基于壓力-狀態-響應模型的渾河生態系統健康評價

祁天龍

(遼寧西北供水有限責任公司清河分公司，遼寧 鐵嶺 112300)

河流在維持地球的能量交換、物質循環以及信息傳遞等方面具有重要的生態功能，它是連接海洋與陸地的重要廊道并兼有航運、發電、供水、農業灌溉等綜合效益。河流生態健康評價是由生態健康基本理論和內涵發展而來的，其概念是指由自然、經濟和社會組成的復合生態系統并具有顯著的空間差異性和復雜性特征。近年來，隨著人類不合理活動的加劇、社會發展以及人口數量的增多，河流生態系統功能和健康循環規律已發生了顯著的改變，從而引發了許多環境與生態問題，區域生態安全、水資源保護和糧食安全正面臨嚴峻的挑戰，開展河流生態健康具有重要的意義[1]。

我國水土面積遼闊，人類活動對河流開發狀況的影響程度存在一定的差異，故對其生態狀況的評價應因地制宜選取合適的指標和標準，已成為當前河流生態系統研究領域的熱點和主要內容。指標體系法和指示物種法為河流健康評價的常用方法，其中指示物種法是通過指示大型無脊椎動物、魚類、海藻等物種的結構功能、生產力、數量指標的動態變化，從而反映河流的生態健康狀態。在自然河流生態系統中該方法具有良好的可行性，且計算簡便，常用的有無脊椎動物預測和分類計劃、生物完整性指數兩種方法，但是該方法是通過判別某一類敏感物種反映生態系統健康，因此不宜單獨使用。指標體系法不僅考慮了河流的自身特性，而且體現了人類活動對河流的影響作用，從而能夠客觀系統的反映生態系統變化過程[2]。許多學者在長江、珠江、黃河等流域開展了大量研究，如耿雷華等[3]以瀾滄江河流為研究對象，基于河流健康內涵層的25個評價指標對其進行了生態健康的定量評價分析；李國英等[4]分別從河道的排洪能力、水質類別、流量、灘地坡降比等9個方面對黃河的生態健康進行了評價；趙彥偉等[5]通過分析水生物種、水質、含水量、河岸帶和物理結構5大特征對其生態系統健康進行了評價；廖靜秋等[6]選取了物種多樣性評價指標進行河流系統健康評價研究，結果表明該方法可行性較強、且能夠反映河流健康程度的實際狀況；李文君等[7]結合水體連通性、水質、防洪標準、水量、水體生物等因素建立了評價等級標準和評價指標體系，并提出一種新的理論和評價方法且表現出較強的適用性和可靠性。

渾河作為遼河流域的重要支流，承擔著撫順市農田灌溉和城鎮居民生活用水的重要任務。近年來，流域水資源過度開采以及區域經濟快速發展，并且生態環境保護治理相對滯后，從而導致該河流生態功能退化和水環境質量持續惡化[8- 10]。據此，本文以PSR概念模型為依據，結合河流實際狀況建立了指標體系和分級標準，然后利用屬性識別理論和集對分析法綜合評價了其健康狀態，以期為渾河流域生態恢復和資源管理提供一定參考。

1 渾河流域概況

渾河發源于撫順市東部，全長415km，占地面積為2.5萬km2，河寬2～5km，年均降水量718.3mm，蒸發量1805.4mm，徑流量為50億～70億m3。東面屬于富水區支流密集，西面處于缺水區支流較少，屬于典型的不對稱水系。降水量是影響該流域洪水徑流的關鍵因素，汛期主要集中在7月和8月。該流域屬于溫帶季風氣候，年際溫差較大，冬冷干燥而夏熱多雨，降水量時空分布不均勻主要表現為：東部降水較多，西部較少，其降雨規律為自東至西逐級遞減。渾河流域東至清原，流經撫順、沈陽、營口等市縣，主要有大伙房、沈陽、黃臘坨、邢家窩棚等水文監測站。流域內農業人口數量增長過快并導致對耕地需求量明顯增大，且土地被過度的開墾，農田灌溉用水急劇加大，水資源供需矛盾突出，并且渾河流域接納了沿岸大部分區域的工農業廢水和生活污水的排放，其生態系統健康將直接影響著沿途居民的健康安全和經濟發展[11- 12]。

2 生態系統健康評價方法

2.1 建立評價指標體系

自然資源的質量和數量受人類經濟活動的影響顯著，即生態與環境在人類經濟活動下產生外部壓力，而社會對這些壓力可利用政策、法律和經濟等手段給予響應，從而構成了評估、監測、政策響應以及問題預測的循環。PSR模型是一種用于研究分析水資源系統中環境壓力、現有狀態與響應過程的理論方法，之后經過改進優化用于環境報告方面。PSR模型中所涉及的指標具有能夠反映自然資源、生態環境、社會經濟之間的相互協調的關系特點，在生態安全、濕地健康以及工業污染評價等方面該模型具有廣泛的應用前景，取得了理想的應用效果，而在河流生態系統健康方面PSR模型的應用研究還相對較少[13，14]。

對生態健康評價指標利用PSR模型選取具有良好的因果關系，河流系統在人類活動下產生壓力，并引起其健康狀態發生改變，而針對這種變化人類社會做出相應的響應。據此，本文在遵循可度量性、科學性、代表性和整體性原則的基礎上，依據PSR概念模型和相關研究資料，通過邀請相關領域專家并采取專家咨詢法對指標進行選取，最終建立了包含15項典型指標的體系，見表1。

2.2 指標權重計算

主觀賦權與客觀賦權為目前指標權重計算的常用方法，其中主觀法主要有二項系數法、專家咨詢法、乘此分析法等，客觀法主要包括多目標優化法、主成分法和熵權法等。考慮到河流生態健康分析具有主觀性特征，因此本文對各指標權重考慮采用層次分析法確定，具體的計算方法和流程參考文獻，指標權重見表1。

表1 基于PSR概念模型的渾河生態健康評價指標及權重

2.3 健康分級標準

本文結合國內外流域健康評價相關研究，通過采取問卷調查、實地考察以及專家咨詢等方法將系統健康劃分為Ⅰ～Ⅴ的5個級別，分別對應于系統健康優、良、中、差和極差，各分級標準下指標取值區間見表2。

表2 河流健康評價分級標準

2.4 構建模糊集對評價模型

模糊集對分析法是通過選取具有代表性、科學性和準確性的指標建立河流生態健康評價體系，結合評價指標對社會經濟和生態環境等所產生的影響確定生態健康狀態。

假設集對是由等級標準集合B和評價指標集合A構成，并且集對具有N個特征主要包括的獨立性、差異性和同一性分別為P、F、S個，由此可構建同異反連系度S/N+Fi/N+Pj+N，其中差異不不確定系數為i取值范圍為-1～1，并以j=-1表征為對立系數。為了簡化計算并提高計算效率，引入a=S/N，b=S/N，c=P/N，并且a、b、c并符合統一化條件即a+b+c=1。因此可采用uA～B=a+bi+cj表示為評價指標的聯系度，其中a、b、c分別代表該指標量值xij與k級標準的同一度、相差一級k級標準的差異度和k級標準的對立度。然而等級與樣本間在同一指標標準下的聯系度并未存在較大的意義，因此可利用模糊集理論對各指標進行歸一化處理建立相對隸屬度。樣本的等級標準可利用級別特征值的置信度準則、加權和方法進行確立，其基本過程如下。

(1)依據最大隸屬度原則對健康等級與各指標評價樣本的單指標關聯度uijk;i=1，2，，n;j=1，2，，m;k=1，2，，k進行計算。單指標聯系度的求解依據最大隸屬度原則可分為正向指標和負向指標，其中正向指標即值越大則評價結果越優型指標可采用下式進行求解：

(1)

對于負向指標即值越小則評價結果越優型指標可采用下式求解：

(2)

式中，Sk，j—各評價等級的界限值，對于5個評價等級的劃分區間上述公式可代表k等級與樣本i之間的同、異、反定量分析值，利用上述方法對各個評價等級的3種不同關系進行清晰的表征。對于缺少邊界值或不合理的狀況可將其值進行舍去即可，例如對于最大界限值S5，j不存在Xij>S5，i的評價指標的狀況，因此可將其舍去。

(2)對各評價等級與樣本之間的綜合聯度可利用下式進行計算：

(3)

(3)利用可變模糊集基本理論對樣本隸屬于模糊集的相對隸屬度vik計算，其計算公式如下：

(4)

將其進行歸一化處理可得到相對隸屬度：

(5)

(4)對河流生態健康等級hi進行評價。本文利用置信度準則和級別特征值加權法以此提高評價等級的準確性性，并規避評價指標所包含的重要性信息隨最大隸屬度原則的模糊識別處理的丟失。可利用下式進行級別特征值的計算：

(6)

其中置信度準則hi可采用下式表征：

(7)

式中，λ—置信度，其值取值范圍為0.5～0.7，λ值的大小代表了評價結果的穩妥保守程度，值越大則越保守；反之，則風險越大評價結果可靠性降低。

3 結果分析

3.1 數據來源

各指標數據來源于撫順市水資源公報、社會經濟與國民經濟發展報告、環境質量公報以及渾河流域專題調查等，各指標現狀值見表3。

表3 渾河生態健康評價指標現狀值

3.2 生態健康評價結果

對評價等級與評價指標之間的聯系度ul利用文中所述公式進行計算，并根據各指標關聯度計算結果得到綜合關聯度uk，結果見表4。

表4 渾河生態健康目標層評價

按照置信度準則λ為0.6驗證各層級指標，即0.072+0.408+0.296=0.776>0.6，結果顯示渾河生態系統健康屬于中等水平并面臨著嚴峻的挑戰。同理，可分別求得壓力、狀態、響應各子系統的關聯度，結果如圖1所示。

圖1 壓力、狀態、響應子系統評價結果

由圖可知，壓力子系統的生態健康處于良好水平，但是仍存在較大的外部壓力，影響該子系統的因素有化肥與農藥施用強度、人均綜合用水量以及水資源開發利用率等。狀態子系統處于中等水平，人類活動已嚴重影響到河流的生態健康，并且系統功能和結構已發生了一定的改變。隨著渾河流域社會經濟以及各行業的快速發展，水資源開發利用程度不斷加大，區域內的工農業廢水、生活污水的排放持續增大對河流水質造成了顯著影響，河流生物多樣性和水體富營養化嚴重。而影響子系統基本處于良好狀態，由此表明針對河流生態環境問題公眾和當地政府采取了有效的防治措施。

4 結語

本文結合已有研究成果和專家咨詢意見，在遵循代表性、科學性以及系統性原則的基礎上依據PSR概念模型構建了流域生態健康評價指標體系和分級標準，并基于屬性識別和集對分析理論建立了綜合評價模型，得出的主要結論如下。

(1)渾河生態系統健康屬于中等水平，流域生態健康不容客觀，系統功能和結構受人類活動和經濟因素影響逐漸退化。壓力子系統的生態健康處于良好水平，但是仍存在較大的外部壓力，影響該子系統的因素有化肥與農藥施用強度、人均綜合用水量以及水資源開發利用率等。狀態子系統處于中等水平，人類活動已嚴重影響到河流的生態健康，并且系統功能和結構已發生了一定的改變。

(2)為改善該河流生態環境狀態，需要進一步提高其綜合管理水平。繼續完善流域水資源保護方法，提高城鎮居民生態保護意識，積極參與河流環境保護和污水的處理排放。

(3)影響系統健康的因素較多，受數據資料限制本文未考慮魚類、初級生產力、河流脈動指數等指標的影響，并且分級標準劃分時難以參考較為準確的區域狀況背景紙，因此未來還需要不斷完善指標體系并建立統一、長期的流域監測體系。