太湖蓝藻水华灾害风险分区评估方法研究

刘聚涛,杨永生,姜加虎,高俊峰*(.江西省水利科学研究院,江西 南昌 33009；.中国科学院南京地理与湖泊研究所,江苏 南京 0008)

太湖蓝藻水华灾害风险分区评估方法研究

刘聚涛1,杨永生1,姜加虎2,高俊峰2*(1.江西省水利科学研究院,江西 南昌 330029；2.中国科学院南京地理与湖泊研究所,江苏 南京 210008)

通过对太湖蓝藻水华灾害风险分析,构建太湖蓝藻水华风险评估指标体系,结合风险评估概念,建立太湖蓝藻水华灾害风险评估方法.在此基础上,以2008年为基准年,结合太湖9个分区,评估各湖区蓝藻水华灾害危险性、易损性、脆弱性和综合风险.结果表明,综合风险最大的区域集中在太湖的北部,尤其作为水源地的贡湖风险最大,为重度风险;竺山湖、梅梁湾和西部沿岸由于其危险性较大,而总体风险较大,为中度风险;其他湖区风险较小,胥湖、南部沿岸和大太湖为轻度风险;太湖的东南部湖区箭湖东茭咀和东太湖由于水体富营养化程度较低,植物覆盖率较高,蓝藻水华发生危险性较小,综合风险指数较小,为轻微风险.

蓝藻水华灾害；风险评估；太湖

20世纪 80年代后期开始,太湖北部的梅梁湾频繁暴发蓝藻水华,2000年以来,蓝藻水华发生频率增加,范围扩大,并且逐渐向湖心扩散[1-3].蓝藻水华频发导致水环境质量下降,直接威胁着周边城市饮水水源.2007年太湖蓝藻水华事件导致无锡市 200多万居民饮水困难,引起社会的广泛关注.

有效的蓝藻水华灾害风险管理是实现太湖水资源和周边社会经济可持续发展的重要保障.为有针对性地制定防灾预案,需从区域上对蓝藻水华灾害进行风险评估.开展太湖蓝藻水华灾害风险分区评估,有利于认识太湖各湖区蓝藻水华灾害发生及其可能造成危害大小,对于蓝藻水华灾害风险管理具有重要的现实意义.

作者通过对蓝藻水华灾害的分析,分别从自然属性和社会属性两方面评估了蓝藻水华灾害的强度和灾情[4].并在评估的基础上,根据历史灾害状况和蓝藻水华发生的主要环境因子,对太湖进行蓝藻水华灾害发生危险性分区评价,估算各湖区蓝藻水华发生的可能性[5].在危险性评价的基础上,结合蓝藻水华灾害的易损性、脆弱性和易损性分析,构建太湖蓝藻水华灾害风险评估指标体系,运用综合指数构建风险评估模型,并以2008年数据对该评估模型进行验证,以期为太湖各湖区防灾减灾以及蓝藻水华灾害风险管理提供科学依据和技术支持.

1 太湖蓝藻水华灾害风险评估指标体系构建

参考赤潮灾害风险评估指标体系[6],结合风险评估概念[6-8],构建多层次蓝藻水华评估指标体系,如表1所示,目标层为蓝藻水华灾害风险评估,准则层为危险性指标、易损性指标和脆弱性指标[9],指标层为评估时选取的具体指标.

表1 太湖蓝藻水华灾害风险评估指标体系Table 1 Index system for the risk evaluation of cynaobacteria bloom hazard in Taihu Lake

危险性评价指标包括历史灾害危险性和潜在灾害危险性指标.历史灾害危险性指标主要包括历史灾害密度和历史灾害规模.潜在危险性是预测蓝藻水华灾害发生和程度的自然属性.通过采用Chla浓度、TN浓度和TP浓度来进行潜在危险性评价[5],由于该指标相对简单,主要集中于水环境因子,故在此基础上,增加了风向和水生植被的指标.构建指标体系主要包括湖区沿风向所处位置、湖区封闭程度、Chla浓度、TN浓度、TP浓度和水生植物覆盖面积百分比.

在灾害风险评价中, 受灾害危害对象的数量、密度、价值称为易损性条件.易损性指标包括人口易损性和经济易损性,其中人口易损性主要为饮用水源地影响人口;经济易损性指标包括直接经济损失和间接经济损失[10-13],其中直接经济损失包括生活用水损失和旅游损失,间接经济损失为灾后救灾投入.

脆弱性表示受灾区社会或环境受蓝藻水华灾害影响的程度,主要指蓝藻水华灾害影响人口占区域百分比.

2 太湖蓝藻水华灾害风险评估方法

2.1 数据标准化方法

首先需要对各指标进行标准化处理,去除各指标的量纲.与蓝藻水华灾害风险呈正相关和负相关的指标分别按式(1)和式(2)进行计算.

式中: i表示第i个湖区; j表示第j个指标; Ai;表示第i个湖区第j个指标标准化值; xij表示实测值; xjmax表示第j个指标中最大值; xjmin表示第j个指标中最小值.

规范化后的指标特征值具有相同的取值趋势(值越大,风险越大)和取值范围(［0,1］区间),使得指标值的优劣具有可比性,保证了评价结果的一致性.

2.2 权重确定方法

由于对与蓝藻水华灾害风险的研究相对较少,专家经验对指标权重的确定具有重要指导作用,因此本研究采用定性与定量相结合的权重赋值方法即层次分析法(AHP)[14-15]来确定权重.该方法在专家确定法的基础上,进行数学分析,判断最大特征值的一致性,当一致性检验值(CR)＜0.10时,接受该分析结果.

2.3 风险分级体系

参考国内外风险评价标准,对太湖蓝藻水华灾害风险程度进行分级(表2).

表2 太湖蓝藻水华灾害风险程度分级体系Table 2 Grading system of risk degree for cynaobacteria bloom hazard in Taihu Lake

2.4 综合评估方法

根据太湖蓝藻水华灾害风险评估指标框架和自然灾害风险计算公式,利用层次分析法和加权综合评分法,建立太湖蓝藻水华灾害风险评估模型:

式中: RI表示风险综合指数,其值越大,说明蓝藻水华灾害风险越大; H、E和V分别表示太湖蓝藻水华灾害危险性、易损性和脆弱性大小, A为各评价指标的量化值,W为权重系数,i为评价因子.

3 太湖蓝藻水华灾害风险分区评估

3.1 评估单元划分

根据参考文献[5],把太湖分为9个湖区,如图1所示.

图1 太湖9个分区示意Fig.1 Sketch of of nine regions in Taihu lake

3.2 指标含义

历史灾害密度和规模:历史灾害密度指各湖区平均蓝藻水华灾害发生次数,单位为次/年;历史灾害规模指平均蓝藻水华面积占湖区百分比.根据灾害评估方法,分别对近几年灾害进行统计.

湖区沿风向所处位置:按照湖泊分区沿夏季盛行东南风向所处位置分为3类,分别进行打分,如表3所示.

表3 不同湖区所处位置赋值Table 3 Assignment of the different regions in Taihu Lake

湖区封闭程度:湖区封闭程度是指湖区岸线长度与湖区面积圆形周长之比,无纲量.

Chla浓度、TN浓度、TP浓度:以2004～2008年Chla、TN和TP浓度为基础,计算各湖区该指标平均浓度,单位为mg/L.

水生植物覆盖面积百分比:以2007年夏季水生植物覆盖面积为基础,计算各湖区覆盖面积所占百分比,无量纲.

饮用水源地影响人口:指蓝藻水华灾害发生后影响的人口数量,单位为万人.

经济损失:指受蓝藻水华灾害影响,导致水厂停水而造成的居民生活用水增加成本、旅游损失和灾后减灾救灾投入,单位为万元.

影响人口占区域百分比:指受蓝藻水华发生影响饮用水源地人口占区域总人口百分比.数据来源于2009年江苏统计年鉴[16]和浙江统计年鉴[17].

3.3 指标权重的确定

通过对指标两两比较,构造判断矩阵,通过计算一致性检验,确定各准则层及指标层内各指标的单排序权重值,权重计算结果如表4所示.其中,危险性指标权重一致性检验值 CR=0.0037,易损性、脆弱性和风险综合评估指标权重的一致性检验值CR=0.0000,根据计算结果, CR＜0.10,说明权重的计算具有可信性.在危险性指标、易损性指标和脆弱性指标中,通过层次分析法进行分析并经过一致性检验,3个指标的权重分别为0.4906、0.3289和 0.1805.危险性指标表示蓝藻水华灾害发生的可能性,其权重最大,表明一旦蓝藻水华灾害发生,其可能造成较大的人口和经济影响.

表4 太湖蓝藻水华灾害风险评估指标权重Table 4 Index weights of cynaobacteria bloom hazard risk evaluation in Taihu Lake

3.4 太湖蓝藻水华灾害风险评估

根据太湖蓝藻水华灾害风险评估方法,以太湖九个湖区为评估单元,评估各湖区蓝藻水华灾害的危险性、易损性和脆弱性,在此基础上进行风险综合评估,为预防和减轻蓝藻水华灾害提供理论基础和科学依据.

3.4.1 危险性评估 根据风险评估方法,对太湖蓝藻水华灾害危险性进行分区评估,各湖区危险性评分及排序如表5所示.

根据评价结果可知,竺山湖和西部沿岸危险性指数最大,分别为0.8360和0.8189,为极重危险性;梅梁湾居第3位,危险性指数0.7457,为重度危险性;南部沿岸、贡湖和大太湖危险性指数分别为 0.4433、0.4431和 0.4408,三者危险性相差不大,为中度危险性;胥湖、箭湖东茭咀和东太湖最小,危险性指数分别为0.1974、0.1188和0.1182,为轻微危险性,评价结果与文献[5]基本相一致.

竺山湖、西部沿岸和梅梁湾危险性最大,南部沿岸、贡湖和大太湖居中,胥湖、箭湖东茭咀和东太湖最小,太湖各湖区危险性指数排序基本与湖区沿风向所处位置相一致.夏季盛行东南季风,蓝藻水华在湖区西北部聚集,危险性沿风向在西北部最大,东南部最小,说明夏季风向对蓝藻水华灾害危险性具有重要作用.在胥湖、箭湖东茭咀和东太湖3个湖区,由于历史灾害危险性较小,并且,箭湖东茭咀和东太湖水生植物覆盖率最大,减小蓝藻水华发生机率;因此该 3个湖区危险性指数最小,基本无蓝藻水华灾害风险.

表5 太湖蓝藻水华灾害危险性评估Table 5 Hazard risk evaluation of cynaobacteria bloom in Taihu Lake

3.4.2 易损性评估 根据风险评估方法,对太湖蓝藻水华灾害易损性进行分区评估,各湖区易损性评分及排序如表6所示.

各湖区中,贡湖、东太湖和胥湖 3个湖区作为饮用水源地具有一定的人口易损性,在2007年之后,梅梁湾不再作为重要饮用水源地,因此该湖区人口易损性为 0.在经济易损性指标中,经济损失结合各湖区受不同类型灾害影响概率来计算,因此,对于蓝藻水华灾害发生概率相近的湖区经济易损性相近.东太湖、胥湖和箭湖东茭咀由于无蓝藻水华灾害发生,该湖区经济易损性为 0;梅梁湾和南部沿岸经济易损性较大,经济易损性指数分别为 1和 0.9866;贡湖和竺山湖分别为0.7676和 0.7356;大太湖和西部沿岸由于造成的经济损失相同,经济易损性指数皆为0.5009.

表6 太湖蓝藻水华灾害易损性评估Table 6 Exposure risk evaluation of cyanobacteria bloom hazard in Taihu Lake

表7 太湖蓝藻水华灾害脆弱性评估Table 7 Vulnerability risk evaluation of cynaobacteria bloom hazard in Taihu Lake

通过对太湖各湖区易损性评价,贡湖易损性最大,易损性指数为 0.9067,为极重易损性;其次为梅梁湾,易损性指数为 0.4013,为中度易损性;南部沿岸、胥湖、竺山湖和大太湖易损性指数分别为0.3785,0.2952,0.2010和0.2010,为轻度易损性;东太湖较小,为 0.1588,为轻微易损性;箭湖东茭咀易损性指数为0.

3.4.3 脆弱性评估 根据风险评估方法,对太湖蓝藻水华灾害脆弱性进行分区评估,各湖区脆弱性评分及排序如表7所示.

通过对太湖各湖区脆弱性评价,胥湖、贡湖和东太湖3个湖区易损性较大,分别为1、0.9089和0.3789;其它湖区的脆弱性较小,都小于0.1.

太湖9个湖区中,由于胥湖、贡湖和东太湖3个湖区属于水源地,水源供给人口较多,因此影响人口占区域百分比相对较大,这 3个湖区易损性较大;其他湖区,由于影响人口的统计主要为湖区1km 范围内人口,并无水源地影响人口,因此,脆弱性较小.

3.4.4 风险综合评估 根据风险评估方法,对太湖蓝藻水华灾害风险进行分区评估,各湖区风险综合指数及排序如表8所示.

表8 太湖蓝藻水华灾害风险综合评估Table 8 Comprehensive risk evaluation of cynaobacteria bloom hazard in Taihu Lake

通过对太湖各湖区蓝藻水华灾害风险综合评估,贡湖风险综合指数分别为0.7150,为重度风险区;竺山湖、梅梁湾和西部沿岸风险综合指数分别为 0.5977,0.5761和 0.5550,为中度风险区;胥湖、南部沿岸和大太湖风险综合指数分别为0.3719,0.3675和0.2937,为轻度风险区;东太湖和箭湖东茭咀最小,风险综合指数分别为0.1260和0.0006,为轻微风险区.

在各湖区综合风险评价中,贡湖由于其作为太湖重要饮用水源地,供水人口最多,并且该湖区存在蓝藻水华灾害危险性,可能引起一定的人口影响和经济损失,风险程度最大.竺山湖、梅梁湾和西部沿岸3个湖区蓝藻水华灾害发生的危险性最大,尽管易损性和脆弱性较小,但其综合风险评分仍然较高,分居各湖区第2、第3和第4位,为中度风险区.胥湖由于其作为饮用水源地存在,供给人口较多,易损性和脆弱性较大,所以,尽管其在该湖区蓝藻水华灾害发生的危险性较小,综合评分也相对较高,为轻度风险区.南部沿岸和大太湖存在一定的蓝藻水华发生危险性,但其易损性和脆弱性较小,风险综合评分也相对较小,为轻度风险区.尽管东太湖和箭湖东茭咀位于太湖东南部,水质较好,植被覆盖率较大,并且无蓝藻水华发生危险性,综合风险指数较小,为轻微风险区.

4 结论

4.1 构建了太湖蓝藻水华灾害风险评估指标体系,主要包括危险性评价指标、易损性评价指标和脆弱性评价指标.

4.2 根据太湖蓝藻水华灾害风险评估指标框架和自然灾害风险计算公式,利用加权综合评分法和层次分析法,建立太湖蓝藻水华灾害风险评估模型.把蓝藻水华灾害风险分级体系分为轻微、轻度、中度、中度和极重风险5个等级.

4.3 根据评估指标体系和评估模型,以目前太湖各指标所处状态,对太湖各湖区蓝藻水华发生的危险性、易损性、脆弱性和综合风险进行评价.评价结果与目前认识水平基本相一致.

[1] Chen Yu-wei, Qin Bo-qiang, Teubner K, et a1. Long-term dynamics of phytoplankton assemblages: Microcystis-domination in Lake Taihu, a large shallow lake in China [J]. Journal of Plankton Research, 2003,25(1):445-453.

[2] 朱广伟.太湖富营养化现状及原因分析 [J]. 湖泊科学, 2008,20(1):21-26.

[3] 旷 达,韩秀珍,刘 翔,等.基于环境一号卫星的太湖叶绿素 a浓度提取 [J]. 中国环境科学, 2010,30(9):1268-1273.

[4] 刘聚涛,高俊峰,赵家虎,等.太湖蓝藻水华灾害程度评价方法[J]. 中国环境科学, 2010,30(6):829-832.

[5] 刘聚涛,高俊峰,姜加虎,等.基于突变理论的太湖蓝藻水华危险性分区评价 [J]. 湖泊科学, 2010,22(4):488-494.

[6] 文世勇,赵东至,张丰收,等.赤潮灾害风险评估方法 [J]. 自然灾害学报, 2009,18(1):106-111.

[7] 文世勇.赤潮灾害风险评估理论与方法研究 [D]. 大连:大连海事大学, 2007:21-24.

[8] 黄 蕙,温家洪,司瑞洁,等.自然灾害风险评估国际计划述评——评估方法 [J]. 灾害学, 2008,23(3):96-101.

[9] 张继权,李 宁.主要气象灾害风险评价与管理的数量化方法及其应用 [M]. 北京:北京师范大学出版社, 2007:72-73.

[10] 赵冬至,李亚楠.赤潮灾害经济损失评估技术研究 [C]//渤海赤潮灾害监测与评估研究文集.北京:海洋出版社, 2000:144- 150.

[11] 赵 玲,赵东至,张昕阳,等.我国有害赤潮的灾害分级与时空分布 [J]. 海洋环境科学, 2003,22(5):15-19.

[12] 黄崇福.自然灾害风险评价理论与实践 [M]. 北京:科学出版社,2005.

[13] 佟蒙蒙.我国的赤潮的分型分级及赤潮灾害评估体系 [D]. 广州:暨南大学, 2006:26-27.

[14] 许树柏.层次分析法原理 [M]. 天津:天津大学出版社, 1988.

[15] 张 从.环境评价教程 [M]. 北京:中国环境科学出版社,2002:10.

[16] 江苏省统计局.国家统计局江苏调查总队. 2009江苏统计年鉴[M]. 北京:中国统计出版社, 2009.

[17] 浙江省统计局.国家统计局浙江调查总队. 2009浙江统计年鉴[M]. 北京:中国统计出版社, 2009.

Risk evaluation method of cyanobacteria bloom hazard in Taihu Lake.

LIU Ju-tao1, YANG Yong-sheng1, JIANGJia-hu2, GAO Jun-feng2*(1.Jiangxi Provincial Institute of Water Sciences, Nanchang 330029, China；2.Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China). China Environmental Science,2011,31(3)：498～503

Based on the risk analysis of cynaobacteria bloom hazard in Taihu Lake, the index system for the cynaobacteria bloom risk evaluation was constructed. Combined with the concept of risk evaluation, the risk evaluation method was established. On the basis, the hazard risk, exposure risk, vulnerability risk, and comprehensive risk of the nine lake regions in Taihu Lake were evaluated taking 2008 as the base year. The largest risk regions were in northern part of Taihu Lake,especially the Gonghu Lake was the most serious as the water source area. The risk in Zhushan Lake, Meiliang Bay and western coastal was middle for the large hazard risk. In the other regions, the risk in Xuhu Lake, southern coastal and big Taihu Lake was light risk, and there were almost no cyanobacteria bloom outbreak risk for the light eutrophication and large vegetation cover in the southwest regions of Taihu Lake.

cyanobacteria bloom hazard；risk evaluation；Taihu Lake

X824

A

1000-6923(2011)03-0498-06

2010-07-12

国家“973”项目(2008CB418106);中国科学院知识创新工程重大交叉项目(KZCX1-YW-14-6).

* 责任作者, 研究员, gaojunf@niglas.ac.cn

刘聚涛(1983-),男,河南舞阳人,工程师,博士,主要研究生态环境灾害评价研究.发表论文7篇.