張 卉

(秦皇島市生態(tài)環(huán)境局，河北 秦皇島 066000)

生態(tài)安全[1]是某地區(qū)人們生存發(fā)展需要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，基本不會受到嚴重破壞。其不但確保生態(tài)環(huán)境可以滿足人與其他生物的持續(xù)生存，還能使環(huán)境與經(jīng)濟相互適應(yīng)，共同處于可持續(xù)發(fā)展的狀態(tài)中。在人和海洋關(guān)系日益密切的背景下，由于人口快速增長，對海洋的開發(fā)程度逐漸加強。渤海屬于較為典型的半封閉海洋，在經(jīng)濟高速發(fā)展的促進下，渤海正發(fā)展為國家經(jīng)濟戰(zhàn)略的關(guān)鍵指向區(qū)域，但由于不合理開發(fā)導(dǎo)致該流域污染嚴重。經(jīng)過長時間治理，生態(tài)環(huán)境依舊不容樂觀，生態(tài)安全面臨嚴重威脅，如果不能提出合理的治理策略，渤海將在未來成為死海。

渤海流域污染已經(jīng)帶來十分嚴重的后果，主要表現(xiàn)在下述幾個方面。①生態(tài)環(huán)境被嚴重破壞，周圍的濕地大多集中在萊州灣[2]與鴨綠江[3]等地，近年來，這些濕地面積正在大幅度減少，且渤海入流的多條河流淡水資源也在減少；②危害海邊居民身體健康，當海洋被污染后，其中的有害物質(zhì)被生物攝取，人們食用后會傷害身體，一些漁民身體中的汞與鉛等元素值嚴重超標，患癌概率顯著上升；③造成經(jīng)濟損失，國家每年都會投入較多資金在渤海治理項目中，此外，當?shù)卣矔度氪罅咳肆εc物理來治理生態(tài)環(huán)境污染；④漁業(yè)資源減少，隨著先進的捕魚工具逐漸生產(chǎn)，捕魚量大幅增加，使?jié)O業(yè)資源承載能力降低，一些優(yōu)質(zhì)的魚種已經(jīng)不能構(gòu)成魚汛。

為此，分析渤海流域環(huán)境生態(tài)安全時空差異特征，為制定科學(xué)合理的治理措施提供參考依據(jù)已經(jīng)刻不容緩。本文將從生態(tài)安全角度進行分析，準確評價出渤海流域不同年份、不同區(qū)域的生態(tài)安全等級，進而得出時空分布差異，解決傳統(tǒng)方法評價因子眾多、人為因素影響較大的缺陷。

1 渤海流域環(huán)境污染類型分析

渤海流域環(huán)境污染嚴重，主要因為大量污染物排入超過了水體自身凈化能力。本文將該流域生態(tài)環(huán)境污染分為下述幾種類型。

(1)工業(yè)污水。工業(yè)污水是渤海流域主要污染物之一。眾所周知，渤海為內(nèi)海，三面環(huán)繞陸地，包括山東、遼寧、天津與河北等經(jīng)濟和工業(yè)較為發(fā)展的地區(qū)。同時也包括唐山等重工業(yè)區(qū)域，且鋼鐵、石油等污染嚴重的企業(yè)也在該流域附近聚集。因此渤海流域中會產(chǎn)生大量工業(yè)污水，而這些污水會直接隨著河流流入渤海。

(2)農(nóng)田化肥灌溉污染。農(nóng)藥、化肥等產(chǎn)生的灌溉污水是導(dǎo)致渤海生態(tài)環(huán)境污染的另一關(guān)鍵因素。為促進植物生長，在種植期間使用了很多化肥，在下雨時流入河流，最終流向海洋，導(dǎo)致渤海污染。此外，污水灌溉[4]是一種廉價的灌溉方式，但因為凈化不到位，容易造成土地與地表水的污染，并與地表水一同流入海洋。

(3)城鎮(zhèn)生活污水。城鎮(zhèn)道路多數(shù)為硬化路面，這就會使生活廢水與垃圾隨地表徑流流入海里。

(4)船舶污染。渤海流域具有多個港口，常年有船舶在此航行，而船舶在行駛時會產(chǎn)生一些污染，此種污染可分為2種。①排放污染：包括船只正常行駛引起的污染，另一種則是船只傾倒造成的污染。其中傾倒污染是船只從陸地上裝載大量生活與生產(chǎn)垃圾倒入海洋中引起的污染。②船只事故污染：一些船在行駛過程中會出現(xiàn)意外狀況，導(dǎo)致汽油等污染物發(fā)生泄漏，流入海洋。雖然不會造成大面積污染，但危害極大。

2 渤海流域環(huán)境生態(tài)安全時空差異分析

2.1 PSR生態(tài)安全評價模型構(gòu)建

2.1.1 評價指標選取

根據(jù)生態(tài)安全的相關(guān)定義以及可持續(xù)發(fā)展等要求，利用壓力—狀態(tài)—響應(yīng)[5](Pressure State-Response，PSR)模型對渤海流域的環(huán)境生態(tài)安全進行時空差異分析。PSR模型作為一種可以體現(xiàn)環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展影響生態(tài)安全的綜合指數(shù)模型，能很好展示出該地區(qū)發(fā)展的可持續(xù)性。其更加強調(diào)人和生態(tài)環(huán)境存在的因果聯(lián)系，即由于人類活動給環(huán)境帶來一定壓力后，生態(tài)環(huán)境的原始狀態(tài)遭到破壞，人們會根據(jù)此時狀態(tài)采取一定措施，防止環(huán)境進一步惡化。在PSR體系內(nèi)，生態(tài)安全問題分別由壓力、狀態(tài)與響應(yīng)3方面指標共同表示：壓力是環(huán)境受到人類活動影響情況；狀態(tài)是體現(xiàn)環(huán)境和資源的整體情況；響應(yīng)則是人們對于已經(jīng)受到破壞的環(huán)境提出的治理措施。生態(tài)安全體系如圖1所示。

圖1 生態(tài)安全架構(gòu)Fig.1 Ecological security architecture

本文將人地協(xié)調(diào)[6]作為前提，在統(tǒng)籌關(guān)系約束下，選取科學(xué)的評價指標，對渤海流域生態(tài)安全進行精準評價。流域生態(tài)環(huán)境具有較強的復(fù)雜性，包括多屬性子系統(tǒng)構(gòu)成，因此必須綜合分析生產(chǎn)、生活與生態(tài)環(huán)境。綜合考慮壓力、狀態(tài)與響應(yīng)3個子系統(tǒng)，選出生態(tài)安全評價指標見表1。

表1 渤海流域環(huán)境生態(tài)安全評價指標Tab.1 Evaluation index of environmental ecological security in Bohai Basin

2.1.2 數(shù)據(jù)采集處理

建立分析序列，針對渤海流域環(huán)境生態(tài)安全情況組成的序列組(Xij)，假設(shè)該流域共包括m個地區(qū)，選擇n個分析指標，建立相同時間內(nèi)不同地區(qū)的生態(tài)安全分析指標初始矩陣，表示為：

(1)

式中，Xij為指標i在某地區(qū)j表現(xiàn)出的特征值。

利用相同方法，建立其他年份所有地區(qū)的生態(tài)安全分析序列組。

針對渤海流域地區(qū)生態(tài)安全演變序列組(Yij)，假設(shè)某地區(qū)選取m個分析年份，選擇n個指標，建立該地某段時間內(nèi)生態(tài)安全演變分析指標初始矩陣：

(2)

同理，建立其他地區(qū)該時間段內(nèi)生態(tài)安全演變分析序列。

2.1.3 分析指標權(quán)重計算

計算分析指標權(quán)重是生態(tài)安全評價過程中非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，是指標真實屬性的客觀體現(xiàn)，也是主觀與客觀相互結(jié)合的結(jié)果。計算權(quán)重的方法較多，本文利用熵值法完成指標權(quán)重計算。熵值法為客觀賦值法[7-8]，是結(jié)合不同指標展現(xiàn)信息量的多少來確定綜合指標，指標的差值越高，其發(fā)揮的作用越大，進而權(quán)重越大[9]。利用該算法計算權(quán)重的過程如下。

(1)計算所有分析指標的信息熵值[10-12]，則第i個指標信息熵表達式：

(3)

(2)計算分析指標權(quán)重[13]，第i個指標的權(quán)重表達式如下：

(4)

利用上述方法對完成所有指標的權(quán)重計算，得到的結(jié)果見表1。

2.2 渤海流域生態(tài)安全景觀指數(shù)分析

為全面分析渤海流域的生態(tài)安全時空差異，不僅要構(gòu)建PSR分析評價模型，還要分析該流域的景觀格局指數(shù)，因為景觀格局同樣具有生態(tài)學(xué)意義。

2.2.1 景觀格局指數(shù)確定

結(jié)合渤海流域整體土地利用現(xiàn)狀，將其分為草地、建筑用地、未利用地以及林地等多個類型。景觀格局指數(shù)與其意義見表2。

表2 景觀格局指數(shù)與意義Tab.2 Landscape pattern index and its significance

2.2.2 影響生態(tài)安全的景觀格局因子確定

利用Pearson相關(guān)算法[14]，對渤海流域某時間段內(nèi)各地區(qū)的景觀格局特征進行相關(guān)分析，將2個置信水平[15]設(shè)置為0.05和0.02，利用下述公式計算不同時期影響渤海流域生態(tài)安全的景觀格局因子：

P=±m(xù)ax{|P1(y，xi)|，|P2(y，xi)|}

(5)

|P2(y，xi)|=±m(xù)ax{|P2(lny，xi)|，|P2(y，lnxi)|，|P2(lny，lnxi)|}

(6)

式中，y為生態(tài)安全指數(shù)[16]；xi為第i個景觀體現(xiàn)出的格局指數(shù)[17]；P為y和xi具有的Pearson相關(guān)系數(shù)[18-20]；|P2(y，xi)|為體現(xiàn)y和xi對數(shù)關(guān)系的相關(guān)系數(shù)，其符號和初始值相同。

2.3 生態(tài)安全綜合分析與等級判斷

綜合分析基于PSR的生態(tài)安全評價結(jié)果與基于Pearson相關(guān)系數(shù)的景觀格局生態(tài)安全評價結(jié)果，只有對這2方面進行綜合分析，才能全面體現(xiàn)渤海流域環(huán)境的生態(tài)安全狀況。本文利用生態(tài)安全綜合評價指數(shù)[10]的計算公式完成分析：

(7)

式中，Wj為不同評價指標權(quán)值;Zij為不同指標具有的無量綱化值。

ESI值的取值范圍為[0，1]，該值越接近1，表明越安全，反之越不安全。渤海流域生態(tài)安全綜合分析標準見表3。

表3 生態(tài)安全綜合分析標準Tab.3 Comprehensive analysis standard of ecological security

3 數(shù)據(jù)分析與研究

利用本文提出的分析方法，對渤海流域環(huán)境生態(tài)安全的時空差異進行分析。該地區(qū)的基本情況：①資源豐富。渤海具有較多的油氣資源，儲油面積大約為94 km2，是北方非常重要的能源基地。②經(jīng)濟穩(wěn)固。渤海地區(qū)在全國經(jīng)濟中心占據(jù)一席之地，已經(jīng)發(fā)展為第3個大規(guī)模制造中心，此外產(chǎn)業(yè)地聚集，有龐大的資源與市場作為依托。③科技雄厚。此地區(qū)具備較強的科技優(yōu)勢，不但有很高的技術(shù)水平，也是我國重要的科研基地。此外，匯聚眾多名校，是人才密集區(qū)域，更是科技信息中心。

了解該流域地區(qū)的基本情況后，需構(gòu)建地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進行試驗分析。將空間數(shù)據(jù)當作基礎(chǔ)，通過圖像等媒介，利用計算機實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的采集、管理與顯示。該數(shù)據(jù)庫包括圖形與屬性數(shù)據(jù)庫2種。

首先，利用本文分析方法對渤海流域生態(tài)環(huán)境安全的時間演變差異進行分析，時間段選取2013—2019年，分析結(jié)果如圖2所示。由圖2能夠看出，在2013—2019年時間段內(nèi)，只有2014年該流域生態(tài)環(huán)境安全處于較差狀態(tài)，整體生態(tài)安全綜合指數(shù)呈現(xiàn)穩(wěn)步上升趨勢。這是因為，在2014年該流域出現(xiàn)干旱現(xiàn)象，且人均用水量較大，各類資源消耗眾多，影響資源指標，降低綜合指數(shù)值。此外，在2014年中該流域的遼寧地區(qū)工業(yè)發(fā)展速度加快，垃圾排放率顯著提高，對環(huán)境的治理力度不夠。

圖2 2013—2019年生態(tài)安全差異Fig.2 Ecological security differences between 2013 and 2019

對渤海流域2019年的空間生態(tài)安全差異進行分析，得出的結(jié)果見表4。

表4 2019年渤海流域生態(tài)污染情況Tab.4 Ecological pollution in Bohai Basin in 2019

根據(jù)以上結(jié)果可知，在渤海流域的4個省市之間，山東省的生態(tài)污染最為嚴重，天津市的生態(tài)安全等級最高。這是因為山東省工業(yè)發(fā)展速度較快，排污口超標數(shù)量較多，嚴重影響了當?shù)氐纳鷳B(tài)安全；緊隨其后的是遼寧省，同樣是重工業(yè)較為發(fā)達的地區(qū)，該地區(qū)的污水凈化技術(shù)相對落后，嚴重影響生態(tài)環(huán)境；河北與天津地區(qū)以高新技術(shù)為經(jīng)濟增長的主要手段，因此對環(huán)境影響較小。

為此，本文提出了以下措施：①針對渤海流域的環(huán)境現(xiàn)狀，從法律角度加以約束，建立一套完善的管理制度和法律體系，包括水資源法、河道管理法、工業(yè)特許權(quán)法等。②分析在空間與時間維度上的影響，生態(tài)環(huán)境保護對策要從流域綜合管理的角度統(tǒng)籌考慮。以流域為單元，統(tǒng)籌考慮流域內(nèi)干支流、上下游的生態(tài)環(huán)境保護問題。

4 結(jié)論

近年來，渤海流域出現(xiàn)了不同程度的生態(tài)退化現(xiàn)象，為合理提出治理措施，本文結(jié)合生態(tài)安全相關(guān)理論對渤海流域環(huán)境生態(tài)安全進行時空差異分析。分析結(jié)果表明，該流域的生態(tài)安全綜合指數(shù)值正在穩(wěn)步上升，雖然沒有全部達到良好狀態(tài)，但在科學(xué)的治理措施下一定會大大減少生態(tài)壓力。根據(jù)分析結(jié)果，針對該流域還應(yīng)該加強退耕還海的力度，采取污水排放控制措施，將工業(yè)對環(huán)境的影響降到最小，實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)安全的雙豐收。