(zhǎng)速度逐漸增加，即指標(biāo)由沒有標(biāo)準(zhǔn)化以前的沿x軸的線性增長(zhǎng)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)化后的快－慢－快的非線性增長(zhǎng)，臨界值為指標(biāo)增長(zhǎng)速度的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

對(duì)第i個(gè)指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算公式為：

利用n個(gè)指標(biāo)可以作出一個(gè)中心正n邊形，n邊形的n個(gè)頂點(diǎn)為Si＝1時(shí)的值，中心點(diǎn)為Si＝－1時(shí)的值，中心點(diǎn)到頂點(diǎn)的線段為各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值所在區(qū)間［－1，＋1］，而Si＝0時(shí)構(gòu)成的多邊形為指標(biāo)的臨界區(qū)。臨界區(qū)的內(nèi)部區(qū)域表示各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值在臨界值以下，其值為負(fù)；外部區(qū)域表示各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值在臨界值以上，其值為正，如圖1所示。

圖1 全排列多邊形圖示指標(biāo)法示意圖

全排列多邊形綜合指數(shù)：

式中：S——綜合指標(biāo)值；Si——單項(xiàng)指標(biāo)值。

2 生態(tài)安全評(píng)價(jià)應(yīng)用實(shí)例

2．1 山仔水庫(kù)概況

福建省山仔水庫(kù)位于敖江流域的中游，具有發(fā)電、灌溉、防洪和城市供水等綜合利用功能。水庫(kù)流域內(nèi)有古田縣的卓洋、鶴塘、杉洋、大甲；閩清縣下祝；閩侯縣延坪、大湖；羅源縣霍口、飛竹；連江縣小滄；福州晉安區(qū)日溪等11個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，現(xiàn)有人口6．55萬(wàn)左右，居民主要以林業(yè)、農(nóng)業(yè)為主。福州第二水源取水口位于山仔大壩下約7 k m，距福州市約21 k m，水庫(kù)流域集水面積為1 646 k m2，多年平均年徑流量為18．59億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容10．64億m3。

2．2 生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與標(biāo)準(zhǔn)

指標(biāo)體系構(gòu)建時(shí)，充分考慮水庫(kù)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀、對(duì)生態(tài)安全有潛在影響的重要因素以及能夠能動(dòng)反映人類活動(dòng)的指標(biāo)。建立指標(biāo)體系時(shí)遵守以下基本原則：完備性、客觀性、獨(dú)立性、可測(cè)性、數(shù)據(jù)可獲得性、動(dòng)態(tài)性和相對(duì)穩(wěn)定性［13，18，20］。

在借鑒吳開亞［14］等、郭樹宏［15］等所構(gòu)建的生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系基礎(chǔ)上，通過查閱文獻(xiàn)以及《福州年鑒》（2001－2004），建立山仔水庫(kù)生態(tài)安全指標(biāo)體系。指標(biāo)體系分為3級(jí)，包括社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境3個(gè)子系統(tǒng)的狀態(tài)。山仔水庫(kù)周圍土地利用類型以林地和耕地為主，工業(yè)與建筑用地較少，近年來(lái)其區(qū)域開發(fā)程度和土壤侵蝕率都穩(wěn)定在較低水平，農(nóng)業(yè)廢物秸稈的產(chǎn)生量和沼氣的使用量都很少，因此將文獻(xiàn)［14］中的“區(qū)域開發(fā)指數(shù)”、“土壤侵蝕模數(shù)”、“秸稈綜合利用率”、“沼氣普及率”、“城鎮(zhèn)密度”和“農(nóng)場(chǎng)發(fā)展綜合指數(shù)”6個(gè)指標(biāo)省略。此外，山仔水庫(kù)是福州市第二水源地，近年來(lái)有呈現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化的趨勢(shì)，考慮到湖泊水庫(kù)水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化的主要影響因素及富營(yíng)養(yǎng)時(shí)所反映出來(lái)的特征，將“水環(huán)境質(zhì)量”擴(kuò)展為“化學(xué)需氧量（CODMn）”、“總磷（TP）”、“總氮（TN）”、“固體懸浮物（SS）”、“透明度（SD）”5個(gè)指標(biāo)。經(jīng)過補(bǔ)充修正的山仔水庫(kù)生態(tài)安全指標(biāo)及數(shù)值見表1。擴(kuò)展“水環(huán)境質(zhì)量”而引入的5個(gè)指標(biāo)的上限值、臨界值和下限值由孔健健［21］等所采用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的最高值、平均值以及最低值確定；其余部分指標(biāo)的上限值、臨界值和下限值由文獻(xiàn)［14］提出的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的最高值、平均值以及最低值確定。

表1 福州市山仔水庫(kù)生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系各年指標(biāo)值

由于計(jì)算所得的綜合指數(shù)值往往不符合人們判斷“好”和“差”的習(xí)慣，因此，需要將指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值和綜合指數(shù)值轉(zhuǎn)換為等級(jí)值，即建立評(píng)判集與標(biāo)準(zhǔn)化值的概念關(guān)聯(lián)［22］。利用吳開亞［14］等所采用的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將山仔水庫(kù)生態(tài)安全狀況劃分為5個(gè)等級(jí)：Ⅰ級(jí)為很安全（優(yōu)良）、Ⅱ級(jí)為較安全（較好）、Ⅲ級(jí)為安全（一般）、Ⅳ級(jí)為較不安全（較差）、Ⅴ級(jí)為很不安全（很差），把綜合指數(shù)值所在的［0，1］區(qū)間平均分為5個(gè)區(qū)間，分別代表生態(tài)安全等級(jí)很差、較差、一般、較好、優(yōu)良，具體數(shù)值見表2。

表2 生態(tài)安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2．3 評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

按照不同年份，對(duì)山仔水庫(kù)生從經(jīng)濟(jì)狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)和社會(huì)狀態(tài)3個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，最后進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果見表3和圖2。

表3 山仔水庫(kù)生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果

（1）經(jīng)濟(jì)狀態(tài)。山仔水庫(kù)周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)的經(jīng)濟(jì)狀態(tài)指數(shù)總體呈上升趨勢(shì)，說明經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)跡象，但其經(jīng)濟(jì)狀態(tài)總體處于較差水平。因此針對(duì)山仔水庫(kù)周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低的現(xiàn)實(shí)，一方面要制定合理的經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃，另一方面要加強(qiáng)對(duì)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境的監(jiān)控與治理?？煽紤]通過推廣先進(jìn)、綠色農(nóng)業(yè)科技的形式，以先進(jìn)、綠色、健康的農(nóng)業(yè)科技來(lái)刺激農(nóng)民，引導(dǎo)農(nóng)民科學(xué)合理地發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)。即要大力發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)、綠色農(nóng)業(yè)，引導(dǎo)農(nóng)民形成“綠色”的生活和生產(chǎn)方式，使經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)相互協(xié)調(diào)。

（2）環(huán)境狀態(tài)。山仔水庫(kù)環(huán)境狀態(tài)指數(shù)2002年最高、2001年次之?？赡芘c政府在2001－2002年間對(duì)水庫(kù)上游的石板材加工業(yè)、畜禽養(yǎng)殖業(yè)、漁業(yè)、旅游業(yè)、種植業(yè)等污染源給予陸續(xù)關(guān)停取締有關(guān)；而2003年的環(huán)境狀態(tài)指數(shù)略有下降，可能與部分已取締的污染源“死灰復(fù)燃”和水庫(kù)底泥的污染源釋放有關(guān)［15］。為提升山仔水庫(kù)生態(tài)環(huán)境狀況，建議采取以下措施：加強(qiáng)植樹造林，嚴(yán)禁濫砍濫伐，減少水土流失面積；控制農(nóng)藥使用量，提倡施用生態(tài)農(nóng)藥，嚴(yán)防農(nóng)藥濫用；繼續(xù)取締水庫(kù)上游有關(guān)的重污染行業(yè)；調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)、綠色農(nóng)業(yè)；建立污水處理系統(tǒng)，生活污水處理后循環(huán)再利用。

（3）社會(huì)狀態(tài)。山仔水庫(kù)周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)的社會(huì)發(fā)展?fàn)顟B(tài)指數(shù)值較低，處于Ⅳ－Ⅴ級(jí)水平。主要原因是科教投入占GDP的比例比較低，當(dāng)?shù)鼐用裎拿ず桶胛拿と藬?shù)比較高，居民的文化水平處于較低的層次，普遍缺乏環(huán)境保護(hù)的意識(shí)。因此，要重視和發(fā)展教育，努力構(gòu)建合理多樣化的教育方式，提升當(dāng)?shù)鼐用竦奈幕?；加?qiáng)農(nóng)村地區(qū)環(huán)保宣傳教育的力度，進(jìn)一步提高農(nóng)民對(duì)環(huán)境保護(hù)工作重要性的認(rèn)識(shí)。

圖2 山仔水庫(kù)經(jīng)濟(jì)狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)、社會(huì)狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)

（4）生態(tài)安全綜合指數(shù)。山仔水庫(kù)生態(tài)安全綜合指數(shù)值總體呈上升趨勢(shì)，但仍處于較差水平，距離安全水平仍有較大的差距。2000－2003年期間，山仔水庫(kù)生態(tài)安全狀況從優(yōu)到劣的排序?yàn)椋?002年＞2003年＞2001年＞2000年。由表3可以看出，經(jīng)濟(jì)狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)、社會(huì)狀態(tài)的指標(biāo)數(shù)值均是2002年最優(yōu)，2000年最差。因此，依靠科技進(jìn)步，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，倡導(dǎo)生態(tài)文明；引導(dǎo)農(nóng)民發(fā)展節(jié)約型、環(huán)境友好型生態(tài)農(nóng)業(yè)，控制農(nóng)藥、化肥、農(nóng)膜等對(duì)農(nóng)田和水源的污染，改善農(nóng)村環(huán)境質(zhì)量。提升山水庫(kù)的生態(tài)環(huán)境安全，當(dāng)?shù)卣€需要長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)不斷的努力和積累。

（5）評(píng)價(jià)方法有效性驗(yàn)證。為了驗(yàn)證全排列多邊形圖示指標(biāo)法的有效性，同時(shí)利用多目標(biāo)決策綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)山仔水庫(kù)進(jìn)行生態(tài)安全評(píng)價(jià)。兩種評(píng)價(jià)方法的評(píng)價(jià)結(jié)果優(yōu)劣排序見表4。

表4 不同評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)結(jié)果比較

由表4可以看出，基于全排列多邊形圖示指標(biāo)法的山仔水庫(kù)生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果與多目標(biāo)決策綜合評(píng)價(jià)模型的評(píng)價(jià)結(jié)果一致。全排列圖示指標(biāo)法和多目標(biāo)決策綜合評(píng)價(jià)模型都屬于多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)方法，其操作過程相似，最終的評(píng)價(jià)結(jié)果也完全吻合，說明全排列多邊形圖示指標(biāo)法可以用來(lái)生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果能夠較為客觀地反映該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的安全狀況。

3 結(jié) 論

生態(tài)安全評(píng)價(jià)是一個(gè)多因素、多指標(biāo)的復(fù)雜系統(tǒng)，科學(xué)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，準(zhǔn)確客觀反映區(qū)域生態(tài)安全等級(jí)，是推進(jìn)生態(tài)環(huán)境規(guī)劃和建設(shè)的關(guān)鍵。按照指標(biāo)體系的構(gòu)建原則，在綜合國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合生態(tài)安全的實(shí)際，提出一套科學(xué)、合理的生態(tài)安全評(píng)價(jià)排指標(biāo)體系。引入全排列圖示指標(biāo)法對(duì)福建省山仔水庫(kù)2000－2003年的生態(tài)安全進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，拓展了全排列圖示指標(biāo)法的應(yīng)用領(lǐng)域。該方法既有單項(xiàng)指標(biāo)又有綜合指標(biāo)，既有幾何直觀圖示，又有代數(shù)解析數(shù)值，既有靜態(tài)指標(biāo)，又有動(dòng)態(tài)趨勢(shì)；每個(gè)指標(biāo)都有上限、下限和臨界值；與傳統(tǒng)簡(jiǎn)單加權(quán)法相比，不用專家主觀評(píng)判權(quán)系數(shù)的大小，只要確定與決策相關(guān)的上限、下限和臨界值即可，減少了主觀隨意性；綜合方法改傳統(tǒng)加法為多維乘法，當(dāng)分項(xiàng)指標(biāo)值落在臨界值以下時(shí)，對(duì)綜合指標(biāo)產(chǎn)生緊縮效應(yīng)（邊長(zhǎng)＜1）；當(dāng)分項(xiàng)指標(biāo)值落在臨界值以上時(shí)，對(duì)綜合指標(biāo)產(chǎn)生放大效應(yīng)（邊長(zhǎng)＞1）。評(píng)價(jià)結(jié)果不但可以得出區(qū)域生態(tài)安全的優(yōu)劣及其在時(shí)間上的差異，還能明確系統(tǒng)中薄弱的環(huán)節(jié)，便于將評(píng)價(jià)結(jié)果與指標(biāo)之間進(jìn)行時(shí)空相關(guān)性分析，在生態(tài)系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)問題中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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［9］ 左偉，周慧珍，王橋．區(qū)域生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系選取的概念框架研究［J］．土壤，2002，35（1）：2－7．

［10］ 楊時(shí)民，李玉文，呂玉哲．扎龍濕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究［J］．林業(yè)科學(xué)，2006，42（5）：127－132．

［11］ 王振祥，朱曉東，石磊，等．安徽省沿淮地區(qū)生態(tài)安全評(píng)價(jià)模型和指標(biāo)體系［J］．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2006，17（12）：2431－2435．

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［13］ 吳瓊，王如松，李宏卿，等．生態(tài)城市指標(biāo)體系與評(píng)價(jià)方法［J］．生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，25（8）：2090－2095．

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［15］ 郭樹宏，王菲鳳，張江山，等．基于PSR模型的福建山仔水庫(kù)生態(tài)安全評(píng)價(jià)［J］．湖泊科學(xué)，2008，20（6）：814－818．

［16］ 譚克龍，任志遠(yuǎn)，王全九．黃河中上游流域生態(tài)綜合評(píng)價(jià)研究［J］．水土保持學(xué)報(bào)，2007，21（4）：173－176．

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［20］ 王如松，徐洪喜．揚(yáng)州生態(tài)市建設(shè)規(guī)劃方法研究［M］．北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2005．

［21］ 孔健健，張江山．屬性識(shí)別理論模型在湖泊水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］．環(huán)境工程，2004，22（5）：66－68．

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