基于熵權的黃河流域生態環境演變特征

張金良,陳 凱,張 超,郭鵬程 (黃河勘測規劃設計研究院有限公司,河南 鄭州 450003)

流域是區域經濟社會發展和生態系統的重要空間載體,是一個具有特定的結構和功能、相對獨立完整的自然資源-生態環境-人類社會的復雜系統.生態環境子系統是流域巨系統的重要組成部分,其結構功能、格局過程受流域內自然和人為因素的不斷影響,呈現出差異化的反饋狀態.流域生態環境變化研究是當前區域綜合研究的熱點[1-5].李長安等[6]提出了長江流域生態環境系統演變的幾個關鍵科學問題,如流域生態環境系統的演化過程與退化機理、山-河-湖互動規律及耦合關系等.王思遠等[7]采用層次分析法和空間主成分法,構建了一套評價指標體系用以評價黃河流域生態環境,并進行了分級制圖和動態研究.金斌松等[8]總結了鄱陽湖流域的基本特征,提出“山-江-湖”之間的生態過程、驅動力與流域生態健康是鄱陽湖流域的基本科學問題.李樹元等[9]研究了海河流域生態環境關鍵要素的時空演變規律,認為人類活動已經取代自然條件成為影響海河流域的關鍵因子.Khadijeh等[10]利用DPSIR框架分析了烏魯米耶湖流域不同驅動因子對生態系統服務對的影響,發現農業耕地的急劇擴張導致湖泊萎縮,并削弱了絕大多數生態系統服務.20世紀80年代,世界氣候研究計劃(WCRP,1980年)、國際地圈生物圈計劃(IGBP,1987年)、生物多樣性計劃(DIVERSITAS,1991年)、國際全球環境變化的人文因素計劃(HDP,1996年)4大全球環境變化研究計劃先后成立,并于2001年聯合組建了地球系統科學聯盟(ESSP),從地球系統的全方位審視和研究全球環境變化問題及其影響,促進人類社會可持續發展[11].

近年來,以生態學視角審視黃河流域生態環境演變與發展的研究越來越多,研究方法也逐步由定性轉為定量,由物理轉向信息,由局部轉向系統.張亞玲等[12]分析了1998～2012年黃河流域植被覆蓋的時空特征,并通過流域生態系統植被降水利用效率驗證了植被覆蓋改善與退化的熱點區域.劉曉君等[13]分析了黃河流域2個典型流域內水土流失和景觀格局的關系,認為土壤侵蝕防治與生態治理應重視改善景觀連接度和連通性.張琨等[14]關于黃土高原生態系統服務的研究發現碳固定和土壤保持功能在2000～2015年顯著增強,植被覆蓋改善區域生態系統服務功能的作用存在閾值效應.Zhang等[15]分析了黃河流域生態系統服務與驅動因子的關系,發現糧食、畜牧業和工業產量與土壤保持、碳固定、水源涵養等生態系統服務存在顯著的高協同效應.Shi等[16]關于黃河流域上游的研究發現,農牧交錯區存在景觀多樣化和破碎化,一些農業區改善了區域生態網絡連通度,景觀異質性是保護流域生態環境的關鍵.但是,相關研究多聚焦在河流[17-18]、水沙[19]、干旱[20]、水文[21-22]、污染[23]、經濟[24]等單一領域或局部特征,站在流域巨系統角度進行整體性評價的研究十分有限,跨專業協同、多系統耦合的研究成果較少.2019年,黃河流域生態保護和高質量發展上升為重大國家戰略,從戰略高度、系統角度為重大國家戰略提供科學支撐,迫切需要開展系統性、整體性的深入研究.

本研究以黃河流域生態環境演變特征為切入點,統計了黃河流域近 40a的主要生態環境數據,通過熵權分析計算得到流域環境發展指數(Environment Development Index,EDI),計量了黃河流域近 40a的生態環境演變特征,以期為新形勢下黃河流域發展質量綜合評估和決策提供科學依據.

1 數據與方法

1.1 研究區概況

黃河流域位于 32°～42°N、96°～119°E,西起巴彥喀拉山,東臨渤海,南至秦嶺,北抵陰山,流域面積79.5萬km2(圖1).黃河流域幅員遼闊,地貌差別很大,從西到東橫跨青藏高原、內蒙古高原、黃土高原和黃淮海平原.地勢西高東低,流域北部屬干旱氣候,中部屬半干旱氣候,南部屬濕潤、半濕潤氣候,多年平均降水量為476mm,且主要集中在6～9月.

圖1 黃河流域概況Fig.1 Overview of the Yellow River basin

黃河流域生態環境整體較脆弱,多年來,防洪減災、水沙治理、水土保持、生態保護和修復等人類活動對流域生態環境積極向好發展提供了重要的驅動力,但仍然存在上游水源涵養功能降低、中游水土流失嚴重和支流污染、下游濕地萎縮等突出生態環境問題.

1.2 數據來源與處理

本文中,黃河干流重要斷面生態基流、黃河流域水網及水資源量空間數據集、水功能區及水體達標情況、主要支流水體達標統計、土壤侵蝕模數空間數據集、黃土高原水土流失治理面積等數據由水利部黃河水利委員會提供.土地利用、NDVI等空間數據集下載自中國科學院資源環境科學與數據中心(www.resdc.cn).典型區域濕地面積數據源來自美國陸地衛星Landsat 遙感影像,將影像數據進行篩選、拼接、裁剪等預處理后,采用 K-Means非監督分類方法自動分類后進行人工修正,最終完成解譯并得到濕地面積.數據研究時間為1980～2019年.

1.3 研究方法

1.3.1 環境發展指數 采用張金良等[22]關于黃河流域發展質量研究提出的可能度函數信息熵算法得到相關指標的年度熵值,再利用熵權法計算生態環境系統熵.在此基礎上,基于生態環境系統熵結果定義環境發展指數(EDI).

(1)熵權計算:信息熵是信息量和不確定性的度量,某指標帶來的信息量越大,熵值越低,不確定性就越低,也就可以賦予其較大的權重.利用熵權分析方法計算指標權重可以減少主觀判斷、固有經驗、隨機事件等的干擾.熵權法更大的意義在于,隨著各指標信息熵值的變化,每個指標在系統中的權重也隨之變化,這些指標相互作用,動態互動,就可以實時監測指標在系統中重要性的變化,對系統指標的綜合評價提供依據,與傳統恒定人為賦權相比更具動態性和系統性.

基于每個指標 i(i=1,2,…,N)的信息熵值 Si,其權重wi用公式求得:

利用各指標的熵值和權重,經過加權求和,可以計算得出流域生態環境子系統總熵Ssys,如下所示:

(2)指數計算:環境發展指數是流域發展指數體系的重要指標,是生態環境子系統作為流域巨系統有機組成的關鍵內核之一.EDI從生態環境保護角度出發,量化研究生境質量、植被覆蓋、土地脅迫、水網濕地等相關因素,是基于系統理論和熵權分析得到的用于評價流域生態環境發展質量的綜合性指標.本文采用熵權法對 9項黃河流域生態環境子系統指標進行加權求和,就得到系統熵值,即EDI值,用來評價流域生態環境發展演變狀況.EDI計算公式為:

式中:Si為各指標信息熵值;wi為各指標對應的熵權;N為指標數.

1.3.2 生態環境指標 研究從黃河流域生態保護發展目標出發,選取了能夠充分反映流域生態環境特征且可獲取的 9項指標,通過熵權法計算 EDI,相關指標如下:

(1)重要斷面生態基流保證率(REBF),為滿足生態基流的月份(年份)與總評價月份(年份)之比.是表征生態用水保障程度的指標,值越大,生態用水保障程度越高.重要斷面包括黃河干流蘭州、花園口、利津3處.

(2)重要水功能區水質達標率(RWQ),為水質達標的水功能區個數與水功能區總個數之比.該指標是區域尺度表征水質優劣的指標,值越大,水質越優.黃河流域重要水功能區 340個,計入水質達標率的為294個,詳見各年度《黃河水資源公報》[23].

(3)重要支流水質達到或優于Ⅲ類河長比例(RSW),為水質達到或優于Ⅲ類河長與總評價河長之比.該指標是河流尺度表征水質優劣的指標,值越大,水質越優.重要支流包括:大夏河、洮河、湟水、大通河、汾河、渭河、北洛河、涇河、伊洛河、沁河、東平湖.

(4)生境質量指數(IHQ),評價區域內生物棲息地質量,利用單位面積上不同生態系統類型在生物物種數量上的差異表示.

式中:S林地、S草地、S水域濕地、S耕地、S建設用地、S未利用地分別為對應的生境類型面積(km2),根據土地利用空間數據集在ArcGIS平臺上計算得到;S為區域面積(km2);Abio為生境質量指數的歸一化系數,參考值為511.264[24].

(5)植被覆蓋指數(IVC),評價區域植被覆蓋的程度,利用區域單位面積歸一化植被指數(NDVI)表示.式中:Pi為 5～9月象元 NDVI月最大值的均值,采用MOD13的NDVI數據,空間分辨率250m.Aveg為植被覆蓋指數的歸一化系數,參考值為0.012[24].

(6)水網密度指數(IWND),水網密度指數評價區域內水的豐富程度,利用評價區域內單位面積河流總長度、水域面積和水資源量表示.

式中:Ariv為河流長度(km)的歸一化系數,參考值為84.370,Alak為水域面積(km2)的歸一化系數,參考值為 591.791,Ares為水資源量(百萬 m3)的歸一化系數,參考值為86.387[24].

(7)土地脅迫指數(ILS),評價區域內土地質量遭受脅迫的程度,利用區域內單位面積上水土流失、土地沙化、土地開發等脅迫類型面積表示.

式中:S重度侵蝕、S中度侵蝕、S建設用地、S其他土地脅迫為對應類型土地面積(km2),S為區域面積,Aero為土地脅迫指數的歸一化系數,參考值為236.044[24].

(8)黃土高原水土流失治理面積(SCWS)單位為km2.

(9)典型區域濕地面積變化率(RW),典型區域濕地指黃河源區、烏梁素海和黃河三角洲,分別位于流域上、中、下游.典型區域濕地面積變化率公式為:

式中:Si為第i年濕地面積(km2),Si+1為第i+1年濕地面積.

1.3.3 三次樣條函數法 指將實測點坐標光滑連接,得到平順趨勢曲線的方法.本文采用三次樣條函數法對1980～2019年黃河流域生態環境子系統EDI進行趨勢擬合.已有實測點 x,y坐標,在原測量點處仍保持原測量值,曲線內所有測點(除兩端點外)的一階導數和二階導數連續,如下式所示:

式中:i= 2, 3,…, n-1,將原測點的函數值、一階導數、二階導數求出后,根據需要,可以在兩測量點之間插值計算無限個函數值、一階導數和二階導數.給定一個區間(閉合區間)為[a, b],共有 n個測點(n-1段),即:a=x1＜x2＜x3…＜xn-1＜xn=b,其內部的三次樣條函數為Sp(?,3),其中?為閉合區間[a, b].約束條件如下:

可見,三次樣條函數法可保證插值曲線曲率(近似于曲線的二階導數)線性變化,從而防止曲線發生突變而造成插值的不確定性.

2 結果與討論

2.1 熵權分析

圖2為10項指標的熵權值,每年的各項指標熵權值和為1.與傳統專家打分等權重指標體系方法不同,本文計算的黃河流域生態環境子系統的指標的權存在隨時間序列的動態變化,說明不同指標對子系統狀態的影響程度在不同時間存在差異.重要斷面生態基流保證率熵權均值為 0.1390,其隨時間變化整體呈“下降-上升”趨勢,水網密度熵權變化趨勢與之相似.生境質量指數熵權均值為 0.1222,整體呈平緩下降趨勢;植被覆蓋度指數熵權均值為 0.1249,整體呈平緩上升趨勢;重要水功能區水質達標率熵權均值為 0.0919,在 1998～2019年間存在先減后增的波動.重要支流水質達到或優于Ⅲ類河長比例、土地脅迫指數、黃土高原水土流失治理面積、典型區域濕地面積變化率4項指標熵權,在21世紀初至今時間段的趨勢相對一致,均為先減后增.

圖2 1980～2019年黃河流域生態環境指標熵權變化Fig.2 The entropy weights of eco-environmental indicators in the Yellow River Basin from 1980 to 2019

圖3為10項指標熵權箱線圖,用以解析數據分布和整體狀態.箱體內部虛線為中位數,叉為平均值.整體的指標權重排名為:重要斷面生態基流保障率、植被覆蓋度、生境質量指數、黃土高原水土流失治理面積、土地脅迫指數、水網密度指數、重要支流水質達到或優于Ⅲ類河長比例、典型區域濕地面積增長率和重要水功能區水質達標率.其中,重要斷面生態基流保證率熵權存在一個異常值,為1997年的0.0553.這是因為1997年黃河下游斷流導致花園口(75%)和利津(29%)生態基流保證率為歷年最低,考慮到數據真實性,該異常值保留.各項指標在每年熵權結構中排名第一的有3項,分別是重要斷面生態基流保障率,生境質量指數和植被覆蓋指數,出現率分別為 57.5%、32.5%和 10.0%.每年熵權結構中排名第二的有4項,分別是植被覆蓋指數、生境質量指數、重要斷面生態基流保障率和水網密度指數,出現率分別為45.0%、27.5%、25.0%和2.5%.

圖3 1980～2019年黃河流域生態環境指標熵權箱線圖Fig.3 The box plots of entropy weights of eco-environmental indicators in the Yellow River Basin from 1980 to 2019

2.2 EDI分析

如圖 4,黃河流域 1980～2020年 EDI演變情況.近 40a,黃河流域 EDI的平均值為 64.23,最大值為76.60(2019年),最小值為 56.64(1981年).流域 EDI總體呈現“穩定-增長”的變化趨勢,2003年顯著增長,之后EDI持續上升.

圖4 1980～2019年黃河流域EDI演變Fig.4 The EDIs of the Yellow River Basin from 1980 to 2019

自 20世紀 60年代,黃土高原水土流失治理工程、“三北”防護林工程逐步實施,黃河三角洲、烏梁素海等重要自然保護區相繼建立,流域生態保護和治理不斷推進,促進了流域局部生態環境的好轉,但保護和治理力度有限,系統性不足.1980～2002年EDI均值 60.54,低于全時段均值 64.40,流域整體生態環境狀況處于相對較低的水平.1980～2002年,植被覆蓋指數及生境質量指數作為影響EDI的重要指標,變化較為穩定(圖6),而重要斷面生態基流保障率存在波動(圖5).

2003年后,隨著黃河水量統一調度、生態文明建設、污染防治攻堅戰等系統性更強的政策措施,以及退耕護岸林工程、天然林保護工程和小浪底工程等關鍵工程實施,同時考慮黃土高源水土流失治理工程、“三北”防護林工程、自然保護區建設等生態工程的后效性,多重因素綜合推動了黃河流域生態環境質量的整體改善,EDI值顯著上升并持續增長.重要斷面生態基流保障率在2002年后,逐漸趨于平穩,并且相對穩定在100 %.2003年及之后的流域植被覆蓋指數較 1980～2002年有較大增長,2019年較2002年的增幅達到21.26%,且正增長頻度顯著高于負增長.EDI的定量解析可以為黃河流域發展綜合評估提供依據,但仍應認識到,黃河流域生態系統狀況存在系統性、復雜性和波動性,主要特征指標的機理和相互影響尚不明確,在流域治理與重大工程的生態效應、驅動力、預案決策等方面的研究還有待進一步開展.

2.3 主要特征指標分析

基于上述熵權和 EDI分析,選取綜合熵權排名前3項的生態環境指標進行分析.

2.3.1 重要斷面生態基流保證率 由圖 5可知,1980～2009年黃河蘭州斷面生態基流保證率均為100%,說明黃河干流上游生態水量較充足,為蘭州鲇等重要土著保護魚類提供了基本的棲息環境.花園口、利津均位于黃河下游,這里是黃河鯉等魚類重要的棲息河道.可以看到花園口、利津生態流量在1980～2003年間存在顯著缺口,特別是最下游的利津斷面,個別年份生態基流保證率不足 30%,有 7年時間甚至低于花園口斷面歷史保證率最低值.隨著黃河水量統一調度、小浪底調水調沙等的實施,特別是全流域水資源節約集約水平不斷提高,從2004年至今,3個主要斷面的生態基流保證率幾乎全部達到100%.該指標的演化趨勢直接體現了黃河干流生態水量的系統性改善,表征了流域生態環境子系統狀況在持續向好發展.

圖5 1980～2019年黃河流域重要斷面生態基流保證率Fig.5 The annual assurance rates of ecological basic flow from the cross sections of important rivers in the Yellow River Basin from 1980 to 2019

2.3.2 植被覆蓋度指數 如圖6(a)所示,1980～2019年全流域植被覆蓋度指數總體呈增長趨勢,總體年均增長率 0.91%,僅有 1988、1990、1991、1999、2005、2009、2011、2014、2015等8a植被覆蓋率變化率為負,這可能與城鎮化擴張和氣候變化有關.其中,內蒙古、山西、陜西三省的植被覆蓋狀況改善顯著,年均增長率分別為 1.69%、1.65%和 1.47%,顯著高于其他省;寧夏、甘肅年植被覆蓋指數年均增長率分別為1.29%、1.17%,高于流域均值.說明相關省份在水土流失治理和林草保護與修復方面的工作效果顯著.

2.3.3 生境質量指數 圖 6(b)為黃河流域及域內各省范圍生境質量指數變化率.1980～2009年全流域生境質量總體穩定,存在緩慢的波動變化,年均變化率不足0.1%,說明隨著區域經濟社會的不斷發展,特別是城鎮化、農業規模化等對自然生境的擠壓,流域內生境質量總體穩定,重要野生動植物棲息地和生境得到了有效保護和修復.各省生境質量變化存在差異.變幅最顯著的是內蒙古,初期波動較大,之后逐漸放緩,說明生境質量下降的趨勢在逐漸遏制,這可能與內蒙古黃河流域地區退耕還林還草還濕系統工程的成效開始顯現有關.河南黃河流域多為大堤內灘區范圍,生境質量存在階段性下降,但2006年之后已呈上升趨勢,隨著黃河下游灘區綜合提升和生態廊道建設,生境質量有望進一步改善.

圖6 1980～2019年黃河流域內各省及全流域植被覆蓋指數和生境質量指數年變化率Fig.6 The annual variance ratio of vegetation coverage indexes and habitat quality indexes change in the Yellow River Basin from 1980 to 2019

3 結論

3.1 構建了用于評價流域生態環境子系統綜合質量的指數EDI.EDI描述的核心要素特征綜合作用于流域生態環境子系統,其變化趨勢即為系統狀況動態.黃河流域 1980～2019年 EDI總體呈現“穩定-增長”的變化趨勢,2003年顯著增長,之后 EDI持續上升.說明經過多年的保護與治理,流域生態環境負反饋效應正在顯現,系統逐步由混亂無序向穩定有序發展,黃河流域生態環境整體向好.

3.2 黃河流域生態環境子系統各項指標的熵權變化存在隨時間序列的動態變化.單一年度的指標權重結構隨時間變化不斷調整,各項指標在系統中的重要性非恒定.EDI指標權重綜合排序為:重要斷面生態基流保障率、植被覆蓋度、生境質量指數、黃土高原水土流失治理面積、土地脅迫指數、水網密度指數、重要支流水質達到或優于Ⅲ類河長比例、典型區域濕地面積增長率和重要水功能區水質達標率.

3.3 重要斷面生態基流保障率、生境質量指數、植被覆蓋度指數等指標變化的規律呈現一定的時空差異.近 40a時間內,黃河干流生態水量由下游斷面難以保證逐步變化為全段保證率100%,植被覆蓋度整體持續增加,生境質量總體穩定,均表征了黃河流域生態環境子系統狀況在持續向好發展.