流域生態風險評估方法研究——以太湖流域為例

許 妍,馬明輝,高俊峰 (.國家海洋環境監測中心,遼寧 大連 6023；2.中國科學院南京地理與湖泊研究所,江蘇 南京 20008)

流域生態風險評估方法研究
——以太湖流域為例

許 妍1,馬明輝1,高俊峰2*(1.國家海洋環境監測中心,遼寧 大連 116023；2.中國科學院南京地理與湖泊研究所,江蘇 南京 210008)

在分析流域生態風險發生機理的基礎上,根據風險評估框架,從風險評估三要素風險源-生境-受體出發,構建了危險度-脆弱度-損失度流域生態風險評估技術體系,主要包括綜合模型的構建、指標體系選取、等級體系劃分與評估單元確定等內容,并以太湖流域為例進行實證分析, 結果表明:太湖流域生態風險整體以中等風險為主,呈升高趨勢,與2000年相比,2008年高、較高生態風險所占面積比分別增加了0.39%和5%.實證分析基本驗證了模型及方法的科學性和可操作性.

生態風險；評估方法；太湖流域

為了抑制生態環境的惡化,改善人類的生存環境,世界各國已開展了大量有關生態環境的研究,在環境評估方面也不斷深化[1-2].特別是隨著環境管理目標和觀念的轉變,生態風險評估(ERA)作為一種重要的生態環境管理手段,逐漸成為國內外學術界研究的熱點問題之一[3-4].近年來,國內外學者及研究機構從理論與方法上對生態風險進行了研究,風險源從單一風險源擴展到多風險源,風險受體從單一受體發展到多受體,評估范圍也從種群、生態系統擴展到流域區域水平[5-9].與局地生態風險相比,目前大尺度的生態風險評估研究還處于探討階段,流域生態風險評估研究較為薄弱,在理論方法與評估體系上還存在很多不足,由于資料、技術和工具的局限以及流域生態系統空間異質性特征,流域生態風險評估至今尚未形成統一的評估體系.同時,針對復合生態系統的評估指標體系亦不夠完整,各指標的基準值和參考數據還有待進一步補充[10].本文在分析流域生態風險發生機理基礎上,首次從生態風險的影響因素出發,針對不同類型生態系統構建能夠定量表征生態風險整體狀況的評估指標體系與評估準則,旨在豐富流域尺度生態風險理論與方法研究.

1 流域生態風險發生機理分析

流域生態風險系統是一個復雜的巨系統,由風險源(R)、生境(E)、風險受體(S)復合組成了流域生態風險的結構體系,這一結構體系與以往的研究[11-12]有一定的相似性,但不同的是本研究所提出的生態風險結構體系,強調把生境與風險受體分開,系統內的各要素具有同等重要性,R是風險產生的充分條件,S是放大或縮小風險的必要條件,E是影響R和S的背景條件,任何一個區域的生態風險都是R、E、S綜合作用的結果.相應的由風險源危險度(RH)、生態環境脆弱度(EV)及風險受體損失度(SL)共同構成了生態風險的功能體系.系統內生態風險各要素之間相互影響、相互聯系、相互制約,是一個不斷釋放-傳遞-危害-響應-控制的復合高階演變過程.流域生態風險發生過程可簡化為不同風險源向生境釋放各類型的脅迫因子,從而對存在生境中的多種受體造成諸多負面效應的過程(圖 1).危險度指數、脆弱度指數及損失度指數是流域生態風險評估的3大影響因素,也是生態風險評估的3個基本目標,與目標函數(生態風險)呈現正相關關系,即風險源危險度越大,生態環境越脆弱,風險受體損失度越大,生態風險就越大.

圖1 流域生態風險發生過程示意Fig.1 Occurrence process of watershed ecological risk

2 流域生態風險評估流程與方法

2.1 流域生態風險評估流程

依據評估框架,結合流域特征,可將流域生態風險評估分為3階段7部分(圖2):問題形成是整個生態風險評估的依托,主要是確定風險發生范圍,明確流域內存在的生態問題,并在此基礎上建立風險評估的目標.這一階段風險的評估者、管理者以及相關的當事人會為了實現管理目標和評估目標協調一致,制定規劃以及提供有助于評估工作的可用資源.

第2階段為風險分析與表征階段,是評估的主體,包括風險綜合評估、風險表征與區劃2部分內容,主要是運用評估技術對流域生態風險進行綜合評估,并依據評估結果表征風險大小、風險空間分布等問題,完成風險評估、風險表征及風險制圖.

圖2 生態風險評估流程Fig.2 The flow chart of watershed ecological risk assessment

第3階段為風險管理與反饋,基于風險評估結果,風險管理者會做出相應的環境決策,并傳遞給相關人員,同時對風險評估結果進行反饋,進一步完善調整評估進程,使風險評估預測結果更為準確.

2.2 流域生態風險評估模型構建

目前,風險分析與表征部分尚未形成統一的評估體系.評估方法多為運用概率型數學模型將區域內風險發生概率P及其風險損失度D的風險復合表征模型具體化.

對于生態系統而言,災害性事件的產生多為外界脅迫因素與系統內部生態結構不穩定性因素共同作用的結果.外界脅迫作用于生態系統的外在表現即為外界干擾,而生態系統是否穩定,主要表現在抗外界干擾能力上,外界干擾強度越大,生態系統抗干擾能力越弱,發生風險的概率也就越大.本研究根據流域生態風險評估內涵及發生機理[10],綜合考慮風險源-生境-影響等生態風險因素之間的相互作用關系,從危險度-脆弱度-損失度3個層次構建流域生態風險評估模型:

流域生態風險(ER)=f(危險度(H),脆弱度(V),損失度(L))

該模型從宏觀角度綜合考慮各種因素對流域復合生態系統的影響,具有較強的靈活性和實用性.具體計算公式為:

式中:H為風險源危險度;V為生境脆弱度;L為受體潛在損失度;i為評估單元編號;n為評估單元數量.

2.2.1 生態風險源危險度 生態系統(風險受體)暴露于多重生態風險源之下,它們所受的風險干擾是多重風險源相互疊加的結果.不同類型的風險源對生態系統的潛在危險性存在一定差異,不同風險受體所面臨的風險強度、造成的生態損害不盡相同.此外, 受復合風險源作用的生態系統,其風險源強度可劃分為多個類型、多個等級,同一類型不同等級的風險源對同一受體的危險程度亦不相同.本文針對復合風險源特點,引入相對權重系數來區分風險源危險度差異,采用風險源危險度指數H來表征風險源的發生概率及強度,公式如下:

式中:RHi為第i類風險源危險度;表示第i類風險源權重;i為生態風險源類別;n為風險源類型總數.其中,

式中:Rij為第i類第j級風險源危險度指數;i為風險源類別;j為第i類風險源的等級數;m為總級別數;ijλ為第i類第j級風險源權重.

2.2.2 生態環境脆弱度 不同生態環境在維護生物多樣性、保護物種、完善生態系統整體結構和功能、促進景觀結構自然演替等方面的作用是有差別的[13].因此,生態脆弱度評估是反映相同外界干擾條件下,生態系統產生生態失衡與生態環境問題的可能性[14-15],是聯系風險源與風險受體的橋梁,是生態風險評估的關鍵環節之一.生態環境是由自然條件背景、人類開發利用活動和環境管理共同作用形成的結果,因此,評估時應充分考慮生態環境各個組成部分.在參考已有研究基礎上[16-19],從自然、生態、社會等脆弱影響因素出發,構建流域生態環境脆弱度評估指標體系及評估模型,對生境脆弱程度進行定量化的表征分析,進而診斷流域生態環境脆弱度的時空分異特征.具體計算公式為:

其中,

式中,V表示生境脆弱度指數,其值越大說明生態環境越脆弱,越不健康,潛在危險越大;反之,V值越小說明生態環境脆弱度越小,越健康.Ni、Ei、Hi分別表示影響生態脆弱的自然因素、生態因素及社會因素中第i種指標的歸一化值;W為指標權重值;m為評估指標的數目.N、E、H分別為生態環境的自然因素、生態因素及社會因素得分.

2.2.3 生態風險受體損失度 流域生態風險評估另一重要組成部分即風險受體損失度評估,即自然災害事件及人類破壞活動等發生后的作用效果對風險承受者具有的負面影響.這些影響除對社會經濟具有直接的擾動和打擊外,還可能導致生態系統結構和功能的損傷,如生態系統內物種的病變,植被演替過程的中斷或改變,生物多樣性的減少等.經濟學上的風險常用經濟損失來表示風險損失大小,而生態風險不僅應體現社會經濟的損失情況,更應表征生態系統自身的結構和功能變化.因此,損失度主要包括自然生態系統和社會經濟系統損失情況的估算.由于風險具有不確定性,風險導致的損失也是不確定的,因而生態系統絕對損害程度大小難以定量化,一般采用相對評估法,用生態風險潛在損失度表征生態系統及其組分遭受外界干擾時可能受到的損害程度.

3 流域生態風險評估指標體系

依據評估模型、指標體系構建原則,基于目標層-類別層-要素層-指標層多層次框架結構,從生態風險源危險度、生態環境脆弱度及風險受體損失度 3方面考慮構建流域生態風險評估指標體系.

3.1 生態風險源危險度評估指標體系

危險度指數主要包括自然災害危險度和人類破壞性活動危險度兩方面,其中自然災害危險度主要選取了洪澇、干旱、極端氣象(臺風、風雹、低溫冷凍)及土壤侵蝕等風險源的發生強度、頻率、范圍等指標;人類破壞性活動主要選取污染排放指標,見表1.

表1 生態風險源危險度評估指標體系Table 1 Index system of hazard assessment of ecological risk source

由于不同風險源發生概率、強度等與具體風險源的形成機理和作用過程有關,不同類型風險源危險度的量化方法亦不相同,因此,在進行風險源危險度評估時應根據具體風險源的特點進行選擇.對于點狀風險源可以按照點源隨距離衰減原理量化其強度值;對于線狀風險源可以按照不同距離的緩沖區量化其值;面狀風險源的量化較復雜,可以按照評估單元統計風險源影響范圍、發生頻率進行量化.

本研究中自然災害危險度評估主要從風險源發生頻率、發生面積及發生強度3方面選取指標,根據不同風險源的危害程度進行賦值.其中,洪澇、干旱、極端氣象強度等主要根據歷史記錄、圖片等資料記載,統計其發生頻率和規模范圍;土壤侵蝕指數主要依據土壤侵蝕面積與土壤侵蝕等級,得到評估單元的土壤侵蝕強度.人類破壞性活動危險度主要選擇了污染排放強度,包括工業企業以及生活污水等點源污染排放和農田、村鎮、養殖等面源污染排放,根據COD、TN、TP、NH3-N等污染物排放濃度高低進行指標量化.由于不同風險源量化單元不同,為進行統一表征,需要將這些數據“投影”到網格上,最終以網格數據結構為基礎,實現各種代數和邏輯運算.

3.2 生態環境脆弱度評估指標體系

生態脆弱度主要體現在生態系統結構和功能的敏感性、易變性,以及抗干擾能力和恢復能力下降等方面,其產生原因與生態系統本身的特性有關,也與生態系統受到的干擾有關.由于生態系統的脆弱性難以預見,加之脆弱系統的復雜性,不同區域反映生態系統脆弱性變化的指標紛繁復雜[20].本研究從生態環境脆弱性內涵出發,通過查閱大量的文獻資料,并與相關專家進行討論基礎上,對影響生態環境脆弱度的可能因素進行仔細的辨識和梳理,主要從流域自然因素、生態因素及社會因素3方面選取適宜指標,建立生態環境脆弱度評估指標體系(表2).

3.2.1 自然因素 自然因素奠定了地理過程發生的基本空間格局,是生態環境不穩定性的自然成因,包括基質、動能兩大因素,基質因素主要由地質構造、地貌特征等因子構成,是生態環境構成的物質基礎;動能因素主要由氣候水文因子構成,是生態系統組成要素的能量基礎,其能量特征及傳輸轉化在空間和時間上與其他因素不協調時,便會導致生態退化.地質構造、地貌特征、氣象水文等自然因素隨時間變化較為緩慢,對生態環境的影響是長期性和基礎性的,是脆弱生態環境的內在因素.

3.2.2 生態因素 生態因素主要表征生態系統所處環境的質量與狀態,綜合反映了流域生態系統結構和功能的完整性和穩定性,用于描述在外界壓力或干擾下,系統結構遭受破壞或惡化后,穩定性變差,敏感性加強而顯示出來的脆弱性.主要從生態系統的活力、組織結構、恢復力3方面選取能夠反映生態系統當前狀態,資源數量和質量的指標因子[21].本文主要選取凈初級生產力、斑塊密度、生物多樣性指數、綜合彈性值等指標.

3.2.3 社會因素 自然條件的不利只決定了環境脆弱存在的潛在性,只有當人為活動破壞生態鏈中某一環境因素后,生態系統逐步失去平衡,自然因素的影響才明顯呈現,并加速生態環境惡化.人為因素往往疊加于自然因素、生態因素之上,對生態脆弱惡化起著加速和主導作用,且其影響是多方面的、深遠的和不確定的[22-23].土地利用空間模式及社會保障措施、教育水平等社會因素的不斷改變直接或間接地改變生態系統的結構和功能[24-26],最終導致生物群落演替等生態過程發生變化.

表2 生態環境脆弱度評估指標體系Table 2 Index system of ecological vulnerability assessment

3.3 生態風險受體損失度評估指標體系

流域尺度下的風險受體為生態系統.其中,自然生態系統損失度主要體現在生態系統服務功能價值損失上.當面臨相同的風險發生概率,其生態系統服務功能價值越大,風險受體損失度就越大;反之,生態系統服務功能價值越小,風險受體損失度就越小.因此,主要選取生態服務功能價值及生態系統面積比例,運用公式進行定量估算.

表3 風險受體潛在損失度評估Table 3 Index system of ecological receptor potential loss

由于自然災害及人類破壞性活動發生具有隨機性特點,造成損失統計指標值的年際波動較大,因此,社會經濟系統的損失不易利用某一時間點的災損數據.一般認為社會經濟條件可以定量反映區域內社會經濟系統的災損敏度,即潛在損失度的高低[27].社會經濟發達的地區,人口、城鎮密集,產業活動頻繁,社會經濟價值較高.當遭遇同樣等級的風險時,該類地區的絕對損失度往往比經濟落后的地區大很多.此外,考慮到經濟發達地區,社會保障措施較為完善,其承受風險的能力相對較強.因此,本文主要從社會經濟系統損失度和應急保障措施2方面考慮,選取人均GDP、人口密度等相關指標,運用綜合評估法對社會經濟系統潛在損失進行評估(表3).

4 評估標準與等級劃分

4.1 評估標準與閾值研究

評估標準是否合理直接影響評估結果的準確性.目前,關于流域生態風險評估研究尚無統一的標準.綜合來看,評估標準可以通過以下方法確定:(1)歷史資料法;(2)實地考察;(3)參照對比法;(4)借鑒國家標準與相關研究成果;(5)公眾參與;(6)專家評判.本文中評估標準的確定原則為有國家標準的,實行國家標準,主要包括如國家或國際組織頒布執行的環境質量標準、公共衛生標準、各行業發布的環境安全評估規范和規定等;沒有國家標準、有地方標準的,實行地方標準,包括各地方政府頒布的規劃區目標、生態容量等;沒有國家或地方標準的情況下,采用參考文獻中使用的標準;國家或地方標準以及參考文獻均沒有的情況下,采用往年平均值或相似區域的平均值作為基準值.如河流湖泊水質標準等采用國家標準;生態指標和社會經濟指參考類似發達地區的水平標準或采用科學研究已判定的標準;土壤侵蝕等指標參考生態建設標準.

4.2 等級體系劃分

本文在定量指標標準時借鑒有關歷史資料、相關研究成果與國家適用標準及通過多區域對比分析確定,各具體指標評在公眾參與基礎上由專家評判完成.根據評估結果,運用 ArcGIS聚類分析功能,從高到低依次劃分為“Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級”5個級別,用于分析各評估要素的空間分布差異,度量研究范圍內危險度、脆弱度及損失度相對大小及程度.不同要素表達含義不盡相同,詳見表4.

4.3 評估單元選取

本文根據行政單元與網格單元各自的優缺點,采用二者相結合的劃分方法,使指標因子數據載體與分析評估單元分開,即用網格單元作為指標因子的數據載體和基本評估分析單元,用行政單元作為綜合評估分析單元或數據載體(社會經濟數據),二者之間用模型予以關聯,這樣既能更好的表達流域內生態風險空間分布的規律性及差異性,又便于各行政單元內的生態保護與風險管理.

通過ArcGIS軟件中多邊形空間疊置分析法將行政區、自然分區的指標要素轉化到網格單元,并以面積比重作為分值,跨越不同等級但同種要素的網格,該要素分值等于該網格內不同等級要素占網格面積比重與等級加權之和,轉換公式如下[28-29]:

式中,Si為第i個行政單元在網格中的面積,Di為第i個行政單元單位面積上指標值,n為網格中包含行政單元的個數.運用 ArcGIS等地理信息軟件,建立拓撲關系,通過Union等操作,完成疊加、賦值等工作,最終實現將行政單元數據向網格單元轉化.

表4 生態風險及組成要素等級劃分Table 4 Grade division of ecological risk and component elements

5 實例分析

5.1 研究區域

太湖流域地處長江三角洲核心區域,人口密集、工業集中、城市化水平高,是我國經濟最發達地區之一,也是災害頻發的區域.近年來,隨著城鎮的急劇擴張和經濟的快速增長,流域內生態環境遭到極大沖擊和破壞,致使生態系統出現資源退化、環境惡化與災害加劇的趨勢,高水平的生態風險與日俱增,從而危及生態系統及其內部組分健康,影響區域生態環境安全,進而制約整個區域的可持續發展[30].

5.2 數據來源

本文所需數據眾多,來源較為廣泛.風險源數據主要通過查閱歷史災害記錄,統計各站位歷年監測數據獲得;土壤侵蝕數據來自全國土壤侵蝕數據庫;污染排放數據來自流域污染普查數據及查閱各縣市環境統計公報、環境質量報告書等資料.水面率、森林覆蓋率等來自于Landsat遙感影像解譯數據;坡度＞20°面積比、景觀格局指數則通過DEM、FRAGSTATS軟件間接獲得.人口密度、每千人醫療床位數等指標主要通過城市統計年鑒、縣(市)社會經濟統計年鑒及中國民政統計年鑒查閱獲得.

5.3 結果分析

圖3 2008年流域生態風險時空分布Fig.3 The spatial distribution of ecological risk in 2008year

根據危險度、脆弱度及損失度的分析結果計算得到太湖流域生態風險的時空分布情況.從空間分布可見(圖3),研究區內生態風險空間差異顯著,具有明顯的空間集聚特征.高、較高生態風險區域主要位于北部常州市區、江陰市大部分地區以及無錫市區、蘇州市區北部區域,約占流域的24.47%.中等生態風險區約占 32.11%,包括湖西平原的丹陽市、金壇市等農業灌溉區及東南部的杭嘉湖平原;流域南部的苕溪流域屬于低和較低生態風險區,約占流域的43.42%.

對2000年、2008年各評估單元生態風險等級及其所占面積進行統計(表5)得到,較低生態風險區的范圍縮小,中等風險和較高風險區的分布范圍擴大.2000年太湖流域內以較低生態風險為主,面積為 9825.46km2,約占總面積的31.25%.至 2008年,較低生態風險面積縮減至9101.81km2,所占比例降低至28.95%;中等生態風險面積不斷擴大,其所占比例也由之前的26.97%上升至 32.11%,成為流域內主要生態風險等級.高、較高生態風險所占面積逐漸擴大,已由2000年的5.66%、13.42%增加至2008年的 6.05%、18.42%,增加面積共計 1696.13km2.從結果分析可知,實證分析基本驗證了模型及方法的科學性和可操作性,由于流域生態風險的影響因子眾多,生態風險評估指標體系的建立涉及眾多學科且需要對評估系統有足夠的認識,不同生態系統、不同尺度的生態風險分析應具有不同的指標要素,評估指標的建立十分復雜,因此,所建指標體系尚需在更多區域、多方面進行驗證和探索.

表5 流域內不同等級生態風險分布情況Table 5 The distribution of ecological risk at different level

6 結語

本文從流域生態風險發生機理入手,分析流域內各生態風險影響要素之間的相互影響與作用機制,并從風險源危險度、生境脆弱度及風險受體損失度 3方面構建了流域生態風險評估技術體系,綜合考慮了多風險源、風險因子、風險受體共存情況下的生態風險空間分布,并以太湖流域為例,分析判斷了流域生態風險發展狀態與趨勢,結果表明太湖流域生態風險整體呈升高趨勢,與2000年相比,2008年高、較高生態風險所占面積比分別增加了0.39%、5%.

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The evaluation method of ecological risk assessment based on watershed scale——Take the Taihu watershed as example.

XU Yan1, MA Ming-hui1, GAO Jun-feng2*(1.National Marine Environment Monitoring Center, Dalian 116023, China；2.Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China). China Environmental Science, 2012,32(9)：1693～1701

Reference to the previous research results about ecological risk assessment, the paper firstly considered the interaction mechanism and the relationship among each ecosystem from the watershed ecosystem perspective, and then studied the content and features of ecological risk assessment about typical watershed. Secondly, according to the basic elements (risk sources, habitat and effect) affected on the ecological risk assessment, base on an overall consideration of many risk sources, risk factors, multi-endpoint and ecological receptors coexistence, we had constructed an technology system which includes the hazard indicators of risk sources, the vulnerability indicators of habitats as well as the potential loss of risk receptors. The main parts of system included comprehensive model building, index system selection, level division and assessment unit determination. Finally, using the ArcGIS technology and assessment model, we evaluated the time-spatial evolution character of Taihu Lake watershed and determined the status and trends of ecological risk development based on the assessment results. The results indicated that most ecological risk of Taihu watershed were medium level and increased gradually. As compared with 2000year, the percentage of high and higher risk region had increased by 0.39% and 5% separately in 2008 years. The empirical analysis verified the scientific and feasibility of the models and methods.

ecological risk；assessment method；Taihu watershed

2012-02-08

我國海洋環境監測評價體系優化與綜合服務平臺開發(201005014);國家水體污染控制與治理科技重大專項(2008ZX07101-014)

* 責任作者, 研究員, gaojunf@niglas.ac.cn

X171

A

1000-6923(2012)09-1693-09

許 妍(1981-),女,遼寧營口人,助理研究員,博士,主要研究方向為風險評估與生態區劃.發表論文10余篇.