水資源開發(fā)影響下三江平原生態(tài)系統(tǒng)健康評價

劉 瑩，王立權，孔 達，王子龍

(1.黑龍江大學水利電力學院，哈爾濱 150080；2.東北農業(yè)大學水利與土木工程學院，哈爾濱 150030)

0 引 言

生態(tài)系統(tǒng)健康是指在生態(tài)系統(tǒng)基本單元、區(qū)域或景觀以及全球等多個尺度上生態(tài)系統(tǒng)的自我保持與更新的能力和社會經(jīng)濟服務功能[1]。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人類高強度活動導致的生存環(huán)境惡化、水土資源萎縮、生態(tài)功能退化、承載能力降低、生物多樣性縮減等生態(tài)系統(tǒng)問題日益突出，由此給社會經(jīng)濟可持續(xù)性發(fā)展帶來了嚴重影響。生態(tài)系統(tǒng)健康日益受到國際社會的廣泛關注，成為了生態(tài)系統(tǒng)管理的重要問題和熱點領域[2]。生態(tài)系統(tǒng)健康評價興起于20世紀80年代，在區(qū)域或景觀尺度上已經(jīng)開展了河流[3]、湖泊[4]、森林[5]、濕地[6]、流域[7]、海島[8]、城市[9]等多種類型區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)健康評價，由簡單到復雜、由定性到定量、由關注生物指標到重視服務功能，已成為該領域研究的重要趨勢。

三江平原是三江(松花江、黑龍江和烏蘇里江)匯流、沖積形成的沼澤化低平原，地理位置位于黑龍江省東部區(qū)域，行政區(qū)劃包括佳木斯市、鶴崗市、雙鴨山市、七臺河市、雞西市、穆棱市、依蘭縣，同時包括分布其中的幾十個國有農場和林業(yè)局[10]。該區(qū)域經(jīng)過幾十年的開發(fā)，生態(tài)系統(tǒng)受到了一定的影響，特別是以地下水過度利用為代表的水循環(huán)變化引起的生態(tài)環(huán)境效應凸顯，有必要定量評估三江平原的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。

1 評價指標體系的構建

評價指標體系的構建是生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評價的基礎和核心，不同研究中提出了多種生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評價指標體系的框架或方案[11-15]。針對三江平原生態(tài)系統(tǒng)特征，借鑒其他學者相關研究成果[16-18]，依據(jù)評價指標體系建立的原則，從社會、經(jīng)濟、生態(tài)3個子系統(tǒng)相互依存和相互作用的關系入手，注重生態(tài)系統(tǒng)的服務功能和價值，構建了三江平原生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系包含目標層、系統(tǒng)層和指標層三個層次，如圖1所示。

第一層為目標層(三江平原生態(tài)系統(tǒng)健康A)，為本研究所追求的總目標；第二層為系統(tǒng)層，是與此研究目標緊密聯(lián)系的三個系統(tǒng)，即生態(tài)系統(tǒng)B1、社會系統(tǒng)B2、經(jīng)濟系統(tǒng)B3；第三層為目標層，共包括12項指標，各指標的計算公式及指標表征含義見表1。

圖1 三江平原生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系

表1 三江平原生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標計算公式及其含義

2 生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法

生態(tài)系統(tǒng)健康評價的模型方法所采用的指標體系法，通過指標層次和指標選取體現(xiàn)待評價生態(tài)系統(tǒng)的特點與價值，能夠更為全面地體現(xiàn)復雜生態(tài)系統(tǒng)健康狀況[19]，本研究采用指標體系法，構建生態(tài)系統(tǒng)健康評價的指標體系，運用數(shù)學模型對三江平原生態(tài)系統(tǒng)健康進行綜合評價。

2.1 粒子群優(yōu)化算法

粒子群優(yōu)化(Particle Swarm Optimization，簡稱PSO)算法是一種源于對鳥群捕食行為的研究而發(fā)明的進化計算技術[20]。粒子群體中的每個粒子代表解空間中一個可能的解，群體中每個粒子在優(yōu)化過程中所找到的最好位置就是該粒子本身所找到的最好解，整個粒子群體所找到的最好位置就是整個粒子群體目前找到的最好解。前者稱為個體極值，后者稱為全局極值，每個粒子都通過這兩個極值不斷更新自己位置和速度，從而產生新一代粒子群體，在整個過程中粒子群體對解空間進行全面搜索尋找最優(yōu)[21]。

2.2 基于粒子群優(yōu)化的投影尋蹤模型

運用投影尋蹤模型開展評價問題研究的基本步驟是：根據(jù)數(shù)據(jù)結構尋找最佳投影方向，運用投影值計算公式，計算被評價對象各樣本的最佳投影值，將各樣本的最佳投影值進行相對比較，以確定待評價樣本的優(yōu)劣。對于投影尋蹤模型而言，如何獲得最佳投影方向是評價模型構建的核心問題，最佳投影方向的尋求可以通過一個復雜的非線性優(yōu)化問題來解決[22]。本研究采用操作相對簡單的粒子群算法優(yōu)化最佳投影方向，建立投影尋蹤評價模型[23]。

3 結果與分析

3.1 三江平原不同時期生態(tài)系統(tǒng)健康變化分析

采用粒子群優(yōu)化算法對投影尋蹤評價模型中的投影方向進行優(yōu)化。利用MATLAB軟件編制基于粒子群優(yōu)化的投影尋蹤評價模型程序，其中粒子群優(yōu)化算法的參數(shù)設置如下：種群規(guī)模N=400，最大迭代次數(shù)Gmax=30，慣性權重w=0.996 5，學習因子c1=c2=2。在MATLAB環(huán)境下運行程序，得到投影指標函數(shù)最大值Q*(a)、最佳投影方向a*以及粒子群優(yōu)化算法的迭代尋優(yōu)過程，如圖2所示。

圖2 粒子群優(yōu)化算法的尋優(yōu)過程(三江平原)

采用2000-2011期間12年的數(shù)據(jù)，在MATLAB環(huán)境下運行程序，得出投影指標函數(shù)最大值Q*(a)=0.067 205 862 065 981，最佳投影方向a*=(0.727 930 300 198 792，0.001 433 060 959 954，0.287 577 467 128 917，0.622 426 401 101 767)。將最佳投影方向 代入公式即可得評價指標的最佳值a*=(1.431 847 331 635 9，1.600 378 867 016 74，1.594 041 503 740 58，1.393 663 791 829 91，1.393 663 537 376 41，1.32711440223315，1.393 667 335 629 2，1.254 983 159 846 58，1.155 477 796 397 66，1.263 885 522 669 75，1.091 869 707 395 63，1.011 533 228 609 15)。

計算可得三江平原地區(qū)2000-2011年12年的最佳投影值，如圖3所示。由圖3可知，2000-2011年，三江平原生態(tài)健康指數(shù)處于遞減趨勢，也就是說該期間待評價地區(qū)的生態(tài)健康情況處于下滑階段。

圖3 2000-2011年三江平原生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)

分析三江平原生態(tài)系統(tǒng)健康評價的12年結果可知，地下水資源模數(shù)由2000年的8.81 萬m3/(km2·a)逐步下降至2011年的5.00 萬m3/(km2·a)，而地下水供水比趨于穩(wěn)定，所以地下水資源的壓力越來越大，對三江平原生態(tài)系統(tǒng)健康有逆向影響。而此階段大力發(fā)展工業(yè)及相關行業(yè)，使人均GDP得到了迅猛發(fā)展，由2000年的6 440.97 元/人增加到2011年的30 247.17 元/人，說明經(jīng)濟發(fā)展水平、人民的生活質量得到了提高，對水利的投入提供了保障。但同時，工業(yè)的發(fā)展也對三江平原生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)功能、物種的多樣性、水質的標準起到了惡化的效果。

3.2 三江平原不同地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康對比分析

根據(jù)前述評價模型的理論和方法，分別對2006年和2011年三江平原各地區(qū)生態(tài)健康狀況進行評價。運行程序語言，計算投影指標函數(shù)最大值為Q*(a)=0.252 847 734 301 184，最佳投影方向a*=(0.002 922 068 891 988，0.485 527 633 730 488，0.840 718 624 038 648，0.016 525 437 155 085，0.000 381 150 453 593，0.000 074 440 839 243，0.136 551 761 430 636，0.196 282 829 488 327)，并得到粒子群優(yōu)化算法的迭代尋優(yōu)過程，如圖4所示。

圖4 粒子群優(yōu)化算法的尋優(yōu)過程(三江平原不同地區(qū))

依據(jù)粒子群優(yōu)化算法獲得的最佳投影方向計算可得2006年和2011年評價指標數(shù)據(jù)集的最佳投影值，如圖5、圖6所示。

圖5 2006年三江平原不同地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況

圖6 2011年三江平原不同地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況

由圖5可知，2006年穆棱市的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況處于三江平原平均水平之上，依蘭縣次之，佳木斯市、雞西市、鶴崗市、雙鴨山、七臺河市六個地區(qū)生態(tài)健康狀況處于三江平原平均水平，其中，穆棱市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況最優(yōu)，雙鴨山市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況最差。

對比分析圖5與圖6，自2006-2011年，三江平原區(qū)域內的依蘭縣、穆棱市、佳木斯市、雞西市、鶴崗市、雙鴨山市、七臺河市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況均處于下滑狀態(tài)，即三江平原生態(tài)健康狀況持續(xù)惡化。對比分析各指標數(shù)據(jù)，相對于2006年，雖然2011年三江平原各地區(qū)的人均GDP等各項正向指標有所上升，但是2011年三江平原各地區(qū)的地下水供水比、人類活動強度、人口健康狀況等逆向指標上升幅度更為明顯，表明人類活動對生態(tài)系統(tǒng)健康的影響很大。

4 結 語

隨著三江平原各地區(qū)經(jīng)濟的快速發(fā)展和人口數(shù)量的增多，水資源需求量會日益增加，對生態(tài)環(huán)境的污染 日益加劇，濕地面積不斷減小。因此，應盡快提高水資源利用率，在加快經(jīng)濟的發(fā)展的同時，力爭做到社會-經(jīng)濟-生態(tài)的和諧與可持續(xù)發(fā)展是保持三江平原生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的必要措施。

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