李海燕

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

關(guān) 鍵 詞：水環(huán)境生態(tài)風(fēng)險; 指標(biāo)篩選; 相對風(fēng)險評估模型; GIS技術(shù); 大寧河流域

中圖法分類號： X82

文獻(xiàn)標(biāo)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(hù)戰(zhàn)略的實施，長江生態(tài)環(huán)境保護(hù)已初見成效，但庫區(qū)典型支流由于受水環(huán)境因子變化、生產(chǎn)生活方式的不斷轉(zhuǎn)變等多重因素影響，水環(huán)境風(fēng)險問題依然突出[1-4]。生態(tài)系統(tǒng)具有整體性和系統(tǒng)性，開展支流水環(huán)境風(fēng)險評估，對于流域內(nèi)水環(huán)境風(fēng)險防控管理和長江流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

目前，國內(nèi)學(xué)者對水環(huán)境生態(tài)風(fēng)險的研究包括水環(huán)境污染風(fēng)險及水生態(tài)健康風(fēng)險方面的研究[5]。這些研究內(nèi)容主要是：

（1） 基于實驗或監(jiān)測數(shù)據(jù)來討論某一特定要素污染、健康風(fēng)險。如陳廣[6]通過運(yùn)用DPSIR概念模型來評估水質(zhì)安全狀況，并運(yùn)用GM（1，1）預(yù)測模型來預(yù)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(qū)域水污染、沉積物重金屬污染狀況及潛在風(fēng)險進(jìn)行了研究;左新宇等[8]基于P-IBI 指數(shù)法，在對大寧河浮游植物進(jìn)行調(diào)查的基礎(chǔ)上開展了生態(tài)健康風(fēng)險評估。

（2） 研究主要考慮風(fēng)險源的風(fēng)險程度，較少考慮風(fēng)險源和受體的響應(yīng)關(guān)系。如許學(xué)工等[9]以黃河三角洲為例，識別了旱災(zāi)、洪災(zāi)、風(fēng)暴潮災(zāi)害、油田污染事故和黃河斷流等主要風(fēng)險源及其發(fā)生概率，并對生態(tài)風(fēng)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(huán)境風(fēng)險的復(fù)合性和系統(tǒng)性，對風(fēng)險管控具有滯后性。而廣泛應(yīng)用于區(qū)域風(fēng)險評估的相對風(fēng)險評價模型，則可以較好地反映復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)風(fēng)險源的風(fēng)險程度及受體的損耗程度。

風(fēng)險評價模型應(yīng)用中，指標(biāo)的選取是關(guān)系到評估結(jié)果是否合理的關(guān)鍵。目前，指標(biāo)選取多依據(jù)經(jīng)驗判斷或依據(jù)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(huán)境風(fēng)險涉及指標(biāo)較多且部分指標(biāo)重復(fù)性較大、相關(guān)性顯著，指標(biāo)冗余增加了評估工作量及結(jié)果的不確定性。因此，需要采用定量方法構(gòu)建評估指標(biāo)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(gòu)建風(fēng)險評估指標(biāo)體系;考慮水生態(tài)環(huán)境的系統(tǒng)性和空間異質(zhì)性，利用相對風(fēng)險評估模型（RRM）[10-11]及GIS技術(shù)進(jìn)行綜合風(fēng)險評估分級，以期為庫區(qū)支流水環(huán)境風(fēng)險研究及大寧河流域水環(huán)境風(fēng)險防控管理，提供理論和數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)域概況

大寧河發(fā)源于巫溪縣北部山區(qū)，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(jīng)東部地區(qū)，面積約2 878.3 km2，在巫山縣主要流經(jīng)北部區(qū)域，面積約1 302.7 km2，總計涉及37個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。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(nèi)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(fēng)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(dǎo)致水土流失嚴(yán)重。同時，該流域地處大巴山暴雨中心區(qū)，也是滑坡、崩塌等災(zāi)害多發(fā)之地。隨著三峽庫區(qū)移民外遷，工礦關(guān)閉，流域內(nèi)農(nóng)業(yè)面源污染、移民點生活污染、旅游、養(yǎng)殖污染等成為主要污染源。另外，由于庫區(qū)蓄水導(dǎo)致的水文水動力等水環(huán)境因子變化，使得大寧河流域水體富營養(yǎng)化、重金屬污染、水土流失等水環(huán)境問題尤為突出。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

（1） 數(shù)據(jù)來源。

本文數(shù)據(jù)主要來源于《巫溪縣統(tǒng)計年鑒》《重慶市水資源公報（2008-2018）》《長江三峽生態(tài)環(huán)境質(zhì)量公報（2008-2018）》，以及相關(guān)文獻(xiàn)資料、中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心。

（2） 數(shù)據(jù)處理。

社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)是以縣區(qū)為單位進(jìn)行統(tǒng)計，通過Kriging插值方法而形成柵格格式數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)利用IDW插值方法進(jìn)行處理。遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是對遙感影像進(jìn)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(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，處理方法描述如下。

對于正向指標(biāo)，在一定范圍內(nèi)，數(shù)值越大風(fēng)險值越大，計算方法如下：

Di=Xi-XminXmax-Xmin（1）

對于逆向指標(biāo)，在一定范圍內(nèi)，數(shù)值越小風(fēng)險值越小。對于歸一化數(shù)據(jù)為0的指數(shù)項數(shù)據(jù)采用賦值法進(jìn)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(jù)篩選分析方法[12-14]及本文所用的數(shù)據(jù)特點，首先，對風(fēng)險因子進(jìn)行定性研究和相關(guān)分析，對指標(biāo)進(jìn)行初步篩選;再采用基于信息敏感性的主成分分析方法進(jìn)行定量篩選;最后確定評價指標(biāo)。具體計算方法參照文獻(xiàn)[12]。

3 生態(tài)風(fēng)險評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

3.1 風(fēng)險源分析

通過文獻(xiàn)分析及資料調(diào)研[1-2，15-16]，從水環(huán)境生態(tài)風(fēng)險角度分析了大寧河主要風(fēng)險類型，主要包括土壤重金屬、水體富營養(yǎng)化及水華暴發(fā)。

（1） 消落帶土壤重金屬污染風(fēng)險。

消落帶土壤中重金屬會通過降水、水位變化遷移而轉(zhuǎn)化至水體中。因此，很多學(xué)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(yǎng)化變化分析。

收集了2005～2010年大寧河水體富營養(yǎng)化指數(shù)數(shù)據(jù)[17-18]，對不同蓄水時間及距離河口不同距離的富營養(yǎng)化指數(shù)變化趨勢進(jìn)行了分析，如圖2所示。

富營養(yǎng)化指數(shù)的變化與水體中營養(yǎng)鹽類含量、水文條件變化、水環(huán)境因素變化密切相關(guān)，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(yǎng)化指數(shù)的變化進(jìn)行了皮爾森相關(guān)性分析，以確定主要風(fēng)險因子。

由表1可以看出：富營養(yǎng)化指數(shù)變化與庫區(qū)的水位、入庫水量呈明顯負(fù)相關(guān)，與降水量和氣溫變化呈正相關(guān)。由表2可以看出：富營養(yǎng)化指數(shù)變化與TN和葉綠素變化相關(guān)性顯著，與TP及SD變化的相關(guān)性較小。因此，選擇不同土壤侵蝕度、降雨強(qiáng)度、植被覆蓋度等指標(biāo)表征面源污染大小。根據(jù)上述分析結(jié)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(biāo)。

（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(fù)荷高的子流域主要分布在流域東北部。同時，泥沙負(fù)荷很高的子流域，其TN和TP含量也高。

（4） 水華暴發(fā)風(fēng)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(wěn)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(fā)的地方。

根據(jù)上述分析結(jié)果，初步篩選出自然、社會經(jīng)濟(jì)等24個水環(huán)境生態(tài)風(fēng)險評價指標(biāo)。

3.2 指標(biāo)定量篩選

根據(jù)計算結(jié)果篩選出累計信息含量大于75%的指標(biāo)。各評價指標(biāo)敏感性計算結(jié)果如表3所列，大寧河流域水環(huán)境生態(tài)風(fēng)險評價指標(biāo)體系如表4所列。

4 流域水環(huán)境生態(tài)風(fēng)險評價

4.1 評價方法

生態(tài)風(fēng)險評價指標(biāo)體系是一個二級三層結(jié)構(gòu)的指標(biāo)體系。根據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論，把指標(biāo)層對要素層的評判看作第一級評判，把要素層對目標(biāo)層的評判看作第二級評判，從而構(gòu)成一個二級三層的模糊綜合評價模型[21]。采用GIS技術(shù)和借助于相對風(fēng)險評價模型（RRM模型）[5，22-23]，對大寧河流域水環(huán)境生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評價研究。

（1） 生態(tài)環(huán)境危險度。

危險度通常以其發(fā)生的概率和強(qiáng)度來描述。生態(tài)系統(tǒng)（風(fēng)險受體）暴露于多重生態(tài)風(fēng)險源之下，它們所受的風(fēng)險干擾是多重風(fēng)險源相互疊加的結(jié)果。

H=mi=1WiRi（3）

式中：H為危險度指數(shù);Ri為第i類危險度指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值;Wi為第i類風(fēng)險源權(quán)重。

（2） 生態(tài)環(huán)境脆弱度。

脆弱度指數(shù)是指生態(tài)系統(tǒng)受到外界干擾后的脆弱程度。本研究中采用綜合指數(shù)法進(jìn)行分層次計算。

V=mi=1WiNi（4）

式中：V為生態(tài)系統(tǒng)脆弱度指數(shù);Ni為影響生態(tài)脆弱性的生態(tài)因素及社會因素中第i種指標(biāo)的歸一化值;Wi為權(quán)重值;m為評估指標(biāo)的數(shù)目。

（3） 生態(tài)損失度。

生態(tài)損失度是指暴露在風(fēng)險源下受體的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能等的變化程度。生態(tài)損失度計算公式如下：

EDI=ni=1AiWi（5）

式中：EDI表示生態(tài)損失度指數(shù);Wi表示損失度評價指標(biāo)權(quán)重;Ai表示第i個指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值;n表示評價指標(biāo)個數(shù)。

（4） 綜合風(fēng)險值。

ERI=HWi+VWi+EDI×Wi（6）

式中：H表示危險度指數(shù);V表示脆弱度指數(shù);EDI表示生態(tài)損失度指數(shù);Wi表示綜合風(fēng)險值指標(biāo)權(quán)重。

4.2 結(jié)果分析

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

從綜合風(fēng)險等級進(jìn)行分析，則各級風(fēng)險區(qū)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(fēng)險區(qū)范圍（見圖3）。流域范圍內(nèi)風(fēng)險值呈現(xiàn)出沿河流兩岸逐漸遞減的趨勢，可以反映出流域范圍內(nèi)人口和城市沿河流分布的特點。

低風(fēng)險區(qū)主要分布在河流南岸和巫溪縣東北部分區(qū)域，以及距主干河道較遠(yuǎn)區(qū)域，這些區(qū)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(qū)域風(fēng)險防控主要是在控制土壤侵蝕、防治自然災(zāi)害等方面降低生態(tài)環(huán)境脆弱性。同時，該區(qū)域目前經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平低，治理能力較弱，但是發(fā)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(shù)投資，防止危險度指數(shù)的增加。

中度風(fēng)險區(qū)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(qū)域，這些區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高，環(huán)保產(chǎn)業(yè)適度發(fā)展，環(huán)保投資力度較大，人口和城市規(guī)模居中，自身自然環(huán)境脆弱度不大，處于中度風(fēng)險范圍。建議該區(qū)域通過調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、污染源源頭防控和提高治理水平等降低風(fēng)險。

高度風(fēng)險區(qū)主要分布在巫溪縣，主要是由于巫溪縣環(huán)境脆弱度指數(shù)和損失度指數(shù)均較高。

極高風(fēng)險區(qū)主要分布在河口、回水區(qū)以及支流回水區(qū)兩側(cè)一定的區(qū)域內(nèi)。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(shù)和富營養(yǎng)化指數(shù)較高。

5 結(jié) 論

本文采用基于信息敏感性的主成分分析法，對水環(huán)境生態(tài)風(fēng)險評價指標(biāo)進(jìn)行定量篩選，綜合考慮風(fēng)險源和風(fēng)險受體，利用GIS技術(shù)構(gòu)建了相對風(fēng)險評估模型，并將該評估模型用于對大寧河流域的生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評價，得出如下結(jié)論。

（1） 大寧河流域的水環(huán)境生態(tài)風(fēng)險突出表現(xiàn)在水體富營養(yǎng)化、土壤重金屬、水土流失及水華方面。為此，采用基于指標(biāo)信息敏感性的指標(biāo)篩選與賦權(quán)模型，通過定量篩選，最終確定了15個評估指標(biāo)。

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

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

由于研究中采用的是綜合評估方法，導(dǎo)致各層級指標(biāo)的權(quán)重對評價結(jié)果影響較大。因此，在后續(xù)研究工作中，需要改進(jìn)危險度、脆弱度和損失度之間的指標(biāo)權(quán)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