劉聚濤,楊永生,姜加虎,高俊峰*(.江西省水利科學(xué)研究院,江西 南昌 33009；.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,江蘇 南京 0008)

太湖藍藻水華災(zāi)害風(fēng)險分區(qū)評估方法研究

劉聚濤1,楊永生1,姜加虎2,高俊峰2*(1.江西省水利科學(xué)研究院,江西 南昌 330029；2.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,江蘇 南京 210008)

通過對太湖藍藻水華災(zāi)害風(fēng)險分析,構(gòu)建太湖藍藻水華風(fēng)險評估指標體系,結(jié)合風(fēng)險評估概念,建立太湖藍藻水華災(zāi)害風(fēng)險評估方法.在此基礎(chǔ)上,以2008年為基準年,結(jié)合太湖9個分區(qū),評估各湖區(qū)藍藻水華災(zāi)害危險性、易損性、脆弱性和綜合風(fēng)險.結(jié)果表明,綜合風(fēng)險最大的區(qū)域集中在太湖的北部,尤其作為水源地的貢湖風(fēng)險最大,為重度風(fēng)險;竺山湖、梅梁灣和西部沿岸由于其危險性較大,而總體風(fēng)險較大,為中度風(fēng)險;其他湖區(qū)風(fēng)險較小,胥湖、南部沿岸和大太湖為輕度風(fēng)險;太湖的東南部湖區(qū)箭湖東茭咀和東太湖由于水體富營養(yǎng)化程度較低,植物覆蓋率較高,藍藻水華發(fā)生危險性較小,綜合風(fēng)險指數(shù)較小,為輕微風(fēng)險.

藍藻水華災(zāi)害；風(fēng)險評估；太湖

20世紀 80年代后期開始,太湖北部的梅梁灣頻繁暴發(fā)藍藻水華,2000年以來,藍藻水華發(fā)生頻率增加,范圍擴大,并且逐漸向湖心擴散[1-3].藍藻水華頻發(fā)導(dǎo)致水環(huán)境質(zhì)量下降,直接威脅著周邊城市飲水水源.2007年太湖藍藻水華事件導(dǎo)致無錫市 200多萬居民飲水困難,引起社會的廣泛關(guān)注.

有效的藍藻水華災(zāi)害風(fēng)險管理是實現(xiàn)太湖水資源和周邊社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要保障.為有針對性地制定防災(zāi)預(yù)案,需從區(qū)域上對藍藻水華災(zāi)害進行風(fēng)險評估.開展太湖藍藻水華災(zāi)害風(fēng)險分區(qū)評估,有利于認識太湖各湖區(qū)藍藻水華災(zāi)害發(fā)生及其可能造成危害大小,對于藍藻水華災(zāi)害風(fēng)險管理具有重要的現(xiàn)實意義.

作者通過對藍藻水華災(zāi)害的分析,分別從自然屬性和社會屬性兩方面評估了藍藻水華災(zāi)害的強度和災(zāi)情[4].并在評估的基礎(chǔ)上,根據(jù)歷史災(zāi)害狀況和藍藻水華發(fā)生的主要環(huán)境因子,對太湖進行藍藻水華災(zāi)害發(fā)生危險性分區(qū)評價,估算各湖區(qū)藍藻水華發(fā)生的可能性[5].在危險性評價的基礎(chǔ)上,結(jié)合藍藻水華災(zāi)害的易損性、脆弱性和易損性分析,構(gòu)建太湖藍藻水華災(zāi)害風(fēng)險評估指標體系,運用綜合指數(shù)構(gòu)建風(fēng)險評估模型,并以2008年數(shù)據(jù)對該評估模型進行驗證,以期為太湖各湖區(qū)防災(zāi)減災(zāi)以及藍藻水華災(zāi)害風(fēng)險管理提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持.

1 太湖藍藻水華災(zāi)害風(fēng)險評估指標體系構(gòu)建

參考赤潮災(zāi)害風(fēng)險評估指標體系[6],結(jié)合風(fēng)險評估概念[6-8],構(gòu)建多層次藍藻水華評估指標體系,如表1所示,目標層為藍藻水華災(zāi)害風(fēng)險評估,準則層為危險性指標、易損性指標和脆弱性指標[9],指標層為評估時選取的具體指標.

表1 太湖藍藻水華災(zāi)害風(fēng)險評估指標體系Table 1 Index system for the risk evaluation of cynaobacteria bloom hazard in Taihu Lake

危險性評價指標包括歷史災(zāi)害危險性和潛在災(zāi)害危險性指標.歷史災(zāi)害危險性指標主要包括歷史災(zāi)害密度和歷史災(zāi)害規(guī)模.潛在危險性是預(yù)測藍藻水華災(zāi)害發(fā)生和程度的自然屬性.通過采用Chla濃度、TN濃度和TP濃度來進行潛在危險性評價[5],由于該指標相對簡單,主要集中于水環(huán)境因子,故在此基礎(chǔ)上,增加了風(fēng)向和水生植被的指標.構(gòu)建指標體系主要包括湖區(qū)沿風(fēng)向所處位置、湖區(qū)封閉程度、Chla濃度、TN濃度、TP濃度和水生植物覆蓋面積百分比.

在災(zāi)害風(fēng)險評價中, 受災(zāi)害危害對象的數(shù)量、密度、價值稱為易損性條件.易損性指標包括人口易損性和經(jīng)濟易損性,其中人口易損性主要為飲用水源地影響人口;經(jīng)濟易損性指標包括直接經(jīng)濟損失和間接經(jīng)濟損失[10-13],其中直接經(jīng)濟損失包括生活用水損失和旅游損失,間接經(jīng)濟損失為災(zāi)后救災(zāi)投入.

脆弱性表示受災(zāi)區(qū)社會或環(huán)境受藍藻水華災(zāi)害影響的程度,主要指藍藻水華災(zāi)害影響人口占區(qū)域百分比.

2 太湖藍藻水華災(zāi)害風(fēng)險評估方法

2.1 數(shù)據(jù)標準化方法

首先需要對各指標進行標準化處理,去除各指標的量綱.與藍藻水華災(zāi)害風(fēng)險呈正相關(guān)和負相關(guān)的指標分別按式(1)和式(2)進行計算.

式中: i表示第i個湖區(qū); j表示第j個指標; Ai;表示第i個湖區(qū)第j個指標標準化值; xij表示實測值; xjmax表示第j個指標中最大值; xjmin表示第j個指標中最小值.

規(guī)范化后的指標特征值具有相同的取值趨勢(值越大,風(fēng)險越大)和取值范圍(［0,1］區(qū)間),使得指標值的優(yōu)劣具有可比性,保證了評價結(jié)果的一致性.

2.2 權(quán)重確定方法

由于對與藍藻水華災(zāi)害風(fēng)險的研究相對較少,專家經(jīng)驗對指標權(quán)重的確定具有重要指導(dǎo)作用,因此本研究采用定性與定量相結(jié)合的權(quán)重賦值方法即層次分析法(AHP)[14-15]來確定權(quán)重.該方法在專家確定法的基礎(chǔ)上,進行數(shù)學(xué)分析,判斷最大特征值的一致性,當(dāng)一致性檢驗值(CR)＜0.10時,接受該分析結(jié)果.

2.3 風(fēng)險分級體系

參考國內(nèi)外風(fēng)險評價標準,對太湖藍藻水華災(zāi)害風(fēng)險程度進行分級(表2).

表2 太湖藍藻水華災(zāi)害風(fēng)險程度分級體系Table 2 Grading system of risk degree for cynaobacteria bloom hazard in Taihu Lake

2.4 綜合評估方法

根據(jù)太湖藍藻水華災(zāi)害風(fēng)險評估指標框架和自然災(zāi)害風(fēng)險計算公式,利用層次分析法和加權(quán)綜合評分法,建立太湖藍藻水華災(zāi)害風(fēng)險評估模型:

式中: RI表示風(fēng)險綜合指數(shù),其值越大,說明藍藻水華災(zāi)害風(fēng)險越大; H、E和V分別表示太湖藍藻水華災(zāi)害危險性、易損性和脆弱性大小, A為各評價指標的量化值,W為權(quán)重系數(shù),i為評價因子.

3 太湖藍藻水華災(zāi)害風(fēng)險分區(qū)評估

3.1 評估單元劃分

根據(jù)參考文獻[5],把太湖分為9個湖區(qū),如圖1所示.

圖1 太湖9個分區(qū)示意Fig.1 Sketch of of nine regions in Taihu lake

3.2 指標含義

歷史災(zāi)害密度和規(guī)模:歷史災(zāi)害密度指各湖區(qū)平均藍藻水華災(zāi)害發(fā)生次數(shù),單位為次/年;歷史災(zāi)害規(guī)模指平均藍藻水華面積占湖區(qū)百分比.根據(jù)災(zāi)害評估方法,分別對近幾年災(zāi)害進行統(tǒng)計.

湖區(qū)沿風(fēng)向所處位置:按照湖泊分區(qū)沿夏季盛行東南風(fēng)向所處位置分為3類,分別進行打分,如表3所示.

表3 不同湖區(qū)所處位置賦值Table 3 Assignment of the different regions in Taihu Lake

湖區(qū)封閉程度:湖區(qū)封閉程度是指湖區(qū)岸線長度與湖區(qū)面積圓形周長之比,無綱量.

Chla濃度、TN濃度、TP濃度:以2004～2008年Chla、TN和TP濃度為基礎(chǔ),計算各湖區(qū)該指標平均濃度,單位為mg/L.

水生植物覆蓋面積百分比:以2007年夏季水生植物覆蓋面積為基礎(chǔ),計算各湖區(qū)覆蓋面積所占百分比,無量綱.

飲用水源地影響人口:指藍藻水華災(zāi)害發(fā)生后影響的人口數(shù)量,單位為萬人.

經(jīng)濟損失:指受藍藻水華災(zāi)害影響,導(dǎo)致水廠停水而造成的居民生活用水增加成本、旅游損失和災(zāi)后減災(zāi)救災(zāi)投入,單位為萬元.

影響人口占區(qū)域百分比:指受藍藻水華發(fā)生影響飲用水源地人口占區(qū)域總?cè)丝诎俜直?數(shù)據(jù)來源于2009年江蘇統(tǒng)計年鑒[16]和浙江統(tǒng)計年鑒[17].

3.3 指標權(quán)重的確定

通過對指標兩兩比較,構(gòu)造判斷矩陣,通過計算一致性檢驗,確定各準則層及指標層內(nèi)各指標的單排序權(quán)重值,權(quán)重計算結(jié)果如表4所示.其中,危險性指標權(quán)重一致性檢驗值 CR=0.0037,易損性、脆弱性和風(fēng)險綜合評估指標權(quán)重的一致性檢驗值CR=0.0000,根據(jù)計算結(jié)果, CR＜0.10,說明權(quán)重的計算具有可信性.在危險性指標、易損性指標和脆弱性指標中,通過層次分析法進行分析并經(jīng)過一致性檢驗,3個指標的權(quán)重分別為0.4906、0.3289和 0.1805.危險性指標表示藍藻水華災(zāi)害發(fā)生的可能性,其權(quán)重最大,表明一旦藍藻水華災(zāi)害發(fā)生,其可能造成較大的人口和經(jīng)濟影響.

表4 太湖藍藻水華災(zāi)害風(fēng)險評估指標權(quán)重Table 4 Index weights of cynaobacteria bloom hazard risk evaluation in Taihu Lake

3.4 太湖藍藻水華災(zāi)害風(fēng)險評估

根據(jù)太湖藍藻水華災(zāi)害風(fēng)險評估方法,以太湖九個湖區(qū)為評估單元,評估各湖區(qū)藍藻水華災(zāi)害的危險性、易損性和脆弱性,在此基礎(chǔ)上進行風(fēng)險綜合評估,為預(yù)防和減輕藍藻水華災(zāi)害提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù).

3.4.1 危險性評估 根據(jù)風(fēng)險評估方法,對太湖藍藻水華災(zāi)害危險性進行分區(qū)評估,各湖區(qū)危險性評分及排序如表5所示.

根據(jù)評價結(jié)果可知,竺山湖和西部沿岸危險性指數(shù)最大,分別為0.8360和0.8189,為極重危險性;梅梁灣居第3位,危險性指數(shù)0.7457,為重度危險性;南部沿岸、貢湖和大太湖危險性指數(shù)分別為 0.4433、0.4431和 0.4408,三者危險性相差不大,為中度危險性;胥湖、箭湖東茭咀和東太湖最小,危險性指數(shù)分別為0.1974、0.1188和0.1182,為輕微危險性,評價結(jié)果與文獻[5]基本相一致.

竺山湖、西部沿岸和梅梁灣危險性最大,南部沿岸、貢湖和大太湖居中,胥湖、箭湖東茭咀和東太湖最小,太湖各湖區(qū)危險性指數(shù)排序基本與湖區(qū)沿風(fēng)向所處位置相一致.夏季盛行東南季風(fēng),藍藻水華在湖區(qū)西北部聚集,危險性沿風(fēng)向在西北部最大,東南部最小,說明夏季風(fēng)向?qū)λ{藻水華災(zāi)害危險性具有重要作用.在胥湖、箭湖東茭咀和東太湖3個湖區(qū),由于歷史災(zāi)害危險性較小,并且,箭湖東茭咀和東太湖水生植物覆蓋率最大,減小藍藻水華發(fā)生機率;因此該 3個湖區(qū)危險性指數(shù)最小,基本無藍藻水華災(zāi)害風(fēng)險.

表5 太湖藍藻水華災(zāi)害危險性評估Table 5 Hazard risk evaluation of cynaobacteria bloom in Taihu Lake

3.4.2 易損性評估 根據(jù)風(fēng)險評估方法,對太湖藍藻水華災(zāi)害易損性進行分區(qū)評估,各湖區(qū)易損性評分及排序如表6所示.

各湖區(qū)中,貢湖、東太湖和胥湖 3個湖區(qū)作為飲用水源地具有一定的人口易損性,在2007年之后,梅梁灣不再作為重要飲用水源地,因此該湖區(qū)人口易損性為 0.在經(jīng)濟易損性指標中,經(jīng)濟損失結(jié)合各湖區(qū)受不同類型災(zāi)害影響概率來計算,因此,對于藍藻水華災(zāi)害發(fā)生概率相近的湖區(qū)經(jīng)濟易損性相近.東太湖、胥湖和箭湖東茭咀由于無藍藻水華災(zāi)害發(fā)生,該湖區(qū)經(jīng)濟易損性為 0;梅梁灣和南部沿岸經(jīng)濟易損性較大,經(jīng)濟易損性指數(shù)分別為 1和 0.9866;貢湖和竺山湖分別為0.7676和 0.7356;大太湖和西部沿岸由于造成的經(jīng)濟損失相同,經(jīng)濟易損性指數(shù)皆為0.5009.

表6 太湖藍藻水華災(zāi)害易損性評估Table 6 Exposure risk evaluation of cyanobacteria bloom hazard in Taihu Lake

表7 太湖藍藻水華災(zāi)害脆弱性評估Table 7 Vulnerability risk evaluation of cynaobacteria bloom hazard in Taihu Lake

通過對太湖各湖區(qū)易損性評價,貢湖易損性最大,易損性指數(shù)為 0.9067,為極重易損性;其次為梅梁灣,易損性指數(shù)為 0.4013,為中度易損性;南部沿岸、胥湖、竺山湖和大太湖易損性指數(shù)分別為0.3785,0.2952,0.2010和0.2010,為輕度易損性;東太湖較小,為 0.1588,為輕微易損性;箭湖東茭咀易損性指數(shù)為0.

3.4.3 脆弱性評估 根據(jù)風(fēng)險評估方法,對太湖藍藻水華災(zāi)害脆弱性進行分區(qū)評估,各湖區(qū)脆弱性評分及排序如表7所示.

通過對太湖各湖區(qū)脆弱性評價,胥湖、貢湖和東太湖3個湖區(qū)易損性較大,分別為1、0.9089和0.3789;其它湖區(qū)的脆弱性較小,都小于0.1.

太湖9個湖區(qū)中,由于胥湖、貢湖和東太湖3個湖區(qū)屬于水源地,水源供給人口較多,因此影響人口占區(qū)域百分比相對較大,這 3個湖區(qū)易損性較大;其他湖區(qū),由于影響人口的統(tǒng)計主要為湖區(qū)1km 范圍內(nèi)人口,并無水源地影響人口,因此,脆弱性較小.

3.4.4 風(fēng)險綜合評估 根據(jù)風(fēng)險評估方法,對太湖藍藻水華災(zāi)害風(fēng)險進行分區(qū)評估,各湖區(qū)風(fēng)險綜合指數(shù)及排序如表8所示.

表8 太湖藍藻水華災(zāi)害風(fēng)險綜合評估Table 8 Comprehensive risk evaluation of cynaobacteria bloom hazard in Taihu Lake

通過對太湖各湖區(qū)藍藻水華災(zāi)害風(fēng)險綜合評估,貢湖風(fēng)險綜合指數(shù)分別為0.7150,為重度風(fēng)險區(qū);竺山湖、梅梁灣和西部沿岸風(fēng)險綜合指數(shù)分別為 0.5977,0.5761和 0.5550,為中度風(fēng)險區(qū);胥湖、南部沿岸和大太湖風(fēng)險綜合指數(shù)分別為0.3719,0.3675和0.2937,為輕度風(fēng)險區(qū);東太湖和箭湖東茭咀最小,風(fēng)險綜合指數(shù)分別為0.1260和0.0006,為輕微風(fēng)險區(qū).

在各湖區(qū)綜合風(fēng)險評價中,貢湖由于其作為太湖重要飲用水源地,供水人口最多,并且該湖區(qū)存在藍藻水華災(zāi)害危險性,可能引起一定的人口影響和經(jīng)濟損失,風(fēng)險程度最大.竺山湖、梅梁灣和西部沿岸3個湖區(qū)藍藻水華災(zāi)害發(fā)生的危險性最大,盡管易損性和脆弱性較小,但其綜合風(fēng)險評分仍然較高,分居各湖區(qū)第2、第3和第4位,為中度風(fēng)險區(qū).胥湖由于其作為飲用水源地存在,供給人口較多,易損性和脆弱性較大,所以,盡管其在該湖區(qū)藍藻水華災(zāi)害發(fā)生的危險性較小,綜合評分也相對較高,為輕度風(fēng)險區(qū).南部沿岸和大太湖存在一定的藍藻水華發(fā)生危險性,但其易損性和脆弱性較小,風(fēng)險綜合評分也相對較小,為輕度風(fēng)險區(qū).盡管東太湖和箭湖東茭咀位于太湖東南部,水質(zhì)較好,植被覆蓋率較大,并且無藍藻水華發(fā)生危險性,綜合風(fēng)險指數(shù)較小,為輕微風(fēng)險區(qū).

4 結(jié)論

4.1 構(gòu)建了太湖藍藻水華災(zāi)害風(fēng)險評估指標體系,主要包括危險性評價指標、易損性評價指標和脆弱性評價指標.

4.2 根據(jù)太湖藍藻水華災(zāi)害風(fēng)險評估指標框架和自然災(zāi)害風(fēng)險計算公式,利用加權(quán)綜合評分法和層次分析法,建立太湖藍藻水華災(zāi)害風(fēng)險評估模型.把藍藻水華災(zāi)害風(fēng)險分級體系分為輕微、輕度、中度、中度和極重風(fēng)險5個等級.

4.3 根據(jù)評估指標體系和評估模型,以目前太湖各指標所處狀態(tài),對太湖各湖區(qū)藍藻水華發(fā)生的危險性、易損性、脆弱性和綜合風(fēng)險進行評價.評價結(jié)果與目前認識水平基本相一致.

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Risk evaluation method of cyanobacteria bloom hazard in Taihu Lake.

LIU Ju-tao1, YANG Yong-sheng1, JIANGJia-hu2, GAO Jun-feng2*(1.Jiangxi Provincial Institute of Water Sciences, Nanchang 330029, China；2.Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China). China Environmental Science,2011,31(3)：498～503

Based on the risk analysis of cynaobacteria bloom hazard in Taihu Lake, the index system for the cynaobacteria bloom risk evaluation was constructed. Combined with the concept of risk evaluation, the risk evaluation method was established. On the basis, the hazard risk, exposure risk, vulnerability risk, and comprehensive risk of the nine lake regions in Taihu Lake were evaluated taking 2008 as the base year. The largest risk regions were in northern part of Taihu Lake,especially the Gonghu Lake was the most serious as the water source area. The risk in Zhushan Lake, Meiliang Bay and western coastal was middle for the large hazard risk. In the other regions, the risk in Xuhu Lake, southern coastal and big Taihu Lake was light risk, and there were almost no cyanobacteria bloom outbreak risk for the light eutrophication and large vegetation cover in the southwest regions of Taihu Lake.

cyanobacteria bloom hazard；risk evaluation；Taihu Lake

X824

A

1000-6923(2011)03-0498-06

2010-07-12

國家“973”項目(2008CB418106);中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程重大交叉項目(KZCX1-YW-14-6).

* 責(zé)任作者, 研究員, gaojunf@niglas.ac.cn

劉聚濤(1983-),男,河南舞陽人,工程師,博士,主要研究生態(tài)環(huán)境災(zāi)害評價研究.發(fā)表論文7篇.