郭昉晨

(遼寧省遼河防洪工程有限責任公司,沈陽 110179)

1 評價指標體系建立

水生生態(tài)系統(tǒng)在本質(zhì)上是一個相對開放和活躍的生態(tài)系統(tǒng)類型[1],是受人類活動影響最大的生態(tài)系統(tǒng)之一;與河流水生態(tài)系統(tǒng)不同,文章所研究的流域水生態(tài)系統(tǒng)健康評價,除了包含河流生態(tài)健康的評價,還要綜合考慮人類健康與社會經(jīng)濟的因素。通過對這些因素的綜合分析,才能科學合理的得出流域水生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。

1.1 水生態(tài)系統(tǒng)活力

一個生態(tài)系統(tǒng)是否有活力是衡量一個生態(tài)系統(tǒng)能否可持續(xù)發(fā)展的重要指標[2],生態(tài)系統(tǒng)的活力主要通過經(jīng)濟發(fā)展趨勢,經(jīng)濟效率以及人口變化趨勢體現(xiàn)。

在經(jīng)濟發(fā)展方面,本溪地區(qū)近些年社會經(jīng)濟水平變化較大,人均GDP在2010—2013年一直呈現(xiàn)上升趨勢,在2013—2016年有小幅下降。在經(jīng)濟效率方面,提升GDP的同時減少耗水量就可以減少生態(tài)系統(tǒng)的供水壓力。在人口變化趨勢方面,本溪地區(qū)隨著工業(yè)的衰退造成了人口流失,除2014年之外,近年來本溪地區(qū)的人口總數(shù)一直是負增長,人口的數(shù)量和生態(tài)系統(tǒng)的健康密切相關,過多的人口會增加水生態(tài)系統(tǒng)的負擔。綜上所述,選取人均GDP、萬元GDP耗水量、人口自然增長率和人口密度作為水生態(tài)系統(tǒng)活力的評價指標

1.2 水生態(tài)系統(tǒng)組織結構

水生態(tài)系統(tǒng)的組織結構包括構成流域生態(tài)系統(tǒng)的生物部分及非生物部分。在水資源方面,與遼寧省的其他城市相比,本溪市地表水較為豐富,年平均降水量高于遼寧省平均水平,但受季風氣候影響,水資源年季變化較大,降水主要集中在六、七、八月份;因此在旱季經(jīng)常出現(xiàn)中小河流斷流的現(xiàn)象,導致局部地區(qū)長期出現(xiàn)地下水超采,嚴重影響水生態(tài)健康。相關部門認識到這一問題后已經(jīng)開始控制本溪地區(qū)對地下水的開發(fā)利用,近幾年地下水供水量逐年減少;與此同時水中的藻類細胞密度以及底棲動物的完整性可以比較客觀的反映出水生態(tài)系統(tǒng)的變化,藻類細胞生物作為最初級的生產(chǎn)者,是能量流動的起點,具有一定的預見性,經(jīng)常被用于水體富營養(yǎng)化的監(jiān)測,過量的氨氮等營養(yǎng)物質(zhì)排放會對藻類生長起促進作用,而底棲動物是構成水生態(tài)系統(tǒng)的組成部分[3-5],可以加速水生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)分解和營養(yǎng)循環(huán),底棲動物的種類越豐富,對于水生態(tài)系統(tǒng)的健康越有利;因為底棲動物的分布和數(shù)量對水源保護特別敏感,因此,它經(jīng)常被用作環(huán)境監(jiān)測的指示動物。綜上所述,選取地下水供水量、水體中藻類細胞密度、底棲動物完整性作為水生態(tài)系統(tǒng)組織結構的評價指標。

1.3 水生態(tài)系統(tǒng)恢復力

水生態(tài)系統(tǒng)的恢復力強弱,是衡量生態(tài)系統(tǒng)能否穩(wěn)定發(fā)展的重要指標[6-7],其中有害物質(zhì)的排放對流域生態(tài)系統(tǒng)的恢復力影響較大。近幾年為了減少城鎮(zhèn)污水以及工業(yè)廢水的排放,政府和企業(yè)極其重視廢水的處理排放,城鎮(zhèn)污水以及工業(yè)氨氮的處理率都有了顯著提升,一定程度上反映出了相關部門對水環(huán)境保護的重視程度;同時根據(jù)之前三部分對水資源、水環(huán)境、水生態(tài)三個方面承載力的研究,發(fā)現(xiàn)這三方面的承載力基本可以達到一般承載,但從觀察影響承載力指標的變化趨勢,可以看出近年來本溪市廢水的排放總量以及經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境之間的矛盾增加,成為限制這三方面承載力提高的主要因素,不利于地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)的恢復。 綜上所述,選取城市污水處理率、工業(yè)氨氮去除率、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)作為水生態(tài)系統(tǒng)恢復力的評價指標。

1.4 水生態(tài)系統(tǒng)服務功能

水生態(tài)系統(tǒng)同時也影響著自然條件和人類生活,水生態(tài)系統(tǒng)中可用的水資源總量決定著水資源的供給能力;水生態(tài)系統(tǒng)越健康,供水能力就越大。水生態(tài)系統(tǒng)也有調(diào)節(jié)氣候的能力,河流和湖泊的比熱容比陸地大,遇熱升溫慢,遇冷降溫也慢,而且河流和湖泊通過蒸發(fā),使空中水汽含量多,云量多,年平均降水量增加,濕度增大,有利于加快本溪地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的水循環(huán)。綜上所述,選取人均水資源量、年平均相對濕度、年平均降水量作為水生態(tài)系統(tǒng)服務功能的評價指標。水生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系,見表1;水生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標數(shù)據(jù),見表2。

表1 水生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系

表2 水生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標數(shù)據(jù)

2 模型的建立

2.1 評價等級的劃分

水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況受眾多條件影響,涵蓋自然地理,人類活動等諸多因素,文章通過結合現(xiàn)行國家標準和地方標準,參考相關文獻,計算相關指標的發(fā)展趨勢以及對比專家以往的經(jīng)驗值4種方法,對水環(huán)境承載力指標劃分成了5個等級,以定量直觀地反映各等級因素對承載力的影響程度。評價指標極性及等級劃分表,見表3。

表3 評價指標極性及等級劃分表

2.2 指標權重的計算

為了避免主觀因素對指標權重的影響,在權重計算時考慮人的價值,保證權重計算的全面性,因此,采用組合權重法確定指標權重。首先采用模糊層次分析法確定主觀權重,然后采用熵權法計算客觀權重。最后,將2種方法得到的主客觀權重進行耦合,得到水生態(tài)健康系統(tǒng)各指標的綜合權重。根據(jù)表1確定的評價指標體系以及表2中制定的數(shù)量標度,建立水生態(tài)健康系統(tǒng)承載力的模糊一致判斷矩陣。

得出矩陣后,根據(jù)a=(n-1)/2,計算出準則層a取1.5,4個指標層a分別取1.5,1,1.5和1。再求得各指標的主觀權重。接著用熵權法計算客觀權重,根據(jù)14個評價指標2010—2018年的數(shù)據(jù)資料構造熵權法的判斷矩陣R=(rij)n×m,然后根據(jù)指標的極性,對得到的矩陣進行歸一處理,得到新的標準化矩陣,再計算各指標客觀權重及組合權重,利用各指標客觀權重乘以其指標實際值構成準則層判斷矩陣,根據(jù)熵權法得到準則層標準化矩陣,最后得到準則層的客觀權重及綜合權重。水生態(tài)健康評價指標權重值,見表4。

表4 水生態(tài)健康評價指標權重值

3 結果及分析

3.1 模糊綜合評判評價結果

將2010—2018年各個指標的具體數(shù)值按照指標極性和大小的分類,根據(jù)模糊綜合評判模型計算公式,得到本溪地區(qū)2010—2018年的隸屬度矩陣,將權重矩陣與隸屬度矩陣相乘得到模糊綜合評價矩陣,最后將矩陣進行量化得出水生態(tài)系統(tǒng)健康評價的最終評價結果,本溪市水生態(tài)系統(tǒng)健康評價結果,見表5。

表5 本溪市水生態(tài)系統(tǒng)健康評價結果

由表5可以看出本溪地區(qū)的水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況呈現(xiàn)出逐漸變好的趨勢,且評價值基本在0.42到0.55之間波動,最后3a的評價數(shù)值均在0.5以上,說明水生態(tài)系統(tǒng)的健康有變好的趨勢。本溪市水生態(tài)系統(tǒng)健康評價結果MK趨勢結果為Z=10.4,表明可知2010—2018年間本溪市水生態(tài)系統(tǒng)健康評價有上升的趨勢,但未通過顯著性檢驗。

3.2 物元分析評價結果

將各個指標的數(shù)據(jù)按照其所在的經(jīng)典域和節(jié)域分別進行關聯(lián)度計算。2010—2018年各個指標等級變化趨勢,各年份水生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標對應各評價等級,見表6;各年份水生態(tài)系統(tǒng)對各評價等級的綜合關聯(lián)度,見表7。

表6 各年份水生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標對應各評價等級

表7 各年份水生態(tài)系統(tǒng)對各評價等級的綜合關聯(lián)度

從表6可以看出近幾年人均GDP、萬元GDP水耗、地下水供水量、城鎮(zhèn)污水處理率、工業(yè)氨氮去除率五個指標呈現(xiàn)出利于健康狀況變好的趨勢,而水體藻類細胞密度、年平均降水量則不利于健康狀況向好的方向發(fā)展。

根據(jù)表7的結果,可以看出各年的水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況均為一般。從綜合關聯(lián)度的數(shù)據(jù)分析可以看出,本溪地區(qū)近幾年的水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況極其穩(wěn)定,評價等級均為3級;而且觀察每年的綜合關聯(lián)度數(shù)值可以發(fā)現(xiàn),2010年,2015年和2018年的關聯(lián)度數(shù)值在-0.1～0之間,雖然為負數(shù)但與0很接近,說明雖然不完全符合一般的評價標準,但極容易向一般的方向轉化。而其余年份的最大關聯(lián)度數(shù)值均為正數(shù),說明完全滿足健康狀況為一般的評價標準。各年份物元分析評價結果匯總,見表8。

3.3 評價結果趨勢分析

綜合上述的模糊綜合評價模型與物元分析模型得出的結論,可以看出兩種模型得出的最終結果一致,說明本溪地區(qū)的水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況一直穩(wěn)定在一般的水平,但從模糊綜合模型的數(shù)據(jù)變化趨勢上可以看出,本溪地區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況自2014年之后開始逐漸變好。在2012年之前,本溪地區(qū)廢水排放量較多且對于城鎮(zhèn)污水與工業(yè)廢水的處理率并不高;此外2011年的年平均降水量較少,導致對地下水的利用較多,因此最終的評價結果數(shù)值較小。近幾年本溪地區(qū)減少了對地下水的開發(fā)利用,加強了廢水的處理,使這兩方面對應的指標逐漸有利于水生態(tài)系統(tǒng)的健康,但是近幾年水體中藻類細胞密度和廢水排放總量又有逐漸增加的趨勢,限制了水生態(tài)系統(tǒng)向更好的等級轉化。

從表8可以看出單個指標對應的評價等級的變化趨勢,其中本溪地區(qū)的萬元GDP水耗以及人口自然增長率一直比較有利于水生態(tài)系統(tǒng)的健康,而人均GDP和年平均相對濕度則一直較差,不利于生態(tài)系統(tǒng)的健康;此外,人口密度和底棲動物完整性這兩個指標數(shù)據(jù)一直處于3級經(jīng)典域,水資源、水環(huán)境與水生態(tài)承載力這3個指標近幾年的波動并不大,因此這些指標對水生態(tài)系統(tǒng)的健康影響不大。與之前較為穩(wěn)定的指標相反,本溪地區(qū)地下水供水量、城鎮(zhèn)污水處理率和工業(yè)氨氮去除率均在政府和相關部門的管控下由差變好,但水體中藻類細胞密度、年平均降水量卻由好變壞,廢水排放總量在經(jīng)歷了2013與2014年的改善之后也逐漸變差。

4 結 語

要使本溪地區(qū)的水生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)健康的發(fā)展,使今后的健康狀況向較好甚至好的方向轉變,需要繼續(xù)堅持對地下水開發(fā)利用的保護和對廢水的高處理率,同時相關單位需重視近幾年廢水排放量的增加以及水體中藻類細胞的增多,注意協(xié)調(diào)經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境之間的矛盾。