田曉剛，謝　強，翟世明，劉馨越

(1.四川省環(huán)境保護科學研究院，成都　610041；2.成都市錦江區(qū)環(huán)保局，成都　610000)

· 生態(tài)環(huán)境 ·

小流域生態(tài)安全動態(tài)評估方法體系研究
——以思蒙河小流域丹棱段為例

田曉剛1，謝強1，翟世明2，劉馨越1

(1.四川省環(huán)境保護科學研究院，成都610041；2.成都市錦江區(qū)環(huán)保局，成都610000)

針對小流域生態(tài)環(huán)境動態(tài)變化的特點以及區(qū)域生態(tài)安全評估的基本特征，基于層次分析法、DPSR概念模型、灰色靶分析以及模糊數(shù)學理論，通過算法的耦合及改進，開發(fā)了小流域生態(tài)安全動態(tài)評估方法體系。思蒙河是四川省重點整治的32條小流域之一，通過將該方法體系應(yīng)用于2013年思蒙河小流域丹棱段的生態(tài)安全評估，驗證了方法體系的系統(tǒng)性、適應(yīng)性以及動態(tài)性。結(jié)果表明：2013年思蒙河小流域丹棱段控制單元整體的生態(tài)安全處于較不安全等級，生態(tài)環(huán)境惡化趨勢尚未得到有效遏制；在未來思蒙河小流域丹棱段的生態(tài)保護及環(huán)境治理中，畜禽糞便的綜合利用、化肥施用量的控制、水環(huán)境污染的綜合治理以及小流域生態(tài)景觀的打造與優(yōu)化等四個方面的措施需要進一步加強。

生態(tài)安全；動態(tài)評估方法體系；小流域；思蒙河丹棱段

1　引　言

小流域是一個相對的概念，目前尚無統(tǒng)一的劃分標準，在美國是指面積小于1000km2的流域，歐洲和日本則將其面積界定為50～100km2，而我國小流域面積都以小于100km2為限[1]。隨著小流域社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，小流域生態(tài)安全面臨的壓力也日趨增大。小流域生態(tài)安全的綜合評估是小流域生態(tài)環(huán)境管理的決策基礎(chǔ)，對小流域的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。目前，國內(nèi)外學者在區(qū)域生態(tài)安全評估領(lǐng)域開展廣泛的研究[2～6]，而針對小流域生態(tài)安全的研究則相對較少，國內(nèi)外關(guān)于小流域生態(tài)安全評估方法的研究主要有：基于線性規(guī)劃模型的小流域生態(tài)脆弱性評估[7]，基于生態(tài)足跡模型對小流域生態(tài)累積影響的評估[8,9]，基于遙感和GIS技術(shù)的小流域生態(tài)安全評估[10,11]，基于PSR模型(及其衍生模型)與層次分析法的小流域生態(tài)安全評估[12～16]等。小流域生態(tài)安全評估是一個多層次、多關(guān)聯(lián)性以及多影響因素的動態(tài)過程，而目前針對小流域生態(tài)安全評估的方法體系大多采用單一的定量化模型對小流域生態(tài)安全進行靜態(tài)評估，因此難以達到理想的評估效果。本文基于小流域特征，通過層次分析法和DPSR概念模型的耦合構(gòu)建了小流域生態(tài)安全評估體系，并結(jié)合灰色靶分析理論和模糊數(shù)學理論，通過對傳統(tǒng)模型理論進行算法改進和算法耦合開發(fā)出小流域生態(tài)安全動態(tài)評估方法體系。本文以思蒙河小流域丹棱段為例，對構(gòu)建的小流域生態(tài)安全動態(tài)評估方法體系進行實證研究，以期對小流域生態(tài)環(huán)境管理提供決策依據(jù)。

2　動態(tài)評估方法體系的構(gòu)建

2.1動態(tài)評估方法體系基本框架

小流域生態(tài)安全動態(tài)評估方法體系由三個模塊組成，即：評估指標體系構(gòu)建模塊、評估指標權(quán)重核算模塊以及生態(tài)安全評分模塊，如圖1所示。

2.2評估指標體系構(gòu)建

DPSR模型作為PSR模型的一類衍生模型[17～20]，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境評估領(lǐng)域。DPSR模型較PSR模型對指標體系進行了更為細化的分類，進一步識別出了對系統(tǒng)具有驅(qū)動作用的因子，并動態(tài)反映了指標之間的聯(lián)系，提升了整個評估過程的系統(tǒng)性。本研究將DPSR模型與層次分析法相結(jié)合構(gòu)建評估指標體系。

(1)基于DPSR概念模型的評估指標分類

根據(jù)小流域的實際情況，結(jié)合《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范(試行)》和小流域生態(tài)環(huán)境評估體系構(gòu)建備選指標庫，根據(jù)各項評估指標的對于小流域生態(tài)環(huán)境的影響特征，應(yīng)用PSR概念模型的衍生模型即DPSR概念模型對所確定的小流域生態(tài)環(huán)境評估指標按照驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、響應(yīng)等4個子系統(tǒng)進行分類，如圖2所示。

圖1　小流域生態(tài)安全動態(tài)評估方法體系框架Fig.1　The framework of methodology for dynamic assessment of ecological security of small watershed

圖2　基于DPSR模型的思蒙河小流域控制單元生態(tài)評估指標構(gòu)成Fig.2　The index system of assessment of ecological security of the study area based on DPSR model

(2)基于層次分析法的灰色動態(tài)評估體系構(gòu)建

根據(jù)DPSR概念模型對小流域各控制單元生態(tài)環(huán)境評估指標的分類，基于層次分析法基本原理，建立以評估指標灰色序列為基準的動態(tài)評估體系層次結(jié)構(gòu)(圖3)。該層次結(jié)構(gòu)分為3個層次：其中目標層為小流域各控制單元生態(tài)環(huán)境狀態(tài)，準則層為由DPSR模型分類的小流域4個評估子系統(tǒng)(驅(qū)動力子系統(tǒng)、壓力子系統(tǒng)、狀態(tài)子系統(tǒng)、響應(yīng)子系統(tǒng))，方案層為4個評價子系統(tǒng)分別對應(yīng)的相關(guān)評估指標。由此可見，4個評價子系統(tǒng)和其對應(yīng)的各項指標在同一時期內(nèi)是相互作用的，低層評估指標變化必然引起相應(yīng)評價子系統(tǒng)變化從而影響整個思蒙河小流域各控制單元生態(tài)環(huán)境狀態(tài)；同時，在同一時期內(nèi)各個評價子系統(tǒng)之間也相互影響，這種評價子系統(tǒng)之間橫向的相互作用同樣將影響小流域各控制單元生態(tài)環(huán)境狀態(tài)。

圖3　思蒙河小流域生態(tài)評估指標體系層次結(jié)構(gòu)Fig.3　The hierarchy system for dynamical assessment of ecological security of the study area

基于所確定的18項動態(tài)評估指標，應(yīng)用DPSR概念模型將其分為驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、響應(yīng)4個評價子系統(tǒng)，并結(jié)合層次分析法的基本框架結(jié)構(gòu)構(gòu)建小流域生態(tài)評估體系。該評估體系的目標層為思蒙河小流域生態(tài)環(huán)境安全狀態(tài)；評價子系統(tǒng)層次包括驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)以及響應(yīng)等4個評價子系統(tǒng)。

2.3評估指標權(quán)重核算

(1)灰色靶(Grey Target Theory)[21,22]分析

基于小流域生態(tài)評估各項指標灰色序列，通過灰色靶分析，將小流域生態(tài)評估子系統(tǒng)層次以及評估指標層次的各項指標的極性進行統(tǒng)一；并通過分析同一時期內(nèi)評估體系各層次指標(或子系統(tǒng))之間的動態(tài)相互作用，確定各層次指標(或子系統(tǒng))所對應(yīng)的灰色關(guān)聯(lián)度。

在以小流域生態(tài)評估為目標層的灰色層次結(jié)構(gòu)中，包括兩個灰色層次即：評價子系統(tǒng)層次及其所對應(yīng)的動態(tài)評估指標層次。在小流域生態(tài)評估指標層次，包含了部分指標從正面反映思蒙河小流域生態(tài)環(huán)境狀況，而另一部分指標則從負面反映思蒙河小流域生態(tài)環(huán)境狀況，因此不同的評估指標所對應(yīng)的灰色序列具有兩種不同的極性。

其中從正面反映小流域生態(tài)環(huán)境狀況的代表性指標包括：森林覆蓋率、溶解氧、飲用水源水質(zhì)達標率等，這類指標的對應(yīng)值越大反映思蒙河小流域生態(tài)環(huán)境狀況越好，因此這類指標所對應(yīng)灰色序列具有極小值極性。相反從負面反映思蒙河小流域生態(tài)環(huán)境狀況的代表性指標包括：COD濃度、氨氮濃度、畜牧養(yǎng)殖業(yè)COD排放強度、畜牧養(yǎng)殖業(yè)氨氮排放強度等，這類指標的對應(yīng)值越大反映思蒙河小流域生態(tài)環(huán)境狀況越差，因此這類指標所對應(yīng)灰色序列具有極大值極性。

小流域生態(tài)評估體系中評價子系統(tǒng)層次和評估指標層次各項指標在連續(xù)4年中對小流域生態(tài)環(huán)境狀況的影響程度及其相關(guān)程度表示為灰關(guān)聯(lián)系數(shù)，如下所示：

γ(1)(xi(0),xi(k1))=

(1)

γ(2)(xi(0),xi(k2))=

(2)

(2)灰色判斷矩陣分析

層次分析法(即AHP法)算法結(jié)構(gòu)將被應(yīng)用于連接由灰色靶(GTT)分析所得到的小流域生態(tài)評估子系統(tǒng)層次及其對應(yīng)的評估指標層次的灰貢獻度矩陣，并應(yīng)用于確定各層次指標(或子系統(tǒng))所對應(yīng)的最終權(quán)重值。本研究采用灰色靶分析取代了傳統(tǒng)層次分析法專家對各層次指標評分的過程，并將灰色靶分析所得到的評價子系統(tǒng)層次指標灰貢獻度作為該層次各子系統(tǒng)對于小流域生態(tài)環(huán)境狀況影響程度賦值。根據(jù)所構(gòu)建的灰色判斷矩陣進行層次分析運算，得到小流域生態(tài)評估子系統(tǒng)層次判斷矩陣所對應(yīng)的最大特征向量，如式(3)：

(3)

根據(jù)小流域生態(tài)評估子系統(tǒng)層各項指標最大特征向量可以計算得到所對應(yīng)動態(tài)評估指標層判斷矩陣最大特征向量組，如式(4)：

(4)

基于AHP法的算法原理通過一致性比例C.R.計算對灰色判斷矩陣的一致性進行檢驗，并計算得到反映評估指標層次各項指標對小流域生態(tài)環(huán)境狀況影響程度的權(quán)重值。

(5)

其中，Hk2為第k2項動態(tài)評估指標對小流域生態(tài)環(huán)境狀況影響的程度，H值越大則說明該項評估指標對思蒙河小流域生態(tài)環(huán)境狀況的影響越大，由此可以確定影響各個評價子系統(tǒng)以及影響整個思蒙河小流域生態(tài)環(huán)境狀況的關(guān)鍵評估指標。通過灰色靶分析所得到的小流域生態(tài)評估體系各項指標的權(quán)重值將作為小流域生態(tài)環(huán)境狀況安全評分提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.4生態(tài)安全評分

確定小流域生態(tài)安全評估各項動態(tài)評估指標的安全值區(qū)間是整個小流域生態(tài)安全評估的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，根據(jù)動態(tài)評估的需要，各項評估指標的安全值區(qū)間由上限值和下限值而劃定，即：安全和不安全?；趪翌C布的《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范(試行)》、《流域生態(tài)安全評估技術(shù)指南(征求意見稿)》以及《生態(tài)縣、生態(tài)市、生態(tài)省建設(shè)指標(修訂稿)》，結(jié)合以往小流域生態(tài)環(huán)境評估指標體系的相關(guān)研究確定評估指標相應(yīng)標準值，并應(yīng)用以下原則確定小流域生態(tài)安全評估指標安全值的上限值與下限值：

①當評估指標相應(yīng)標準值自身具備上線值與下限值時，可直接將其作為評估指標安全值區(qū)間的上下限；

②當評估指標相應(yīng)標準值只有上限值或下限值時候，根據(jù)其上限值或下限值上下浮動10%，從而確定該項指標的安全值區(qū)間。

③參考各項評估指標分級標準及賦分一般水平的上限值和下限值，例如：水質(zhì)達標率指標的安全值區(qū)間采用其分級標準的“一般”水平上下限值，即：[40%～60%]。

基于小流域生態(tài)評估體系，小流域生態(tài)安全評分包括3個部分：一是對各項小流域生態(tài)評估指標安全現(xiàn)狀評分；二是對小流域4個生態(tài)安全評價子系統(tǒng)安全現(xiàn)狀進行評分；三是對思蒙河小流域生態(tài)安全整體狀況進行評分。根據(jù)小流域生態(tài)評估指標安全值區(qū)間，應(yīng)用模糊數(shù)學理論通過標準化過程確定指標層次各項評估指標安全水平標準化值，其過程如下所示：

首先，根據(jù)小流域生態(tài)評估指標極性的不同，確定從正面反映小流域生態(tài)安全狀態(tài)評估指標相應(yīng)的安全水平標準化值表示為：

確定從負面反映小流域生態(tài)安全狀態(tài)評估指標相應(yīng)的安全水平標準化值表示為：

(8)

(9)

其中wij表示第i項屬于第j個小流域生態(tài)評估子系統(tǒng)的評估指標的最終權(quán)重值，Pij和Qj分別表示小流域生態(tài)評估相應(yīng)評價子系統(tǒng)以及評估指標的安全評分。最后基于小流域生態(tài)評估各個評價子系統(tǒng)安全評分可以計算得到小流域整體生態(tài)安全狀態(tài)的評分。小流域生態(tài)安全評分可以分為5個等級，即：不安全、較不安全、臨界安全、較安全、安全，如表1所示。

表1　小流域生態(tài)安全評分等級

3　實例研究

3.1研究區(qū)概況

思蒙河是岷江的一級支流，又名芙蓉溪，發(fā)源于丹棱、東坡區(qū)與蒲江縣交界的長丘山脈，流經(jīng)丹棱縣、東坡區(qū)、青神縣3個區(qū)縣，最后匯入岷江。思蒙河小流域?qū)俸釉辞鹆甑貐^(qū)，小流域匯流口高程約381.1m，河長82.8km，河床平均比降2.2‰，年平均流量12.2m3/s，流域面積738.86km2。本次研究選擇思蒙河小流域的丹棱段控制單元作為研究對象，該控制單元流域面積122.71km2，包括：順龍鄉(xiāng)、石橋鄉(xiāng)、雙橋鎮(zhèn)、丹棱鎮(zhèn)、楊場鎮(zhèn)5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的24個行政村，如圖4所示。

圖4　思蒙河小流域丹棱段控制單元Fig.4　Danlin section of Simeng watershed

3.2模型應(yīng)用及結(jié)果分析

基于思蒙河小流域丹棱段控制單元的實際情況，選取人均GDP值(人/元)、環(huán)保投資占GDP比重(%)、水資源利用強度(%)等17項指標構(gòu)建小流域生態(tài)安全評估體系，如表2所示。

表2　思蒙河小流域丹棱段控制單元生態(tài)評估指標安全值區(qū)間

將各項指標的2008年～2011年的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)模型，得到各層次指標的權(quán)重值，如表3所示?；趥€層次指標的權(quán)重值，應(yīng)用模糊數(shù)學模型，得到各層次指標相應(yīng)的生態(tài)安全評分，如表4所示。

表3　思蒙河小流域丹棱段控制單元2013年指標權(quán)重值

表4　思蒙河小流域丹棱段控制單元2011年生態(tài)安全評分

由表4可知，思蒙河小流域丹棱段控制單元整體的生態(tài)安全評分為0.2358，處于較不安全等級，說明思蒙河小流域丹棱段生態(tài)破壞及環(huán)境污染的趨勢不容樂觀。其中驅(qū)動力子系統(tǒng)中生態(tài)安全評分較低的指標為畜禽糞便綜合利用率，說明在促進思蒙河小流域丹棱段生態(tài)安全提升的過程中，畜禽糞便的治理及其綜合利用是關(guān)鍵的措施。壓力子系統(tǒng)中面源污染負荷排放指數(shù)的安全評分為0，說明面源污染對思蒙河小流域丹棱段生態(tài)環(huán)境造成的負面影響最大，而化肥的大量施用和畜禽養(yǎng)殖廢水的排放則是該區(qū)域面源污染的主要原因。狀態(tài)子系統(tǒng)中水質(zhì)達標率指標安全評分為0，說明思蒙河小流域丹棱段的水環(huán)境污染問題較為嚴重，水環(huán)境問題是導致該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)退化重要因素，也是該區(qū)域的主要生態(tài)環(huán)境問題。響應(yīng)子系統(tǒng)中景觀破碎度的生態(tài)安全評分最低，是該子系統(tǒng)中需要重點優(yōu)化的指標，說明在思蒙河小流域丹棱段的開發(fā)建設(shè)中，對小流域的生態(tài)景觀破壞較為顯著。

綜上所述，基于思蒙河小流域丹棱段控制單元的生態(tài)安全評估，在未來小流域的生態(tài)保護及環(huán)境治理方案中需要重點加強的環(huán)節(jié)包括：畜禽糞便的綜合利用、化肥施用量的控制、小流域水環(huán)境污染的綜合治理以及小流域生態(tài)景觀的打造與優(yōu)化等4個方面。

4　結(jié)　語

本文充分考慮了小流域生態(tài)環(huán)境動態(tài)變化的特征，基于層次分析法、DPSR概念模型、灰色靶分析以及模糊數(shù)學理論，通過算法的耦合及改進，提出了小流域生態(tài)安全動態(tài)評估方法體系。通過將該方法體系應(yīng)用于思蒙河小流域丹棱段的生態(tài)安全評估，驗證了方法體系的系統(tǒng)性、適應(yīng)性以及動態(tài)性，為小流域生態(tài)安全的動態(tài)評估提供了基本的框架性思路，并為小流域的生態(tài)環(huán)境管理提供了重要的決策依據(jù)。

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Methodology for Dynamic Assessment of Ecological Security of Small Watershed——Taking Danlin Section of Simeng Watershed as an Example

TIAN Xiao-gang1, XIE Qiang1, ZHAI Shi-ming2, LIU Xin-yue1

(1.SichuanResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Chengdu610041,China;2.JinjiangEnvironmentalProtectionBureau,Chengdu610000,China)

This study developed a systematic methodology for dynamic assessment of ecological security of small watershed, base on analytic hierarchy process, DPSR conception model, grey target model and fuzzy mathematic theory, considering the characteristics of both dynamic change of small watershed and assessment of regional ecological security. Simeng river is one of the 32 key small watersheds for pollution control in Sichuan province. This systematic methodology was applied for assessment of ecological security of Danlin section of Simeng watershed. The results showed that: the whole Danlin section of Simeng watershed was leveled to the less safe class in 2013, the deterioration of the eco-environment is not improved recent years. Comprehensive utilization of animal manure, controlling of chemical fertilizer, improvement of water environmental quality and ecological landscape would be the four key measurements for improving ecological security of Danlin section of Simeng watershed.

Ecological security; methodology for dynamic assessment; small watershed; Danlin section of Simeng watershed

2015-03-04

田曉剛(1983-)，男，山西神池縣人，2012年畢業(yè)于南開大學環(huán)境科學專業(yè)，博士，工程師。主要研究方向為生態(tài)環(huán)境規(guī)劃與管理、數(shù)學模型在生態(tài)環(huán)境管理中的開發(fā)與應(yīng)用。

謝強，709066017@qq.com。

X522

A

1001-3644(2015)04-0042-08