基于PSR模型的遼河流域盤錦河段生態系統健康評價及其驅動因素分析

楊訸晴,胡慧琴,張勤旭,秦夢恩,張明亮,2*,侯 軍

(1.大連海洋大學海洋科技與環境學院,遼寧 大連 116023;2.遼寧省近海生態環境與災害防護工程技術創新中心,遼寧 大連 116023;3.盤錦市林業和濕地保護管理局,遼寧 盤錦 124010)

流域是一個復雜的生態系統,以水為橋梁,由水、土壤、生物等自然元素和經濟、社會等人文元素構成,不僅為人類日常生活、工農業活動提供水源,還支撐著商業、交通、文娛等諸多服務功能,同時也保證著生態系統內物質和能量正常循環,維持著生態系統的平衡[1]。然而,本文研究區域遼河流域盤錦段,隨著城市化和工業化的迅猛發展,生態環境不斷遭到破壞,河流水系單位面積內的污水濃度大幅增加,河流生態系統健康問題嚴峻[2]。對流域的生態系統健康狀況進行評價,可以為流域生態系統政策法規的制定及保護措施的實施提供理論依據,從而更好地促進該流域朝著更健康良好的方向發展。因此,本文生態系統健康評價的研究對于促進遼河流域生態系統的健康穩定發展十分重要。

目前,流域生態系統健康評價的研究在世界范圍內廣泛開展。如Jabbar等[3]對河流生態質量的評價采用多樣化指標,主要涉及到岸邊植被、水生物種、水中污染物等,通過評價提供有關水質、河流形態和生物完整性的信息,確定河流生態健康情況。美國環保署[4]提出從景觀形態、生物現狀、化學物理指標、自然干擾情況、水文地貌狀況和生態過程這6個方面構成綜合評價體系進行流域的生態系統健康評價。但是上述方法存在評價指標歸類標準不明確等問題,對人文因素造成的河流不連續性的評價研究不足,導致評價體系不能廣泛應用[5]。為了改進以上方法的不足,加拿大學者提出了壓力-狀態-響應(Pressure-State-Response)模型[6],后續學者采用相關方法對不同的流域進行生態系統健康評價[7-8],并取得較好的評價效果。此外,楊志等[9]在PSR模型的基礎上構建DPSRC模型,提出在模型中增加驅動生態系統和人類控制措施等因素,如增加了D驅動力和C控制指標義;在PSR模型的基礎上,蘇毅等[10]使用Fishnent網格法,采取遙感影像和野外調查數據篩選出12個生態指標,構建了三峽庫區典型小流域——蘭陵溪小流域的健康評價體系,可以直觀地反映出健康狀況的空間特征;汪小欽等[11]使用EHN框架與PSR模型相結合,對新疆開孔河流域構建網狀指標體系并進行生態系統健康評價,基于篩選的指標計算了其EHCI指數,得出開孔河流域總體生態健康趨勢向好的結論。綜合來看,評價指標體系的構建是河流生態系統健康評價中的重要內容,但是目前對于生態系統健康評價的指標體系的構建還沒有統一標準,評價指標的選取也有局限性。進行流域生態系統健康評價的對象應該選取綜合多層次的觀測目標,才可以全面地把人類活動和生態系統等因素考慮其中。本研究從遼河流域特點出發,采用多衡量指標基于PSR模型的框架,利用景觀格局指數構建了流域的生態系統健康評價體系,使評價成果更好地服務生態文明建設。

遼河的盤錦段是遼河流域的重要部分之一,承擔著盤錦市農田灌溉和城鎮居民生活用水的重要任務,遼東灣海域環境質量較差,因此遼河的水環境入海通量是整個遼河流域治理工作的難點和重點,本文選取盤錦段為研究區。本文以PSR概念模型為依據,選取了遼河流域盤錦段2010、2012、2014、2016、2018、2020年6個時間段來自壓力、狀態、響應3個層次的13個評價指標進行研究,綜合分析評價其流域健康狀態,并研究主要驅動因素,為其生態恢復和資源管理提供一定參考。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區概況

遼河流域位于中國東北地區的西南部,是中國七大流域之一,流域地理坐標東經116°54′～125°32′,北緯40°30′～45°17′,見圖1。遼河總長1 390 km,流域面積達21.9萬km2,于盤錦市匯入遼東灣。選取的研究區域——遼河流域盤錦段位于遼河最下游,盤錦市內部分遼河干流總長124.3 km[12]。盤錦市城鄉人口共計138萬,沿河城市人口比較密集,這是由于一些城區依江河干流而建,其中雙臺子區、興隆臺區人口最為密集。盤錦市是石油化工型城市,是中國重要的工業基地,原油開采、石油加工和精密化工是當地的支柱產業,因此城市污染物負荷較重。

圖1 遼河流域盤錦段示意

1.2 研究方法的選取

PSR模型可以多準則、多指標進行河流生態系統健康評價,通過數學模型計算的健康指數非常具有代表性與實用性,體現了人類社會活動與生態環境緊密聯系的邏輯關系,該方法能定性、定量的對生態系統健康進行分析與評價[13]。本文選取了PSR模型對遼河流域盤錦段生態系統健康水平進行全面分析。整個評價指標體系分為3層(圖2):第一層是壓力層,由人類活動引起的生態系統環境資源的壓力;第二層是狀態層,因為生態系統內的壓力改變了其原有的狀態;第三層是響應層,是通過人類的政策制定或技術手段對這些變化做出改變[14]。每種指標都有相應的測評因子。

圖2 遼河流域(盤錦段)PSR基礎框架模型

1.3 評價體系的構建

指標構建原則遵循系統整體性、分區指導性、時空動態性,因此在選取指標進行評價之前要對生態系統進行整體綜合的評價,面對多因素干擾時找出主導因素;并且考慮到生態環境的資源是動態變化的,所以在評價時指標要不斷更新和完善狀態[15]。壓力層的指標選取遵循人類活動對生態系統的影響,包括直接壓力如工業廢水排放量,和間接壓力如人口數量、人類活動等。狀態層的指標選取考慮遼河流域(盤錦段)的流域自然特征,水資源和水環境的狀況,選取了海水中特征污染物含量作為指標更為直觀。響應層的指標從人類近些年針對遼河流域(盤錦段)主要治理措施入手。綜合上述因素,本文將選取的13個評價指標,建立了壓力、狀態、響應3層結構的評價指標體系[16]。

1.4 健康評價標準的劃分

綜合評價指數(CEI)可以非常直觀地評價流域的生態健康狀況,結合目前研究成果,按生態健康評價指數大小,將綜合評價指數分為5個等級:非常不健康、不健康、一般健康、健康、非常健康,并采用[0,1]這樣連續的實數區間,來表示流域生態健康的各個等級數值[17]。

2 數據來源與數據處理

2.1 數據的來源

遼河流域(盤錦段)人文數據、社會經濟數據、城市建設數據等,主要來自《盤錦市統計年鑒》與《盤錦市水資源公報》;水質、水文數據主要來自于遼寧省海洋漁業水域環境監測報告及本研究團隊相關科研報告,從中得到2010、2012、2014、2016、2018、2020年遼河流域盤錦段的各項指標數據的實際值。分級標準的選取根據流域生態系統健康評價要求[18-19],將評價指標進行分級:非常健康(Ⅰ)、健康(Ⅱ)、一般健康(Ⅲ)、不健康(Ⅳ)、非常不健康(Ⅴ),見表1。

表1 生態系統健康評價指標體系

2.2 數據處理與權重確定

2.2.1數據歸一化處理

通過文獻查閱、實地考察、數據整理分析,對2010、2012、2014、2016、2018、2020年6個時間段的PSR模型中準則層內各評價指標進行整理歸納和統一處理,見表2—4,依據遼河流域生態系統健康評價指標分級標準,建立模糊矩陣。建立模糊關系矩陣可用式(1)表達:

表2 壓力層指標隸屬度與綜合評價指數

表3 狀態層指標隸屬度與綜合評價指數

表4 響應層指標隸屬度與綜合評價指數

(1)

對生態系統健康評價中各指標的隸屬度計算見式(2)—(7)。

對于正項指標:

ri1=1,ri2=ri3=ri4=ri5=0,xi

(2)

(3)

ri5=1,ri1=ri2=ri3=ri4=0,xi>si,1

(4)

對于負向指標:

ri1=1,ri2=ri3=ri4=ri5=0,xi>si,1

(5)

(6)

ri5=1,ri1=ri2=ri3=ri4=0,xi

(7)

2.2.2熵值法確定權重

權重計算方法眾多,常見有熵值法、德爾菲法、層次分析法、因子分析和主成分法等。熵值法的原理是通過構建決策矩陣給出的信息直接計算權重,所以決策者的主觀意識對計算結果未能產生影響,綜合考慮熵值法精度較高、客觀性更強,能夠更好地解釋所得到的結果。因此,在了解遼河流域盤錦段整體情況的前提下,根據各評價指標對流域生態系統健康的影響,通過熵值法計算得到評價指標權重值。熵值法表達式如下。

a)整個信息(設有n個)的不確定度量:

(8)

式中Pj——j個信息不確定度;S——熵;K>0。

b)建立多屬性決策矩陣:

(9)

c)所有方案對屬性X的貢獻總量:

(10)

d)各指標權重如下:

(11)

式中,dj=I-Ej,為第j屬性下各方案貢獻度的一致性程度。當dj=0時,第j屬性可以剔除,其權重等于0。

2.3 生態健康評價指數計算

通過模糊綜合評判方法將數據歸一化處理得出各指標的評判矩陣并將其與權重相結合,據此得出式(12):

Bi=Wi×Ri=(Wi1,Wi2,…,Win)×

(12)

式中 (Wi1,Wi2,…,Win)——指標權重;

本文主要采用生態健康評價指數來表示遼河流域盤錦段生態系統健康狀況,對13個評價指標(表5)進行標準化處理,定量地反映出流域生態系統的健康狀況,綜合性指數常用式(13)進行估定:

表5 生態系統健康評價指標權重

(13)

式中b1、b2、b3、b4、b5——評判向量的隸屬度。

通過查閱大量資料文獻,將流域生態系統健康綜合評價指數進行歸納總結,可以將流域生態系統健康程度分為5個等級[20-21],每個等級對應的健康評價指數區間見表6。

表6 綜合評價指數分級標準

3 計算結果與分析

3.1 評價結果

根據健康評價模型可以得出各年份的健康值見表7,2000—2020年遼河流域盤錦段生態系統健康狀況為呈曲折上升趨勢,主要表現為2010—2020年每兩年的CEI指數分別為:0.343 5、0.340 6、0.279 1、0.425 3、0.417 9、0.464 2,經歷了2012、2014、2018年3次的小幅度下降,但整體指標朝著上升趨勢發展,說明遼河流域盤錦段生態系統健康狀況好轉。可以看出:2010—2020年的遼河流域盤錦段生態系統健康狀況由“不健康”水平變為“一般健康”水平,流域生態系統健康狀況逐漸好轉,但是距離“非常健康”水平較遠。

表7 各標準層CEI指數

3.2 壓力分析

從選取的指標來看,壓力主要來源于人口、資源與社會3個方面。由表7數據可得2010—2020年壓力層CEI指數從0.111 7降至0.043 1,下降幅度逐漸減緩,其中2016、2020年有小幅度上升,增幅分別為0.001 5、0.001 6;說明這段時間遼河流域盤錦段內人類的一些經濟和社會活動對遼河的負面作用逐漸增大,健康狀況并不樂觀。其中,占權重最大的工業廢水排放量主要是由于人為因素的影響,日常未對生活污水和工農業廢水進行集中的收集處理,直接排入河道中,進而造成嚴重的水污染。由表7數據變化來看2016年后雖仍是下降趨勢但明顯減緩,這是由于盤錦市深入推進能源生產和消費改革,“十三五”期間加快實施污染減排和環境治理措施,新增污染物的增加幅度逐漸減少,響應能力的提高使污染逐步得到了控制。在環保的同時,盤錦市社會經濟仍舊持續發展,人均GDP逐年攀升,城鎮化率控制在較好的幅度內變化。

3.3 狀態分析

對于狀態S子系統,CEI指數呈現曲折變化見表7。2010—2020年CEI指數分別為:0.171 0、0.209 2、0.166 0、0.265 4、0.248 4、0.271 4,歷經“上升—下降—上升—下降—上升”變化。由指標來看,水資源總量權重占到0.209 7,是主要驅動因素,水資源總量的變化與CEI指標大體呈正相關趨勢。2014年盤錦市的水資源總量較2013年下降了1.5億m3,遼河中的水中化學需氧量上升了0.258 mg/L是導致這一年CEI指數下降的主要因素;同樣在2018年,盤錦市水資源總量較2013年下降了1.74億m3,遼河水中無機氮含量上升了0.176 mg/L導致了這一年CEI指數的下降。近些年,政府不斷提供支撐,遼河治理工作大力開展如2017年的生態屏障建設工程,在水系交匯處增加綠地建設,構建生態綠地網絡,形成生態屏障,還有同年的河道生態治理工程,實施岸坡整治、生態護岸等河道整治工程,使遼河流域水環境質量得到改善。然而,流域水污染的情況仍然是長期、復雜的問題,整個流域水環境質量仍不能持續穩定達到健康水平,基礎設施建設仍具有一定缺陷,對于污水的收集和管理效率低下,因此生態環境難以達到較高的健康水平。水資源匱乏無法保證生態基流,水生態保護處于探索的初級階段,這是影響治理效果穩定性和可持續性的重要原因。

3.4 響應分析

對于響應R子系統,由表7可得2010—2020年呈曲折遞增的趨勢,每兩年的CEI指數分別為:0.060 8、0.070 1、0.056 5、0.101 8、0.128 0、0.149 7,呈上升趨勢?？梢娚鐣驼絹碓街匾曔|河流域盤錦段的生態環境保護工作,并對遼河流域生態系統的恢復和改善采取了積極的應對措施。如2016年健康指數增幅達0.045 3,主要是因為這一年進入到“十三五”計劃的第一年,節能減排的大力推進,有效地改善了環境惡化問題。而后2018年盤錦市劃定了生態保護紅線,對生態保護的重點類型和重要區域進行了規范,但是全面實施還處于起步階段。目前水環境保護工作科學技術手段有限,環境狀態還未達到一個較高水平,響應層CEI數值也較難到達更高一層。

3.5 驅動力分析

遼河流域盤錦段生態系統健康變化受到自然和人類活動的共同影響。通過分析權重數據得出主要驅動因素如下:水資源總量占到20.97%,政策法規及保護區建設占到17.97%,景觀多樣性占到14.19%,工業廢水量占到13.68%,水中化學需氧量占到10.63%。由上述數據可知,影響該流域健康的原因來源于人文因素和自然因素,而自然因素中水文及水質健康起到主導作用,因此本文對其進行重點分析。

在生態系統健康評價驅動因素分析中,工業廢水排放量、水中化學需氧量、無機氮含量、活性磷酸鹽含量等均起到負向驅動作用,即數值越小越有利于健康評估;水資源總量起正向驅動作用,即數值越大越有利于健康評估。水資源總量可以直接反映流域水源狀況,其變化對流域的存亡至關重要。由圖3a可知2010—2020年工業廢水排放量呈快速上升趨勢,10 a間增幅達3 924萬t/a;由圖3b可知水資源總量呈折現波動,整體來說并未達到比較充足的水平;由圖3c可知水中活性磷酸鹽、無機氮、化學需氧量的濃度均處于折現波動,整體有下降趨勢但仍處于較高濃度水平,綜合來看水文及水質狀況整體仍存在較大風險?！笆濉币詠肀P錦市每年有約6 000萬t的工業污水和生活污水排入遼河盤錦段,盤錦市盤錦區工業廢水排放量為1 400萬t,占廢水總量的22%,4 800萬t城市污水排放到遼河,占廢水78%左右[22]。落后的傳統產業、緩慢的技術更新導致高能耗、高耗水量是水污染的主要來源。

a)工業廢水排放量

4 結論與建議

通過對遼河流域盤錦段生態系統健康的實際情況進行調查分析,以PSR模型為基礎,從壓力、狀態和響應3個方面選取13個評價指標,構建遼河盤錦段生態系統健康評價模型,根據評價結果來看整體由“不健康”水平變到“一般健康”水平,但距“非常健康”水平仍較遠。從各子系統健康指數來看,壓力層CEI指數最低,存在問題較大,這一層面中的工業廢水排放量超額較大。從各子系統權重值來看,對遼河流域盤錦段生態健康的貢獻情況大小為:狀態S子系統>響應R子系統>壓力P子系統。通過計算,由表5可知狀態S子系統、響應R子系統、壓力P子系統權重值分別為:0.588 5、0.233 4、0.178 0,通過本文研究可知水資源總量不足、工業廢水排放是影響遼河盤錦段生態系統健康的重要因素。因此,要使遼河流域盤錦段的生態健康等級達到更高的水平,流域內生態系統實現良性循環,就必須要從水文、水環境的治理和調控著手。結合盤錦市生態建設進程與目標要求,在城市面源污染治理方面,加大投資力度,加大污水處理廠建設和其他環境基礎設施建設,開展城市環境綜合治理工作。建立完善的法律治理體系加以警示規范。明確各方水管理職責,完善流域水環境相關事宜的解決流程。其次加大科學技術的投入,提高科技支撐能力,使環境保護工作更加科學性、規范性、法治性。