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(huán)境學院,遼寧 大連 116023;2.遼寧省近海生態(tài)環(huán)境與災(zāi)害防護工程技術(shù)創(chuàng)新中心,遼寧 大連 116023;3.盤錦市林業(yè)和濕地保護管理局,遼寧 盤錦 124010)

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

目前,流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價的研究在世界范圍內(nèi)廣泛開展。如Jabbar等[3]對河流生態(tài)質(zhì)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(guān)水質(zhì)、河流形態(tài)和生物完整性的信息,確定河流生態(tài)健康情況。美國環(huán)保署[4]提出從景觀形態(tài)、生物現(xiàn)狀、化學物理指標、自然干擾情況、水文地貌狀況和生態(tài)過程這6個方面構(gòu)成綜合評價體系進行流域的生態(tài)系統(tǒng)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(xù)性的評價研究不足,導(dǎo)致評價體系不能廣泛應(yīng)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(tài)-響應(yīng)(Pressure-State-Response)模型[6],后續(xù)學者采用相關(guān)方法對不同的流域進行生態(tài)系統(tǒng)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(chǔ)上構(gòu)建DPSRC模型,提出在模型中增加驅(qū)動生態(tài)系統(tǒng)和人類控制措施等因素,如增加了D驅(qū)動力和C控制指標義;在PSR模型的基礎(chǔ)上,蘇毅等[10]使用Fishnent網(wǎng)格法,采取遙感影像和野外調(diào)查數(shù)據(jù)篩選出12個生態(tài)指標,構(gòu)建了三峽庫區(qū)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(jié)合,對新疆開孔河流域構(gòu)建網(wǎng)狀指標體系并進行生態(tài)系統(tǒng)健康評價,基于篩選的指標計算了其EHCI指數(shù),得出開孔河流域總體生態(tài)健康趨勢向好的結(jié)論。綜合來看,評價指標體系的構(gòu)建是河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價中的重要內(nèi)容,但是目前對于生態(tài)系統(tǒng)健康評價的指標體系的構(gòu)建還沒有統(tǒng)一標準,評價指標的選取也有局限性。進行流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價的對象應(yīng)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(tài)系統(tǒng)等因素考慮其中。本研究從遼河流域特點出發(fā),采用多衡量指標基于PSR模型的框架,利用景觀格局指數(shù)構(gòu)建了流域的生態(tài)系統(tǒng)健康評價體系,使評價成果更好地服務(wù)生態(tài)文明建設(shè)。

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(nóng)田灌溉和城鎮(zhèn)居民生活用水的重要任務(wù),遼東灣海域環(huán)境質(zhì)量較差,因此遼河的水環(huán)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(qū)。本文以PSR概念模型為依據(jù),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(tài)、響應(yīng)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(tài),并研究主要驅(qū)動因素,為其生態(tài)恢復(fù)和資源管理提供一定參考。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

遼河流域位于中國東北地區(qū)的西南部,是中國七大流域之一,流域地理坐標東經(jīng)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(qū)域——遼河流域盤錦段位于遼河最下游,盤錦市內(nèi)部分遼河干流總長124.3 km[12]。盤錦市城鄉(xiāng)人口共計138萬,沿河城市人口比較密集,這是由于一些城區(qū)依江河干流而建,其中雙臺子區(qū)、興隆臺區(qū)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(yè)基地,原油開采、石油加工和精密化工是當?shù)氐闹еa(chǎn)業(yè),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(tài)系統(tǒng)健康評價,通過數(shù)學模型計算的健康指數(shù)非常具有代表性與實用性,體現(xiàn)了人類社會活動與生態(tài)環(huán)境緊密聯(lián)系的邏輯關(guān)系,該方法能定性、定量的對生態(tài)系統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)環(huán)境資源的壓力;第二層是狀態(tài)層,因為生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的壓力改變了其原有的狀態(tài);第三層是響應(yīng)層,是通過人類的政策制定或技術(shù)手段對這些變化做出改變[14]。每種指標都有相應(yīng)的測評因子。

圖2 遼河流域(盤錦段)PSR基礎(chǔ)框架模型

1.3 評價體系的構(gòu)建

指標構(gòu)建原則遵循系統(tǒng)整體性、分區(qū)指導(dǎo)性、時空動態(tài)性,因此在選取指標進行評價之前要對生態(tài)系統(tǒng)進行整體綜合的評價,面對多因素干擾時找出主導(dǎo)因素;并且考慮到生態(tài)環(huán)境的資源是動態(tài)變化的,所以在評價時指標要不斷更新和完善狀態(tài)[15]。壓力層的指標選取遵循人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的影響,包括直接壓力如工業(yè)廢水排放量,和間接壓力如人口數(shù)量、人類活動等。狀態(tài)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(huán)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(yīng)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(tài)、響應(yīng)3層結(jié)構(gòu)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(shù)(CEI)可以非常直觀地評價流域的生態(tài)健康狀況,結(jié)合目前研究成果,按生態(tài)健康評價指數(shù)大小,將綜合評價指數(shù)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(xù)的實數(shù)區(qū)間,來表示流域生態(tài)健康的各個等級數(shù)值[17]。

2 數(shù)據(jù)來源與數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)的來源

遼河流域(盤錦段)人文數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)、城市建設(shè)數(shù)據(jù)等,主要來自《盤錦市統(tǒng)計年鑒》與《盤錦市水資源公報》;水質(zhì)、水文數(shù)據(jù)主要來自于遼寧省海洋漁業(yè)水域環(huán)境監(jiān)測報告及本研究團隊相關(guān)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(shù)據(jù)的實際值。分級標準的選取根據(jù)流域生態(tài)系統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系

2.2 數(shù)據(jù)處理與權(quán)重確定

2.2.1數(shù)據(jù)歸一化處理

通過文獻查閱、實地考察、數(shù)據(jù)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(nèi)各評價指標進行整理歸納和統(tǒng)一處理,見表2—4,依據(jù)遼河流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標分級標準,建立模糊矩陣。建立模糊關(guān)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(shù)

表3 狀態(tài)層指標隸屬度與綜合評價指數(shù)

表4 響應(yīng)層指標隸屬度與綜合評價指數(shù)

(1)

對生態(tài)系統(tǒng)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(quán)重

權(quán)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(gòu)建決策矩陣給出的信息直接計算權(quán)重,所以決策者的主觀意識對計算結(jié)果未能產(chǎn)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(jié)果。因此,在了解遼河流域盤錦段整體情況的前提下,根據(jù)各評價指標對流域生態(tài)系統(tǒng)健康的影響,通過熵值法計算得到評價指標權(quán)重值。熵值法表達式如下。

a)整個信息(設(shè)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(quán)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(quán)重等于0。

2.3 生態(tài)健康評價指數(shù)計算

通過模糊綜合評判方法將數(shù)據(jù)歸一化處理得出各指標的評判矩陣并將其與權(quán)重相結(jié)合,據(jù)此得出式(12):

Bi=Wi×Ri=(Wi1,Wi2,…,Win)×

(12)

式中 (Wi1,Wi2,…,Win)——指標權(quán)重;

本文主要采用生態(tài)健康評價指數(shù)來表示遼河流域盤錦段生態(tài)系統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)的健康狀況,綜合性指數(shù)常用式(13)進行估定:

表5 生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標權(quán)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(tài)系統(tǒng)健康綜合評價指數(shù)進行歸納總結(jié),可以將流域生態(tài)系統(tǒng)健康程度分為5個等級[20-21],每個等級對應(yīng)的健康評價指數(shù)區(qū)間見表6。

表6 綜合評價指數(shù)分級標準

3 計算結(jié)果與分析

3.1 評價結(jié)果

根據(jù)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(tài)系統(tǒng)健康狀況為呈曲折上升趨勢,主要表現(xiàn)為2010—2020年每兩年的CEI指數(shù)分別為:0.343 5、0.340 6、0.279 1、0.425 3、0.417 9、0.464 2,經(jīng)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(fā)展,說明遼河流域盤錦段生態(tài)系統(tǒng)健康狀況好轉(zhuǎn)?？梢钥闯?2010—2020年的遼河流域盤錦段生態(tài)系統(tǒng)健康狀況由“不健康”水平變?yōu)椤耙话憬】怠彼?流域生態(tài)系統(tǒng)健康狀況逐漸好轉(zhuǎn),但是距離“非常健康”水平較遠。

表7 各標準層CEI指數(shù)

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(shù)據(jù)可得2010—2020年壓力層CEI指數(shù)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(nèi)人類的一些經(jīng)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(quán)重最大的工業(yè)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(nóng)業(yè)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(shù)據(jù)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(chǎn)和消費改革,“十三五”期間加快實施污染減排和環(huán)境治理措施,新增污染物的增加幅度逐漸減少,響應(yīng)能力的提高使污染逐步得到了控制。在環(huán)保的同時,盤錦市社會經(jīng)濟仍舊持續(xù)發(fā)展,人均GDP逐年攀升,城鎮(zhèn)化率控制在較好的幅度內(nèi)變化。

3.3 狀態(tài)分析

對于狀態(tài)S子系統(tǒng),CEI指數(shù)呈現(xiàn)曲折變化見表7。2010—2020年CEI指數(shù)分別為:0.171 0、0.209 2、0.166 0、0.265 4、0.248 4、0.271 4,歷經(jīng)“上升—下降—上升—下降—上升”變化。由指標來看,水資源總量權(quán)重占到0.209 7,是主要驅(qū)動因素,水資源總量的變化與CEI指標大體呈正相關(guān)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(dǎo)致這一年CEI指數(shù)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(dǎo)致了這一年CEI指數(shù)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(tài)屏障建設(shè)工程,在水系交匯處增加綠地建設(shè),構(gòu)建生態(tài)綠地網(wǎng)絡(luò),形成生態(tài)屏障,還有同年的河道生態(tài)治理工程,實施岸坡整治、生態(tài)護岸等河道整治工程,使遼河流域水環(huán)境質(zhì)量得到改善。然而,流域水污染的情況仍然是長期、復(fù)雜的問題,整個流域水環(huán)境質(zhì)量仍不能持續(xù)穩(wěn)定達到健康水平,基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)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(tài)環(huán)境難以達到較高的健康水平。水資源匱乏無法保證生態(tài)基流,水生態(tài)保護處于探索的初級階段,這是影響治理效果穩(wěn)定性和可持續(xù)性的重要原因。

3.4 響應(yīng)分析

對于響應(yīng)R子系統(tǒng),由表7可得2010—2020年呈曲折遞增的趨勢,每兩年的CEI指數(shù)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(tài)環(huán)境保護工作,并對遼河流域生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和改善采取了積極的應(yīng)對措施。如2016年健康指數(shù)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(jié)能減排的大力推進,有效地改善了環(huán)境惡化問題。而后2018年盤錦市劃定了生態(tài)保護紅線,對生態(tài)保護的重點類型和重要區(qū)域進行了規(guī)范,但是全面實施還處于起步階段。目前水環(huán)境保護工作科學技術(shù)手段有限,環(huán)境狀態(tài)還未達到一個較高水平,響應(yīng)層CEI數(shù)值也較難到達更高一層。

3.5 驅(qū)動力分析

遼河流域盤錦段生態(tài)系統(tǒng)健康變化受到自然和人類活動的共同影響。通過分析權(quán)重數(shù)據(jù)得出主要驅(qū)動因素如下:水資源總量占到20.97%,政策法規(guī)及保護區(qū)建設(shè)占到17.97%,景觀多樣性占到14.19%,工業(yè)廢水量占到13.68%,水中化學需氧量占到10.63%。由上述數(shù)據(jù)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(zhì)健康起到主導(dǎo)作用,因此本文對其進行重點分析。

在生態(tài)系統(tǒng)健康評價驅(qū)動因素分析中,工業(yè)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(qū)動作用,即數(shù)值越小越有利于健康評估;水資源總量起正向驅(qū)動作用,即數(shù)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(guān)重要。由圖3a可知2010—2020年工業(yè)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(xiàn)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(xiàn)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(zhì)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(yè)污水和生活污水排入遼河盤錦段,盤錦市盤錦區(qū)工業(yè)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(tǒng)產(chǎn)業(yè)、緩慢的技術(shù)更新導(dǎo)致高能耗、高耗水量是水污染的主要來源。

a)工業(yè)廢水排放量

4 結(jié)論與建議

通過對遼河流域盤錦段生態(tài)系統(tǒng)健康的實際情況進行調(diào)查分析,以PSR模型為基礎(chǔ),從壓力、狀態(tài)和響應(yīng)3個方面選取13個評價指標,構(gòu)建遼河盤錦段生態(tài)系統(tǒng)健康評價模型,根據(jù)評價結(jié)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(tǒng)健康指數(shù)來看,壓力層CEI指數(shù)最低,存在問題較大,這一層面中的工業(yè)廢水排放量超額較大。從各子系統(tǒng)權(quán)重值來看,對遼河流域盤錦段生態(tài)健康的貢獻情況大小為:狀態(tài)S子系統(tǒng)>響應(yīng)R子系統(tǒng)>壓力P子系統(tǒng)。通過計算,由表5可知狀態(tài)S子系統(tǒng)、響應(yīng)R子系統(tǒng)、壓力P子系統(tǒng)權(quán)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(yè)廢水排放是影響遼河盤錦段生態(tài)系統(tǒng)健康的重要因素。因此,要使遼河流域盤錦段的生態(tài)健康等級達到更高的水平,流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)實現(xiàn)良性循環(huán),就必須要從水文、水環(huán)境的治理和調(diào)控著手。結(jié)合盤錦市生態(tài)建設(shè)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(shè)和其他環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),開展城市環(huán)境綜合治理工作。建立完善的法律治理體系加以警示規(guī)范。明確各方水管理職責,完善流域水環(huán)境相關(guān)事宜的解決流程。其次加大科學技術(shù)的投入,提高科技支撐能力,使環(huán)境保護工作更加科學性、規(guī)范性、法治性。