流域水環境生態風險評價指標體系的構建及應用

李海燕

摘要：為全面了解大寧河流域水環境綜合生態風險現狀，采用基于信息敏感性的主成分分析方法，構建了能夠反映風險源和受體綜合作用下的水環境風險評價指標體系;在模糊評價思想指導下，利用GIS技術和相對風險評價模型，對水環境風險進行評估并劃分風險等級。研究結果表明：① 水環境生態風險突出表現在水體富營養化、土壤重金屬、水土流失及水華暴發風險方面，采用定量篩選方法最終確定了15個評價指標。② 大寧河流域整體處于中高度風險區，風險值呈現出沿河流干支流兩岸逐漸遞減的趨勢，高度風險區和極高風險區主要分布在巫溪縣及河口回水區。該篩選方法在一定程度上克服了指標選取的主觀性，減少了結果的不確定性。評估結果能客觀反映出流域范圍內人口和城市沿河流分布、庫區支流水環境風險受到庫區蓄水影響的特點，可為其他庫區支流水環境風險評估及管控提供參考依據。

關 鍵 詞：水環境生態風險; 指標篩選; 相對風險評估模型; GIS技術; 大寧河流域

中圖法分類號： X82

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.04.010

0 引 言

近年來，隨著長江大保護戰略的實施，長江生態環境保護已初見成效，但庫區典型支流由于受水環境因子變化、生產生活方式的不斷轉變等多重因素影響，水環境風險問題依然突出[1-4]。生態系統具有整體性和系統性，開展支流水環境風險評估，對于流域內水環境風險防控管理和長江流域生態環境保護具有重要意義。

目前，國內學者對水環境生態風險的研究包括水環境污染風險及水生態健康風險方面的研究[5]。這些研究內容主要是：

（1） 基于實驗或監測數據來討論某一特定要素污染、健康風險。如陳廣[6]通過運用DPSIR概念模型來評估水質安全狀況，并運用GM（1，1）預測模型來預測其變化趨勢;雷沛等[7]對丹江口水庫不同污染類型支流和庫灣區域水污染、沉積物重金屬污染狀況及潛在風險進行了研究;左新宇等[8]基于P-IBI 指數法，在對大寧河浮游植物進行調查的基礎上開展了生態健康風險評估。

（2） 研究主要考慮風險源的風險程度，較少考慮風險源和受體的響應關系。如許學工等[9]以黃河三角洲為例，識別了旱災、洪災、風暴潮災害、油田污染事故和黃河斷流等主要風險源及其發生概率，并對生態風險及其分級開展了研究。

上述研究中，大多較少考慮流域水環境風險的復合性和系統性，對風險管控具有滯后性。而廣泛應用于區域風險評估的相對風險評價模型，則可以較好地反映復合生態系統風險源的風險程度及受體的損耗程度。

風險評價模型應用中，指標的選取是關系到評估結果是否合理的關鍵。目前，指標選取多依據經驗判斷或依據已有研究成果定性開展研究，定量方面的研究較少。而流域水環境風險涉及指標較多且部分指標重復性較大、相關性顯著，指標冗余增加了評估工作量及結果的不確定性。因此，需要采用定量方法構建評估指標體系。

有鑒于此，本文以大寧河流域為例，采用基于信息敏感性的主成分分析方法構建風險評估指標體系;考慮水生態環境的系統性和空間異質性，利用相對風險評估模型（RRM）[10-11]及GIS技術進行綜合風險評估分級，以期為庫區支流水環境風險研究及大寧河流域水環境風險防控管理，提供理論和數據支撐。

1 研究區域概況

大寧河發源于巫溪縣北部山區，自巫山縣巫溪西口匯入長江，總面積約為3 720.0 km2，距離三峽大壩約123 km，受三峽水庫蓄水的影響顯著，是長江三峽河段典型支流之一。大寧河在巫溪縣主要流經東部地區，面積約2 878.3 km2，在巫山縣主要流經北部區域，面積約1 302.7 km2，總計涉及37個鄉鎮。巫溪縣2019年森林覆蓋率為69.58%，累計水土流失治理面積為135 690 km2。巫山縣森林覆蓋率為59.40%。

流域內以山地為主，山地占全流域面積的95%以上，整個流域呈北高南低的趨勢，海拔差異大。屬于亞熱帶季風氣候，年均溫度16.6 ℃，年均降水量為1 124 mm，以地帶性黃棕壤和地帶性棕壤為主。由于河谷深切及土地過度開墾等原因，導致水土流失嚴重。同時，該流域地處大巴山暴雨中心區，也是滑坡、崩塌等災害多發之地。隨著三峽庫區移民外遷，工礦關閉，流域內農業面源污染、移民點生活污染、旅游、養殖污染等成為主要污染源。另外，由于庫區蓄水導致的水文水動力等水環境因子變化，使得大寧河流域水體富營養化、重金屬污染、水土流失等水環境問題尤為突出。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源及處理

（1） 數據來源。

本文數據主要來源于《巫溪縣統計年鑒》《重慶市水資源公報（2008-2018）》《長江三峽生態環境質量公報（2008-2018）》，以及相關文獻資料、中國科學院資源環境科學數據中心。

（2） 數據處理。

社會經濟數據是以縣區為單位進行統計，通過Kriging插值方法而形成柵格格式數據。氣象數據利用IDW插值方法進行處理。遙感數據預處理主要是對遙感影像進行幾何校正、輻射校正、波段融合等，以提取高程、坡度等方面的信息數據進行歸一化處理，處理方法描述如下。

對于正向指標，在一定范圍內，數值越大風險值越大，計算方法如下：

Di=Xi-XminXmax-Xmin（1）

對于逆向指標，在一定范圍內，數值越小風險值越小。對于歸一化數據為0的指數項數據采用賦值法進行同趨化處理，計算方法如下：

Di=Xmax-XiXmax-Xmin（2）

2.2 研究方法

根據篩選分析方法[12-14]及本文所用的數據特點，首先，對風險因子進行定性研究和相關分析，對指標進行初步篩選;再采用基于信息敏感性的主成分分析方法進行定量篩選;最后確定評價指標。具體計算方法參照文獻[12]。

3 生態風險評價指標體系的構建

3.1 風險源分析

通過文獻分析及資料調研[1-2，15-16]，從水環境生態風險角度分析了大寧河主要風險類型，主要包括土壤重金屬、水體富營養化及水華暴發。

（1） 消落帶土壤重金屬污染風險。

消落帶土壤中重金屬會通過降水、水位變化遷移而轉化至水體中。因此，很多學者采用沉積物中的重金屬含量來反映重金屬的污染狀況。不同海拔、距河口不同距離的消落帶重金屬分布情況如圖1所示。

土壤類型、地形特征、消落帶海拔高度、距離河口不同距離、植被等因素會直接或間接影響到土壤重金屬的含量或分布。

（2） 大寧河流域富營養化變化分析。

收集了2005～2010年大寧河水體富營養化指數數據[17-18]，對不同蓄水時間及距離河口不同距離的富營養化指數變化趨勢進行了分析，如圖2所示。

富營養化指數的變化與水體中營養鹽類含量、水文條件變化、水環境因素變化密切相關，分別如表1和表2所列。基于此，分別對各因子及其與富營養化指數的變化進行了皮爾森相關性分析，以確定主要風險因子。

由表1可以看出：富營養化指數變化與庫區的水位、入庫水量呈明顯負相關，與降水量和氣溫變化呈正相關。由表2可以看出：富營養化指數變化與TN和葉綠素變化相關性顯著，與TP及SD變化的相關性較小。因此，選擇不同土壤侵蝕度、降雨強度、植被覆蓋度等指標表征面源污染大小。根據上述分析結果，選擇降雨量、水位、入庫水量、TN、TP、DO含量、土壤侵蝕度等作為初選指標。

（3） 水土流失。

有研究表明[19-20]：在年降水量為500 mm的情況下，坡度為5%～7%時，土壤的年流失量是坡度1%～5%時的7倍。大寧河流域非點源污染空間分布特征和土壤侵蝕空間分布特征極為相似。泥沙負荷高的子流域主要分布在流域東北部。同時，泥沙負荷很高的子流域，其TN和TP含量也高。

（4） 水華暴發風險。

整體上來說，在水華敏感期，大寧河回水段以下流域的氮磷含量偏高，高錳酸鉀鹽含量及溶解氧含量一直處于穩定且較低水平，尤其是大寧河河口的氮磷含量相較于其他斷面更高，所以也是水華最易暴發的地方。

根據上述分析結果，初步篩選出自然、社會經濟等24個水環境生態風險評價指標。

3.2 指標定量篩選

根據計算結果篩選出累計信息含量大于75%的指標。各評價指標敏感性計算結果如表3所列，大寧河流域水環境生態風險評價指標體系如表4所列。

4 流域水環境生態風險評價

4.1 評價方法

生態風險評價指標體系是一個二級三層結構的指標體系。根據模糊數學理論，把指標層對要素層的評判看作第一級評判，把要素層對目標層的評判看作第二級評判，從而構成一個二級三層的模糊綜合評價模型[21]。采用GIS技術和借助于相對風險評價模型（RRM模型）[5，22-23]，對大寧河流域水環境生態風險進行評價研究。

（1） 生態環境危險度。

危險度通常以其發生的概率和強度來描述。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。

H=mi=1WiRi（3）

式中：H為危險度指數;Ri為第i類危險度指標標準化值;Wi為第i類風險源權重。

（2） 生態環境脆弱度。

脆弱度指數是指生態系統受到外界干擾后的脆弱程度。本研究中采用綜合指數法進行分層次計算。

V=mi=1WiNi（4）

式中：V為生態系統脆弱度指數;Ni為影響生態脆弱性的生態因素及社會因素中第i種指標的歸一化值;Wi為權重值;m為評估指標的數目。

（3） 生態損失度。

生態損失度是指暴露在風險源下受體的生態系統結構、功能等的變化程度。生態損失度計算公式如下：

EDI=ni=1AiWi（5）

式中：EDI表示生態損失度指數;Wi表示損失度評價指標權重;Ai表示第i個指標標準化值;n表示評價指標個數。

（4） 綜合風險值。

ERI=HWi+VWi+EDI×Wi（6）

式中：H表示危險度指數;V表示脆弱度指數;EDI表示生態損失度指數;Wi表示綜合風險值指標權重。

4.2 結果分析

基于GIS技術，通過計算分別得到了大寧河流域水環境危險度、脆弱度、損失度以及綜合生態風險分級分布圖，如圖3所示。

從綜合風險等級進行分析，則各級風險區所占比重分別為9.01%，39.06%，43.83%，8.10%，說明流域整體處于中高度風險區范圍（見圖3）。流域范圍內風險值呈現出沿河流兩岸逐漸遞減的趨勢，可以反映出流域范圍內人口和城市沿河流分布的特點。

低風險區主要分布在河流南岸和巫溪縣東北部分區域，以及距主干河道較遠區域，這些區域的城市化水平及人類干擾程度低，受蓄水影響不明顯，損失度、危險度均較低，但是脆弱度較高。因此，該區域風險防控主要是在控制土壤侵蝕、防治自然災害等方面降低生態環境脆弱性。同時，該區域目前經濟發展水平低，治理能力較弱，但是發展需求較大，因而要做好污染源防控，提高污染治理資金和技術投資，防止危險度指數的增加。

中度風險區在河流南北岸均有分布，主要分布在巫溪縣南部及巫山縣北部區域，這些區域經濟發展水平較高，環保產業適度發展，環保投資力度較大，人口和城市規模居中，自身自然環境脆弱度不大，處于中度風險范圍。建議該區域通過調整產業結構、污染源源頭防控和提高治理水平等降低風險。

高度風險區主要分布在巫溪縣，主要是由于巫溪縣環境脆弱度指數和損失度指數均較高。

極高風險區主要分布在河口、回水區以及支流回水區兩側一定的區域內。主要原因是受到蓄水影響，河口與干流交匯處流速緩慢，重金屬污染指數和富營養化指數較高。

5 結 論

本文采用基于信息敏感性的主成分分析法，對水環境生態風險評價指標進行定量篩選，綜合考慮風險源和風險受體，利用GIS技術構建了相對風險評估模型，并將該評估模型用于對大寧河流域的生態風險進行評價，得出如下結論。

（1） 大寧河流域的水環境生態風險突出表現在水體富營養化、土壤重金屬、水土流失及水華方面。為此，采用基于指標信息敏感性的指標篩選與賦權模型，通過定量篩選，最終確定了15個評估指標。

（2） 從綜合風險值分析結果來看，大寧河流域整體處于中高度風險區范圍。流域范圍內的風險值呈現出沿河流干支流兩岸逐漸遞的減趨勢，高度和極高風險區主要分布在巫溪縣及河口的回水區。

（3） 低風險區主要分布在河流南岸與巫溪縣東北部分區域，以及距主干河道較遠區域，水土流失、自然災害、污染源治理是主要防控因子。中度風險區主要分布在巫溪縣南部及巫山縣北部區域，污染源源頭控制和環境治理技術提升是關鍵因素。高度風險區主要分布在巫溪縣。

由于研究中采用的是綜合評估方法，導致各層級指標的權重對評價結果影響較大。因此，在后續研究工作中，需要改進危險度、脆弱度和損失度之間的指標權重的確定方法。

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（編輯：趙秋云）

Index screening and application for assessment of water environment ecological risk in

Daning River Basin

LI Haiyan

（Shanghai Environmental Protection Co.，Ltd.，Shanghai 200030，China）

Abstract：

In order to understand the current situation of comprehensive ecological risk of water environment in Daning River Basin，the principal component analysis based on the information sensitivity was used to construct a water environment risk assessment index system，which can reflect the effects of risk source and receptor.We also evaluated the water environment risk and divided the risk level using GIS technology and relative risk assessment model under guidance of fuzzy evaluation thought.The results showed that：① The ecological risk of water environment was mainly manifested in water eutrophication，soil heavy metals，soil erosion and water bloom.Fifteen evaluation indicators were finally determined by using quantitative screening method.② The whole Daning River Basin was in a medium and high risk area.The risk value of the river basin showed a decreasing trend along both sides of the main river and tributaries.The high and extremely high risk areas were mainly distributed in Wuxi County and the estuary backwater area.The method overcame the subjectivity of the previous qualitative screening evaluation index and reduced the result′s uncertainty to some extent.The evaluation results objectively reflected the characteristics of population distribution，urban development along the river and the fact that water environment risk of reservoir tributaries were affected by reservoir impoundment，which provides a reference for the water environment risk assessment and control of other tributaries in the reservoir area.

Key words：

ecological risk of water environment;index screening;relative risk assessment model;GIS technology;Daning River Basin