陳 昌 仁,張 敏,徐 銘,汪 露
(江蘇省洪澤湖水利工程管理處,江蘇 淮安 223100)
湖泊生態(tài)系統(tǒng)能夠?yàn)槿祟?lèi)社會(huì)提供自然資源和生存環(huán)境2個(gè)方面的多種資源和服務(wù)[1],在徑流調(diào)節(jié)、水資源供應(yīng)以及生態(tài)保護(hù)等各個(gè)方面都處于重要地位。湖泊生態(tài)系統(tǒng)作為我們生存的基礎(chǔ)之一,為自然界與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供了重要的保障。
我國(guó)有關(guān)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的研究開(kāi)始于20世紀(jì)90年代,最初的研究重點(diǎn)主要集中于環(huán)境化學(xué)、生物學(xué)、生態(tài)毒理學(xué)等領(lǐng)域[2-5]。隨著國(guó)內(nèi)外生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的受體從人體逐漸轉(zhuǎn)移到生態(tài)系統(tǒng),2000年以后,眾多學(xué)者開(kāi)始探討自然災(zāi)害和人為傷害等風(fēng)險(xiǎn)源對(duì)生態(tài)環(huán)境的危害影響,許學(xué)工、付在毅等[6-7]選定了包括洪澇、干旱、風(fēng)暴潮災(zāi)害及油田污染事故和黃河斷流在內(nèi)的多個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源,分別對(duì)黃河三角洲和遼河三角洲進(jìn)行區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià);李輝霞等[8]則選擇太湖流域周邊城市對(duì)研究區(qū)進(jìn)行基于洪澇災(zāi)害的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià);徐福留等[9-10]在對(duì)巢湖、青海湖進(jìn)行生態(tài)研究時(shí),創(chuàng)建了將生態(tài)緩沖能力、能質(zhì)和結(jié)構(gòu)能質(zhì)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)的湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)體系,綜合評(píng)價(jià)了不同階段的湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康狀況,同時(shí)將評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行了動(dòng)態(tài)比較;劉永等[11]對(duì)滇池不同階段的湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)進(jìn)行計(jì)算與評(píng)價(jià)所利用的是基于環(huán)境要素、外部要素和生態(tài)要素不同層次指標(biāo)的湖泊綜合健康指數(shù)體系;李春華等[12]創(chuàng)建了湖濱帶生態(tài)系統(tǒng)特點(diǎn)與健康指數(shù)法結(jié)合起來(lái)的湖濱帶生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)體系,并對(duì)太湖湖濱帶生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià),同時(shí)對(duì)于之后其他湖泊湖濱帶的生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)也具有一定的參考價(jià)值;舒持愷等[13]基于層次分析法、熵值法及主成分分析法3種賦權(quán)方法構(gòu)建了湖泊健康評(píng)價(jià)物元分析模型。
通過(guò)總結(jié)前人的研究發(fā)現(xiàn),過(guò)去學(xué)者們大多只側(cè)重于分析湖泊的健康狀況,無(wú)法對(duì)湖泊的生態(tài)建設(shè)提出有針對(duì)性的指導(dǎo)意見(jiàn)?;诖?,本文提出基于層次分析法-熵權(quán)法[14]確定洪澤湖的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系中各風(fēng)險(xiǎn)因子權(quán)重的方法,分析容易對(duì)洪澤湖健康產(chǎn)生較大危害的風(fēng)險(xiǎn)因子,并對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)提出有針對(duì)性的措施,以期更有效地指導(dǎo)流域的健康發(fā)展。
洪澤湖是中國(guó)第四大淡水湖,位于江蘇省西北部,東經(jīng)118°10′~118°52′,北緯33°06′~33°40′,周邊涉及淮安市與宿遷市,如圖1所示。在汛期,洪澤湖汛限水位為12.5 m(廢黃河基面,下同),對(duì)應(yīng)水域面積約為1 500 km2,此時(shí)該湖平均水深為1.9 m,最大水深可達(dá)4.0 m,對(duì)應(yīng)湖體庫(kù)容為30.4億m3。集水面積達(dá)15.8萬(wàn)km2的洪澤湖在淮河流域的蓄水泄洪中發(fā)揮著獨(dú)一無(wú)二的作用,同時(shí)在南水北調(diào)東線(xiàn)工程中作為重要的調(diào)蓄水庫(kù)也起著關(guān)鍵的作用,尤其是在長(zhǎng)江流域淮河中下游的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和自然水資源與生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作中扮演著重要的角色。洪澤湖作為蘇北平原區(qū)的大型淺水湖泊型水庫(kù),是蘇北地域供水的重要水源。長(zhǎng)期自然因素和人為因素的持續(xù)作用,以及湖泊自身調(diào)蓄能力的逐漸減弱使得湖泊水域面積不斷萎縮,洪澤湖流域的水文過(guò)程在復(fù)雜的外界脅迫作用下已經(jīng)發(fā)生了極大的變化,嚴(yán)重威脅著區(qū)域生態(tài)環(huán)境和生態(tài)安全[15],因此開(kāi)展洪澤湖生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),對(duì)洪澤湖生態(tài)保護(hù)和風(fēng)險(xiǎn)管理就顯得尤為必要。
圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Map of the study area
本文氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/),洪澤湖地區(qū)的洪旱評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要采用的是1960~2016年盱眙氣象站的標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸發(fā)指數(shù),水文數(shù)據(jù)采用江蘇省洪澤湖管理處水文站提供的1969~2013年洪澤湖出入湖實(shí)測(cè)流量資料,湖泊面積數(shù)據(jù)來(lái)源于2005~2014年洪澤湖周邊圈圩面積及有關(guān)洪澤湖面積變化的文獻(xiàn),水質(zhì)數(shù)據(jù)來(lái)源于江蘇省洪澤湖管理委員會(huì)辦公室分別于秋季(2015年9月)和夏季(2016年6月)對(duì)全湖進(jìn)行21項(xiàng)監(jiān)測(cè)的調(diào)查結(jié)果。
經(jīng)過(guò)風(fēng)險(xiǎn)源、受體、暴露和危害4個(gè)方面的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,將洪澤湖所處的地理環(huán)境,危險(xiǎn)因子逐一分析,并與洪澤湖濕地生態(tài)系統(tǒng)的特征和功能結(jié)合起來(lái),綜合多方面因素,從內(nèi)在和外在兩個(gè)角度進(jìn)行考量,最終確定洪澤湖濕地目前所面臨的主要風(fēng)險(xiǎn)因子為生物多樣性、物種優(yōu)勢(shì)度、脆弱性指數(shù)、洪澇災(zāi)害指數(shù)、湖泊面積變化指數(shù)、干旱災(zāi)害指數(shù)和綜合污染指數(shù),前3個(gè)指數(shù)為內(nèi)在風(fēng)險(xiǎn)因素,其余指數(shù)均屬于外在風(fēng)險(xiǎn)因素,基于以上內(nèi)容可建立洪澤湖濕地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(見(jiàn)表1)。
表1 風(fēng)險(xiǎn)因子的選取Tab.1 Selection of risk factors
對(duì)7個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子所采用的計(jì)算方法做出以下說(shuō)明:采用 Shannon-Wiener 指數(shù)和優(yōu)勢(shì)度指數(shù)對(duì)洪澤湖的生物多樣性進(jìn)行計(jì)算,然后采用層次分析法對(duì)2種指數(shù)進(jìn)行權(quán)重分配綜合得到生態(tài)指數(shù);對(duì)脆弱性指數(shù)的計(jì)算沒(méi)有既定的公式可以用,可以根據(jù)研究對(duì)象的等級(jí)、成分和功能進(jìn)行綜合考慮得出大概范圍,也可以通過(guò)建立指標(biāo)體系計(jì)算得出,本文中洪澤湖的脆弱性主要與湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)中的物種豐富度具有負(fù)相關(guān)性,因此可以通過(guò)對(duì)物種豐富度進(jìn)行計(jì)算得出脆弱性指數(shù);洪澤湖的洪旱頻率是基于將1960~2016年盱眙氣象站的標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸發(fā)指數(shù)作為洪澤湖地區(qū)的洪旱評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)在研究區(qū)域內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得出的;湖泊面積變化情況指數(shù)則是通過(guò)計(jì)算湖泊萎縮強(qiáng)度ILLI來(lái)進(jìn)行考察;綜合污染指數(shù)通過(guò)計(jì)算高錳酸鹽指數(shù)、總磷、總氮3項(xiàng)濃度得出。
由于洪澤湖濕地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中各指數(shù)的單位不一致,且對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)也不相同,因此需要對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。其中生物多樣性指數(shù)與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值呈負(fù)相關(guān),采用式(1)計(jì)算。
(1)
其他指數(shù)均與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值呈正相關(guān),因此標(biāo)準(zhǔn)化處理公式為
(2)
式中:xi是任意評(píng)價(jià)指數(shù);xmax是這一評(píng)價(jià)指數(shù)數(shù)據(jù)序列中的最大值,xmin是最小值。
在洪澤湖生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系中,各個(gè)評(píng)估指標(biāo)的重要程度是不同的。指標(biāo)的權(quán)重就是一個(gè)指標(biāo)對(duì)于湖泊生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的影響度量,指標(biāo)權(quán)重的確定會(huì)直接影響評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性和合理性。主觀(guān)賦權(quán)法和客觀(guān)賦權(quán)法被認(rèn)為是目前已有的確定指標(biāo)屬性權(quán)重的2種主要方法。為提高各指標(biāo)權(quán)重的準(zhǔn)確性,本文將層次分析法[16]和熵權(quán)法[17]結(jié)合起來(lái),一方面熵權(quán)法的使用能夠避免主觀(guān)層次分析法中人為因素對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的主觀(guān)性影響,另一方面層次分析法又能夠?qū)貦?quán)法的缺點(diǎn)進(jìn)行有效的改進(jìn),即針對(duì)原始數(shù)據(jù)存在的變異性所導(dǎo)致的與實(shí)際情況不對(duì)應(yīng)的缺點(diǎn)能夠做出改進(jìn)。綜上所述,對(duì)洪澤湖湖泊生態(tài)健康風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估指標(biāo)體系中各指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán),具體計(jì)算步驟如下:
(1) 建立遞階層次結(jié)構(gòu)。從特定的目標(biāo)、準(zhǔn)則和約束等方面按照一定的規(guī)則將所要研究的問(wèn)題化解成多個(gè)組成因素,同時(shí)這些因素又可按目標(biāo)及實(shí)現(xiàn)功能的不同而分層排列,從而構(gòu)成一個(gè)自上而下的遞階研究層次。
(2) 構(gòu)造判斷矩陣。構(gòu)造判斷矩陣的目的是對(duì)上一層次某因素,對(duì)目前層次與之相關(guān)的各因素之間的相對(duì)重要性進(jìn)行表示,而各因素之間的相對(duì)重要性會(huì)隨著所采用比較標(biāo)度方法的不同而發(fā)生變化。通過(guò)比較,一般認(rèn)為內(nèi)在風(fēng)險(xiǎn)因素中生態(tài)指數(shù)和脆弱性指數(shù)兩個(gè)指標(biāo)的占比相同,均為 0.5,生態(tài)指數(shù)中的生態(tài)多樣性和物種優(yōu)勢(shì)度2個(gè)指數(shù)以及外在因素的 4 個(gè)指數(shù)通過(guò)采用“1~9”比較標(biāo)度法對(duì)指數(shù)間重要性進(jìn)行比較?!?~9”比較標(biāo)度法實(shí)質(zhì)是采用標(biāo)度1~9對(duì)各因素兩兩比較后的彼此間的相對(duì)重要性判斷結(jié)果進(jìn)行量化。“1~9”比較標(biāo)度法的各標(biāo)度含義列于表2。
表2 1~9重要性等級(jí)Tab.2 1~9 Importance levels
用“1~9”比較標(biāo)度法將各因素之間的相對(duì)重要性表示出來(lái)后,其量化結(jié)果可構(gòu)造成判斷矩陣,構(gòu)造的判斷矩陣為
(3)
(1) 由判斷矩陣計(jì)算被比較元素的權(quán)重,公式為
(4)
(5)
式中:Mi為判斷矩陣中同一行元素的乘積;Pi為利用層次分析法所求出的Bi指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重。
(2) 檢驗(yàn)判斷矩陣的一致性,公式為
(6)
(7)
(8)
式中:λmax為判斷矩陣的最大特征根,其中(BP)i為向量BP的第i個(gè)元素,P=(p1,p2,…,pn)T,由各指標(biāo)權(quán)重組成的列向量。CI為一致性指標(biāo);RI為平均隨機(jī)性一致性指標(biāo),取值見(jiàn)表3。
表3 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RITab.3 Mean random consistency index RI
判斷矩陣具有良好的一致性的條件為:CR<0.10。
(3) 采用熵技術(shù)修正傳統(tǒng)層次分析法計(jì)算出來(lái)的的權(quán)重結(jié)果,所用公式為
(9)
(10)
(11)
(12)
式中:sj為第j個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的熵值;vj為第j個(gè)指標(biāo)的信息權(quán)重;aj為利用層次分析法-熵權(quán)法求出的第j個(gè)指標(biāo)的最終權(quán)重。
采用層次分析法分別對(duì)生態(tài)指數(shù)包含的生物多樣性和物種優(yōu)勢(shì)度兩個(gè)指數(shù)以及外在風(fēng)險(xiǎn)因素中的4個(gè)指數(shù)進(jìn)行權(quán)重分配,經(jīng)過(guò)熵權(quán)計(jì)算得到物種 Shannon-Wiener 指數(shù)和物種優(yōu)勢(shì)度指數(shù)在生態(tài)指數(shù)中的權(quán)重分別為0.75 和 0.25,洪澇災(zāi)害指數(shù)、干旱災(zāi)害指數(shù)、湖泊面積變化指數(shù)和綜合污染指數(shù) 4個(gè)指數(shù)的權(quán)重分別為0.27,0.54,0.13和0.06。此時(shí)各項(xiàng)指數(shù)權(quán)重如表4所列。
表4 各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因子權(quán)重Tab.4 Weight of each risk factor
同樣,通過(guò)層次分析法-熵權(quán)法得到的內(nèi)在風(fēng)險(xiǎn)因素和外在風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重分別為0.640 8和0.359 2;將2種因素中包括的各個(gè)指數(shù)對(duì)應(yīng)權(quán)重與各風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)應(yīng)權(quán)重相乘,即為各項(xiàng)評(píng)價(jià)指數(shù)的對(duì)應(yīng)權(quán)重,如表5所列。
表5 洪澤湖流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)Tab.5 Ecological risk assessment table of Hongze Lake Basin
將風(fēng)險(xiǎn)源分析、受體分析、暴露分析和危害分析的結(jié)果與洪澤湖流域?qū)嶋H情況相結(jié)合,對(duì)洪澤湖濕地進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的綜合評(píng)價(jià),根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)值和權(quán)重,即可得出洪澤湖的綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值。計(jì)算公式為
R=∑wiQi
(13)
式中:R為湖泊的綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值,wi為各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因子的權(quán)重,Qi為湖泊各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因子數(shù)值。
在所有指數(shù)中,生物多樣性指數(shù)對(duì)洪澤湖的風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)最高,因此也可以通過(guò)提高生物多樣性來(lái)降低洪澤湖生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。在4個(gè)外在風(fēng)險(xiǎn)因素指數(shù)中,由于干旱災(zāi)害指數(shù)的權(quán)重最大,根據(jù)權(quán)重含義,可知外在風(fēng)險(xiǎn)中干旱災(zāi)害對(duì)洪澤湖的生態(tài)影響最大。經(jīng)過(guò)計(jì)算,湖泊面積萎縮指數(shù)和干旱災(zāi)害指數(shù)對(duì)湖泊的風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)最高,說(shuō)明洪澤湖受干旱和湖泊面積變化的影響較大。根據(jù)公式(13)綜合評(píng)價(jià)得現(xiàn)狀年洪澤湖的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為0.764 9。
結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)中關(guān)于全國(guó)及淮河流域的指標(biāo)取值范圍,本文將洪澤湖生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)劃分為5個(gè)級(jí)別,以較為全面地概括洪澤湖生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀況(見(jiàn)表6)。生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值越大,風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別越低,說(shuō)明湖泊濕地所受的威脅越大,最需要保護(hù);反之級(jí)別越高,風(fēng)險(xiǎn)值越小,受到風(fēng)險(xiǎn)的可能性越小。
表6 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.6 Classification criteria of ecological risk levels
根據(jù)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),洪澤湖近幾年的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)屬于四級(jí)。從數(shù)值結(jié)果來(lái)看,洪澤湖目前的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)屬于較低水平,盡管受洪旱災(zāi)害以及湖泊面積變化等對(duì)生態(tài)狀況的影響,整體仍呈現(xiàn)生態(tài)良好狀態(tài)。由于洪澤湖目前的生態(tài)多樣性較為豐富,生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性良好,湖泊具有良好的調(diào)蓄能力,能夠抵御洪澇干旱等自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)影響,因此洪澤湖的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低。但因目前洪澤湖的水質(zhì)情況屬于Ⅲ到劣Ⅴ類(lèi),整體呈現(xiàn)輕度富營(yíng)養(yǎng)化,故仍需相關(guān)部門(mén)進(jìn)行上游污染源控制和檢測(cè)工作,保證湖泊水質(zhì)安全,維護(hù)洪澤湖的生態(tài)健康及安全。
本文基于層次分析法-熵權(quán)法對(duì)洪澤湖流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了綜合分析與評(píng)價(jià)。綜合評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,洪澤湖近幾年的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)屬于四級(jí),處于較低水平,盡管受到洪旱災(zāi)害、湖泊面積變化等對(duì)其生態(tài)狀況的影響,整體仍呈現(xiàn)出良好的生態(tài)狀況。在洪澤湖各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)中,干旱災(zāi)害和湖泊變化情況給洪澤湖流域帶來(lái)了較大的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),因此本文結(jié)合洪澤湖流域?qū)嶋H特點(diǎn),從內(nèi)、外風(fēng)險(xiǎn)因素兩個(gè)角度出發(fā),針對(duì)生物多樣性風(fēng)險(xiǎn)、干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)和湖泊面積萎縮風(fēng)險(xiǎn)提出了相應(yīng)的措施。
(1) 推動(dòng)洪澤湖濕地保育工作。依據(jù)湖內(nèi)食物鏈結(jié)構(gòu),合理投放草食性魚(yú)種,對(duì)洄游性魚(yú)類(lèi)適時(shí)補(bǔ)充。調(diào)配水草結(jié)構(gòu),使沉水植物、挺水植物、浮水植物比例分布適宜。恢復(fù)濕生、挺水植物,與岸堤景觀(guān)結(jié)合,起到調(diào)節(jié)小氣候,調(diào)控水生群落的作用。在水生植物破壞區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)給種植,依據(jù)湖堤兩側(cè)土質(zhì)、降水條件,形成喬、灌、草立體結(jié)構(gòu),提高生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性,恢復(fù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的活力。
(2) 定時(shí)定點(diǎn)進(jìn)行湖底清淤工作,實(shí)施洪澤湖及周邊支流洼地綜合治理工程,保障洪澤湖正常的調(diào)蓄,在保證安全性的前提下盡量發(fā)揮閘門(mén)、堤防等水利工程的最大作用。在發(fā)生干旱災(zāi)害時(shí),采取以豐補(bǔ)枯、合理調(diào)度的洪澤湖地區(qū)枯季補(bǔ)水方案;在汛期時(shí),合理控制水量,保證洪澤湖在枯期具有足夠的水量保障洪澤湖周邊地區(qū)居民的生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水需求。
(3) 加快洪澤湖周邊退圩還湖工程的進(jìn)度,使洪澤湖水域面積萎縮風(fēng)險(xiǎn)得到有效控制。有研究表明:退圩還湖恢復(fù)了湖泊水體,并使得湖泊的水動(dòng)力條件增強(qiáng),湖泊的自?xún)裟芰Φ玫教岣撸欣诤礉竦丨h(huán)境的改善[18]。因此,退圩還湖不僅可以增加湖泊面積,還能夠有效防范洪澇災(zāi)害的發(fā)生。