方國(guó)華,袁 婷,林榕杰

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

飲用水水源地是城市生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)，與人民的生命安全和健康水平息息相關(guān)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，水資源開發(fā)利用程度不斷加大，水體污染日益嚴(yán)重，城市供水安全面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，飲用水水源地安全是社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定有序發(fā)展的有力保障。水源地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)作為水源地安全保障的重要環(huán)節(jié)，其目的在于掌握水源地生態(tài)系統(tǒng)的基本狀況、識(shí)別生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)源、定量評(píng)價(jià)水源地生態(tài)狀況，從而有效規(guī)避外部脅迫對(duì)水源地生態(tài)的不利影響，為飲用水水源地的綜合整治和決策提供科學(xué)依據(jù)[1-2]。

針對(duì)生態(tài)數(shù)據(jù)較難獲取的特點(diǎn)，近年來通過遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)相結(jié)合來量化處理生態(tài)指標(biāo)的方法得到較為廣泛的應(yīng)用[3-5]。通過RS/GIS能夠獲取精確的地理空間數(shù)據(jù)，借助高效的空間數(shù)據(jù)處理技術(shù)，能夠快速地實(shí)現(xiàn)區(qū)域的生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)，提高評(píng)價(jià)的精度和效率，并使評(píng)價(jià)結(jié)果可視化[6]。

本文運(yùn)用壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型，通過主成分分析法篩選指標(biāo)，在考慮專家意見的基礎(chǔ)上，采用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，綜合考慮國(guó)內(nèi)外生態(tài)保護(hù)狀況和區(qū)劃特征確定指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)度劃分，采用分級(jí)量化方法實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)值統(tǒng)一化，構(gòu)建生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，并運(yùn)用RS/GIS技術(shù)對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)賦值，計(jì)算水源地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值，分析水源地生態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果，驗(yàn)證評(píng)價(jià)體系適用性。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型常用于資源利用和環(huán)境質(zhì)量評(píng)估，其中壓力(驅(qū)動(dòng)力)指標(biāo)體現(xiàn)人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境造成的破壞和負(fù)面作用，狀態(tài)指標(biāo)體現(xiàn)環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)和變化，響應(yīng)指標(biāo)體現(xiàn)人類應(yīng)對(duì)壓力和緩解負(fù)面影響所采取的對(duì)策[7-8]。該模型適用于建立結(jié)構(gòu)復(fù)雜、影響因素眾多的指標(biāo)體系。

綜合考慮長(zhǎng)江江蘇段水源地生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，參考生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)相關(guān)研究成果，從自然條件、農(nóng)業(yè)開發(fā)、生物、植被、土壤條件、水體自凈力及環(huán)保舉措等方面初步選取17個(gè)指標(biāo)來構(gòu)建水源地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，包括降雨量、氣溫、人均耕地、工業(yè)活動(dòng)污染和農(nóng)藥化肥使用強(qiáng)度等壓力指標(biāo)，植被覆蓋率、物種多樣性、水土流失率、土壤侵蝕強(qiáng)度等狀態(tài)指標(biāo)，水環(huán)境自凈能力、退耕還林率、水土流失治理率等響應(yīng)指標(biāo)[9-12]。采用主成分分析法進(jìn)行指標(biāo)優(yōu)選，收集整理長(zhǎng)江江蘇段23個(gè)飲用水水源地的生態(tài)指標(biāo)數(shù)據(jù)，運(yùn)用MTALAB軟件實(shí)現(xiàn)主成分分析計(jì)算，優(yōu)選出6個(gè)全面反映長(zhǎng)江江蘇段水源地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)且彼此之間互不相關(guān)的評(píng)價(jià)指標(biāo)：農(nóng)藥化肥施用強(qiáng)度、植被覆蓋率、環(huán)保投資占GDP比例、水土流失率、水環(huán)境自凈能力和土壤侵蝕強(qiáng)度[13]。

農(nóng)藥化肥使用強(qiáng)度即水源地周邊陸域范圍內(nèi)單位耕地面積所使用的農(nóng)藥化肥量，其值越大越易造成嚴(yán)重的面源污染問題，危及水源地水質(zhì)。植被覆蓋率即植被覆蓋面積占研究區(qū)陸域緩沖區(qū)的比例，是衡量水源地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的重要指標(biāo)，其值較低會(huì)導(dǎo)致地表徑流增大，易引發(fā)水土流失，造成水源地周邊生態(tài)環(huán)境惡化。環(huán)保投資占GDP比例體現(xiàn)管理機(jī)構(gòu)對(duì)于水源地周邊環(huán)境保護(hù)及污染治理力度，研究表明當(dāng)其值達(dá)到1%～1.5%時(shí)，才能基本控制環(huán)境污染，提高到2%～3%時(shí)，才能改善環(huán)境質(zhì)量。水土流失率，即水源地研究區(qū)內(nèi)水土流失面積與土地總面積的比值，水土流失造成土壤剝蝕，易造成水體富營(yíng)養(yǎng)化，嚴(yán)重影響水資源的開發(fā)利用，對(duì)水源地陸域范圍內(nèi)生態(tài)造成嚴(yán)重破壞。環(huán)境自凈能力主要取決于區(qū)域內(nèi)水環(huán)境的總量，當(dāng)環(huán)境受到污染時(shí)，在物理、生物與化學(xué)作用下，環(huán)境可以逐步消除污染達(dá)到自然凈化，選用水源地保護(hù)區(qū)陸域范圍內(nèi)年產(chǎn)水模數(shù)[14]作為計(jì)算自凈能力等級(jí)的特征量，計(jì)算公式為

M=4lgRm

(1)

式中：M為水環(huán)境自凈能力等級(jí)；Rm為研究區(qū)多年平均年產(chǎn)水模數(shù)。

土壤侵蝕強(qiáng)度是衡量水土流失強(qiáng)度的指標(biāo)，它反映了單位時(shí)間內(nèi)單位面積上的土壤在人類活動(dòng)及自然作用下的土壤侵蝕量。本文采用水源地20 km緩沖區(qū)范圍內(nèi)的DEM、遙感影像、降雨數(shù)據(jù)、土壤等數(shù)據(jù)，通過GIS、ENVI遙感軟件處理得到水源地陸域土壤侵蝕各侵蝕因子?xùn)鸥穹植?，根?jù)修正通用土壤流失方程，利用各因子?xùn)鸥癔B加計(jì)算得到土壤侵蝕強(qiáng)度分布。

A=RKLSCP

(2)

式中：A為土壤侵蝕強(qiáng)度；R為降雨侵蝕力因子；K為土壤可蝕性因子；LS為坡長(zhǎng)坡度因子；C為地表植被覆蓋與管理因子；P為水土保持措施因子。

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

在充分考慮專家意見的基礎(chǔ)上，采用層次分析法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，既避免了過于主觀，又能保證決策者意愿導(dǎo)向的準(zhǔn)確表達(dá)。采用1～9標(biāo)度對(duì)指標(biāo)相對(duì)重要程度賦值，從而構(gòu)造比較判斷矩陣X，元素Xij表示第i行因素Xi相對(duì)于第j列因素Xj的重要程度，1～9標(biāo)度的具體含義見表1。

表1 標(biāo)度的含義

邀請(qǐng)10位經(jīng)驗(yàn)豐富的專家學(xué)者對(duì)指標(biāo)間的相對(duì)重要性程度進(jìn)行討論，構(gòu)建長(zhǎng)江江蘇段水源地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的比較判斷矩陣V(式(3))，計(jì)算判斷矩陣的最大特征值為6.275，一致性檢驗(yàn)指標(biāo)為0.043 7，滿足一致性檢驗(yàn)要求。進(jìn)而求得農(nóng)藥化肥施用強(qiáng)度、植被覆蓋率、環(huán)保投資占GDP比例、水土流失率、水環(huán)境自凈能力、土壤侵蝕強(qiáng)度的相對(duì)權(quán)重分別為0.066 5、0.219 3、0.039 3、0.133 1、0.295 6、0.246 1。

(3)

1.3 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值的計(jì)算

由于各個(gè)生態(tài)指標(biāo)量綱不同，不能直接計(jì)算其生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)值，通過統(tǒng)一化計(jì)算消除指標(biāo)間不同量綱的影響：

(4)

式中：Ii為指標(biāo)i的風(fēng)險(xiǎn)值；Cik為指標(biāo)i的k級(jí)數(shù)值；Cik+1為指標(biāo)i的k+1級(jí)數(shù)值；Iik為指標(biāo)i的k級(jí)指數(shù)值。植被覆蓋率、環(huán)保投資占比和水環(huán)境自凈能力3個(gè)指標(biāo)為數(shù)值越高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)越低，所以計(jì)算公式與其他指標(biāo)的指數(shù)計(jì)算公式相反。

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值由各指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)值加權(quán)計(jì)算得到：

(5)

式中：Re為水源地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值；Wi為各生態(tài)指標(biāo)權(quán)重；n為指標(biāo)數(shù)。

表2 風(fēng)險(xiǎn)度等級(jí)劃分及含義

表3 不同生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)應(yīng)的指標(biāo)值范圍

1.4 風(fēng)險(xiǎn)度劃分

根據(jù)水源地特征將水源地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分為5個(gè)等級(jí)，即低、較低、一般、較高、高，具體劃分標(biāo)準(zhǔn)和含義見表2。通過換算以及長(zhǎng)江江蘇段水源地歷史資料縱向?qū)Ρ群蛧?guó)內(nèi)其他飲用水水源地資料橫向?qū)Ρ?，得到不同生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)應(yīng)的指標(biāo)值范圍見表3。

2 實(shí)例研究

2.1 江浦-浦口水源地概況

江浦-浦口飲用水水源地位于長(zhǎng)江南京河段干流浦口區(qū)城南河河口處，現(xiàn)為浦口區(qū)重要供水水源地，目前建有江浦水廠和浦口水廠。江浦水廠取水能力10萬m3/d，供水人口約32萬人，供水面積380 km2；浦口水廠供水人口42萬人。

2.2 江浦-浦口水源地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

基于遙感衛(wèi)星影像和統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)，運(yùn)用RS/GIS技術(shù)對(duì)水源地20 km陸域緩沖區(qū)進(jìn)行目視解譯、空間插值、植被參數(shù)提取以及柵格計(jì)算等操作，提取相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)各生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)值賦值。

a. 農(nóng)藥化肥使用強(qiáng)度。據(jù)2016年南京市統(tǒng)計(jì)年鑒，2015年末農(nóng)作物總播種面積為31.688萬hm2，農(nóng)藥化肥施用量為7.45萬t，農(nóng)藥化肥使用強(qiáng)度為235.1 kg/hm2，低于全國(guó)平均施用強(qiáng)度，屬于較低施用水平，判斷其對(duì)應(yīng)低風(fēng)險(xiǎn)度。

b. 植被覆蓋率。選取2013—2016年的7—9月3期遙感影像，運(yùn)用ENVI及GIS進(jìn)行土地利用目視解譯(圖1)，裁剪并提取水源地保護(hù)區(qū)外20 km緩沖區(qū)內(nèi)的植被覆蓋面積，得出植被覆蓋率為50.11%，根據(jù)植被蓋度劃分標(biāo)準(zhǔn)，屬于植被中覆蓋，能夠較好的涵養(yǎng)水源，減少水土流失程度，判斷其對(duì)應(yīng)較低風(fēng)險(xiǎn)度。

c. 環(huán)保投資占GDP比例。據(jù)2016年南京市統(tǒng)計(jì)年鑒，2015年GDP為9 720.77億元，其中環(huán)保支出31.57億元，占GDP總量的0.33%，南京市環(huán)保投入占比偏低，資金不足將會(huì)影響環(huán)保治理力度以及完成程度，對(duì)于水源地環(huán)保措施的落實(shí)造成一定的影響，判斷其對(duì)應(yīng)高風(fēng)險(xiǎn)度。

d. 水土流失率。據(jù)2013年江蘇省水土保持通報(bào)，南京市水土流失面積為612 km2，水土流失率為9.29%，總體流失程度一般，而水源地周邊多為城鎮(zhèn)與植被用地，水土流失對(duì)于水源地影響較小，判斷對(duì)應(yīng)較低風(fēng)險(xiǎn)度。

e. 水環(huán)境自凈能力。據(jù)2015年南京市統(tǒng)計(jì)年鑒及水資源公報(bào)，計(jì)算南京市浦口區(qū)產(chǎn)水模數(shù)為65.37萬m3/km2，得出水環(huán)境自凈能力等級(jí)為7.26，表明水源地周邊水環(huán)境自凈能力較強(qiáng)，水源地具有較強(qiáng)納污能力，判斷其對(duì)應(yīng)較低風(fēng)險(xiǎn)度。

f. 土壤侵蝕強(qiáng)度。根據(jù)浦口-江浦水源地20 km緩沖區(qū)范圍內(nèi)的DEM高程數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、降雨數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)，通過GIS、ENVI軟件處理得到水源地陸域土壤侵蝕強(qiáng)度分布見圖2。由式(2)計(jì)算得平均土壤侵蝕強(qiáng)度為724.31 t/(hm2·a)，根據(jù)土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合水源地周邊特征，判斷其土壤侵蝕強(qiáng)度為輕度侵蝕，對(duì)應(yīng)一般風(fēng)險(xiǎn)度。

根據(jù)前文計(jì)算方法得到長(zhǎng)江江浦-浦口水源地生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)值為0.365 7，對(duì)應(yīng)較低風(fēng)險(xiǎn)度。江浦-浦口水源地保護(hù)區(qū)外20 km緩沖區(qū)范圍內(nèi)植被中度覆蓋，水土流失范圍少，土壤侵蝕為輕度侵蝕，總體生態(tài)環(huán)境保持較好。但水源地周邊開發(fā)程度高，多為住宅區(qū)，居民生產(chǎn)生活對(duì)水源地水質(zhì)產(chǎn)生一定的不利影響。同時(shí)，環(huán)保投資力度不足，增加了環(huán)境保護(hù)以及污染治理的難度，不利于飲用水環(huán)境的維護(hù)和進(jìn)一步改善。

3 結(jié) 論

a. 根據(jù)長(zhǎng)江江蘇段水源地生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀及特點(diǎn)，選定農(nóng)藥化肥施用強(qiáng)度、植被覆蓋率、環(huán)保投資占GDP比例、水土流失率、水環(huán)境自凈能力和土壤侵蝕強(qiáng)度等6個(gè)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建了長(zhǎng)江江蘇段水源地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型。

b. 選取江浦-浦口水源地進(jìn)行實(shí)例研究，計(jì)算得到其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值為0.365 7，屬于較低風(fēng)險(xiǎn)度等級(jí)。研究區(qū)內(nèi)植被中度覆蓋，水土流失范圍少，土壤侵蝕為輕度侵蝕，總體生態(tài)環(huán)境保持較好，但水源地周邊開發(fā)程度高，環(huán)保投資力度不足，不利于飲用水環(huán)境的維護(hù)和進(jìn)一步改善。