基于SPIR概念模型的航道工程生態效應評價

吳小華，王鵬，申霞

（1.如皋市如皋港閘管理所，江蘇 南通 226532；2.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；3.南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029）

0 引言

近年來，隨著社會經濟的迅猛發展以及人們對生態環境的日益重視，把生態治水的理念融入傳統航道工程建設，通過綠色低碳型生態技術、工程管理等措施，實現航道建設與生態系統的協調，成為我國航道工程建設的趨勢和發展方向，并已在長江中下游及長江口航道治理工程中得以貫徹應用[1-4]，其對提升局地生境質量和生物多樣性起到積極促進作用。

隨著生態型航道建設技術的進一步發展，如何定量評價航道整治生態化水平或效果成為當前及今后一段時間學者們研究的一個重要方向。

目前采用的評價方法有以下幾種：

1）通過現場生態監測數據，對比分析生態工程對改善水質和增加生物多樣性的效果[5-6]；

2）以構成水生生物棲息地要素的水深、流速、底質、水溫等為變量，建立目標物種生境適應度指數模型，模擬工程前后生境適宜度量值及范圍的變化[7]；

3）采用生態足跡法評價航道工程在社會經濟、生態環境等多方面的正負效應，通過對比工程生態足跡和生態承載力增量，分析工程建設的綜合效益和可持續性[8]；

4）構建具有航運功能河道的生態系統健康評價多層級體系，評價不同時間點的河流生態系統健康水平[9]；

5）基于壓力-狀態-響應（PSR）模式及其改進的驅動力-壓力-狀態-影響-響應（DPSIR）模式建立評價指標體系[10]，將工程建設與生態環境、社會經濟、政策措施等環節按因果關系有機整合，體現人與生態環境系統的相互作用。

本文依托長江下游太倉—南通段12.5 m深水航道工程，基于PSR和DPSIR的邏輯框架，建立狀態-壓力-影響-響應（SPIR）概念模型，為選擇相關要素和指標、組織數據和信息提供了明確思路，保證關鍵要素和信息不被忽略，有助于系統分析和定量評估工程設計、施工、運行全過程采取減緩生態環境不利影響政策措施后產生的生態效應。

1 評價指標體系

壓力-狀態-響應（PSR）模型是目前國內外較為流行的生態環境評價模式，最初由Tony Friend和David Rapport提出，用于分析人類與環境系統的壓力、現狀與響應之間的關系[11]。在此基礎上，歐盟環境署（EEA）提出了驅動力-壓力-狀態-影響-響應（DPSIR）模型框架[12]，在不同的層面建立評價指標。

本文研究對象為長江下游太倉—南通段12.5 m深水航道工程，工程設計考慮生態友好型材料和結構；施工嚴格執行相關環保要求；施工結束后積極開展相應的生態補償和修復措施[13]。評價主要針對工程前、工程中、工程后3個時間點約2 a的時間?；赑SR和DPSIR模型思路，結合工程特點及評價的時空尺度，建立包含狀態-壓力-影響-響應（SPIR）四個準則層的概念模型，模型框架見圖1，基于SPIR概念模型的航道工程生態效應指標體系見表1。

圖1 航道工程生態效應評價SPIR概念模型Fig.1 SPIR conceptual model for ecological effect evaluation of waterway engineering

表1 基于SPIR概念模型的航道工程生態效應評價指標體系Table 1 Evaluation index system of ecological effect of waterwayengineeringbasedonSPIRconceptual model

基于航道工程生態效應評價SPIR概念模型，采用層層細化再統籌綜合的方式建立評價指標體系。指標的選取考慮體系的完整性、針對性、可行性，注重每個層次的主要特征要素以及指標的效應評價功能，共包括目標層、準則層、要素層和指標層。其中，狀態指某一時刻社會和自然系統所處的狀況；壓力指工程建設對所在區域的生態環境的脅迫；影響指系統所處狀態對人類健康、社會經濟結構、自然生態系統的影響；響應則表示人類在削減工程負面影響方面所采取的對策措施。

2 評價模型構建

2.1 數據規格化處理

航道工程生態環境效應評價的指標包括定性和定量兩種，各指標量綱不一，對生態系統的影響方式不同，無法直接進行比較。通過將評價指標特征值矩陣和指標標準特征值矩陣進行規格化處理[14]，得到相對隸屬度矩陣，即可實現各指標因子的無量綱化。

2.2 層次分析法賦權重

多指標評價中涉及的指標賦權問題是評價中的一個重要環節，層次分析法[15]作為一種基于決策和智能的賦權方法，能夠利用較少的定量數據將人的思維過程數學化、系統化，解決航道工程生態效應多層次、多目標評價的問題。過程如下：1）采用SPIR框架將評價對象所包含的因素劃分為4個層次（見表1）；2）在同一級的指標中進行兩兩比較，構造判斷矩陣，采用1~9標度法[16]對重要性程度進行賦值，并進行一致性檢驗；3）計算每個判斷矩陣的權重向量和全體判斷矩陣的合成權重向量。

2.3 模糊評價模型

模糊評價方法通過模糊尺度使元素的定性化向定量化逼近，模擬人腦對模糊現象的判斷。該方法較好地解決了評價因素的復雜性、評價對象的層次性、評價標準存在的模糊性、評價影響因素的不確定性等一系列問題，將定性因素進行了定量化處理，做到了定性和定量因素相結合，既顧及對象的層次性，使得評價標準、影響因素的模糊性得以體現，又在評價中充分發揮人的經驗，使評價結果更符合實際情況。具體計算步驟詳見參考文獻[14]。

3 模型應用

3.1 數據來源

采用航道工程施工前（2012年9月）、施工中（2013年7月）、施工后（2014年7月）的水生生態調查數據，其中包括水質、沉積物、浮游植物、浮游動物、底棲生物、潮間帶生物和漁業資源，以及河道水流泥沙、河岸帶狀況、航道工程設計管理資料等，開展航道工程建設的生態環境效應評價。其中，水質采用水質綜合指數表示；沉積物質量對照GB 15618—1995《土壤環境質量標準》，分為一級、二級、三級；物種多樣性指數采用Shannon-Weiner指數計算。其余指標采用定性分析法定值。

3.2 評價標準及結果

評價標準采用5級分值，主要根據國家、地區、行業相關標準規范，以及長江下游河道水生態環境現狀，并結合文獻和專家知識進行制定，見表2。

表2 長江下游航道工程生態效應評價標準Table 2 Evaluation standard for ecological effect of waterway engineering in the lower reaches of the Yangtze River

續表

將18種評價指標值與評價標準對照，對不同量綱的數據進行規格化處理，得到各指標工程前、工程建設中、工程后的特征值和相對隸屬度（見表3）。按照同樣的方法，對標準值進行規格化處理，得到指標標準優秀、良好、中等、較差、很差對應的特征值分別為5、4、3、2、1，相對隸屬度分別為0、0.25、0.5、0.75、1。根據層次分析法權重確定過程，計算準則層和指標層權重，結果見表4。將權重代入模糊識別模型，得到工程前、工程中、工程后對應各個生態系統等級的隸屬度，采用最大隸屬度原則進行評定，結果見表5。

表3 規格化的指標特征值及相對隸屬度Table 3 Normalized index eigenvalue and relative membership degree

表4 不同層次的評價指標權重計算結果Table 4 The weight calculation results of evaluation indexes at different levels

表5 航道建設不同時間點河道生態系統質量的等級占比Table 5 The grade proportion of river ecosystem quality at different time points of waterway construction

從評價結果可見，工程前航段生態系統質量處于中等；航道施工中由于廢水排放、植被破壞、疏浚導致底棲動物損失等原因，河道生態環境質量降低；工程后，隨著施工期影響逐漸消失，再加上生態型材料及結構效應逐漸體現，以及采取合適的生態補償措施，生態系統健康狀況得以提升。

4 結語

1）基于狀態-壓力-影響-響應4個準則層的概念模型，建立長江下游航道工程生態環境效應評價指標體系。以狀態為主線，分析和評價河流生態系統遭受施工壓力以及其后采取積極響應，生態系統健康狀態的變化。評價結果較好地解釋了工程建設不同階段對生態環境的脅迫，以及生態型工程建設對提升系統健康水平的貢獻。

2）河道生態系統演化周期較長，基于長時間序列監測數據開展航道工程生態效應評價，是將來研究工作的重點。另外，評價指標的選擇、標準的制定仍存在一定的主觀性，給評價結果帶來不確定性，今后需開展多因子敏感性分析，作為關鍵指標識別、生態結構研發、修復技術制定的參考依據。