基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型的河南省水庫生態(tài)安全評估

王國重， 李中原， 張繼宇， 程煥玲， 郝 捷， 甘 容

(1.黃河水文水資源科學(xué)研究院， 河南 鄭州450004； 2.河南省水文水資源局， 河南 鄭州450003； 3.河南黃河河務(wù)局， 河南 鄭州 450003； 4.河南省水土保持監(jiān)督監(jiān)測總站， 河南 鄭州 450008； 5.鄭州大學(xué)， 河南 鄭州 450001)

1 研究背景

流域生態(tài)安全即流域生態(tài)系統(tǒng)在保持其物理、化學(xué)及生物完整性的基礎(chǔ)上，處于穩(wěn)定、可持續(xù)狀態(tài)，能為人類提供不同的生態(tài)產(chǎn)品或服務(wù)，并對自然和人為干擾具有一定的自我調(diào)節(jié)和恢復(fù)能力，是流域生態(tài)系統(tǒng)完整性和健康水平的整體反映[1]。流域是人類生活和生產(chǎn)活動的重要載體[2]。隨著人口的增加和生產(chǎn)力水平的提高，人類對自然生態(tài)系統(tǒng)干預(yù)的范圍和程度愈演愈烈，使得流域內(nèi)水體污染、生態(tài)環(huán)境逐步惡化。為了流域的可持續(xù)發(fā)展、恢復(fù)和管理流域生態(tài)，首先需要對流域生態(tài)安全進(jìn)行評估。目前生態(tài)安全評估還處于探索階段，尚未形成系統(tǒng)的評估指標(biāo)體系和評估方法。關(guān)于生態(tài)安全的評估，國內(nèi)外通用的主要有國際經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織提出的“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(PSR)”評估體系[3]、聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展委員會建議的“驅(qū)動力-狀態(tài)-響應(yīng)(DSR)”體系[4]、歐洲環(huán)境署的“驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)(DPSIR)”體系[5]；相應(yīng)的評估方法則以綜合指數(shù)法、層次分析法、模糊數(shù)學(xué)法、熵值法、灰色理論法等為主[6-7]。

“壓力-狀態(tài)-響應(yīng) (PSR)”方法考慮了社會經(jīng)濟(jì)、環(huán)境生態(tài)、資源等方面的影響，指標(biāo)體系較為完整且能夠清晰反映出各種因素之間的相關(guān)性，因而深受研究者的青睞，應(yīng)用也最為廣泛[8-13]。但是這些應(yīng)用往往局限于區(qū)域生態(tài)安全、某個流域或具體的某個水庫生態(tài)安全的評估，針對大范圍大量水庫的研究卻未見報道。河南省橫跨長江、黃河、海河、淮河四大流域，水庫眾多且分布廣泛，本研究采用PSR方法從壓力、狀態(tài)、響應(yīng)3個方面建立水庫流域安全評價指標(biāo)體系，利用熵值法確定各個指標(biāo)的權(quán)重，通過綜合評價指數(shù)嘗試對河南省2005和2015年大型水庫流域的生態(tài)安全進(jìn)行評估，為水庫環(huán)境的管理提供依據(jù)。

2 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)概況

河南省位于中國中東部、黃河中下游，介于北緯31°23′～36°22′，東經(jīng)110°21′～116°39′之間，全省總面積16.7×104km2，屬北亞熱帶向暖溫帶過渡的大陸性季風(fēng)氣候。河南省多年平均水資源總量403.5×108m3，不足全國的1.42%，人均水資源量不及全國平均水平的1/5，隨著人口增加、城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)和社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對水資源的需求與日俱增。同時，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市規(guī)模的擴(kuò)大，污廢水排放量逐年增加，造成許多河流污染嚴(yán)重，逐漸喪失了飲用水功能，加劇了這種缺水態(tài)勢。作為優(yōu)質(zhì)水來源的水庫，總體水質(zhì)優(yōu)于河流，在很多區(qū)域尤其是嚴(yán)重缺水地區(qū)，已經(jīng)逐步取代河流成為主要的飲用水水源地。因此，保護(hù)水庫水質(zhì)就關(guān)系到全省飲水安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

本文以河南省環(huán)保部門日常監(jiān)測的22座大型水庫為例，對其2005、2015年的環(huán)境生態(tài)狀況進(jìn)行評估，為水庫流域環(huán)境生態(tài)治理與水源區(qū)水質(zhì)保護(hù)提供依據(jù)。這22座水庫的分布及特征參數(shù)如表1所示。

2.2 數(shù)據(jù)來源

采用的數(shù)據(jù)主要來自2005、2015年河南省統(tǒng)計年鑒、河南省水資源公報、河南省環(huán)境狀況公報、河南省水土保持規(guī)劃。由于不同的指標(biāo)具有不同的變異程度和不同的單位，需要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，以消除變量的變異影響、量綱影響及數(shù)據(jù)大小的影響。

3 研究方法

3.1 PSR模型與指標(biāo)體系

借鑒國內(nèi)外相關(guān)研究成果，依據(jù)科學(xué)性、完整性、目標(biāo)性、可行性和數(shù)據(jù)的可獲得性原則及河南省的實際，從社會、經(jīng)濟(jì)與資源環(huán)境等方面選取同水庫流域生態(tài)環(huán)境和水質(zhì)密切相關(guān)的指標(biāo)，并將評價指標(biāo)體系分成4個層次：第1層為評價目標(biāo),即環(huán)境安全性；第2層為準(zhǔn)則層,即壓力、狀態(tài)、響應(yīng)3個方面；第3層為指標(biāo)層；第4層為評價單元(水庫流域)。確定指標(biāo)權(quán)重的常用方法主要有主成分分析、層次分析、AHP法、熵值法等[14-15]，這里采用熵值法，因為該法受主觀因素的影響較小。評估指標(biāo)體系與各指標(biāo)相應(yīng)的權(quán)重見表2、3所示。

3.2 指標(biāo)權(quán)重的確定

3.2.1 無量綱樣本矩陣的建立 設(shè)P1,P2,P3,…,Pn為評估區(qū)域生態(tài)安全的n個指標(biāo)，S1,S2,S3,…,Sm為其中的m個樣本，樣本Si在指標(biāo)Pj下的實測值為Qij，這樣就形成了m個樣本n個指標(biāo)的矩陣(Qij)m×n。該矩陣中各指標(biāo)的量綱、數(shù)量級以及指標(biāo)之間的優(yōu)劣程度u差異很大，需要對該矩陣中的數(shù)據(jù)做無量綱化處理，處理公式見公式(1)和(2)所示。

(1)

(2)

式中：Qij為第i個樣本中第j個指標(biāo)的實測值；yij為經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后第i個樣本中第j個指標(biāo)的值；(Qij)max、(Qij)min分別為Pj為正向指標(biāo)時所取的

表1 河南省22座大型水庫的分布與特征參數(shù)

表2 2005年各評價指標(biāo)的權(quán)重

表3 2015年各評價指標(biāo)的權(quán)重

最大值和負(fù)向指標(biāo)時所取的最小值。正向指標(biāo)是指數(shù)值越大越好的指標(biāo)，如發(fā)電量、產(chǎn)量、效益；負(fù)向指標(biāo)則是指數(shù)值越小越好的指標(biāo)，如投資、成本、土壤侵蝕模數(shù)等。

3.2.2 評估指標(biāo)權(quán)重的確定 熵值理論計算各個指標(biāo)的權(quán)重比較客觀，第j項指標(biāo)的熵值Ej可由斯蒂林公式得到，詳見公式(3)。而某項指標(biāo)的效用價值則取決于該指標(biāo)的熵值Ej與1的差值，見公式(4)。

(3)

hj=1-Ej

(4)

式中： 常數(shù)k=(lnm)-1。

則第j項指標(biāo)的權(quán)重為：

(5)

各指標(biāo)經(jīng)無量綱化處理后，再由公式(3)～(5)計算，就得到了2005、2015年各個指標(biāo)的權(quán)重，見表2、3所示。

3.3 流域生態(tài)安全評估

生態(tài)安全綜合指數(shù)作為衡量區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況優(yōu)劣程度的數(shù)量尺度，是由單個的要素指標(biāo)綜合而成，能夠揭示區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況的變異，常常作為全面評估區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況和環(huán)境管理的依據(jù)，因此應(yīng)用十分廣泛[16-20]。采用該方法對河南省22座大型水庫2005、2015年生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行評估。

各個指標(biāo)加權(quán)求和就得到了流域的生態(tài)安全綜合指數(shù)，用公式表示為：

(6)

式中：Ai為第i個樣本(這里指水庫)的生態(tài)安全綜合指數(shù)；yij為各指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值；wj為第j項指標(biāo)的權(quán)重。

經(jīng)公式(6)計算可得到這22座水庫2005、2015年的生態(tài)安全綜合指數(shù)，見圖1、2及表4所示。

圖1 2005年22座大型水庫生態(tài)安全綜合指數(shù)

圖2 2015年22座大型水庫生態(tài)安全綜合指數(shù)

4 結(jié)果分析

從圖1、表4可以看出：2005年這22座大型水庫中，生態(tài)安全綜合指數(shù)在0.6以上的只有南灣水庫和宿鴨湖水庫；在0.5～0.6之間的有石山口、潑河、板橋、鲇魚山、鴨河口等5座水庫；在0.4～0.5之間的有五岳、石漫灘、薄山、昭平臺、白龜山、孤石灘、陸渾、宋家場、小浪底、丹江口等10座水庫；其余5座水庫在0.4以下，處于危險邊緣，如果不及時采取措施予以改善就有陷入不安全狀態(tài)的可能。從圖2、表4可知：2015年生態(tài)安全綜合指數(shù)在0.6以上也是2座：南灣和板橋水庫；石山口、五岳、潑河、宿鴨湖、鲇魚山、鴨河口這6座水庫的安全綜合指數(shù)在0.5～0.6之間；在0.4～0.5之間的有石漫灘、薄山、昭平臺、白龜山、故縣、陸渾、宋家場、小浪底、丹江口等9座水庫；白沙、孤石灘、窄口、三門峽、盤石頭等5座水庫的生態(tài)安全綜合指數(shù)在0.4以下，0.4～0.5之間的水庫較2005年還少了1座，這說明需要采取措施保護(hù)流域生態(tài)環(huán)境、確保水庫水質(zhì)安全。

表4 22座水庫2005、2015年的生態(tài)安全綜合指數(shù)

注：2005年平均生態(tài)安全綜合指數(shù)為0.46846；2015年為0.47418。

這22座水庫的平均生態(tài)安全綜合指數(shù)：2005年為0.468 46, 2015年為0.474 18。2005年在平均值之上的水庫有12座：南灣、石山口、五岳、潑河、板橋、宿鴨湖、薄山、鲇魚山、白龜山、陸渾、鴨河口、丹江口，其余的10座低于平均值；2015年在平均值之上的有南灣、石山口、五岳、潑河、板橋、宿鴨湖、鲇魚山、陸渾、鴨河口、宋家場、丹江口等11座，另外的11座水庫在平均值以下。2015年的平均安全綜合指數(shù)比2005年有明顯的提高，說明水庫生態(tài)問題引起了一些地方的重視并采取了相應(yīng)的措施，但生態(tài)安全綜合指數(shù)達(dá)到平均水平的水庫卻比2005年還少了1座，這也說明流域水環(huán)境安全不僅僅是采取些措施進(jìn)行治理就可以好轉(zhuǎn)的，還需要出臺一系列的政策措施、保障措施。

比較圖1、2和表4不難看出：經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平與流域生態(tài)安全不是直接的正比關(guān)系。駐馬店和信陽的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平在河南省處于中等偏下的位置，但其水庫的生態(tài)安全綜合指數(shù)卻很高，2005年信陽南灣水庫的生態(tài)安全綜合指數(shù)是0.613 89，居各大水庫之首，2015年為0.618 06，居于第2位；駐馬店的板橋水庫生態(tài)安全綜合指數(shù)，2005年為0.519 19，居于第5位，但2015年其生態(tài)安全綜合指數(shù)卻達(dá)到了0.621 05，居于首位。洛陽的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平排在全省前列，但小浪底水庫的水生態(tài)安全卻與之相背：2005年的生態(tài)安全綜合指數(shù)為0.44657，在各水庫中居第15位，2015年為0.406 01，居于第17位，而且都低于平均值。這可能與粗放型的經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式有關(guān)，以犧牲環(huán)境來換取經(jīng)濟(jì)發(fā)展最終將會得不償失。所以在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時還要注意對環(huán)境的保護(hù)。

5 結(jié) 論

通過PSR模型建立了河南省水庫生態(tài)安全評估的指標(biāo)體系，采用熵值法確定了各個指標(biāo)的權(quán)重，根據(jù)綜合評估指數(shù)對2005和2015年河南省22座大型水庫的生態(tài)安全進(jìn)行了評估，主要結(jié)論如下：

(1)2015年22座水庫的平均生態(tài)安全綜合指數(shù)較2005年有明顯提高，但仍然有5座水庫(占總數(shù)的22.73%)的生態(tài)安全綜合指數(shù)在0.4以下，環(huán)境狀況處于危險邊緣。

(2)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平與流域生態(tài)安全不是直接的正比關(guān)系，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高的區(qū)域其水庫生態(tài)環(huán)境狀況往往較差。說明在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時，應(yīng)該注意對環(huán)境的保護(hù)，實現(xiàn)人與自然和諧發(fā)展。

河南省水庫眾多且分布于長江、黃河、海河、淮河四大流域，在全國很具有代表性。實際的研究表明：PSR模型也可用于大范圍大量水庫的環(huán)境生態(tài)評估，拓寬了該方法的應(yīng)用領(lǐng)域。