基于不同模型在水生態(tài)健康評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

郭昉晨

(遼寧省遼河防洪工程有限責(zé)任公司,沈陽(yáng) 110179)

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立

水生生態(tài)系統(tǒng)在本質(zhì)上是一個(gè)相對(duì)開(kāi)放和活躍的生態(tài)系統(tǒng)類型[1],是受人類活動(dòng)影響最大的生態(tài)系統(tǒng)之一;與河流水生態(tài)系統(tǒng)不同,文章所研究的流域水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià),除了包含河流生態(tài)健康的評(píng)價(jià),還要綜合考慮人類健康與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的因素。通過(guò)對(duì)這些因素的綜合分析,才能科學(xué)合理的得出流域水生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。

1.1 水生態(tài)系統(tǒng)活力

一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)是否有活力是衡量一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)能否可持續(xù)發(fā)展的重要指標(biāo)[2],生態(tài)系統(tǒng)的活力主要通過(guò)經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì),經(jīng)濟(jì)效率以及人口變化趨勢(shì)體現(xiàn)。

在經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面,本溪地區(qū)近些年社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平變化較大,人均GDP在2010—2013年一直呈現(xiàn)上升趨勢(shì),在2013—2016年有小幅下降。在經(jīng)濟(jì)效率方面,提升GDP的同時(shí)減少耗水量就可以減少生態(tài)系統(tǒng)的供水壓力。在人口變化趨勢(shì)方面,本溪地區(qū)隨著工業(yè)的衰退造成了人口流失,除2014年之外,近年來(lái)本溪地區(qū)的人口總數(shù)一直是負(fù)增長(zhǎng),人口的數(shù)量和生態(tài)系統(tǒng)的健康密切相關(guān),過(guò)多的人口會(huì)增加水生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。綜上所述,選取人均GDP、萬(wàn)元GDP耗水量、人口自然增長(zhǎng)率和人口密度作為水生態(tài)系統(tǒng)活力的評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.2 水生態(tài)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)

水生態(tài)系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)包括構(gòu)成流域生態(tài)系統(tǒng)的生物部分及非生物部分。在水資源方面,與遼寧省的其他城市相比,本溪市地表水較為豐富,年平均降水量高于遼寧省平均水平,但受季風(fēng)氣候影響,水資源年季變化較大,降水主要集中在六、七、八月份;因此在旱季經(jīng)常出現(xiàn)中小河流斷流的現(xiàn)象,導(dǎo)致局部地區(qū)長(zhǎng)期出現(xiàn)地下水超采,嚴(yán)重影響水生態(tài)健康。相關(guān)部門認(rèn)識(shí)到這一問(wèn)題后已經(jīng)開(kāi)始控制本溪地區(qū)對(duì)地下水的開(kāi)發(fā)利用,近幾年地下水供水量逐年減少;與此同時(shí)水中的藻類細(xì)胞密度以及底棲動(dòng)物的完整性可以比較客觀的反映出水生態(tài)系統(tǒng)的變化,藻類細(xì)胞生物作為最初級(jí)的生產(chǎn)者,是能量流動(dòng)的起點(diǎn),具有一定的預(yù)見(jiàn)性,經(jīng)常被用于水體富營(yíng)養(yǎng)化的監(jiān)測(cè),過(guò)量的氨氮等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)排放會(huì)對(duì)藻類生長(zhǎng)起促進(jìn)作用,而底棲動(dòng)物是構(gòu)成水生態(tài)系統(tǒng)的組成部分[3-5],可以加速水生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)分解和營(yíng)養(yǎng)循環(huán),底棲動(dòng)物的種類越豐富,對(duì)于水生態(tài)系統(tǒng)的健康越有利;因?yàn)榈讞珓?dòng)物的分布和數(shù)量對(duì)水源保護(hù)特別敏感,因此,它經(jīng)常被用作環(huán)境監(jiān)測(cè)的指示動(dòng)物。綜上所述,選取地下水供水量、水體中藻類細(xì)胞密度、底棲動(dòng)物完整性作為水生態(tài)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.3 水生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力

水生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)力強(qiáng)弱,是衡量生態(tài)系統(tǒng)能否穩(wěn)定發(fā)展的重要指標(biāo)[6-7],其中有害物質(zhì)的排放對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)力影響較大。近幾年為了減少城鎮(zhèn)污水以及工業(yè)廢水的排放,政府和企業(yè)極其重視廢水的處理排放,城鎮(zhèn)污水以及工業(yè)氨氮的處理率都有了顯著提升,一定程度上反映出了相關(guān)部門對(duì)水環(huán)境保護(hù)的重視程度;同時(shí)根據(jù)之前三部分對(duì)水資源、水環(huán)境、水生態(tài)三個(gè)方面承載力的研究,發(fā)現(xiàn)這三方面的承載力基本可以達(dá)到一般承載,但從觀察影響承載力指標(biāo)的變化趨勢(shì),可以看出近年來(lái)本溪市廢水的排放總量以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境之間的矛盾增加,成為限制這三方面承載力提高的主要因素,不利于地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)。 綜上所述,選取城市污水處理率、工業(yè)氨氮去除率、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)作為水生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.4 水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能

水生態(tài)系統(tǒng)同時(shí)也影響著自然條件和人類生活,水生態(tài)系統(tǒng)中可用的水資源總量決定著水資源的供給能力;水生態(tài)系統(tǒng)越健康,供水能力就越大。水生態(tài)系統(tǒng)也有調(diào)節(jié)氣候的能力,河流和湖泊的比熱容比陸地大,遇熱升溫慢,遇冷降溫也慢,而且河流和湖泊通過(guò)蒸發(fā),使空中水汽含量多,云量多,年平均降水量增加,濕度增大,有利于加快本溪地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的水循環(huán)。綜上所述,選取人均水資源量、年平均相對(duì)濕度、年平均降水量作為水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,見(jiàn)表1;水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù),見(jiàn)表2。

表1 水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

表2 水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)

2 模型的建立

2.1 評(píng)價(jià)等級(jí)的劃分

水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況受眾多條件影響,涵蓋自然地理,人類活動(dòng)等諸多因素,文章通過(guò)結(jié)合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和地方標(biāo)準(zhǔn),參考相關(guān)文獻(xiàn),計(jì)算相關(guān)指標(biāo)的發(fā)展趨勢(shì)以及對(duì)比專家以往的經(jīng)驗(yàn)值4種方法,對(duì)水環(huán)境承載力指標(biāo)劃分成了5個(gè)等級(jí),以定量直觀地反映各等級(jí)因素對(duì)承載力的影響程度。評(píng)價(jià)指標(biāo)極性及等級(jí)劃分表,見(jiàn)表3。

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)極性及等級(jí)劃分表

2.2 指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算

為了避免主觀因素對(duì)指標(biāo)權(quán)重的影響,在權(quán)重計(jì)算時(shí)考慮人的價(jià)值,保證權(quán)重計(jì)算的全面性,因此,采用組合權(quán)重法確定指標(biāo)權(quán)重。首先采用模糊層次分析法確定主觀權(quán)重,然后采用熵權(quán)法計(jì)算客觀權(quán)重。最后,將2種方法得到的主客觀權(quán)重進(jìn)行耦合,得到水生態(tài)健康系統(tǒng)各指標(biāo)的綜合權(quán)重。根據(jù)表1確定的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系以及表2中制定的數(shù)量標(biāo)度,建立水生態(tài)健康系統(tǒng)承載力的模糊一致判斷矩陣。

得出矩陣后,根據(jù)a=(n-1)/2,計(jì)算出準(zhǔn)則層a取1.5,4個(gè)指標(biāo)層a分別取1.5,1,1.5和1。再求得各指標(biāo)的主觀權(quán)重。接著用熵權(quán)法計(jì)算客觀權(quán)重,根據(jù)14個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)2010—2018年的數(shù)據(jù)資料構(gòu)造熵權(quán)法的判斷矩陣R=(rij)n×m,然后根據(jù)指標(biāo)的極性,對(duì)得到的矩陣進(jìn)行歸一處理,得到新的標(biāo)準(zhǔn)化矩陣,再計(jì)算各指標(biāo)客觀權(quán)重及組合權(quán)重,利用各指標(biāo)客觀權(quán)重乘以其指標(biāo)實(shí)際值構(gòu)成準(zhǔn)則層判斷矩陣,根據(jù)熵權(quán)法得到準(zhǔn)則層標(biāo)準(zhǔn)化矩陣,最后得到準(zhǔn)則層的客觀權(quán)重及綜合權(quán)重。水生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值,見(jiàn)表4。

表4 水生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值

3 結(jié)果及分析

3.1 模糊綜合評(píng)判評(píng)價(jià)結(jié)果

將2010—2018年各個(gè)指標(biāo)的具體數(shù)值按照指標(biāo)極性和大小的分類,根據(jù)模糊綜合評(píng)判模型計(jì)算公式,得到本溪地區(qū)2010—2018年的隸屬度矩陣,將權(quán)重矩陣與隸屬度矩陣相乘得到模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣,最后將矩陣進(jìn)行量化得出水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的最終評(píng)價(jià)結(jié)果,本溪市水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)結(jié)果,見(jiàn)表5。

表5 本溪市水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)結(jié)果

由表5可以看出本溪地區(qū)的水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況呈現(xiàn)出逐漸變好的趨勢(shì),且評(píng)價(jià)值基本在0.42到0.55之間波動(dòng),最后3a的評(píng)價(jià)數(shù)值均在0.5以上,說(shuō)明水生態(tài)系統(tǒng)的健康有變好的趨勢(shì)。本溪市水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)結(jié)果MK趨勢(shì)結(jié)果為Z=10.4,表明可知2010—2018年間本溪市水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)有上升的趨勢(shì),但未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

3.2 物元分析評(píng)價(jià)結(jié)果

將各個(gè)指標(biāo)的數(shù)據(jù)按照其所在的經(jīng)典域和節(jié)域分別進(jìn)行關(guān)聯(lián)度計(jì)算。2010—2018年各個(gè)指標(biāo)等級(jí)變化趨勢(shì),各年份水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)各評(píng)價(jià)等級(jí),見(jiàn)表6;各年份水生態(tài)系統(tǒng)對(duì)各評(píng)價(jià)等級(jí)的綜合關(guān)聯(lián)度,見(jiàn)表7。

表6 各年份水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)各評(píng)價(jià)等級(jí)

表7 各年份水生態(tài)系統(tǒng)對(duì)各評(píng)價(jià)等級(jí)的綜合關(guān)聯(lián)度

從表6可以看出近幾年人均GDP、萬(wàn)元GDP水耗、地下水供水量、城鎮(zhèn)污水處理率、工業(yè)氨氮去除率五個(gè)指標(biāo)呈現(xiàn)出利于健康狀況變好的趨勢(shì),而水體藻類細(xì)胞密度、年平均降水量則不利于健康狀況向好的方向發(fā)展。

根據(jù)表7的結(jié)果,可以看出各年的水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況均為一般。從綜合關(guān)聯(lián)度的數(shù)據(jù)分析可以看出,本溪地區(qū)近幾年的水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況極其穩(wěn)定,評(píng)價(jià)等級(jí)均為3級(jí);而且觀察每年的綜合關(guān)聯(lián)度數(shù)值可以發(fā)現(xiàn),2010年,2015年和2018年的關(guān)聯(lián)度數(shù)值在-0.1～0之間,雖然為負(fù)數(shù)但與0很接近,說(shuō)明雖然不完全符合一般的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),但極容易向一般的方向轉(zhuǎn)化。而其余年份的最大關(guān)聯(lián)度數(shù)值均為正數(shù),說(shuō)明完全滿足健康狀況為一般的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。各年份物元分析評(píng)價(jià)結(jié)果匯總,見(jiàn)表8。

3.3 評(píng)價(jià)結(jié)果趨勢(shì)分析

綜合上述的模糊綜合評(píng)價(jià)模型與物元分析模型得出的結(jié)論,可以看出兩種模型得出的最終結(jié)果一致,說(shuō)明本溪地區(qū)的水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況一直穩(wěn)定在一般的水平,但從模糊綜合模型的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)上可以看出,本溪地區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況自2014年之后開(kāi)始逐漸變好。在2012年之前,本溪地區(qū)廢水排放量較多且對(duì)于城鎮(zhèn)污水與工業(yè)廢水的處理率并不高;此外2011年的年平均降水量較少,導(dǎo)致對(duì)地下水的利用較多,因此最終的評(píng)價(jià)結(jié)果數(shù)值較小。近幾年本溪地區(qū)減少了對(duì)地下水的開(kāi)發(fā)利用,加強(qiáng)了廢水的處理,使這兩方面對(duì)應(yīng)的指標(biāo)逐漸有利于水生態(tài)系統(tǒng)的健康,但是近幾年水體中藻類細(xì)胞密度和廢水排放總量又有逐漸增加的趨勢(shì),限制了水生態(tài)系統(tǒng)向更好的等級(jí)轉(zhuǎn)化。

從表8可以看出單個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)的變化趨勢(shì),其中本溪地區(qū)的萬(wàn)元GDP水耗以及人口自然增長(zhǎng)率一直比較有利于水生態(tài)系統(tǒng)的健康,而人均GDP和年平均相對(duì)濕度則一直較差,不利于生態(tài)系統(tǒng)的健康;此外,人口密度和底棲動(dòng)物完整性這兩個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)一直處于3級(jí)經(jīng)典域,水資源、水環(huán)境與水生態(tài)承載力這3個(gè)指標(biāo)近幾年的波動(dòng)并不大,因此這些指標(biāo)對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的健康影響不大。與之前較為穩(wěn)定的指標(biāo)相反,本溪地區(qū)地下水供水量、城鎮(zhèn)污水處理率和工業(yè)氨氮去除率均在政府和相關(guān)部門的管控下由差變好,但水體中藻類細(xì)胞密度、年平均降水量卻由好變壞,廢水排放總量在經(jīng)歷了2013與2014年的改善之后也逐漸變差。

4 結(jié) 語(yǔ)

要使本溪地區(qū)的水生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)健康的發(fā)展,使今后的健康狀況向較好甚至好的方向轉(zhuǎn)變,需要繼續(xù)堅(jiān)持對(duì)地下水開(kāi)發(fā)利用的保護(hù)和對(duì)廢水的高處理率,同時(shí)相關(guān)單位需重視近幾年廢水排放量的增加以及水體中藻類細(xì)胞的增多,注意協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境之間的矛盾。