基于突變基數法的遼河重污染支流生態安全研究

湯 潔，劉巖巖，王 博，林曉晟，張愛麗

（吉林大學 環境與資源學院，長春130012）

生態安全是指能夠維持和保障人類社會可持續發展，同時不損害和威脅生態系統本身健康和完整性的生態系統狀態，是人與自然生態環境達到高度和諧的狀態［1－2］。生態安全具有雙重含義，首先是生態系統本身安全，其結構沒有受到破壞；其次是生態系統狀態安全，能保障人類社會和經濟的發展，生態系統所提供的服務能滿足人類生存需要。只有這雙重含義都得到滿足才認為達到了生態安全的程度［3］。

生態安全已經同國家安全和經濟安全并稱為國家的“三大安全”。生態安全研究是當前環境、資源可持續利用研究的前沿課題［4］，是可持續發展研究的核心之一。在眾多生態系統類型中，流域生態系統由于其復雜的特點，已引起人們的高度關注［5］，但關于流域生態安全狀況的研究仍然較少。

隨著突變理論研究的深入，突變級數法在研究系統發生不連續變化的現象時應用較好，李艷［6］，魏婷等［7］運用突變級數法對生態系統健康進行了研究，黃玉平等［8］運用此方法評價了城市土地利用生態適宜度，徐美等［9］運用突變理論對土地生態安全格局進行了研究，李發榮等［10］采用突變級數法對我國西部城市環境承載力進行了研究，更多的學者［11－12］應用此法在災害預測和預警方面做了較多、較深入的研究，但在流域生態安全方面的研究很少。

遼河流域自“九五”以來就是我國重點治理的“三河”之一。雖然經過多年的治理，但是污染狀況仍未得到根本改善，嚴重制約了流域經濟社會發展，威脅著下游300多萬人的飲水安全。本文擬通過對吉林省遼河的重污染支流——招蘇臺河流域生態安全研究，以期為流域環境管理和決策提供科學依據，從而實現區域經濟的可持續發展和經濟效益、環境效益、社會效益的和諧統一。

1 研究區概況

招蘇臺河是吉林省遼河流域的重要支流之一，發源于梨樹縣三家子鄉相屯土們嶺，在遼寧省昌圖區通江口附近匯入遼河，在吉林省境內河長103 k m，流域面積為1 147 k m2。流域處于松遼平原中部，兼有低山、丘陵和平原，海拔高程611～120 m，屬溫帶大陸性季風氣候，四季分明。河流多年平均徑流量為0.455億m3，主要由降雨補給，年內季節性變化明顯，枯水期流量減少明顯，有些河段甚至斷流。水質整體較差，2010年三個監測斷面水質均為劣Ⅴ類。天然徑流量較小且分布不均，自凈能力差。1999—2010年，流域所在的梨樹縣人口密度在200人／k m2左右，最低的2005年也達到了196人／k m2，遠高于聯合國提出的在半干旱的農牧區人口密度不應大于20人／k m2的人口密度標準，巨大的人口數量給流域資源與環境造成了較重的壓力，已嚴重威脅流域的生態安全狀況。

“十二五”期間，梨樹縣的畜禽養殖量持續大幅增加，已成為經濟發展的巨大推動力。1999—2010年，大牲畜存欄數由23.59萬頭增加到48.15萬頭，僅牛的存欄量就由18.21萬頭增加到42.77萬頭，增幅3倍多，農業產值從22.89萬元增加到38.84萬元，人均GDP增長5.7倍。農業和畜禽養殖業的迅猛發展，在帶來經濟效益的同時，大量化肥、農藥的施用和大量持續增加的畜禽糞便污水，造成農業面源污染情況日益嚴重，已對其生態安全等級產生了重要影響。結合招蘇臺河流域的實際情況，確定招蘇臺河干流主要流經梨樹縣的孟家嶺鎮、蔡家鎮、十家堡鎮、郭家店鎮、白山鄉、梨樹鎮、四棵樹鄉、喇嘛店鎮8個鄉鎮作為本文的研究區。

2 研究方法與數據來源

2.1 研究方法

突變理論（實變理論）最早是由法國數學家倫尼·湯姆于1968年首先提出的，該思想一經提出便引起了世界的關注。突變理論是運用拓撲學、奇點理論和結構穩定性等數學工具研究自然界里各種形態及結構不連續的突然變化［9］。突變級數法是一種基于突變理論的重要評價方法，該方法僅考慮各指標的相對重要性，不需要考慮各指標的權重，從而減少了綜合評價時的主觀性和復雜性，使得評價結果更科學、客觀，且計算過程較其它方法較為方便［13－14］。突變級數法的計算過程如下：

（1）建立層次評價結構模型。根據評價的總目標，向下逐層分解相關影響因素，排列成樹狀的層次結構，最后使復雜、難于量化的上層指標分解為簡單、便于量化的指標。評價所需的層次和指標確定后，同一層次的指標需按相對重要性從前到后的順序進行排列。因為，初等突變類型的控制變量不多于4個，所以要求各層次的評價指標數量不超過4個，超過4個應該根據相對重要性進行取舍［9］。

（2）確定各層次突變模型類型。在突變模型中，當狀態變量不超過2，控制變量不大于4時，共有7種突變形式，稱為初等突變，其中應用較廣泛的是狀態變量只有1個的折疊型突變、尖點型突變、燕尾型突變、蝴蝶型突變四種基本初等突變模型，見表1［6－7，15－16］。

（3）運用勢函數確定分歧集方程歸一化公式。勢函數為突變理論的研究對象，其所有臨界點集合將構成一個平衡曲面，可以通過將勢函數V（x）分別求一階V′（x）和二階倒數V″（x），并將V′（x）＝0和V″（x）＝0兩個方程聯立，消去x，即可求得該突變模型的分歧點集方程［17］。

（4）運用歸一化公式進行綜合評價。因為突變模型中的狀態變量和控制變量取值范圍不同，為了進行評價和比較，需將狀態變量和控制變量進行歸一化處理，使其取值范圍在0～1之間。通過對分歧集方程進行推導可以得出4種初等突變模型的歸一化公式［17］。結合突變理論中的互補性和非互補性運算原則，運用歸一化公式由下到上進行遞歸運算，最后可得到突變系統總的隸屬函數值，用于綜合評價和分析。

表1 4種基本突變模型

2.2 數據來源

研究區社會、經濟相關數據主要來源于2004年、2008年、2010年《四平統計年鑒》；平均植被覆蓋指數、林地和水域面積等生態環境的數據是取自時段分別為：2004-06-28，2008-07-13，2010-09-10，分辨率為30 m×30 m，云覆蓋低于5%的T M／ET M衛星遙感影像，經去云、幾何校正等前期處理，采用5，4，3波段進行假彩色合成，通過目視解譯獲得；單位面積耕地農藥、化肥施用量源于梨樹縣農業面源污染調查的相關數據。

由于評價指標的數據單位和量綱不相同，不能將其進行互相比較，因此，本文采用Micr osoft Excel軟件將基礎數據進行歸一化處理，便于代入突變模型進行綜合評價。

原始基礎數據包括生態安全的正向指標和負向指標兩類：正向指標值越大越有利于生態安全可采用進行歸一化處理；負向指標值越小生態安全越有利，

進行歸一化處理。

3 流域生態安全評價

3.1 生態安全評價指標體系的構建

隨著生態安全研究的深入，以聯合國經濟開發署（OCED）和環境規劃署（UNEP）開發的壓力—狀態—響應模型（PSR：Pressure-State-Response）應用最廣。壓力—狀態—響應模型可以在一定程度上反映生態安全這一復雜概念，模型中的壓力因素體現了人類活動的加劇和過量開發與利用資源對生態環境產生的巨大壓力；狀態因素是生態環境所處的狀態；響應因素則是人們為了防止和保護生態環境所采取的措施。本文以傳統的壓力—狀態—響應模型為基礎，充分考慮招蘇臺河流域的經濟和社會背景，結合突變級數法的要求，構建自上而下由3個層次組成的綜合評價指標體系。

3.2 評價模型的選擇

根據某一個突變單元中控制變量的個數來選擇突變模型的類型，控制變量數目的不同對應不同突變模型類型。所以，對于最頂層的突變單元是由A，B1，B2，B3構成，A為狀態變量，B1，B2，B3為控制變量，控制變量數目為3，故以A為中心的突變單元選擇突變理論中的燕尾模型。同理，可分別確定以B1，B2，B3為中心的單元突變模型類型。綜上，形成了一個準則成為C1—C10，中間層為B1—B3，目標層A，具有三層結構的招蘇臺河流域生態安全突變模型，見圖1。

圖1 招蘇臺河流域生態安全研究突變模型

3.3 評價標準

參考我國學者對生態安全研究的五級分級標準［18］，將招蘇臺河流域生態安全分為生態安全良好、較好、預警、中警、重警五個級別。分別將各評價指標的生態安全隸屬度取0.2，0.4，0.6，0.8計算各分級值。

當生態安全度值均取為0.2時，突變單元xB1、xB2分別構成蝴蝶模型，按照互補性原則：

xB1＝0.606，xB2＝0.606；突變單元xB3構成燕尾模型，按照互補性原則：3＝0.567；突變單元xA構成燕尾模型，按照非互補性原則：xA＝）＝0.778。同理可分別計算生態安全度取值為0.4，0.6和0.8時的生態安全綜合隸屬度，見表2。

表2 基于突變理論的招蘇臺河流域生態安全分級表

3.4 評價結果及分析

3.4.1 生態安全的時間趨勢變化 運用所建立的突變模型，分別計算出流域8個鄉鎮2004年、2008年、2010年三年的生態安全綜合隸屬度，見圖2。

圖2 招蘇臺河流域生態安全評價結果對比

生態安全評價結果表明，全流域各鄉鎮的生態安全變化可劃分為上升型、下降型和波動型三種類型，上升型僅有孟家嶺鎮，下降型有梨樹鎮、喇嘛甸鎮和白山鄉，其余為波動型。2004年研究區各鄉鎮生態安全隸屬度的綜合值在0.888 4～0.944 3范圍內波動，其中郭家店、喇嘛甸鎮、蔡家鎮、白山鄉生態安全等級處于較好狀態，梨樹鎮、十家堡鎮、孟家嶺鎮、四棵樹鄉為預警狀態。2008年的綜合值在0.879 6～0.957 0范圍內，與2004年相比，郭家店和蔡家鎮仍處于較好狀態，且綜合值呈上升趨勢；十家堡鎮、孟家嶺鎮和四棵樹鄉已由預警狀態上升為較好狀態；梨樹鎮仍處預警狀態，且綜合值呈下降趨勢；白山鄉、喇嘛甸鎮從較好狀態下降為預警狀態。2010年綜合值為0.836 7～0.949 9，與2004年相比，僅有十家堡鎮、孟家嶺鎮保持上升趨勢，其余均呈下降趨勢，其中喇嘛甸鎮和四棵樹鄉的生態安全狀況較差，生態安全等級降至比較嚴重的中警狀態。2010年流域內各地區的生態安全狀況較2004年整體呈現下降的趨勢，其中喇嘛甸鎮、白山鄉、四棵樹鄉下降較為明顯，生態安全綜合指數分別下降了0.099 3，0.068 0，0.062 3。

3.4.2 生態安全的空間格局變化 根據2004年、2008年、2010年招蘇臺河流域生態安全空間格局分布圖可知，流域生態安全空間格局差異顯著，見圖3。2004年，生態安全預警等級主要集中在流域中下游部分鄉鎮，上游的蔡家鎮、郭家店鎮生態安全等級較好；2008年處于生態安全預警等級的鄉鎮沿流域向下游移動，上游的部分鄉鎮生態安全等級有好轉的趨勢；2010年處于流域最下游的喇嘛甸鎮和四棵樹鄉生態安全等級最差，中上游的鄉鎮生態安全狀況相對較好。2004—2010年，流域上游到下游生態安全等級下降趨勢明顯，上游位置的蔡家鎮、孟家嶺鎮、十家堡鎮生態安全狀況較好，流域中下游生態安全狀況下降比較明顯，其中喇嘛甸鎮、四棵樹鄉生態安全等級最差，已降至中警等級。

圖3 招蘇臺河流域生態安全空間格局分布

3.4.3 結果分析

（1）人口數量的增長給流域生態環境帶來了巨大壓力。流域內8個鄉鎮的人口總數由2004年的356 205人增加到2010年的378 469人，凈增加人口22 264人，增幅達6.25%。2010年，8個鄉鎮平均人口密度為325.48人／k m2，遠超過了聯合國提出的在半干旱區農牧人口密度最高值為20人／k m2。該流域大部分的財政收入來源于農業，在人口數量和人口密度增加的同時，為了能夠持續增加糧食產量，人們不斷增加化肥和農藥的施用量，從而使農業面源污染強度增強，生態安全的壓力指數上升，對研究區生態安全產生了不利影響。

（2）畜禽養殖量的大幅增加加重了水體污染。近10 a來，招蘇臺流域畜牧業發展快速，畜禽養殖量大幅增加，畜禽飼養場的數量也越來越多，調查數據顯示2010年招蘇臺河流域就有230個中小型畜禽飼養場［19］。大牲畜存欄數由2004年的23.59萬頭增加到2010年的48.15萬頭，2010年牛的存欄量達到42.77萬頭，豬達到57.60萬頭。畜禽養殖場產生大量的畜禽糞便隨意堆放，糞便沖洗產生的污水未經處理直接進入水體，污染招蘇臺河水體，對流域生態安全造成巨大威脅。

4 結論與展望

招蘇臺河流域生態安全等級整體不容樂觀，生態系統結構破壞較大，生態系統的服務功能退化嚴重，制約了當地的經濟發展速度，需要采取增加環境保護資金投入，建立鄉鎮污水處理廠，提高畜禽糞便處理能力等生態安全響應措施，提高生態安全等級，實現生態系統的良性循環，促進該流域的經濟、社會、環境的和諧發展。

突變理論中的突變級數法適合于影響因素較多、生態系統類型較為復雜的流域生態安全研究。由于該方法未引入權重，減少了其他評價方法因人為賦權帶來的主觀偏差，使其研究結果更加科學和合理，且計算方法較目前常用的模糊數學綜合評價、灰色關聯度等方法計算過程更為簡單，對于研究生態環境演變規律，及時預警流域生態環境狀態，維護生態系統平衡具有重要的指導意義。

本文僅以招蘇臺河流域為例建立了評價指標體系，但不同流域環境特征和社會經濟水平有較大差異，為此，基于突變理論的流域生態安全評估指標體系選取的規范性、程序化以及如何擴大其適用范圍將成為未來研究的重點和發展方向。

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